Werden bald in allen Häusern Wasserstoffspeicher stehen?

von Ramon Vogel am 11. März 2021

Die Schweiz produziert im Sommer mehr Strom als im Winter, benötigt aber in der kalten Zeit des Jahres mehr Energie als im Sommer. Da jederzeit gleich viel Strom verbraucht werden muss, wie produziert wird, führt diese Situation zu Herausforderungen. Die Problematik wird zusätzlich durch die vermehrte Installation von Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen), die besonders im Sommer viel Strom generieren, als auch durch den Einbau von Wärmepumpen verschärft, die vor allem im Winter Elektrizität verbrauchen. Um diesem Trend entgegenzuwirken, wird in Zukunft vermehrt im Sommer gewonnene Energie bis in den Winter hinein gespeichert werden müssen.

Aktuelle Lösung und neue Varianten

In der Schweiz übernehmen diese Aufgabe bisher Wasserkraftwerke, indem sie ihre grossen Speicherseen füllen. Dazu kommen Exporte und Importe in und aus der EU, die Überschüsse und insbesondere Engpässe im Winter ausgleichen. Die Kapazität der Stauseen kann aber nicht unbeschränkt ausgebaut werden, und unsere Nachbarländer in der EU stehen vor ähnlichen Herausforderungen, weshalb auch Importe keine langfristige Lösung sein können. Es müssen andere Speicherlösungen gefunden werden, und ein Ansatz dazu ist das Speichern von Wasserstoff.

Im Gegensatz zu Batterien eignet sich Wasserstoff gut als Energiespeicher über längere Zeiträume, da kaum Energie verloren geht. Andere Ansätze, wie das Speichern von Energie als Wärme im Boden, könnten einen wertvollen Beitrag zur Wärmeversorgung im Winter leisten, eignen sich aber nicht für das Speichern von Strom. Die Umwandlung von Wasserstoff zu Methan vereinfacht zwar die Lagerung, senkt aber den Wirkungsgrad beträchtlich und ist deshalb meist die teurere Lösung für die saisonale Speicherung. Deshalb ist die Wasserstoffspeicherung die vielversprechendste, saisonale Speichertechnologie als Ergänzung zur Wasserkraft.

Wasserstoff als saisonaler Energiespeicher

Wasserstoff kann mittels Elektrolyse aus Wasser hergestellt werden. Dabei spaltet man Wasser unter elektrischem Strom in die Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff auf. Wie umweltfreundlich der Wasserstoff so produziert werden kann, hängt vor allem auch vom Strommix ab. Stammt der Strom aus erneuerbaren Quellen, spricht man von grünem Wasserstoff.

Dieser so produzierte Wasserstoff muss nun bis im Winter aufbewahrt werden. Da Wasserstoff ein leichtflüchtiges Gas ist und eine sehr geringe Dichte besitzt, muss die Speicherung unter hohem Druck stattfinden, um den Platzbedarf in einem wirtschaftlichen Rahmen zu halten. Deshalb wird Wasserstoff entweder in Druckbehältern oder im Untergrund gespeichert, meist in Salzkavernen. Für die Speicherung existieren auch weitere Optionen wie Metallhydridspeicher oder adsorptive Speicherung, die aber zum aktuellen Zeitpunkt noch teurer sind als Druckbehälter und deutlich teurer als Untergrundspeicherung. Wird nun Strom benötigt, da die Produktion aus PV-Anlagen nur gering ist, kann dieser mittels Brennstoffzellen aus dem Wasserstoff und Luftsauerstoff produziert werden, wobei als Abfallstoff lediglich Wasser anfällt. Somit benötigt man für die saisonale Wasserstoffspeicherung drei Hauptkomponenten; ein Elektrolysegerät, einen Speicher und eine Brennstoffzelle.

Lohnt sich ein Wasserstoffspeicher in Ihrer Immobilie?

Für die Speicherung von Wasserstoff gibt es zwei grundsätzliche Lösungen. Zum einen ist eine Zentralisierung des Prozesses mit grossen Anlagen möglich. Andererseits können Speichersysteme dezentral mit kleineren Speichern in Gebäuden umgesetzt werden, womit die Energie da gespeichert ist, wo sie auch benötigt wird. Da bereits die ersten Hersteller Wasserstoffspeicher für Einfamilienhäuser und Mehrfamilienhäuser im Sortiment haben, lohnt sich ein Blick auf die Vor- und Nachteile einer solchen Anlage. Der Vorteil eines dezentralen Speichers ist, dass die Abwärme, die bei der Elektrolyse und vor allem beim Betrieb der Brennstoffzellen entsteht, direkt vor Ort im Haus zum Heizen oder der Warmwassererzeugung genutzt werden kann. Diese Nutzung ist bei einer zentralen Anlage schwierig umzusetzen. Ausserdem kann beim direkten Verwenden von lokal produziertem Strom das Stromnetz entlastet werden, wodurch auch die Netznutzungsgebühren entfallen. Werden eine grosse PV-Anlage, ein grosser Wasserstoffspeicher, eine Batterie und eine Wärmepumpe kombiniert, ist sogar energetische Unabhängigkeit (Autarkie) technisch umsetzbar.

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1 Schema eines Dezentralen Wasserstoffspeichers in einem Mehrfamilienhaus.

Eine solche Dezentralisierung bringt allerdings auch einige Nachteile mit sich. Zum einen sind kleinere Anlagen bedeutend teurer als grössere, da letztere von Skaleneffekten profitieren können und insbesondere die Speicherung von Wasserstoff in unterirdischen Salzkavernen um ein Vielfaches günstiger ist als in Druckbehältern. Dazu kommt, dass Betreiber von dezentralen Anlagen auf Wärmepumpen nicht verzichtet können, da die Brennstoffzellen für das Decken des gesamten Wärmebedarfs deutlich mehr Strom produzieren würden, als in den meisten Fällen lokal benötigt wird. Der überschüssige Strom müsste dann ans Netz zurückgegeben werden, womit eine Autarkie wieder unmöglich wird. All dies führt zu sehr hohen Investitionen und einem beschränkten Profit.

2 Zentrale Erzeugung, Speicherung und Rückumwandlung von Wasserstoff als saisonaler Energiespeicher.

2 Zentrale Erzeugung, Speicherung und Rückumwandlung von Wasserstoff als saisonaler Energiespeicher.

Eine dritte Möglichkeit ist die Kombination von zentraler Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff, eine Verteilung mit einem Wasserstoffverteilnetzwerk und dezentralen Brennstoffzellen, die bei den Verbrauchern Zuhause installiert werden. Diese Variante könnte die Kosten für die Speicherung im Vergleich zur dezentralen Variante massiv senken und gleichzeitig den Grossteil der Abwärme weiter nutzbar machen. Diese Variante könnte insbesondere in dichtbesiedelten, urbanen Gegenden sinnvoll sein, und zwar insbesondere dann, wenn bereits ein existierendes Erdgasnetzwerk vorhanden ist, das umgerüstet werden könnte. Allerdings sind für diese Variante grosse Investitionen der Netzbetreiber nötig.

Fazit – die Wirtschaftlichkeit entscheidet

Aufgrund der hohen Kosten für komplett dezentrale Wasserstoffspeicher kann man davon ausgehen, dass diese sich kaum grossflächig durchsetzen werden in näherer bis mittlere Zukunft. Auch ist der Nutzen einer potenziellen energetischen Autarkie im Vergleich zu den Kosten sehr klein. Dezentrale Anlagen könnten sich allerdings in einigen Spezialfällen lohnen, beispielsweise an sehr abgelegenen Orten, wenn die Aufrechterhaltung von Netzverbindungen besonders teuer ist und Autarkie somit einen zusätzlichen wirtschaftlichen Nutzen bietet. Auch die Möglichkeit zur dezentralen Nutzung von zentral erzeugtem Wasserstoff in Ballungsgebieten könnte sich in einigen Fällen durchaus lohnen, insbesondere wenn der Energiebedarf in dicht besiedelten Gebieten die Möglichkeit zur Erzeugung übertrifft. Im Allgemeinen gilt aber, dass eine zentrale Speicherung von Energie in Kombination mit dezentralen Wärmepumpen die kostengünstigste und einfachste Lösung für die zukünftige Versorgung mit Strom und Wärme darstellt.

Für dezentrale Energiespeicherung interessanter ist dagegen die Kombination von PV-Anlangen und Batteriespeicher, die den produzierten Strom nur kurzfristig speichern und beispielsweise die Nutzung von Solarstrom über den ganzen Tag verteilt erlauben. Da hier der Speicher nicht nur einmal jährlich, sondern potentiell täglich genutzt wird, lohnt sich eine Batterie schneller und kann den Eigenverbrauch der mit Photovoltaik erzeugten Energie deutlich erhöhen – mehr dazu hier.

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Interessieren Sie sich für eine Wasserstoffspeicherlösung oder möchten Sie mehr über den Einsatz von Wärmepumpen zur Erzeugung Ihrer Wärme erfahren? Schreiben Sie uns an info@s3-engineering.ch oder rufen Sie uns an unter 044 244 46 44 für eine unverbindliche Beratung.

 
Quelle Titelbild: «beginnig» von fdecomite, Creative Commons Lizenz, https://www.flickr.com/photos/fdecomite/6257454326

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