Warum ist Wasserstoffenergie relevant für das Wohnen?
Der Strom, den wir in unseren Haushalten verwenden, wird größtenteils aus Kraftwerken zu uns transportiert. Der Strom wird in Kohle-, Öl-, Wasser oder Kernkraftwerken erzeugt und als Hochspannungsstrom zu Umspannungswerken geleitet, um so auch weit entfernte Regionen zu erreichen. In den Umspannungswerken wird über Verteiltransformatoren der Strom zur Versorgung der Haushalte umgewandelt. Der in den Kraftwerken erzeugte Strom hat eine Spannung von etwa 20 kV und der Stromtransport über große Entfernungen wird möglich, indem man seine Spannung erhöht. Außerdem werden durch eine hohe Spannung Verluste der Stromstärke verringert und so die Effizienz erhöht.
Trotzdem kommt es während des Transports über Stromleitungen von den Kraftwerken bis zu den Haushalten zu Stromverlusten. Wenn nun alle Haushalte zumindest einen Teil ihres nötigen Stroms selbst produzieren würden, wäre weniger Infrastruktur nötig. Ein Teil der Kosten für Großkraftwerke, Umspannwerke, Transformatoren, Freileitungsmasten und anderer Strommasten ließe sich senken und auch die zuvor erwähnten Stromverluste durch die Übertragung wären geringer.
▲ Quelle | The NEED Projekt (National Energy Education Development Project)
Es gibt zwar Generatoren für Haushalte, die mithilfe von Brennstoffen Strom erzeugen, aber die Stromerzeugung aus umweltfreundlichen, regenerativen Energien wie Solarstrom, Sonnenhitze, Windenergie oder Geothermie wäre deutlich hilfreicher, um Energieverluste zu vermeiden und eine Schädigung der Umwelt zu verhindern. Ein repräsentatives Beispiel sind zum Beispiel Solarkollektoren, bei denen Solarstrom erzeugt wird und die sich inzwischen an immer mehr Häusern finden lassen. Die Kosten für Solarstrom sinken beständig, so dass für die Zukunft mit einer noch stärkeren Verbreitung gerechnet wird.
Meist wird dabei Energie durch Solarkraft erzeugt, aber dann in Batterie gespeichert und immer bei Bedarf abgegeben. Wenn nun statt einer Batterie Wasserstoff zur Energiespeicherung verwendet würde, würde das Haus auf umweltfreundliche Weise grünen Wasserstoff verwenden. Dabei wird der aus Solarkraft erzeugte Strom zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt. Damit lässt sich Energie speichern und, immer wenn Strom benötigt wird, lässt sich diese mithilfe einer Wasserstoffzelle wieder in Strom umwandeln.
▲ Quelle | hydrogenhouseproject.org
Anders als Sekundärbatterien unterliegt zur Stromspeicherung verwendeter Wasserstoff kaum chemischen Veränderungen, sodass verhindert werden kann, dass die Leistung bei einer Stromspeicherung über eine lange Zeit hin abfällt. Außerdem erzeugen Wasserstoffzellen bei der Stromerzeugung keine Schadstoffe, sondern reines Wasser, was sie deutlich umweltfreundlicher macht.
▲ Quelle | Lazard
Hier gibt es verschiedene Modelle: Den ganzen Tag über wird, solange die Sonne scheint, Strom erzeugt und dann nachts direkt verwendet oder es wird den Sommer über, wenn die Tage lang sind, Strom erzeugt, als Wasserstoff gespeichert und dann im Winter verbraucht, wenn die Tage kurz und dunkel sind. Wenn zusätzlich Wasserstoffautos ins Spiel kommen, kann der gespeicherte Wasserstoff auch direkt als Brennstoff für das Auto verwendet werden. Auf diese Weise können Haushalte komplett energieautark werden. Indem Solarenergie so direkt in den Haushalten gespeichert wird, kann sie unbegrenzt zum Heizen, zum Kochen, für elektrische Geräte, für die Beleuchtung und als Brennstoff für Autos verwendet werden und dabei werden keine umweltschädlichen Emissionen und Treibhausgase ausgestoßen. Dies entspricht genau der Vision einer Wasserstoffwirtschaft, die wir anstreben.
Übersicht über aktuelle Wasserstoffenergieprojekte im Bereich Wohnen
Das amerikanische „Hydrogen House“-Projekt in Pennington, New Jersey, ist ein kommerziell produziertes Solar-Wasserstoff-Wohnhaus, das sowohl netzgekoppelt (on-grid) als auch für den Inselbetrieb (off-grid) verwendet werden kann. Mike Strizki hat 2006 das Konzept für das „Hydrogen House“ entwickelt und dafür internationales Prestige gewonnen. Beim Hydrogen House Project handelt es sich wirklich um ein „grünes Zuhause“, da es mit dem Energiesystem „Off-grid box“ sogar eine Filtrationsanlage zur Wasseraufbereitung enthält. Was dieses Haus von anderen Solarhäusern unterscheidet ist, dass, auch wenn es vom Netz getrennt ist, der Strom bewahrt wird und so das ganze System optimal verwendet werden kann. Dabei werden nicht nur Technologien im Bereich saubere, regenerative Energien verwendet, sondern es entstehen auch reines Wasser und reiner Sauerstoff (z. B. für medizinische Anwendungen) und zwar alles auf umweltfreundliche Weise.
In Devon in England wird gerade ein netzunabhängiges Solar-Wasserstoff-Haus gebaut. Bei diesem Projekt handelt es sich um ein einzelnes Haus, bei dem der gesamte Strom autark durch Solarenergie und Wasserstoff produziert wird. Durch eine Solaranlage wird unabhängig Strom gewonnen und kann in einem Wasserstofftank unbeschränkt gespeichert werden. Bis dieses Projekt schließlich genehmigt wurde, waren 6,5 Jahre an Forschung und Entwicklung nötig. Insofern dient es als Testanlage, um eine breitere, kommerzielle Verwendung vorzubereiten.
In Prettau in Südtirol (Italien) wurde ein energieautarkes Wasserstoff-Haus eröffnet, bei dem kein CO₂ freigesetzt wird. Hierbei wurde ein Wasserstoff-System verwendet, das die Firma GKN aus dem nahegelegenen Bruneck entwickelt hat. Bei diesem System wird die erzeugte, elektrische Energie zur Herstellung von Wasserstoff verwendet. Dieser Wasserstoff wird gespeichert und je nach Bedarf dann wieder in Strom oder Wärme umgewandelt. Als Energiequelle für dieses in den Bergen gelegene Haus dient eine Wasserturbine. Mit dem so erzeugten Strom wird Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wasser erzeugt und dann über eine Technologie zur Wasserstoffspeicherung in Metallpulver gelagert. Die für das Gebäude nötige Energie wird dann durch eine Brennstoffzelle gewonnen.
Bei der Metallhydridspeicher-Technologie lagert sich der Wasserstoff atomar am Metall an und kann anders als bei anderen Speichertechnologien als Feststoff gelagert werden. Der Vorteil von Metallhydriden liegt in ihrem großen Wasserstoffspeichervermögen, allerdings ist die Massendichte sehr groß und die Technologie lässt sich daher z. B. nur eingeschränkt für Speicherzellen in Fahrzeugen einsetzen. Im Fall von Wohnhäusern ist allerdings die Möglichkeit, große Mengen von Wasserstoff auf sichere Weise zu speichern, sehr nützlich.
Das koreanische Infrastrukturministerium (Ministry of Land, Infrastructure and Transport) hat im Rahmen der Konferenz zur Koordination staatlicher Inspektionen (State Affairs Inspection and Coordination Conference) unter der Leitung des Premierministers am 10. Oktober 2019 eine „Strategie zur Verwirklichung einer Wasserstoff-Modellstadt“ verkündet. Danach sollen in einer Stadt modellhaft Technologien zur Erzeugung, Speicherung, Übertragung und Verwendung von Wasserstoff umfassend verwirklicht werden und so ein „Wasserstoff-Ökosystem“ geschaffen werden. In der Wasserstoff-Modellstadt sind Wohnblöcke (mit Brennstoffzellen von 440 kW Leistung), Gewerbegebäude (100 kW), eine integrierte Verwaltungsplattform (Zentrum), Wasserstoffleitungen, Gasextraktoren etc. vorgesehen.
Die Wohnblöcke und Versorgungsgebäude der Stadt sollen Wasserstoff als Energiequelle für Elektrizität, Klimatisierung und Heizung etc. verwenden. Zudem wurde für die Stadt ein Verkehrssystem auf der Grundlage von Wasserstoff entwickelt. Dazu sollen ein integriertes Transportsystem, Parkplätze, Busdepots inklusive Ladestationen für Wasserstoffautos und Wasserstoffbusse errichtet werden. Das Zentrum, die integrierte Betriebsplattform, kontrolliert die Versorgung, Speicherung und Verteilung mit Wasserstoff über ein Echtzeit-Monitoring und sorgt so für die Sicherheit des Systems. Da die Verwendung von Wasserstoff als Energiequelle das Risiko von Explosionen birgt, sind zudem weitere Sicherheitsmaßnahmen geplant. So ist ein verpflichtendes Überwachungssystem für alle Einrichtungen nötig, das im Falle eines Unfalls automatisch alle Systeme anhält.
Das koreanische Verkehrsministerium sieht eine Fertigstellung der Modellstadt für 2022 vor. Die Regierung hat in der zugehörigen Roadmap (Politikumsetzungsplan) als Ziel nach der Fertigstellung der Modellstadt eine „Ausbreitungsphase für Wasserstoffstädte“ festgelegt. Danach soll bis 2030 ein Zehntel aller Verwaltungseinheiten (Städte, Landkreise, Bezirke) in Südkorea in Wasserstoffstädte umgewandelt werden. Dazu werden 14.750 Wasserstoffautos und 2.100 Wasserstoffbusse fahren.
Entwurf der Modell-Stadt Je nach Wasserstoffangebot sollen 3-10km² der Stadtfläche für die Modellstadt reserviert werden
*Echtzeit-Monitoring (Überwachung) von Wasserstoffversorgung, -speicherung, -transport und Sicherheit
▲ Quelle | Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Südkorea
Um Wasserstoffenergie zu verwenden, können in Wohnhäusern regenerative Energiequellen wie Solarkraft, Wasserkraft oder Windkraft verwendet werden. Hierbei eignet sich allerdings prinzipiell Solarenergie am besten, da diese etwas unabhängiger von den lokalen Bedingungen ist. Für einen Anbieter umfassender Energielösungen wie Q CELLS ist der Aufbau von Wasserstoffstädten ein sehr zukunftsträchtiges Geschäftsfeld. Bei Solaranlagen und Energielösungen führen wir das Feld an, aber auch bei Wasserstoffenergie können wir uns direkt beteiligen. So können wir die Weiterentwicklung von Brennstoffzellen, Elektrolyse- und Speichervorrichtungen sowie die Distribution von Wasserstoff unterstützen, wenn die Entwicklung von Speichervorrichtungen erfolgreich ist.
Das Wohnumfeld spielt in unserem Leben eine zentrale Rolle. Daher wird die Nutzung von Wasserstoffenergie darin zu einem wirtschaftlich und gesellschaftlich sehr wichtigen Thema werden. Aber nicht nur dort, auch in vielen anderen Bereichen unseres Lebens wird Wasserstoffenergie einen bedeutenden Beitrag leisten, so dass das Potenzial der Wasserstoffwirtschaft schier sehr groß ist.
