Gebäudeenergieversorgung mit Wasserstoff - Möglichkeiten und Grenzen

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1 Energy Saxony Summit, Dresden Gebäudeenergieversorgung mit Wasserstoff - Möglichkeiten und Grenzen Andreas Herrmann, TU Bergakademie Freiberg, Deutschland

2 Entschädigungszahlung in Mio. Kosten für Abregelung der erneuerbaren Energien Gesamtkosten für Netzstabilisierung in 2017: 1,4 Mrd. Weiterer Anstieg der Kosten auf 2 bis 4 Mrd. prognostiziert Ausweg Mehr Leitungstrassen zw. Erzeugern und Verbrauchern Mehr Flexibilität im Energiesystem Power to H 2 / Gas / Liquid / Heat / X ,0 10,2 6,7% 33,5 33,1 43,7 82,7 20,6% 72,6% Windenergie Solare Strahlungsenergie Biomasse 314,8 643, Quelle: Bundesnetzagentur; EEG in Zahlen

3 Wasserstoffversorgte Gebäude Weitere Projekte: Wohnbauprojekt Phi Sea (Thailand) Wasserstoffhaus in New Jersey Olympisches Dorf (Japan 2020) Bau von Wasserstoffquartieren (Neue Weststadt in Esslingen, Rüsdorfer Kamp in Heide) Verschiedene Projekte in Planung Quelle : Umwelt Arena Schweiz 3

4 Nutzung vorhandener Wasserstoffinfrastruktur HYPOS (Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany) Zweitgrößtes Wasserstoffpipelinenetz von Deutschland (150 km) Kavernenspeicher in der näheren Umgebung Hohes Potential für Stromerzeugung aus Photovoltaik und Windenergie Anschluss von Gebäuden H 2 -Netz prinzipiell möglich Energiebedarf private Haushalte: 27% an Diskrepanz zwischen Erzeugung und Verbrauch / Speicherung von erneuerbarer Energie Grundlegende Voraussetzungen der Infrastruktur bestehen bereits 4

5 Dezentrale Energieversorgung mit H2-Brennstoffzellen Ziele: Gebäudeenergieversorgung mit grünen Wasserstoff Nutzung von elektrischer Energie in AC und DC Netzen Niedertemperaturheizung und Kühlung (Nutzung von Flächenheizungen) Kostenminderung und Effizienzsteigerung Invest.-kosten der Brennstoffzelle: /kw el. Hohe elektrische Wirkungsgrade (ca. 50%) 5

6 Einsatz eines H 2 -BZ-BHKW im Mehrfamilienhaus Bauteilausführung Kennwert Wert Außenwand U 0,28 Bodenplatte, Decke* U 0,35 Fenster U 1,3 Fenster g 0,6 U Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m²*K) g Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung *zu unbeheizten Räumen Gebäudedaten Einheit Wert Grundfläche m Nutzfläche m ,6 Geschosshöhe m 3,5 Länge m 28 Breite m 11 Wohneinheiten

7 Energiebedarf in kwh/(m² a) CO 2 -Emissionen in kg/(m² a) Energetische / ökologische Bewertung Nutz-, End- und Primärenergiebedarf sowie CO 2 -Emissionen ,00 26,88 144,09 72,32 73,50 43, ,04 98, ,45 99,45 126,47 99,24 128,13 101,12 16,87 102,15 48,91 127,73 72,09 158, Anf. GEG 52,43 20,68 20,68 25,57 H2-BZ-BHKW "grauer" Wasserstoff H2-BZ-BHKW "grüner" Wasserstoff 42,72 42,72 42,72 42,72? Erdgas- BHKW Pelletkessel Sole/Wasser Wärmepumpe Gasbrennwerttherme + Solarthermie Gasbrennwerttherme 0 Nutzenergie: Heizung Warmwasser Elektroenergie (Haushalt) Endenergie: Brennstoff Hilfsenergie Elektroenergie Primärenergie/Emissionen: PE (erneuerbar) PE (nicht erneuerbar) CO 2 -Emissionen 7

8 Wirtschaftliche Bewertung I Investitionskosten 8

9 Dampfreformierung zentral Dampfreformierung dezentral Elektrolyse Windstrom Elekrolyse PV Biogas Reformierung Arbeitspreis in /kwh Wirtschaftliche Bewertung II Herstellungskosten von Wasserstoff 0, (Anzahl) 0,30 0,20 0,10 0,00 9

10 Gesamtkosten in /(m² a) Wirtschaftliche Bewertung III Gesamtkostenvergleich Bedarfsgebundene Kosten (Brennstoff und Hilfsenergie) Bedarfsgebundene Kosten (Netzstrom) Betriebsgebundene Kosten Kapitalgebundene Kosten Erlöse ,05 16,79 6,33 6,01 6,01 7,43 2,22 2,22 2,49 12,42 4,88 4,88 4,35 5,35 4,56 3,87 H2-BZ-BHKW "grauer" Wasserstoff H2-BZ-BHKW "grüner" Wasserstoff -0,60 5,78 3,62 5,01 12,42 2,68 Erdgas- BHKW Pelletkessel Sole/Wasser Wärmepumpe 3,24 12,42 1,46 Gasbrennwerttherme + Solarthermie 4,63 12,42 0,61 1,72 Gasbrennwerttherme Reduktion der Strombezugskosten durch H 2 -BZ-BHKW um 50% möglich Bedarfsgebunde Kosten überwiegen 10

11 Zusammenfassung Gebäudeenergieversorgung mit Wasserstoff möglich Variante 1: Dezentrale Konzepte Variante 2: Nutzung vorhandener Wasserstoffinfrastruktur Voraussetzungen für energetisch, wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll Gebäudeenergieversorgung mit grünem Wasserstoff: 1. Optimale Anlagen- und Speicherauslegung (NT-Heizsystem wegen Brennwertnutzung, optimale Speichergrößen) 2. H 2 -BZ-BHKW mit hohem elektrischen Wirkungsgrad 3. Volllaststunden: mind h 4. Hoher Eigennutzungsanteil der erzeugten Elektroenergie (Mieterstrommodelle für BHKW s) 5. H 2 -BZ-BHKW und H 2 -Spitzenlastkessel: vergleichbare Invest.- kosten wie motorische BHKW s bzw. Gaskessel 6. Leitungsgebundenes Wasserstoffnetz vorhanden 7. Wasserstoffkosten vergleichbar mit Kosten für Erdgas 11

12 Fazit Wesentlicher Beitrag zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors Wasserstoffwirtschaft erfordert technische, rechtliche und politische Rahmenbedingungen Ergebnisoffener Wettbewerb mit anderen Gebäudeenergieversorgungskonzepten: Solarisierungskonzepte NT-Nahwärmenetze in Verbindung mit BHKW und Photovoltaik sowie Solarthermie Wärmepumpen Power to heat / Photothermie Biogas, Holz, Stroh Heizen ohne Heizung 12

13 Dipl.-Ing. Andreas Herrmann TU Bergakademie Freiberg Danksagung: Das Vorhaben H2home wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03ZZ0709C im Förderbereich Zwanzig20 - Unternehmen Region - HYPOS gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung. 13