Beimischung von Wasserstoff in Erdgasprozesse für die Wärmeerzeugung, LP00
Anfragender
Tierfutterproduzent, Tiernahrungstrocknung
Niedersachsen
Überlegungen zur Machbarkeit und Kosten zur Substitution von Erdgas durch selbsterzeugten Wasserstoff.
Erneuerbare Energien: 700 kW PV
Eigenstromerzeugung: 607.595 kWh/a
Einspeisevergütung: 0,07 €/kWh
Batteriespeicher: 0 kWh
Strombedarf Gewerbe: 70.000 -100.000 kWh/a Strom
Wärmebedarf / Gasverbrauch: 1.5 Millionen kWh Wärme
Leistung Gasbrenner: 300 kW
Gaspreis: 8,5 Cent/kWh
Problemstellung bei der Nutzung von Photovoltaik im Gewerbe und Lebensmittelbetrieben
Die Photovoltaik Anlagen erzeugen immense Überschüsse im Deutschen Sommer. Der größte Energiebedarf des lebensmittelproduzierenden Gewerbes liegt im Wärmesektor. Die saisonale Speicherung von überschüssigem PV-Strom in Form von Wasserstoff erlaube eine Substitution von Erdgas. Die Energiekosten für das teurere fossile Gas wollen reduziert werden, wobei CO2 frei mit lokalem Wasserstoff die Umweltauswirkungen reduziert werden.
Zielstellung
Ziel ist es die Kosten für Energieeinkäufe zu Verringern und die vor Ort oder lokal produzierte Energie besser zu Nutzen. Dazu ist es als Erstes unbedingt erforderlich die Verluste zu Reduzieren. Folge der Jahrelange spotpreise für Gas und Strom ist natürlich das in den Meisten Unternehmen die Energie an vielen Stellen verschwendet wird. Ein Energieaudit kann meist 50 % des Energiebedarfs durch passive Maßnahmen, wie Dämmung und Verknüpfung von Kühl- und Wärmeprozesse reduzieren.
Komponenten zur Umrüstung von Brennern auf Wasserstoff
Erste Überlegungen zeigen, dass die Beimischung von Wasserstoff vieler Komponenten bedarf. Die hohen Kosten für die Umrüstung von Brennern auf Wasserstoff im wechselnden Mischungsverhältnis, sind zu groß. Permanente Gasanalyse und die Druckerhöhung des Erdgases für den Mischprozess selbst führen zu sehr hohen Investitionen.
Besser erscheint hingegen die Ergänzung von Wasserstoffbrennern und die thermische Einbindung der bestehenden Regelsysteme. Natürlich müssen die Gaswarnanlagen und die Sicherheitsmaßnahmen dem leicht entzündlichen Wasserstoff angepasst werden.
Strombilanz
Insbesondere PV-Großanlagen werden in Zukunft immer öfter abgeschaltet. Prognosen darüber geben die Netzbetreiber nicht. Zunächst werden die Einnahmen durch die potenzielle Einspeisung ermittelt. Denn trotz der großen PV-Anlage wird weiter Strom für 40 Cent/kWh eingekauft. Die Investitionskosten für die PV-Module auf den Hallendächern werden auf rund 900.000 € geschätzt.
Überschussstrom je Monat Jahres Einspeisevergütung (Brutto)
Average energy not captured [kWh/month]:
Strom Verkauf ohne Netzbedingter Abschaltung 13.740,0 11541,6
Average energy missing [kWh/m]: Strom Einkauf
178,976 -859,085
10682,515
Diese PV-Großanlage amortisiert sich statisch nach 90 Jahren. Bei der oben aufgeführten Bilanz sind die Baujahre der einzelnen PV-Dächer und die damalige Einspeisevergütung nicht berücksichtigt. Das kann bedeuten, dass Teile der Photovoltaikanlagen, durch die vor einem Jahrzehnt noch lohnenswerte Einspeisevergütung abbezahlt wurden.
Sollte die Strompreisbremse unerwartet aufgehoben werden oder die Einspeisevergütung unrealistische weise steigen kann sich die Wirtschaftlichkeit der PV-Großanlage verbessern.
Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik für Gewerbe durch Wasserstoff
Mit einem Wirkungsgrad von 60 % kann aus Photovoltaikstrom grüner Wasserstoff hergestellt werden. Der Wasserstoff ersetzt dann kalorisch Erdgas im Wert von 8,5 Cent/kWh.
Zusätzlich kann die Wärme der PEM-Elektrolyse bei 70°C genutzt werden. Durchschnittlich 6.000 kWh je Monat könnten dann mittels Elektrolyse, 3.600 kWh Wasserstoff (ca. 300 kg oder 1000 m³) mit einem Gegenwert von 306 € durch einen Elektrolyseur im Gewerbebetrieb, erzeugen. Im Jahr können 3.600 € eingespart werden. Da diese Einsparung geringer ist als die Einspeisung des Stroms, ist eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unnötig. Die Differenz zwischen Erdgaspreis und Einspeisevergütung ist mit 1,5 C/kWh zu gering.
Nun kommt es auf die Erdgaspreise an. Der angenommene Gaspreis erscheint zunächst gering.
Passende regenerative Wärme für Wärmeprozesse bis 250 °C
Solarthermie kann alle Strahlungsspektren der Sonne für die Wärmeerzeugung nutzen. Der Wirkungsgrad ist dabei mit über 60 % dreimal so gut, wie Wärme aus Photovoltaikstrom mit 20 % Wirkungskrad.
Hier folgen zwei europäische Hersteller von regenerativen Prozesswärmesystemen mit Parabolrinnen. Sollten die Wärmeprozesse nicht über 250 °C liegen ist Wasserstoff mit Sicherheit die ungünstigere Lösung.
World References – Solar heat Industrial case studies – Absolicon
Solarlite CSP Technology GmbH – Parabolrinnenkraftwerke
Ausblick Wasserstoff für Gewerbe
Die Unternehmer und Industriellen in Deutschland sind ganz unterschiedlich an die Energiewende herangegangen. Bei diesem Projekt wird grüner Strom für die Energiewende Deutschlands uneigennützig erzeugt. Die Photovoltaikanlage scheint ggf. etwas Überdimensioniert, weil bei diesem Trocknungsprozess mit Erdgas als Energieträger zu wenig davon selbst Verwendung findet. Trotzdem sollte der Strom nicht in Wärme umgewandelt werden.
Ein anderes Unternehmen aus der Quarz-Industrie 250 km entfernt, hat das gegenteilige Problem. Noch überhaupt keine Abbezahlten PV-Anlagen auf den Werksdächern und ein Riesen-Wasserstoffbedarf.
Wasserstoff wird dort für hochreine Brennprozesse benötigt. Für rund 72 C/kWh wird dieser Wasserstoff aus Erdgas reformiert. Könnte man diese Unternehmen oder ähnliche Sektoren verbinden, ergäbe sich eine Win-Win Situation. Für Wasserstoff in Flaschen werden Preise von ca. 3 €/kWh bezahlt (erfordert teure Flaschen und Transporter). Empfehlenswert ist der Wasserstofftransport allerdings bei kurzen Distanzen per Rohrleitung/ Pipeline.