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Neue Lösung: Grüner Wasserstoff-Transport im Erdgasnetz

In einer Versuchsanlage bei Prenzlau wird die Wiedergewinnung von reinem grünem Wasserstoff aus dem Erdgasnetz getestet. © Ontras Gastransport GmbH / DVGW

| Kira Crome |

Grüner Wasserstoff gilt als Joker der Energiewende. Das Gas ist jedoch nicht leicht zu transportieren. Wissenschaftler und Praxispartner forschen an einer Lösung, mit der das Gas als „Mitfahrer“ im bestehenden Erdgasnetz dahin gebracht werden kann, wo es gebraucht wird. So könnte grüner Wasserstoff kostengünstiger transportiert werden.

Grüner Wasserstoff gilt als Zukunftsenergie. Er macht nicht nur Strom aus Windenergie speicherbar, sondern ist auch als Antriebsenergie in Fahrzeugen oder bei der Stahlproduktion eingesetzt ein wichtiger Helfer beim Klimaschutz. Auch bei der Wärmeversorgung von Haushalten verbessert grüner Wasserstoff nachhaltig die CO2-Bilanz. Wie aber lässt sich der umweltfreundliche und CO2-frei gewonnene Gas über weitere Strecken dahinbringen, wo es gebraucht wird?

Weil das Gas sehr flüchtig ist, ist der Transport von Wasserstoff nicht ganz einfach. Noch gibt es kaum reine Wasserstoff-Pipelines. Meist wird das Gas stark abgekühlt und verflüssigt transportiert, was aufwändig und teuer ist. Eine andere Möglichkeit wäre es, das Gas in schon bestehende Erdgasleitungen einzuspeisen. Der Vorteil: Die Infrastruktur dafür gibt es schon, denn Deutschland verfügt über ein 511.000 Kilometer langes Gasnetz und 33 Orte mit Gasspeichern. „Dieser Infrastrukturvorteil erlaubt es, ins Erdgasnetz zusätzlich Wasserstoff einzuspeisen“, erklärt Adrian Simon, Gruppenleiter am Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS).

Wasserstoff und Erdgas in einer Leitung
In einigen Pilotprojekten wird schon jetzt regional erzeugter grüner Wasserstoff dem lokalen Erdgasnetz beigemischt. Weil Wasserstoff aber ganz andere Eigenschaften als Erdgas hat, kann er nur in begrenzter Menge ins bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Ein Grund dafür ist die Materialverträglichkeit der Werkstoffe, aus denen die Leitungen und Armaturen des Verteilnetzes bestehen. Derzeit dürfen nach dem Regelwerk des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfachs (DVGW) dem Erdgas in Deutschland bis zu zehn Volumenprozent Wasserstoff als zusätzlicher Energieträger beigemischt werden. In manchen Gasleitungen, zum Beispiel solchen, die über Landesgrenzen gehen, sind nur zwei Volumenprozent Wasserstoff erlaubt. Forschungsprojekte in Deutschland arbeiten daran, den Anteil zu erhöhen. So stellt zum Beispiel das Energieversorgungsunternehmen Westnetz derzeit in Holzwickede eine bestehende Erdgasleitung der öffentlichen Gasversorgung auf die Einspeisung von reinem Wasserstoff um.

Membrane als Trennhelfer
Wird der Wasserstoff im Erdgasnetz transportiert, muss zudem das Gasgemisch am Zielort wieder getrennt werden – in reinen Wasserstoff und Methan. Bislang muss dafür das Gemisch tiefgekühlt und verflüssigt werden, was energieintensiv und damit auch teuer ist. Derzeit arbeiten Forschung und Entwicklung an neuen kostengünstigeren Verfahren. Sie nutzen Membrane als durchlässige Trennschicht, um Wasserstoff aus dem Erdgasgemisch wiederzugewinnen. Dabei wird das Gasgemisch durch die Poren der Membran gedrückt. Weil die Methanmoleküle größer als die kleineren Wasserstoffmoleküle sind, können sie die Membran nicht passieren – und bleiben zurück, während sich der Wasserstoff als Gas durch die Poren auf die andere Seite gelangt. Der Vorteil: „Beide Stoffe können gemeinsam in einer Leitung transportiert werden. Am Zielort lassen sie sich bedarfsgerecht wieder voneinander trennen“, erklärt Simon.

Noch birgt die Nutzung der Membran-Technologie einigen Forschungsbedarf. Denn je nachdem, wie der wiedergewonnene Wasserstoff am Zielort eingesetzt werden soll, ist je nach Anwendung eine bestimmte Gasbeschaffenheit des abgetrennten Brennstoffs erforderlich. In einer Versuchsanlage bei Prenzlau testen Praxis- und Forschungspartner derzeit verschiedene Membranen, um herauszufinden, welche Membranen sich am besten für die Wasserstoff-Wiedergewinnung eignen. Im Vergleich zu Untersuchungen im Labor zeigt sich erst im Realbetrieb realistisch, welche Mengen sich aus dem Gasgemisch abtrennen lassen und welchen Reinheitsgrad der wiedergewonnene Wasserstoff erreicht.

Einen besonders hohen Reinheitsgrad verspricht eine Kohlenstoff-Membran, die am Fraunhofer IKTS entwickelt wurde. Der Kohlenstoff wird bei dem, von den Wissenschaftler ausgetüftelten Herstellungsverfahren als hauchdünne Schicht auf ein poröses, keramisches Trägermaterial aufgebracht. Die Poren in dieser Kohlenstoffschicht haben einen besonders kleinen Durchmesser von unter einem Nanometer, wodurch sie sich besonders gut für die Trennung von Gasgemischen eignen. Das Trennverhalten der neu entwickelten Membran lässt sich durch physikalische und chemische Prozesse noch weiter einstellen, berichten die Wissenschaftler. „Auf diese Weise erhalten wir Wasserstoff mit einer Reinheit von 80 Prozent“, erklärt Simon. „Die verbliebenen Erdgasreste filtern wir in einer zweiten Trennstufe aus. So erzielen wir eine Reinheit von über 90 Prozent.“

Emissionsfreie Strom- und Wärmeversorgung in Gebäuden
Der am Zielort auf diese Weise wiedergewonnene grüne Wasserstoff mit diesem Reinheitsgrad kann vielfach angewendet werden. Sowohl bei der Stahlproduktion als auch bei der klimafreundlichen Energieversorgung von Gebäuden. Derzeit arbeiten die Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS daran, die Technik so zu skalieren, dass auch größere Mengen des Gemischs aus Erdgas und Wasserstoff getrennt werden können. Entsprechende Prototypen werden derzeit geplant.

Gelingt der Membran-Technologie der Durchbruch, wäre das ein großer Schritt für die künftige Wasserstoffwirtschaft. Denn dann könnten größere Mengen über das Erdgasnetz transportiert und am Zielort zurückgewonnen werden, als es die bisherigen technischen Regularien erlauben. „Die Membrantechnik gestattet mindestens die zehnfache Menge – das ist eine Revolution für die Speicherung erneuerbarer Energien“, sagt Jörg Müller, Vorstandsvorsitzende der Enertrag, einem der in Prenzlau beteiligten Forschungspartner.