Energie der Sonne anders nutzen: Wasserstoff ins Erdgasnetz

13.12.2012 Oberösterreichische Forschungsanlage startet Probebetrieb

Einen zukunftsweisenden Schritt in Richtung Energie-Autarkie und Versorgungssicherheit setzen die OÖ. Ferngas Netz GmbH - eine Tochter der OÖ. Ferngas AG - und die Fronius International GmbH. Erstmals wird in einer Forschungsanlage in Haid aus Sonnenenergie gewonnener Wasserstoff in das Erdgas-Leitungsnetz eingespeist und somit erneuerbare Energie transportfähig und speicherbar gemacht.

Am 12. Dezember 2012 fand unter Anwesenheit von Landeshauptmann Dr. Josef Pühringer, OÖ. Ferngas-Aufsichtsratsvorsitzendem und Energie AG-Generaldirektor Dr. Leo Windtner sowie OÖ. Ferngas-Vorstandsvorsitzendem KommR Ing. Dr. Johann Grünberger und Prokurist Mag. Heinz Hackl, Mitglied der Geschäftsleitung Fronius International GmbH, der Probestart dieses innovativen Energieprojektes statt.

Solarstromgewinnung - Wasserstoffproduktion - Einspeisung ins Erdgasnetz

Konkret ermöglicht die Forschungsanlage in Haid, dass der durch eine Photovoltaikanlage gewonnene Solarstrom-Überschuss in Form von Wasserstoff gespeichert werden kann. Denn mittels Elektrolyse wird die Sonnenenergie in Wasserstoff umgeformt und schließlich ins Erdgas-Leitungsnetz eingespeist. Damit steht erneuerbare Energie über das flächendeckend vorhandene Leitungsnetz für verschiedenste Segmente (Wärme, Verkehr, Stromproduktion in Gas- und Dampfkraftwerken etc.) zur Verfügung.

Der über eine Photovoltaik-Anlage erzeugte Solarstrom wird einerseits für den Betrieb der angrenzenden Erdgas-Reduzierstation sowie das gesamte OÖ. Ferngas Service-Center Haid verwendet und versorgt andererseits den Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung mit dem nötigen Strom. Zudem entsteht beim Elektrolyse-Prozess Abwärme, die wiederum in der angrenzenden Erdgas-Reduzierstation einer Nutzung (Erdgas-Vorwärmung) zugeführt wird. Im Sinne größtmöglicher Energieeffizienz bleibt somit keine Energie ungenutzt. Dieses besondere Projekt ist eine Unternehmenskooperation von OÖ. Ferngas Netz GmbH sowie Fronius International GmbH. Die gesamte Investitionssumme beläuft sich auf ca. 380.000,- Euro.

Landeshauptmann Dr. Josef Pühringer zeigte sich beim Probestart stolz, dass Oberösterreich mit dieser Forschungsanlage einmal mehr Pionierarbeit leistet: "Im internationalen Wettbewerb braucht der Standort Oberösterreich ständige Weiterentwicklung. Durch innovative Unternehmen, wie die OÖ. Ferngas und Fronius, kann Oberösterreich damit auch Schrittmacher und Ideenbringer für andere sein. Wenn in anderen Ländern Ölkraftwerke oder schmutzige Kohlekraftwerke durch regenerative Energien ersetzt werden, haben wir durch die CO2-Reduzierung mehr erreicht, als durch alle großen Abkommen, die nicht umgesetzt werden. Diese Forschungsanlage ist ein Schritt in diese Richtung. Wir haben hier auch riesengroße Exportchancen. Umwelt- und Effizienztechnologien haben sich zu echten Leitmärkten entwickelt. Das Weltmarktvolumen beläuft sich bereits heute auf 1,7 Billionen Euro. Dieses Volumen wird sich in den nächsten 10 Jahren verdoppeln. Diejenigen, die hier investieren und forschen, werden die Technologieführer und damit Exportweltmeister der Zukunft sein."

Auch OÖ. Ferngas-Aufsichtsratsvorsitzender und Energie AG-Generaldirektor Dr. Leo Windtner überzeugte sich vor Ort von der innovativen Forschungsanlage: "Die Zukunft gehört den erneuerbaren Energien. Der Energie AG-Konzern hat hier seit jeher eine Vorreiterrolle inne und in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten immer wieder Meilensteine bei der Nutzung alternativer Energien gesetzt - sei es bei der Nutzung der Windkraft, der Solarenergie oder der Geothermie." Teil dieser Vorreiterrolle des Konzerns ist die OÖ. Ferngas Netz GmbH, die mit der österreichweit einmaligen Forschungsanlage zur Verwandlung von Sonnenstrom in Wasserstoff in Haid/Ansfelden ein weiteres energietechnisches Leuchtturm-Projekt umgesetzt hat. "Wir zeigen hier, dass erneuerbare Energie aus der Sonne auch in Form von Wasserstoff gespeichert und somit in anderer energetischer Form zur Verfügung gestellt werden kann", sagt Windtner. Das Projekt ist technisch herausfordernd, ist aber wirtschaftlich vor allem für die Zukunft interessant. Windtner zeigt sich überzeugt, dass auch diese Form der Energiespeicherung und -wandlung im Energiesystem der Zukunft seinen fixen Platz haben wird. "Die hier höchsteffizient umgesetzte Umwandlung in Wasserstoff wird künftig genauso ihre Anwendungsbereiche haben, wie das Power-to-Gas-Verfahren oder die Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz. Auch dabei hat die OÖ. Ferngas-Gruppe mit der ersten Biogas-Einspeiseanlage in Pucking Pionierarbeit geleistet", sagt Windtner.

Mit der Forschungsanlage zur Wasserstoffeinspeisung hat die OÖ. Ferngas wieder einmal ihre führende Rolle im Bereich Innovation bewiesen. Denn die OÖ. Ferngas AG und ihre Beteiligungen (OÖ. Ferngas Netz GmbH, OÖ. Gas-Wärme GmbH mit den Marken erdgas oö. und ENSERV sowie die OÖ. Ferngas Service GmbH) haben in der Vergangenheit bereits mehrere Male Pionierarbeit geleistet: Sei es im Bereich Erdgas als Kraftstoff mit dem ersten erdgasbetriebenen Firmenfahrzeug vor mehr als 20 Jahren, der Beteiligung an der OÖ. Bioraffinerie in Utzenaich, Technologien wie der stromerzeugenden Heizung (Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung) oder der österreichweit ersten Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz.

"Die OÖ. Ferngas-Gruppe bekennt sich seit Jahren auch zur Nutzung erneuerbarer Energieressourcen. Unter anderem haben wir das bereits vor sieben Jahren in Pucking bewiesen. Damals waren wir österreichweit die ersten, die Biogas ins Erdgas-Leitungsnetz einspeisen konnten. Nun geht unser Weg mit der 'Forschungsanlage Wasserstoffeinspeisung' weiter, wo wir erstmals Wasserstoff in das bereits flächendeckend vorhandene Erdgasleitungsnetz einspeisen", erklärt OÖ. Ferngas-Vorstandsvorsitzender KommR Ing. Dr. Johann Grünberger.

"Das flächendeckend bereits vorhandene Erdgas-Leitungsnetz bietet die notwendige Transport- und Speichermöglichkeit für die erneuerbaren Energien, wie auch die Forschungsanlage zur Wasserstoffeinspeisung beweist. Wir können erneuerbare Energie speichern und transportieren." meint er weiter.

Grünberger verweist darauf, dass auch Automobilhersteller wie Audi elementares Interesse am Ausbau erneuerbarer Energie zeigen. Audi betreibt bereits vier Windkraftanlagen in einem Offshore-Windpark in der Nordsee. Der dort durch Elektrolyse gewonnene Wasserstoff eignet sich für den Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen, zudem ermöglich das durch Methanisierung erzeugte Gas klimafreundliche Langstreckenmobilität für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Nur ein Beispiel dafür, dass in dieser Form der Energiegewinnung enormes Potenzial für die Zukunft steckt.

Fronius Energiezelle als umweltfreundlicher Wasserstofflieferant

Die Fronius Energiezelle ist ein Gesamtsystem regenerativer Energieerzeugung und -speicherung. Bei der Forschungsanlage in Haid steht die Elektrolysefunktion der Fronius Energiezelle im Vordergrund. Der dadurch erzeugte Wasserstoff sorgt gemeinsam mit dem Energieträger Erdgas für eine langfristig nachhaltige Energieversorgung. "Die Fronius Energiezelle leistet, als umweltfreundlicher Wasserstofflieferant, einen wesentlichen und nachhaltigen Beitrag zur Sicherung der Energieversorgung", erklärt Prokurist Mag. Heinz Hackl, Mitglied der Geschäftsleitung, Fronius International GmbH. Die Energiezelle mit integrierter Brennstoffzellenfunktion wird bereits erfolgreich in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt.

Als innovatives regionales Unternehmen war es für die Fronius International GmbH klar, dieses Projekt gemeinsam mit der ebenfalls innovativen OÖ. Ferngas Netz GmbH umzusetzen. Damit positionieren sich die beiden oberösterreichischen Unternehmen gemeinsam als österreichische Vorreiter im Bereich der Wasserstoffeinspeisung. "Wasserstoff wird in naher Zukunft eine wichtige Rolle bei der Speicherung von erneuerbaren Energien spielen", ist auch Hackl überzeugt. Die Speicherung sei notwendig, um den nachhaltig erzeugten Strom auch dann abrufen zu können, wenn die Sonne nicht oder nur selten verfügbar ist, wie in der Nacht oder im Winter.

Die energieeffiziente Forschungsanlage im Detail

Am Betriebsgelände des Service Centers der OÖ. Ferngas-Gruppe in Haid, befindet sich die Reduzierstation "RS 102 Ansfelden I". (Reduzierstationen entlang des Hochdruckleitungsnetzes dienen dazu, den Gasdruck für die Verteilung in den Ortsnetzen zu reduzieren.) Die Forschungsanlage zur Umformung von erneuerbarer Energie in Wasserstoff und der anschließenden Einspeisung ins Erdgas-Leitungsnetz wurde als Nebenanlage zur bestehenden Reduzierstation errichtet.

Die Anlage besteht aus folgenden Elementen:
o Photovoltaikanlage
o Fronius Energiezelle (Elektrolyse)
o Wasserstoffeinspeisung
o Wasserversorgung
o Wärmenutzung
o Steuerung und Datenaufzeichnung

Über eine eigens installierte Photovoltaik-Anlage mit einer Leistung von 10,3 kWp und einer Panelfläche von ca. 67,2 m2 wird aus Sonnenlicht Gleichstrom produziert. Dieser wird im Anschluss von einem Fronius IG Plus Wechselrichter in haushaltsgebräuchlichen Wechselstrom umgewandelt und in das Stromnetz des OÖ. Ferngas Service-Centers Haid eingespeist. Über einen Gleichrichter wird dieser der Elektrolyse zugeführt und dazu genutzt, Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufzuspalten. Der Wasserverbrauch bei der Elektrolyse beträgt ca. 1 Liter pro Stunde. Die Wasserversorgung erfolgt über einen Wasserbehälter in der Forschungsanlage, wobei das Wasser über eine Mischbett-Entsalzung aufbereitet wird.

Der bei der Elektrolyse entstandene Wasserstoff (ca. 1,2 Nm3 pro Stunde) gelangt über eine Wasserstoffleitung zur Erdgasdruckregelanlage und wird dort in den Erdgasfluss zur Versorgung der Gemeinde Haid/Ansfelden eingespeist. Ein Mischer an der Einspeisestelle gewährleistet, dass sich Wasserstoff und Erdgas gleichmäßig durchmischen*. Der sichere Betrieb der Wasserstoffeinspeisung ist durch eine Druckregeleinrichtung und ein Sicherheitsabblaseventil gewährleistet. Gesteuert und überwacht wird die gesamte Anlage über eine Fernwirkanlage.

* Der erlaubte Anteil an eingespeistem Wasserstoff im Erdgas-Leitungsnetz ist begrenzt. Die ÖVGW-Richtlinie G31 definiert einen Wasserstoffanteil von maximal 4 % in jedem Teil des Erdgasnetzes. Befindet sich in der Nähe des Einspeisepunktes eine Erdgas-Tankstelle, so darf der Wasserstoffanteil nur maximal 2 % betragen. Da sich in Ansfelden eine Erdgas-Tankstelle befindet, die am Erdgas-Leitungsnetz der OÖ. Ferngas Netz GmbH hängt, gilt bei der Einspeisung in der Forschungsanlage der 2 %-Anteil.

Abwärmenutzung erhöht Wirkungsgrad des Gesamtsystems

Beim Elektrolyse-Prozess entsteht Abwärme (ca. 3 kW). Diese wird - im Sinne der Erhöhung des Wirkungsgrades und der Nutzung vorhandener Energie - in der angrenzenden Erdgasdruckregelstation "RS 102 Ansfelden I" für die Erdgasvorwärmung genutzt. Denn bei der Druckregelung von Erdgas muss wegen des Joule-Thomson-Effektes (Abkühlung des Gases bei Entspannung) eine Erdgasvorwärmung erfolgen. In der Forschungsanlage befindet sich ein Wärmetauscher, über den die Temperatur des Rücklaufs des bestehenden Wasserkreislaufs der Erdgasvorwärmung angehoben wird. Somit entsteht eine signifikante Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems.

Energiepolitischen Zielen wird Rechnung getragen

Neben der offiziellen Energiestrategie Österreichs und den energiepolitischen Perspektiven der Länder gibt es eine Vielzahl von Studien und Prognosen zur weiteren Entwicklung der Energieversorgung. Eines ist ihnen allen gemeinsam: Der Anteil der erneuerbaren Energien soll langfristig erhöht werden. Die Nutzung von Windkraft und Sonnenenergie bietet dafür großes Potenzial, birgt jedoch auch die Problematik der Speicherung und Transportfähigkeit von Wind- und Solarenergie aufgrund der Produktionsschwankungen. Mögliche Lösungen sind einerseits Wasserstoffeinspeisungen wie in der Forschungsanlage in Haid oder die in jüngster Zeit kommunizierte Technologie "Power-to-Gas". Beide Verfahren ermöglichen die Speicherung und den Transport von erneuerbarer Energie im bereits flächendeckend vorhandenen Erdgas-Leitungsnetz - in Form von Wasserstoff oder in einem weiteren Schritt in Form von synthetischem Methan.

Die Gewinnung von Wasserstoff aus erneuerbarer Energie erfolgt mittels Wasserstoff-Elektrolyse - wie in der Forschungsanlage in Haid. Die Umwandlung von Wind-/Sonnenenergie zu synthetischem Methan basiert auf zwei chemischen Reaktionen - wie bei der natürlichen Photosynthese: Bei der Wasserstoff-Elektrolyse spaltet der (erneuerbare) elektrische Strom Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Bei der anschließenden Methanisierung wird der so gewonnene Wasserstoff (H2) mit Kohlenstoffdioxid (CO2) zusammengeführt. Aus dieser Reaktion entsteht Methan (CH4) - also künstlich hergestelltes Erdgas. Dieses kann in das flächendeckend vorhandene Erdgas-Leitungsnetz eingespeist werden. Die Energie, die für diese Umwandlung benötig wird, ist ebenfalls erneuerbar - erzeugt aus Windkraft und Sonnenenergie.