Zentrales Hemmnis für die Umstellung der deutschen Industrie von Erdgas auf Wasserstoff als primären Energieträger sind die Hohen Investitionskosten für Elektrolyseure und die verlängerte Abschreibungsdauer durch den intermittierenden Betrieb, wenn diese mit volatilen, erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik oder Windkraft betrieben werden sollen. Ein Großteil des industriell verwendeten Wasserstoffes wird seit den 1920er Jahren direkt aus Erdgas mit Hilfe der Dampfreformierung erzeugt, bei diesem Verfahren wird aus Methan Wasserstoffgas und Kohlenstoffmonoxid im ersten Schritt hergestellt, in einem weiteren Schritt – der Wassergas-Shift-Reaktion – das Kohlenstoffmonoxid mit Wasserdampf zu Erhöhung der Wasserstoffausbeute zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt, dieses wird ausgewaschen und anschließend in einem Schornstein abgeblasen.
Dieser hochgradig endotherme Prozess wird mittels partieller Oxidation mit der notwenigen Wärmeenergie versorgt. Sprich, ein Teil des Erdgases wird verbrannt, um die Reaktion am Laufen zu halten. Gerade hier bei der Speisung des Prozesses mit Wärmeenergie bietet sich die Möglichkeit zur elektrischen Zuheizung und somit die Möglichkeit ohne einen Investment in Wasser-Elektrolyse Maschinen bereits heute mit etablierter Technologie einen Energiemix aus Inländischer erneuerbarer Energie und importiertem Erdgas zu generieren, und das zu wettbewerbsfähigen Kosten.
Zur Quantifizierung werden hier die Zahlen auf den Wasserstoffoutput bezogen. Ein kg Wasserstoff besitz einen Brennwert von 39,39 kWh, ein Erdgas kg 13,9 kWh. Unter Vernachlässigung vom Stoffmengenverlusten in der Reaktion erzeugt ein mol Methan mit 16g und Wasserdampf wie oben gezeigt 4 mol Wasserstoff mit jeweils 2g und 1 mol Kohlenstoffdioxid mit 44g, also wird aus einem Kilogramm Methan 500g Wasserstoff. Energetisch ergibt sich bei dieser Transformation eine Differenz von 5,795 kWh, bezogen auf einen Kilogramm Wasserstoff also fast 11,6 kWh oder etwas weniger als 1/3 (29%).
Bedenkt man, dass bereits heute an vielen stellen Infrastrukturkompatibel bis zu 30% Wasserstoff dem Erdgas beigemischt werden können, kommt die Frage auf, warum nicht schon ausreichend Hybridreformer-Kapazität im Netz verbaut ist, besonders da durch den verstärken Ausbau von Solar und Wind die Zwangsabschaltzeiten zur Netzstabilisierung jährlich weiter zunehmen und auch perspektivisch weiter zunehmen werden. In Deutschland werden etwa 50% aller Haushalte mit Gas beheizt, der Verbraucherpreis pro kWh betrag nach Angaben der Bundesnetzagentur 15,43 Cent wovon 10,77 Cent auf Beschaffung, Vertrieb und Marge entfielen. Im Anbetracht der Einspeisevergütung von Photovoltaik und Windenergieanlagen kann eine energetische „Beimischung“ zum Gas bereits heute zu tragfähigen Geschäftsmodellen führen, gerade weil dadurch eine billige Speichertechnologie für große Mengen an Energie auch saisonübergreifend zur Verfügung steht.
Im Jahr 2023 wurden etwa 576TWh (2.074.000 TJ) Erdgas für 24,5Mrd Euro nach Deutschland importiert, das entspricht 41.447kt. Im selben Jahr wurden 25TWh elektrische Energie zu Spitzenzeiten gedrosselt und somit nicht verwendet. Immerhin bereits 4,3% der importierten Erdgas-Energie.
Nimmt man die Stadt Schweinfurt zum Beispiel so wurden 2022 von der Industrie 136Mio kWh (490 TJ) Erdgas also 9784 t verbraucht. Nimmt man an, dass 30 Volumenprozent Wasserstoff-Beimischung zum Erdgas ohne Umrüstungen möglich sind, so wären in einem Kubikmeter Mischgas: 300l Wasserstoffgas zu 13,38 mol und 26,8g sowie 700l Erdgas zu 31,23 mol und 500g. Dieser Mischgas Kubikmeter hat eine Heizleistung von 8kWh, verglichen mit reinem Erdgas (44,6 mol mit 713g und 9,92kWh) etwa 20% weniger. Um die selbe Heizleistung an die Schweinfurter Industrie zu liefern sind im Fall Mischgas nur noch 8956 t nötig, welches enthält 8500t Erdgas und 456t Wasserstoffgas. Für die Herstellung des Wasserstoffgases sind nach dem oben beschriebenen Verfahren 912t Erdgas notwendig, die Gesamtmenge der nach Schweinfurt importierten Gasmenge reduziert sich also in Summe um 4% auf 9415t. Energetisch ist somit ein einheimischer Beitrag von 5,3 Mio kWh möglich. Aktuell werden in Schweinfurt Stadt und Landkreis 14Mio kWh Solarstrom jährlich produziert.
Würde man Anfangen einzelne Brenner in der Industrie entweder durch Prüfung und Freigabe oder aber durch Umbaumaßnahmen für den Betrieb mit reinem Wasserstoffgas zu befähigen, könnten mit dem Aufwand einer doppelten Verrohrung bis zur Abzweigstelle deutlich höhere energetische Mischraten erreicht werden. Wären 50% der industriellen Verbraucher in Schweinfurt dazu befähigt, so könnten die von diesen verbrauchten 68Mio kWh mit 20Mio einheimisch, erneuerbar erzeugten kWh „gestreckt“ werden. In dieser Ausbaustufe könnte das Volumen dieser Beimischung mit 0,8 Mio €/Jahr (40€/kWh Day Ahead Gas Preis) beginnen einen wirtschaftlichen Geschäftsbetrieb zu erlauben. Eine auf das Jahr gemittelte Dauerleistung von 2,2MW wäre hierfür nötig.
Die Bundesnetzagentur veröffentlich die Day-Ahead Strompreise mit Stündlicher Auflösung. Nach eigener Auswertung waren im Zeitraum von 1.1.2023-30.9.2024 in den dokumentierten 15334 Stunden der Spot-Market Strompreis pro kWh 2368h unter 3 cent, 2029h unter 2 cent, 1747h unter 1 cent und in 1413h unter 0 cent. Bei günstiger Lage der Anlage in der Nähe von sowohl einem Umspannwerk als auch einer Gaspipeline könnten die Aufschläge durch Netzendgelde weitestgehend vermieden werden. Im ungünstigsten Fall wird die eingespeiste Energie Stunden später in einer Gastrubine wieder zurück zu Strom gewandelt und dient in diesem Fall als chemischer Energiespeicher vom Tag in die Nacht. Der Wirkungsgrad hängt stark vom potenzial der Abwärmenutzung ab rein elektrisch gesehen sind bezogen auf die gesamte Kette nicht mehr als 40% zu erwarten.
Zusammenfassung: Die Möglichkeit bereits heute durch hybride Wasserstoffreformer einen Beitrag zur Transformation der deutschen Erdgasverbraucher zur Wasserstoffwirtschaft zu leisten wurde in den oben vorgestellten Rechnungen demonstriert. Eine pragmatische Möglichkeit sowohl die Versorgungssicherheit des sich im Aufbau befindlichen Wasserstoffnetztes sicherzustellen und gleichzeitig kurzfristig mit nennenswerten Anteilen grüner, inländischer Energie zu versorgen sollte durch die Möglichkeit der anteiligen Beimischung von Wasserstoff ins Erdgasnetz bereits jetzt Investitionen mit tragfähigen Geschäftsmodellen ermöglichen, um den Aufbau dieser Infrastruktur zu finanzieren.