Klimaneutrales Quartier mit Wasserstoff

Die Neue Weststadt in Esslingen erlaubt einen Blick in die Zukunft. Dort zieht demnächst, zusammen mit den ersten Bewohnern, eine Elektrolyseeinheit ein. Dann startet ein Testlauf mit einem Konzept, das in 10 bis 20 Jahren vielleicht ein Standard sein wird, um Wasserstoff zu erzeugen und zu nutzen. Auch wenn das Funktionsprinzip ziemlich logisch und stringent ist, zeigt sich bei solchen Praxisbeispielen, was Planer, Hersteller und Genehmigungsbehörden noch alles lernen müssen.

Ist der Einsatz von Wärmepumpen in Kombination mit Photovoltaik heute das Non-Plus-Ultra im Gebäudebereich, will Norbert Fisch, der ansonsten ein Verfechter der Kombination Photovoltaik und Wärmepumpe ist, mit dem Projekt weitergehen. „Wir wollen etwas Innovativeres probieren, was ein absolut notwendiger Baustein zur Erreichung der Klimaschutzziele ist“, sagt der Professor für Energie- und Gebäudetechnik und wissenschaftliche Koordinator des Projektes am Steinbeis-Innovationszentrum EGS Stuttgart. Für die Umsetzung und den Betrieb der Energiezentrale und zur Vermarktung des Solarstroms, des grünen Wasserstoffs und der Wärme hat er zusammen mit Polarstern und den Stadtwerken Esslingen eigens die neue Gesellschaft Green Hydrogen Esslingen gegründet.

In Esslingen plant Fisch nun an einem der sechs Energieeffizienz-Leuchtturmprojekte der „Förderinitiative Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt“ von Bundeswirtschafts- und Bundesforschungsministerium die „Neue Weststadt“. „Das ist ein 100.000 Quadratmeter großes Areal im urbanen Kontext“, sagt Fisch, „und wird 400 bis 500 Wohnungen, Büro- und Gewerbeflächen und einen Neubau der Hochschule enthalten“. Es wird kompakt bebaut, schon fast ähnlich einem Berliner Quartiersblock, wie er sagt.

Das neue Quartier wird nach der Definition von Fisch und seinen Kollegen klimaneutral. Pro Bewohner und Jahr dürfen die CO2-Emissionen eine Tonne pro Jahr nicht überschreiten. „Der Bilanzrahmen umfasst die Emissionen bedingt durch die Gebäudekonditionierung, also Heizen, Kühlen, Beleuchtung, Trinkwarmwasser sowie den Nutzerstrom und individuelle Mobilität, nicht die Errichtung der Gebäude“, erklärt Fisch.

Die Begrenzung des Fußabdrucks auf eine Tonne CO2 ist quasi die Umsetzung des 85-Prozent-Klimaziels in den Wohnbereich. Heute liegen die gebäudebezogenen Emissionen einer Person bei rund 4,5 Tonnen CO2 pro Jahr. „Wenn ich heute ein Gebäude errichte, muss ich diese Emissionen um mindestens 80 Prozent reduzieren, am besten noch mehr, um nicht den Bestand noch weiter zu belasten“, sagt Fisch.

Der Startschuss für das Projekt, an dem insgesamt zehn Projektpartner beteiligt sind, fiel 2017. Inzwischen sind rund 250 Wohnungen bezogen und rund 150 weitere im Bau. Im Laufe des Jahres soll die Elektrolyseeinheit installiert werden.

Im Folgenden lesen Sie ein Gespräch mit Norbert Fisch über seine Erfahrungen und was er bereits gelernt hat.

pv magazine: Warum planen Sie die Wasserstofferzeugung mit ein?

Norbert Fisch: Wir müssen in Deutschland bis 2050 auf über 500 Gigawatt Leistung installierte Photovoltaik- und Windkraftanlagen kommen, um die CO2-Emissionen um 80 Prozent zu reduzieren. Dann haben wir an vielen Stunden im Jahr die bekannten Überkapazitäten. Es stellt sich die Frage, wie wir diese volatilen Überkapazitäten nutzen können. Dazu brauchen wir einen Energieträger, der in der Lage ist, diese Überschusskapazitäten aufzunehmen. Der grüne Wasserstoff ist aus meiner Sicht die Schlüsseltechnologie, um die Überschüsse aufzunehmen, sie zu speichern und als Sektorenkopplung in alle Bereiche zu geben, in die Mobilität und zurück in Gebäude. Wir müssen spätestens ab 2040 auch das Gasnetz dekarbonisieren.

Was machen Sie in diesem Projekt mit dem Wasserstoff?

Wir vermarkten ihn in vier Richtungen. Für uns ist die Einspeisung ins Mitteldruck-Gasnetz technisch am einfachsten, obwohl es wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Wir brauchen daher in der Zukunft eine Einspeisevergütung für grünes Gas. Das lokale Erdgasnetz kommt mit fünf bis sechs Prozent Wasserstoffanteil zurecht. Außerdem haben wir eine Abfüllstation für Wasserstoff geplant. Dort komprimieren wir den Wasserstoff auf bis 700 Bar und fahren den Trailer zu Industrieunternehmen und Tankstellen im nahen Umfeld, die uns den grünen Wasserstoff für einen ganz vernünftigen Preis abnehmen. Im Forschungs- und Entwicklungsprojekt ist eine Zukunftstankstelle für Wasserstoff, Strom und Gas vorgesehen. Die Realisierung ist an das zukünftige Aufkommen an Brennstoffzellenfahrzeuge gekoppelt. Der vierte Nutzungspfad des grünen Wasserstoffs ist die Rückverstromung über ein BHKW. Wir haben einen 150-Kilowatt-Wasserstoffmotor ausgeschrieben, der auch zertifiziertes Biogas verbrennen kann.

Warum nehmen Sie keine Brennstoffzelle?

Wir hätten eine Brennstoffzelle genommen, wenn wir sie in der benötigten Leistung bekommen hätten. Aus Japan hätten wir eine Brennstoffzelle bekommen. Aber ich gebe in dem Projekt deutsche Steuergelder aus und da wollte ich Komponenten zumindest in Europa kaufen.

Hätte die Brennstoffzelle gegenüber der KWK einen Vorteil gehabt?

Ja, die Stromkennzahl der Brennstoffzelle ist höher. Wenn die Brennstoffzelle aber 6.000 Euro pro Kilowatt kostet, kann die beste Stromkennzahl den hohen Preis nicht kompensieren. Beim Motoren-BHKW gibt es deutsche Anbieter, zum Beispiel 2G mit einer Stromkennzahl um 35 bis 38 Prozent. Bei Brennstoffzellen erreicht man 10 bis 15 Prozent höhere Stromkennzahlen.

Wird der Wasserstoff auch zwischengespeichert?

Nicht wirklich, nur kurzzeitig in einem Druckbehälter mit 10 bar. Der hat keine nennenswerte Speicherfunktion und dient nur für die Anfahrvorgänge der Wasserstoffelektrolyse. Für die ein- bis zwei-Tagesproduktion steht der Trailer, der bis zu 700 bar speichert, zur Verfügung. Das Mitteldruck-Erdgasnetz stellt für unsere Produktion von maximal 400 Kilogramm Wasserstoff pro Tag einen sehr großen virtuellen Speicher dar.

Wir steigern dadurch den Wirkungsgrad der Elektrolyse von 55 auf 90 Prozent.

Um das Viertel bilanziell klimaneutral zu machen, könnten Sie den überschüssigen Solarstrom auch einspeisen. Das wäre auch ohne Wasserstoff gegangen.

Ja, aber wir wollten die Sektorenkopplung zur Mobilität und Industrie. Wir sind mit der Elektrolyse im Stadtquartier, um die Abwärme aus dem Prozess zu nutzen. Wir speisen die Abwärme bei 55 bis 60 Grad in unser Nahwärmenetz ein. Wir steigern dadurch den Wirkungsgrad der Elektrolyse von 55 auf 90 Prozent. Wir haben Frischwasserstationen in den Wohnungen eingebaut, so dass wir das Warmwasser mit den niedrigen Temperaturen bereitstellen können und uns nicht weiter um das Thema der Trinkwasserhygiene sorgen müssen.

Warum planen Sie mit der Elektrolyse im Quartier. Wäre es nicht sinnvoller, sie in größerem Maßstab einzusetzen?

Es ist klar, dass wir Elektrolyseure im Gigawatt-Leistungsbereich brauchen und dass das nicht nur dezentral in der Stadt geht. Das ist wie mit den BHKWs. Man kann große Kraftwerke zentral bauen oder kleine dezentral. Wenn ich Elektrolyse im hohen Megawattbereich machen will, gehe ich besser an den Rand der Stadt. Dort kann ich auf den Feldern Photovoltaikanlagen bauen, vielleicht überdacht mit Agro-Photovoltaik, und Windenergieanlagen, die den grünen Strom liefern. Die Abwärme aus den Elektrolyseuren, die 55 bis 60 Grad hat, transportieren wir über Nahwärmeleitungen in die Stadt. Mit dezentralen Großwärmepumpen lassen sich dann die Temperaturen in den Quartierszentren um 15 bis 20 Kelvin anheben. Die LKW lasse ich an den Wasserstoff-Produktionsanlagen am Rande der Stadt vorbeifahren und tanken. Da müssen wir nach meiner Vorstellung hin. Aber wir mussten jetzt erst einmal kleine Brötchen backen. Es gilt zu handeln und es gibt viel zu lernen.

Wir haben für uns einen Vollkostenpreis von sieben bis acht Euro berechnet, das sind rund 20 Cent pro Kilowattstunde, wobei die Förderung durch BMWi und BMBF eingerechnet ist.

Für welche Kosten können Sie Wasserstoff produzieren?

Wir haben für uns einen Vollkostenpreis von sieben bis acht Euro berechnet, das sind rund 20 Cent pro Kilowattstunde, wobei die Förderung durch BMWi und BMBF eingerechnet ist. Wir müssen Netzentgelte zahlen, weil wir einen großen Teil des grünen Stroms einkaufen müssen. Die 1.600 Kilowatt Photovoltaik, die wir auf dem Dach haben, sind zum Teil nicht an das Arealnetz angeschlossen, sondern sind Kundenanlagen. Das liegt an den gesetzlichen Regelungen, da wir mehr als 100 Wohneinheiten haben. Wir mussten diese großen Blöcke in Einzelkundenanlagen aufteilen und über das öffentliche Netz geben. Das ist ein Chaos, wenn man in großen Dimensionen plant. Den Strom, den wir für die Elektrolyse nutzen, haben wir im Durchschnitt mit um die 12 Cent pro Kilowattstunde angesetzt. Wenn ich am Rande der Stadt den Strom mit 4,5 bis 6 Cent produziere und direkt in Wasserstoff transformiere werden wir deutlich günstiger.

Sie kaufen ja auch Strom für die Elektrolyse dazu. Ist das eine tragfähige Lösung?

Mit dem weiteren Ausbau der Erneuerbaren werden Überschüsse von nicht abgeregelten Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen zur Verfügung stehen. Damit das Konzept auch heute schon umgesetzt werden kann, orientiert sich die Betriebsweise der Elektrolyse beim Strombezug am Strommarktpreis. Mit einem festgelegten Grenzpreis kann dieser als Indikator für viel bzw. wenig erneuerbaren Strom im Netz herangezogen werden. Nach aktuell geplantem Fahrplan kommt die Elektrolyse somit auf circa 4.500 bis 5.000 Vollaststunden im Jahr, diese werden mit der Zeit weiter zunehmen.

Sie bauen eine mittelgroße Elektrolyseeinheit auf. War es einfach, eine geeignete Technologie zu finden?

Ja. Es gibt gut eine Handvoll sehr erfahrener Anbieter. Elektrolyse ist eine Jahrzehnte erprobte Technologie. Ein großer Anbieter in Deutschland ist seit längerem Siemens. Es gibt eine ganze Reihe anderer Anbieter für verschiedene Größenordnungen, bis hin ganz kleinen Elektrolyseuren wie Enapter, die unter anderem für autarke Versorgungen an abgelegenen Orten geeignet sind. Wenn wir von Anlagen im Megawattbereich reden, die für Quartiere und Städte geeignet sind, dann gibt es zum Beispiel ITM in England, Hydrogenics in Belgien, Areva in Frankreich. In Deutschland arbeitet H-TEC daran. An dem Unternehmen hat sich letztes Jahr MAN-Energy Solutions beteiligt.

Für welche Technologie haben Sie sich entschieden?

Wir haben uns für eine alkalische Elektrolyse entschieden. Die PEM-Elektrolyse haben wir auch in Betracht gezogen, insbesondere weil man dieser Technik eine größere Zukunft voraussagt. In den Kosten war für unsere Anwendung die alkalische etwas günstiger. Aber das war nicht der entscheidende Punkt. Für uns war wichtig, dass wir auf eine Technologie setzen, die einerseits nicht veraltet ist, mit der es andererseits mehr Betriebserfahrung gibt. Dazu kam, dass wir keine Container-Lösung wollten, sondern zwei Einheiten mit je 500 Kilowatt elektrisch auf einem Gestell. Als Investor gilt es das Pro und Contra abwägen. Am Ende haben wir in Belgien bei Hydrogenics bestellt. Das Herzstück des Elektrolyseurs, das sind die Membranen beziehungsweise die Stacks, wird in Kanada bei der Muttergesellschaft gefertigt, die restlichen Komponenten etwa zur Wasseraufbereitung und Wasserstoffnachbereitung und die ganze Elektrotechnik stammen aus europäischen Quellen. Bezeichnend für den Markt ist, dass Hydrogenics inzwischen vom weltweit größten Diesel-und Gasmotoren-Hersteller, dem amerikanischen Konzern Cummins, übernommen wurde.

Das ist eine Art lokale Einspeisevergütung für Wasserstoff.

Was bekommen Sie für die Wasserstoffvermarktung?

Es gibt keinen einheitlichen Wasserstoffpreis. Die Preise variieren, je nachdem, wo der Wasserstoff herkommt und wer ihn produziert. Der grüne Wasserstoff wird im Moment noch gar nicht groß gehandelt, weil es ihn gar nicht gibt. Wir werden die Ersten sein, die in einer Größenordnung von 50 bis 60 Tonnen pro Jahr grünen Wasserstoff anbieten. Bezüglich der Wirtschaftlichkeit müssen wir uns an der Preisspanne für den grauen und blauen Wasserstoff orientieren, der eben nicht CO2-neutral ist. Die Stadtwerke Esslingen und die Polarstern überlegen, Gaskunden einen „Tarif Grünes Gas“ anzubieten oder vielleicht im Gasnetz der Stadt den Gaspreis um 0,1 Cent pro Kilowattstunde anzuheben und damit eine gewisse Quersubventionierung dieses grünen Anteils zu geben. Das ist eine Art lokale Einspeisevergütung für Wasserstoff.

Sie haben aber auch Industriebetriebe und Tankstellen gefunden, die bereit sind, mehr zu zahlen wie für den nicht-grünen Wasserstoff, den man für ein bis zwei Euro pro Kilogramm bekommen kann.

Wir haben mit diesen Abnehmern im Vorfeld Vorverträge abgeschlossen. Bei vielen Unternehmen ist es wie sonst auch in der Gesellschaft angekommen, dass sie etwas im Kontext der Klimaveränderung tun müssen, so dass sie einen gewissen Teil der Energie grün einkaufen. Sie bezahlen nicht nur vier, sondern sechs bis acht Euro das Kilo.

Bei einem entsprechenden Strompreis können Produktionskosten für grünen Wasserstoff von drei bis vier Euro pro Kilo erreicht werden.

Wie weit können die Produktionskosten sinken?

Das hängt davon ab, wie günstig wir den Strom einkaufen, und es hängt von den Investitionskosten für die Elektrolyse ab. Wir zahlen um die 1.600 Euro pro Kilowattpeak für den Elektrolyseur, das macht 2,40 Euro an den Kilogrammkosten aus. Allein der Stromanteil an den Erzeugungskosten summiert sich auf drei Euro pro Kilogramm Wasserstoff. Die Abwärmenutzung erbringt 55 Cent pro Kilogramm, die dem Wasserstoff gutgeschrieben werden kann. Bei einem entsprechenden Strompreis können Produktionskosten für grünen Wasserstoff von drei bis vier Euro pro Kilo erreicht werden.

Ist bei den 1.600 Euro das Drumherum dabei, also die Wasseraufbereitung, die Trockung und Kompression? Was muss man dafür rechnen?

Die Wasseraufbereitung und H2-Trocknung ist dabei. Insgesamt mit Nebenanlagen, Bau der Energiezentrale, Planung und so weiter kommen wir auf 2.800 bis 3000 Euro pro Kilowatt elektrisch. Die Kapitalkosten tragen mit 3 bis 4 Euro pro Kilogramm Wasserstoff zum Gesamtpreis bei.

Ich bin ja bekanntermaßen kein Befürworter des Passivhaus-Standards in Deutschland. Ich halte das für zu eindimensional, nur in Richtung der Reduzierung des Heizenergiebedarfs gedacht.

Sie haben sich sehr mit der Energieversorgung beschäftigt. Warum werden die Gebäude nicht als Passivhäuser realisiert?

Ich bin ja bekanntermaßen kein Befürworter des Passivhaus-Standards in Deutschland. Ich halte das für zu eindimensional, nur in Richtung der Reduzierung des Heizenergiebedarfs gedacht. Mein Lehrsatz heißt Reduzieren des Bedarfs und Erzeugen aus Erneuerbaren Energiequellen, und das wirtschaftlich zu optimieren. Diese Gesamtbetrachtung hat für mich die oberste Priorität. Wir haben die Gebäudehülle nach der EnEV 2016 geplant, wie es jetzt auch in dem neuen Gebäudeenergiegesetz steht. Die Dämmdicken in der Außenwand von 15 bis 18 Zentimeter haben ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis. Es gilt die CO2- Emissionen mit den möglichst geringsten Lebenszykluskosten drastisch zu reduzieren, so wie es Aktivhäuser im EnergiePlus- Standard gezeigt haben.

Mit ihrem jetzigen Konzept reduzieren Sie den CO2-Fußabdruck um 80 bis 85 Prozent, was bei Projektbeginn den Klimazielen der Bundesregierung entsprach. Am Ende muss er ja auf nahezu Null gesenkt werden. Wie würde das gehen?

Die 80 bis 85 Prozent, beziehungsweise die jährlichen Emissionen von rund 900 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr auf unter 150 Millionen Tonnen bis 2050 zu reduzieren, ist technisch machbar und wird bereits größere zweistellige Milliarden Euro pro Jahr ab sofort erfordern. Dass wir 100 Prozent klimaneutral schaffen ist meines Ermessens nur möglich, wenn wir grünen Wasserstoff oder grünes Erdgas und grüne Kraftstoffe in großen Mengen aus Südeuropa und eventuell aus den Mena-Staaten importieren. Als Nahziel bis 2030 gilt es erst einmal, 350 Millionen Tonnen CO2 einzusparen, wobei der Bereich Gebäude mit 50 Millionen Tonnen nur durch den Bestand zu heben ist. Alleine dies ist eine Herkulesaufgabe, die unglaublicher finanzieller Anstrengungen bedarf.

In diesem städtischen Neubauquartier kostet der Quadratmeter ungefähr 200 bis 250 Euro zusätzlich durch die Umsetzung der Klimaneutralität.

Sie haben in Esslingen ungefähr zwölf Millionen Euro Förderung bekommen. Wie viel steigt der Quadratmeterpreis durch Ihr Konzept, wenn man keine Förderung bekommt?

In diesem städtischen Neubauquartier kostet der Quadratmeter ungefähr 200 bis 250 Euro zusätzlich durch die Umsetzung der Klimaneutralität. Darin sind die Photovoltaikanlagen, der Elektrolyseur, die Batterien, das Energiemanagement und die Elektro-Ladestationen und so weiter enthalten. Wenn von Politikern klimaneutral und kostenneutral in einem Atemzug genannt werden, dann ist dies unzutreffend und dem Bürger ist mit diesen Aussagen nicht geholfen. Die Politik muss Wege zur sozialverträglichen Finanzierung der Klimaneutralität aufzeigen, ein erster Schritt ist sicher die Einführung des CO2-Preises im Non-ETS-Sektor.

Der Quadratmeter kostet also rund zehn Prozent mehr als normal. Haben die Bewohner dadurch niedrigere Energiekosten?

Nein, die Klimaneutralität erfordert nennenswert höhere Investitionskosten, die in Esslingen durch eine Projektförderung teilweise aufgefangen werden. Die Energiekosten mussten wir ortsüblich halten. Beim Strom liegen wir bei 26 bis 28 Cent pro Kilowattstunde und bei der Wärme irgendwo zwischen 80 und 100 Euro pro Megawattstunde.

Sie haben ja eine Batterie mit 700 Kilowattstunden Kapazität vorgesehen. Wie haben Sie die Größe bestimmt?

Wir haben im Rahmen dieses Forschungsprojektes ein Tool zur Simulation von vernetzten Stadtquartieren entwickelt. Wir bilden die verschiedenen Energieerzeuger als Quellen und Verbraucher als Senken ab. Dazu gehören auch die Lastprofile der Gebäudeblöcke, sowohl der Wohnungen, des Gewerbes und der Hochschule. Mit dieser dynamischen Stadtquartiersimulation können Sie die Erzeugung, die Speicherung und die Wasserstoffproduktion variieren und die Kosten ermitteln. Die spielen natürlich eine Rolle. Der Solarstrom von den Dächern versorgt zunächst die Mieter. Als nächste Priorität findet eine Kurzzeitspeicherung in den Batterien für die Nutzer statt. Am Ende der Kette wird die Elektrolyse versorgt.

Es gibt Gebäudesimulationen, aber es gibt wenig Software, mit der Sie Quartiere abbilden können. Diese haben wir daraufhin entwickelt.

Was haben Sie bezüglich der Wasserstoffintegration bereits gelernt?

Wir haben insgesamt sehr viel gelernt. Die Entwicklung und Planung eines klimaneutralen Stadtquartiers mit Wasserstoffproduktion ist absolutes Neuland. Wir realisieren eine übergeordnete Steuerung und ein intelligentes Energiemanagement. Da gibt es auf dem Markt nicht viel. Viele simulieren das, aber wer baut? Wir haben gelernt, dass wir Quartiersimulationen brauchen. Es gibt Gebäudesimulationen, aber es gibt wenig Software, mit der Sie Quartiere abbilden können. Diese haben wir daraufhin entwickelt. Bei der Wasserstoffthematik haben wir erst mal gelernt, wer überhaupt Wasserstoffelektrolysen in diesem Kontext bei welchen Temperaturen und welchen Abwärmebedingungen herstellt. Wir haben gelernt, wie man ein Genehmigungsverfahren nach dem Bundesemissionsschutzgesetz angeht und welche Gutachten man dazu braucht. Das ist ziemliches Neuland gewesen, auch was die Zuständigkeiten angeht. Das eine Regierungspräsidium ist nur für die Elektrolyse zuständig, das andere Regierungspräsidium ist nur für die Abfüllung zuständig, eine dritte Stelle für die Wasserstoffleitung. Wir brauchen eine Wasserstoffleitung zwischen dem Elektrolyse- und dem Abfüllort des Wasserstoffs. Mit Wasserstoffleitungssystemen gibt es insgesamt wenig Erfahrung. Wir haben dadurch viel Engineering-Know-how gewonnen.

Sehen Sie in dem Konzept die Zukunft oder eher in dem Konzept Wärmepumpe und Photovoltaik? Oder sollte man sie kombinieren?

Wir brauchen beide Konzepte. Die elektrische Wärmepumpe ist das Heizsystem der Zukunft. Bereits heute sind die CO2-Emissionen einer Wärmepumpe um 30 bis 40 Prozent unter dem eines Gaskessels. Da der CO2-Fußabdruck des Netzstroms von heute 500 Gramm pro Kilowattstunde bis 2050 auf 100 bis 150 Gramm sinken wird, wird der Vorteil der Wärmepumpe von alleine größer. Wenn man dies mit einer Photovoltaikanlage auf dem Dach kombiniert, ist der CO2-Fußabdruck noch geringer. Neubauten sind mit Photovoltaik und Wärmepumpe heute schon klimaneutral zu realisieren. Für Verkehr, vor allem den Transport schwerer Lasten über weite Strecken, und die Industrie wird zur Dekarbonisierung grüner Wasserstoff benötigt. Ein Teil sollte in oder in unmittelbarer Nähe zu Quartieren erfolgen, um die Abwärme der Elektrolyse zur Beheizung der Gebäude zu nutzen.