Biowasserstoff realistisch: Dunkelfermentation, Biogasreformierung und Elektrolyse an der Biogasanlage

Wasserstoff wird mal als Lösung dargestellt, die alles ersetzen wird, mal als Technologie, die sich nie rechnen wird. Die Wahrheit liegt in der Mitte und hängt von der Anwendung ab. Wasserstoff aus Biomasse und Abfällen, Biowasserstoff genannt, ist ein Baustein im Energiepuzzle, der dort sinnvoll sein kann, wo es einen Abnehmer gibt und der Rohstoff günstig und lokal ist. An einem Tag, der der Energieautarkie gewidmet ist, gehört er ohne Begeisterung und ohne Vorurteile auf Grundlage der Bilanz bewertet.

Drei verschiedene Dinge unter einem Namen

Der Begriff „Biowasserstoff“ umfasst drei getrennte Wege unterschiedlicher Reife. Einen allgemeinen Überblick finden Sie im Beitrag Biowasserstoff: Was er wirklich bedeutet und welche Produktionspfade es gibt. Nachfolgend betrachten wir sie im Hinblick auf ihre Eignung in der Nähe von Biogasanlagen.

Dunkelfermentation: interessant, aber früh

Bei der Dunkelfermentation bauen Bakterien Zucker ohne Licht und Sauerstoff ab und erzeugen dabei Wasserstoff und flüchtige Fettsäuren. Die theoretische Grenze liegt bei vier Mol H₂ je Mol Glucose und entspricht dem Weg über Essigsäure; beim Weg über Buttersäure sind es zwei Mol. In der Praxis, wenn auch andere Produkte entstehen (z. B. Laktate, Ethanol) und ein Teil des Wasserstoffs in Nebenreaktionen verbraucht wird, ist die Ausbeute deutlich niedriger, orientierend im Bereich von ein bis zwei Mol. Es bleiben Säuren zurück, in denen noch der Großteil der Substratenergie steckt, weshalb das zweistufige Konzept die Wasserstoffstufe mit einer zweiten, methanbildenden Stufe verbindet. Ein Vorteil ist die Nutzung von Abfällen, die reich an leicht abbaubaren Zuckern sind, ein Nachteil die Instabilität des Prozesses, die niedrige Wasserstoffkonzentration im Gas und die Kosten seiner Reinigung. Einzelheiten beschreibt der Beitrag Dunkelfermentation: Wasserstoff aus organischen Abfällen, Ausbeute und Grenzen. Die Technologie befindet sich im Stadium von Forschung und Pilotversuchen; im industriellen Maßstab ist sie derzeit nicht verbreitet im Einsatz.

Reformierung von Biogas und Biomethan

Die Dampfreformierung wandelt Methan und Wasserdampf in Wasserstoff und CO₂ um. Technisch ist das ein ausgereifter Prozess, bekannt aus der Erdgasindustrie, und mit Biomethan oder Biogas betrieben liefert er Wasserstoff aus einer erneuerbaren Quelle. Jedoch geht jedes Mol Methan, das wir in Wasserstoff umwandeln, als Biomethan verloren, und der Umwandlungswirkungsgrad liegt unter 100%. Sinnvoll wird ein solcher Prozess, wenn:

• der Abnehmer Wasserstoff und kein Methan benötigt, zum Beispiel in einem industriellen Prozess,
• das entstehende CO₂, das biogenen Ursprungs ist, abgeschieden und verwertet werden kann,
• fehlender Zugang zum Gasnetz den Verkauf von Biomethan unmöglich macht.

Die Bilanz beschreibt der Beitrag Dampfreformierung von Biogas und Biomethan zu Wasserstoff: Bilanz und CO₂. Ein Beispiel für die Integration von Gülle, Biomethan und Wasserstoff aus Japan zeigt der Beitrag Shikaoi auf Hokkaido.

Elektrolyse an der Biogasanlage

Ein Elektrolyseur spaltet Wasser mithilfe von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff. An der Biogasanlage bietet er drei zusätzliche Möglichkeiten: die Nutzung des Sauerstoffs (z. B. zur Mikrobelüftung der Entschwefelung oder zur Nachreinigung von Wasser), der Abwärme des Elektrolyseurs sowie die Verbindung von Wasserstoff mit biogenem CO₂ in der Methanisierung, die wir im Beitrag Methanisierung und Power-to-Gas mit biogenem CO₂ beschrieben haben. Allerdings ist Wasserstoff aus der Elektrolyse nur so erneuerbar wie der Strom, und die Delegierte Verordnung 2023/1184 stellt Bedingungen für erneuerbare Kraftstoffe nicht biogenen Ursprungs (RFNBO), wie Zusätzlichkeit und zeitliche Korrelation. Der Energieverbrauch des Elektrolyseurs liegt orientierend in der Größenordnung von 50–55 kWh je Kilogramm Wasserstoff (Näherungswert, abhängig von Technologie und Betriebsbedingungen), bei einem Heizwert von Wasserstoff von ca. 33 kWh/kg. Das bedeutet, dass die Stromkosten und die Zahl der Betriebsstunden über die Wirtschaftlichkeit entscheiden. Bei seltenem Betrieb in Zeiten günstiger Überschüsse verteilen sich die Kapitalkosten auf eine geringe Produktmenge.

Wo Wasserstoff sinnvoll ist und wo noch nicht

Leitprinzip: Wasserstoff ist dort sinnvoll, wo es einen konkreten Abnehmer gibt, und nicht als Selbstzweck. In den meisten landwirtschaftlichen Biogasanlagen liefern Biomethan oder Strom und Wärme das bessere Ergebnis, und Wasserstoff wird hinzukommen, wenn Markt und Technik gereift sind.

Abhängigkeit und Unabhängigkeit

Wasserstoff ist kein Primärbrennstoff: Er muss erzeugt werden, und das erfordert Energie oder einen Rohstoff. Sein Beitrag zur Eigenständigkeit eines Landes hängt daher davon ab, woher dieser Einsatzstoff stammt. Wasserstoff aus heimischen Abfällen und heimischer erneuerbarer Energie kann ein Element lokaler Unabhängigkeit sein; Wasserstoff, der aus importiertem Gas erzeugt wird, schwächt sie. Ehrlicherweise ist zu betonen, dass für die entscheidenden Weichenstellungen noch langjährige Betriebserfahrung fehlt. Deshalb lohnt es sich, Pilotprojekte zu beobachten, aus ihren Ergebnissen zu lernen und nicht mehr zu versprechen, als Messungen bestätigt haben.

Beiträge der Serie, auf die es sich lohnt zurückzukommen: Energieunabhängigkeit beginnt lokal sowie Biomethan als heimischer Brennstoff.