Wasserstoff an der Biogasanlage: lokale Anwendungsszenarien und ihre Sinnhaftigkeit

Eine Biogasanlage kann Ausgangspunkt für die Wasserstofferzeugung sein, doch in den meisten Fällen bringen der Verkauf von Biomethan, bioCNG oder Strom ein besseres wirtschaftliches Ergebnis als die Wasserstofferzeugung vor Ort, da jede Energieumwandlung mit Verlusten und Kosten verbunden ist. Eine mit Biogasstrom betriebene Elektrolyse verbraucht 50–55 kWh/kg H₂, und die Energie von 1 kg Wasserstoff (33,3 kWh nach Heizwert) macht daher ca. 60–65% der als Strom eingesetzten Energie aus. Die Umwandlung von Gas in Strom in einem BHKW-Motor (CHP) mit einem Wirkungsgrad von 40% senkt den Wirkungsgrad der Kette zusätzlich. Wasserstoff an der Biogasanlage ist in Nischen sinnvoll: dort, wo es einen dauerhaften lokalen Abnehmer gibt, wo der Wasserstoff zur Unterstützung des biologischen Prozesses dient oder wo er mit Überschussenergie aus anderen Quellen kombiniert wird.

Szenario 1: Elektrolyse mit Biogasstrom

Das BHKW erzeugt Strom, der den Elektrolyseur speist. Wirkungsgrad der Kette: Biogas → Strom 40% → Wasserstoff (33,3/52 = 64%) = ca. 26% der Biogasenergie im Wasserstoff (LHV). Zum Vergleich: Biomethan aus der Aufbereitung behält ca. 90–95% der Biogasenergie. Hinsichtlich des Wirkungsgrads ist dies also der ungünstigste Weg. Zudem ist Wasserstoff aus Biogasstrom kein RFNBO (Energie aus Biomasse), und sein Status bedarf einer gesonderten Bewertung. Anwendung: nur wenn der Wasserstoff zwingend benötigt wird und der Biogasstrom nicht günstiger verkauft werden kann.

Szenario 2: Reforming von Biomethan

Biomethan wird in Wasserstoff umgewandelt (siehe den Beitrag zum Reforming). Ein Verbrauch von ca. 3,4 kg CH₄ je kg H₂ bedeutet einen Wirkungsgrad von ca. 70% bezogen auf die Biomethanenergie. Sinnvoll ist das bei lokalem industriellem Bedarf und verfügbarer Reforminganlage; im kleinen Maßstab ist es teuer.

Szenario 3: Wasserstoff zur Unterstützung der Methanogenese

Die Zugabe von Wasserstoff in den Fermenter oder in einen separaten Reaktor erlaubt es, das CO₂ im Biogas in zusätzliches Methan umzuwandeln (biologische Methanisierung in situ oder ex situ). Der Vorteil liegt in der Nutzung des CO₂ und der Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen; Nachteile sind die Begrenzungen beim Gas-Flüssigkeits-Stofftransfer und der geringe Maßstab. Die Wirtschaftlichkeit hängt vom Strompreis ab (siehe den Beitrag zur Methanisierung).

Szenario 4: Kraftstoff für Landmaschinen

Wasserstoff als Kraftstoff für Traktoren und Maschinen befindet sich in einer frühen Entwicklungsphase. Der Energiebedarf eines Traktors beträgt in der Saison einige Hundert kWh pro Tag, daher sind eine Anlage mit entsprechender Leistung sowie eine Wasserstofftankstelle (Verdichtung auf einige Hundert bar) erforderlich. Derzeit sind bioCNG/bioLNG oder Biodiesel für Landmaschinen die praktikablere und günstigere Lösung, in Zukunft elektrische Lösungen.

Szenario 5: Lieferungen an Industrie oder Verkehr

Wenn in der Nähe ein Betrieb Wasserstoff verbraucht (Chemie, Raffinerie, Glas) und dieser Betrieb Wasserstoff mit geringem CO₂-Fußabdruck sucht, kann die Biogasanlage zum Lieferanten werden. Das erfordert einen großen Maßstab, Zertifizierung und eine Transportinfrastruktur für Wasserstoff (Pipeline, Trailer). Für eine einzelne landwirtschaftliche Anlage ist der Maßstab in der Regel zu klein.

Vergleichsbeispiel

Annahmen: 1000 MWh chemische Energie des Biogases pro Jahr (bei 55% CH₄).

Die Unterschiede sind enorm. Wasserstoff ist nur dann sinnvoll, wenn sein Wert für den Abnehmer, umgerechnet auf MWh, deutlich höher ist als der Wert von Biomethan oder Strom.

Entscheidungskriterien

1. Gibt es einen dauerhaften Wasserstoffabnehmer mit Vertrag?
2. Wie hoch sind die Kosten der gesamten Kette (Erzeugung, Reinigung, Verdichtung, Speicherung, Transport)?
3. Qualifiziert sich der Wasserstoff für eine Förderung oder Prämie, und welche regulatorischen Anforderungen erfüllt er?
4. Liefert die Alternative (Biomethan, bioCNG) nicht ein besseres Ergebnis?
5. Sind die technische Kompetenz und die Bereitschaft zur Risikoübernahme vorhanden (ATEX, Wasserstoff)?

Sicherheit und Formalitäten

Wasserstoff hat einen weiten Zündbereich (in Luft ca. 4–75% Volumenanteil) und eine sehr geringe Zündenergie, daher erfordern Wasserstoffanlagen eine gesonderte Gefährdungsbeurteilung, Ex-Zonen, Detektion und Verfahren. Eine Biogasanlage, die bereits ATEX-Zonen für Biogas verwaltet, hat einen gewissen Kompetenzvorsprung, doch die Ergänzung um Wasserstoff bedeutet neue Anforderungen an Geräte, an die Speicherung unter hohem Druck und an den Betrieb. Zu den Kosten sind Genehmigungen, Versicherung und Schulungen hinzuzurechnen, deren Umfang vom Maßstab abhängt.

Zusammenfassung

Für die meisten Biogasanlagen ist Wasserstoff kein natürliches Produkt. Sinnvolle Nischen gibt es, doch jedes Projekt sollte mit der Energiebilanz und dem Vertrag mit dem Abnehmer beginnen und nicht mit der Technologie.