„Energiewende“ hat in Öhringen Tradition: Schon 1910 taten sich 29 Gemeinden aus dem Hohenlohe zusammen, um das „Überlandwerk Hohenlohe-Öhringen“ zu gründen und die Dörfer und Städte im Norden Baden-Württembergs zu elektrifizieren. Dieser Pioniergeist lebt auch noch gut 110 Jahre später: In Öhringen transportierte das Nachfolgeunternehmen Netze BW GmbH erstmals über das lokale Erdgasnetz bis zu 30 Prozent Wasserstoff. Dieser wird per Elektrolyse durch den Contracting Bereich der EnBW Energie Baden-Württemberg AG erzeugt.
Während die Diesel-Generatorhalle im neoklassizistischen Baustil und Jugendstil-Elementen erscheint, kommt die direkt daneben errichtete Wasserstoff-Anlage eher nüchtern daher. An den zwei weiß lackierten 40-Fuß-Containern lassen lediglich die vielen Blitzableiter-Antennen auf die im Innern verbaute Hightech schließen: einen Wasserstoff-Elektrolyseur und eine Gas-Mischanlage.
Stolz ist der Gasverteilnetzbetreiber trotzdem auf das Projekt: „Wir konnten zeigen, dass ein Mischgas aus Wasserstoff und Erdgas problemlos für die Beheizung von Gebäuden eingesetzt werden kann“, erklärt Projektingenieurin Daniela Wieland, die sich im Bereich „Technik Innovation“ bei Netze BW für die Energiewende einsetzt.
Heizen und kochen mit 30 Prozent Wasserstoff
Rund 30 Haushalte in Öhringen waren über zwei Heizperioden in 2022 und 2023 vom bestehenden Gasnetz „abgeklemmt“ worden. Sie heizten und kochten stattdessen mit Erdgas, dem bis zu 30 Volumenprozent Wasserstoff beigemischt war – die erste „Wasserstoff-Insel“ war geboren.
„Die Wasserelektrolyse ist eine Möglichkeit, überschüssigen erneuerbaren Strom zu speichern“, erklärt Wieland.
Die Wasserelektrolyse ist eine relevante Option in der Energiewende, weil erneuerbare Energien wie Wind- und Solarstrom nicht kontinuierlich zur Verfügung stehen: Da Strom bislang nicht in großem Maßstab gespeichert werden kann, müssen Wind- und Photovoltaik-Anlagen derzeit häufig abgeregelt werden, um das Stromnetz nicht zu überlasten. Hier setzt Wasserstoff als Speichermedium an: Mittels Elektrolyse kann überschüssiger Strom genutzt werden, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der so erzeugte Wasserstoff lässt sich speichern und bei Bedarf entweder direkt als Brennstoff verwenden oder durch Rückverstromung wieder in Elektrizität umwandeln.
Doch können bestehende Erdgasleitungen überhaupt zum Transport von Wasserstoff oder Erdgas-Wasserstoff-Mischungen genutzt werden? Wie verhält sich die Mischung in den Leitungen und als Brenngas? Und wie sicher und zuverlässig funktioniert die dafür notwendige Technik im Alltag? „Diese Fragen lassen sich nicht theoretisch beantworten – es braucht den Großversuch“, erklärt Wieland.
Der Wasserstoff wird in Öhringen mit einem Alkali-Elektrolyseur erzeugt © VEGA Grieshaber KG
Um Antworten zu erhalten, hat Netze BW gemeinsam mit Öhringer Bürgerinnen und Bürgern, Brennerherstellern, der Wissenschaft, dem lokalen Handwerk und weiteren Akteuren den Versuch gewagt. Der Praxistest beginnt bei der Elektrolyse und der Beimischung des Wasserstoffs zum Erdgas. Auf dem Betriebsgelände in Öhringen der Netze BW wird der Wasserstoff in einem Elektrolyseur des Herstellers Hydrogenics erzeugt. Die im ersten Container untergebrachte Anlage beinhaltet die Wasseraufbereitung per Umkehrosmose sowie vier Elektrolyse-Stacks. Im zweiten Container befindet sich die Mischgasanlage, die dazu dient, den Wasserstoff dem Erdgas in definierten Anteilen beizumischen.
Messtechnik sorgt für die richtige Mischung
In der Mischanlage spielt die Messtechnik eine zentrale Rolle: Durchfluss, Druck und Temperaturen müssen mit hoher Präzision überwacht werden. Denn eine technische Herausforderung besteht darin, die Sicherheit und Effizienz der Anlage bei unterschiedlichen Wasserstoffanteilen zu gewährleisten. Wasserstoff hat andere physikalische Eigenschaften als Erdgas, wie eine höhere Flammenausbreitungsgeschwindigkeit und eine geringere Energiedichte, was Anpassungen in der Gasaufbereitung und Verbrennungstechnik erfordert. Diese Aspekte machen das Monitoring und die genaue Messung der Gasmischung und der Betriebsparameter besonders wichtig.
Daniela Wieland, Ingenieurin bei Netze BW, erklärt die Funktionsweise der Mischanlage, in der Wasserstoff dem Erdgas beigemischt wird © VEGA Grieshaber KG
Die Messgeräte, die in Wasserstoffanwendungen eingesetzt werden, müssen besonderen Herausforderungen standhalten – denn Wasserstoff hat bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften und muss zum Teil unter extremen Betriebsbedingungen hergestellt, gelagert und verarbeitet werden.
VEGA-Messtechnik erfüllt die Wasserstoff-Anforderungen
VEGA bietet eine Reihe innovativer Technologien für die spezifischen Herausforderungen in Wasserstoffanwendungen. Zum Einsatz kommen widerstandsfähige Materialien wie spezielle Edelstahllegierungen – darunter 316L – und beschichtete Werkstoffe, die weniger anfällig für Wasserstoffversprödung sind – beispielsweise im VEGABAR 83. Gold- und Gold-Rhodium-Beschichtungen an der Messmembran bieten zudem Schutz gegen Diffusion.
Dort, wo es auf Beständigkeit und besondere Druckfestigkeit ankommt – das ist unter anderem in Erdgas-Anwendungen der Fall – sind keramische Messzellen ideal. Der VEGABAR 82 mit seiner ölfreien keramischen Messzelle ist mit seiner hohen Überlastfähigkeit in vielen Prozessen ein passender Sensor – so auch zur Drucküberwachung in Wasserstoffleitungen. Aufgrund ihrer erhöhten chemischen Beständigkeit kommen die Sensoren auch bei aggressiven Medien wie der in Elektrolyseuren verwendeten Kalilauge zum Einsatz.
Präzise Druckmessungen beim Mischen von Erdgas und Wasserstoff
Auch für die Umsetzung der Wasserstoff-Insel spielt die Messtechnik von VEGA eine Rolle. Die Geräte tragen dazu bei, den Betrieb der Mischanlage sicher und effizient zu gestalten. Die in Öhringen eingesetzten Sensoren und Messsysteme überwachen verschiedene kritische Parameter und ermöglichen eine präzise Steuerung des Wasserstoff-Erdgas-Gemischs. Die Mischanlage besteht aus mehreren Komponenten, die für eine sichere Mischung der beiden Gase sorgen.
Die Druckwerte werden vor Ort angezeigt, aber auch an das übergeordnete Leitsystem übertragen © VEGA Grieshaber KG
Erdgas und Wasserstoff werden separat in die Mischanlage eingespeist. Während der Wasserstoff aus der Elektrolyse mit Drücken zwischen 3 und 10 bar in die Anlage eintritt, kommt das Erdgas mit einem Druck von bis zu 13 bar an. Zur präzisen Steuerung ist es notwendig, die Normvolumenströme von Wasserstoff und Erdgas zu bestimmen. Dazu wird auf die gemessenen Betriebsvolumenströme sowie auf Sensoren, die Druck und Temperatur messen, zurückgegriffen. Die Führungsgröße des Regelsystems ist der Wasserstoffanteil im Mischgas. Dieser wird primär über eine Verhältnisrechnung der Normdurchflüsse an den Gasmengenzählern ermittelt.
Relevante Abweichungen zum eingestellten Wasserstoffanteil werden mit dem ebenfalls verbauten Mischgaszähler überwacht (Normdurchfluss Wassersoff + Erdgas = Mischgas). Läuft diese Mengenformel auseinander, wird die Mischgasschiene abgeschaltet. Der Wasserstoffanteil wird mit einer Gasqualitätsmessung der Mems AG kontinuierlich überwacht. Auf diese Weise wird der Wasserstoff dosiert und in die Mischstrecke geleitet, wo er mit dem Erdgas homogen vermischt wird. Verschiedene Sicherheitsmechanismen in der Anlagensteuerung sowie Sicherheitsabsperrventile sorgen dafür, dass der Betrieb der Anlage sicher und effizient verläuft.
Auch nach der Vermischung wird über Betriebsvolumenstrom, Druck und Temperatur der Normvolumenstrom berechnet und anschließend über einen Pufferspeicher in das Niederdruck-Netz (70 mbar) und das Mitteldruck-Netz (700 mbar) eingespeist. Auch hier werden die Drücke überwacht. Die in Öhringen eingesetzten VEGA-Drucksensoren, wie der VEGABAR 82, weisen eine erhöhte Präzision und Langzeitstabilität auf. Mit ihrer keramischen Messzelle bieten sie zudem eine hohe Beständigkeit. Außerdem ermöglichen die Sensoren eine robuste Drucküberwachung, auch bei wechselnden Betriebsbedingungen, was für einen sicheren und stabilen Betrieb der Mischanlage notwendig ist.
In Zukunft 100 Prozent Wasserstoff
„Das Projekt Wasserstoff-Insel Öhringen hat bereits wichtige Erkenntnisse geliefert“, resümiert Wieland. „Die Beimischung von Wasserstoff bis zu einem Anteil von 30 Volumenprozent erwies sich als technisch machbar; an der Infrastruktur selbst waren keine Anpassungen notwendig. Nur wenige Heizgeräte bei den Kunden mussten getauscht werden.“ Die Messtechnik von VEGA spielte eine relevante Rolle bei der Überwachung und Optimierung der Anlage, wodurch der Betrieb sicher und effizient durchgeführt werden konnte.
Die Messergebnisse zeigten, dass sowohl das Gasnetz als auch die Haushaltsgeräte zuverlässig arbeiteten, auch bei höheren Wasserstoffanteilen von bis zu 30 Volumenprozent im Gasgemisch. Außerdem haben sich die erhöhte Genauigkeit und Zuverlässigkeit der VEGA-Messgeräte als positiv erwiesen. Dadurch ist es möglich, die Anlage auch bei dynamischen Betriebsbedingungen zu steuern.
Und so liefert das Projekt NETZlabor Wasserstoff-Insel Öhringen wichtige Erkenntnisse für die Weiterentwicklung der Wasserstoffwirtschaft. „Es hat gezeigt, dass bestehende Gasinfrastrukturen mit geringem Aufwand für den Betrieb mit Wasserstoff angepasst werden können“, sagt Wieland.
Langfristig soll das Projekt dazu beitragen, neue Geschäftsmodelle für die Wasserstoffwirtschaft zu entwickeln und die Integration erneuerbarer Energien in die Wärmeversorgung voranzutreiben. In einem Folgeprojekt will Netze BW die eigenen Betriebsgebäude in Öhringen ausschließlich mit 100 Volumenprozent Wasserstoff aus der Elektrolyse beheizen. Dazu werden aktuell die Heizsysteme umgerüstet. Und auch hier wird die Messtechnik von VEGA weiterhin eine Rolle spielen, um die Sicherheit und Effizienz der Anlagen zu gewährleisten – und so nicht nur in Öhringen die Energiewende weiter voranzubringen.
