Wie CNG-Antriebe auf H₂ reagieren

CNG-Fahrzeuge müssen eine Wasserstofftoleranz von zwei Volumenprozent aufweisen. Doch was passiert, wenn dem CNG künftig mehr H₂ beigemischt wird? Experten des DVGW, dem deutschen Verein des Gas- und Wasserfaches e. V., wollten es wissen und haben den Einfluss eines höheren Wasserstoffanteils auf die europäische Gasinfrastruktur und nicht zuletzt auch auf die CNG-Antriebe untersucht.

Das Gasnetz bietet ideale Voraussetzungen, um klimaneutrale Gase aufzunehmen, zu speichern und zu transportieren. Quelle: GIE

Der Anteil der erneuerbaren Energien muss europaweit deutlich höher werden, um die ambitionierten Ziele der Politiker bezüglich CO₂-Reduktionen zu erreichen. Biogas, synthetisches Gas oder auch Wasserstoff (H₂) werden dabei eine wichtige Rolle spielen. Das Gasnetz bietet sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht ideale Voraussetzungen, um klimaneutrale Gase aufzunehmen, zu speichern, zu transportieren und an alle Sektoren von der Industrie übers Gewerbe bis zur Mobilität zu verteilen.

Schon heute kann Biogas und synthetisches Methan problemlos in die bestehende Gasinfrastruktur eingespeist werden. Die Beimischung von Wasserstoff ins bestehende Gasnetz ist dagegen begrenzt. Eine Erhöhung erfordert eine schrittweise Anpassung sowohl der Infrastruktur als auch der Endverbraucher. Insbesondere unterirdische Gasspeicher, Fahrzeuge mit CNG-Antrieb, Gasturbinen, stationäre Gasmotoren und industrielle oder häusliche Gasgeräte müssten angepasst werden.

Die CNG-Antriebe von Personenwagen und auch von Nutzfahrzeugen können bislang bis zu zwei Volumenprozent Wasserstoff im Gas-Mix problemlos verarbeiten. Quelle: CNG-Mobility.ch

Heute müssen CNG-Fahrzeuge eine Wasserstofftoleranz von zwei Volumenprozent aufweisen, was durch die H₂-Toleranz des Tanksystems und die Treibstoffspezifikationen sichergestellt wird, so dass an keiner Zapfsäule ein höherer H₂-Wert ausgegeben wird. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass für grosse Teile des Gasnetzes eine Beimischung von bis zu zehn Volumenprozent H₂ machbar wäre. Nun wollen erste Unternehmen ihre Prozesse mit H₂ defossilisieren. Daher könnten mittel- und langfristig Gasqualitäten mit höheren oder schwankenden Wasserstoffanteilen im Transport- und Verteilungsnetz vorhanden sein.

Experten haben nun fünf Übergangsszenarien mit unterschiedlichen H₂-Methan-Mischungen analysiert, um einen möglichst kosteneffizienten Transformationspfad zu identifizieren. Dabei zeigte sich bei den Fahrzeugen: Der sogenannte Flexifuel-Betrieb ist für alle Defossilisierungsszenarien prinzipiell machbar. Die zu erwartenden Mehrkosten steigen aber mit maximalem H₂-Gehalt und werden im Wesentlichen durch das Tanksystem bestimmt. Die DVGW-Experten erwarten bei einer H₂-Beimischung bis 10 Volumenprozent zwar keine nennenswerten Kosten für die Anpassungen, bei Beimischszenarien mit 0 bis 30 beziehungsweise 0 bis 100 Volumenprozent fallen dagegen die grössten Mehrkosten an.

Sachsen-Anhalts Umweltminister Armin Willingmann und Avacon-Netz-Geschäftsführer Frank Schwermer geben Startschuss für eine Wasserstoff-Beimischung von 20 Prozent in einem Versuchsabschnitt. Quelle: Avacon

Aufgrund eines zu erwartenden Reichweitenverlustes der Fahrzeuge – abhängig vom Druck des Tanksystems (350 oder 700 bar) – in Kombination mit einer geringeren Antriebsleistung sehen die DVGW-Experten übrigens eine Nachrüstung bis zu 100 Volumenprozent H₂ als technisch nicht machbar an. Sie empfehlen zudem – wie bei den jetzigen CNG-Fahrzeugen – auf eine Hybridantriebslösung zu setzen.

In der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit sehen die DVGW-Fachleute zwischen den verschiedenen Umwandlungsszenarien keine signifikanten Unterschiede. Sehr wohl aber bei der der Verteilung der Kosten. Höhere Wasserstoffanteile im Netz führen zu einer deutlichen Senkung der Kosten für die Erzeugung von erneuerbarem Gas. Sie verlagern den grössten Teil der Folgekosten aber von der Infrastruktur auf die Hersteller von Fahrzeugen und Motoren. Methanisierung und Membrantrennung könnten hier eine wirtschaftliche Alternative zu Fahrzeug- und Tankstellenanpassungen bieten. Klar ist: Es wird zwischen Fahrzeug- und Motorenhersteller genauso wie Infrastruktur- und Gasanbietern noch ausgiebige Gespräche brauchen, um sich auf einen Transformationspfad und dessen Kostenverteilung zu einigen. In Anbetracht des global stetig wachsenden CO₂-Fussabdrucks sind dabei schnell umsetzbare Vermeidungsoptionen zu priorisieren. (jas, 14. April 2022)

Hier geht’s zum Abstract des DVGW-Forschungsprojekt zum Thema «H2 in the gas network and interaction with gas engines» mit allen Details.

Die Wasserstoff-Tankstelle für LKW in Gossau SG muss aktuell noch über Container mit grünem Wasserstoff versorgt werden, vielleicht ist dereinst eine Versorgung übers Gasnetz denkbar. Quelle: CNG-Mobility.ch

Die wichtigsten Fakten zum Thema Wasserstoff in der Schweiz: H₂-Barometer

Wasserstoff ist ein Thema, das für die Schweizer Gaswirtschaft immer wichtiger wird. Der Verband der Schweizerischen Gasindustrie hat deshalb zusammen mit den Beratungsunternehmen e-Bridge und Polynomics das H₂-Barometer lanciert, welches das Investitionsklima in der Wasserstoffwirtschaft in der Schweiz bewertet. Das H₂-Barometer dient Investoren, Behörden und anderen Interessengruppen aus Wirtschaft, Politik, Verwaltung und Wissenschaft zur Bewertung und Beurteilung der Rahmenbedingungen für die Wasserstoffwirtschaft in der Schweiz. Das Barometer wird vorerst halbjährlich veröffentlicht und ist auch auf gazenergie.ch aufgeschaltet. Das H₂-Barometer  ermöglicht es, die Entwicklung in der Schweiz auch im Zeitverlauf beurteilen zu können. Erneuerbare Gase wie grüner Wasserstoff, Biogas oder synthetisches Methan spielen bei der Dekarbonisierung der Gasversorgung eine wichtige Rolle. Sie werden Erdgas sukzessiv ersetzen. Die Schweizer Gaswirtschaft unterstützt das Netto-Null-Ziel 2050 des Bundesrates und arbeitet aktiv darauf hin.