Wasserstoff als Langzeit­stromspeicher im Gebäudesektor

Schon heute deckt Deutschland seinen Stromverbrauch zu mehr als 50 % aus regenerativen Quellen. Dabei spielt Strom aus Photovoltaik (PV) eine immer größere Rolle. Ein Nachteil ist jedoch, dass PV-Energie nur bei Sonnenschein zur Verfügung steht. Nach Sonnenuntergang oder im Winter muss auf Strom aus konventionellen Energiequellen zurückgegriffen werden. Die HPS Home Power Solutions AG aus Berlin hat mit ihrem Produkt Picea eine Anlage entwickelt, die es ermöglicht, Energie vom eigenen Dach nicht nur für den Abend, sondern auch für den Winter zu speichern. Üblicherweise werden für die Kurzzeitspeicherung Batteriespeicher für den Anschluss an die eigene PV-Anlage verwendet. Picea bietet neben einem Kurz- auch einen Langzeitspeicher für eine saisonale Energiespeicherung in Gebäuden.

Elektrolyse im Sommer

Für die Langzeitspeicherung arbeitet die Picea-Anlage mit Wasserstoff. Hierfür wird der im Sommer überschüssige Solarstrom verwendet, um in einem Elektrolyseprozess Reinstwasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Das Reinstwasser wird von der Anlage vollautomatisch aus normalem Leitungswasser hergestellt. Der gewonnene Wasserstoff wird in Stahlflaschen gespeichert und im Winter mittels Brennstoffzelle wieder in Strom umgewandelt. Dadurch erübrigt sich der Zukauf von Strom in der Regel.

Bei dem Elektrolyseprozess im Sommer fällt klares Abwasser an, das keine Schadstoffe enthält und in die Kanalisation abgegeben werden kann. Dafür wird Picea sowohl an das Trinkwasser- als auch an das Abwassernetz angeschlossen. Durch die Elektrolyse wird neben Strom auch Wärme erzeugt. Die Wärme nutzt Picea zur Warmwasserbereitung und um die Heizung im Haus zu unterstützen. Konkret wird hierbei der Heizwasserstrom an einen Heizungspufferspeicher oder an einen bivalenten Trinkwasserspeicher übertragen.

Bild: HPS

Winterwärme durch Rückverstromung

Im Winter wird der fehlende PV-Ertrag durch die Rückverstromung des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle ausgeglichen. Die dabei entstehende Abwärme wird genutzt, um den Verbrauch der Heizung zu reduzieren. Hierfür besitzt Picea ein eingebautes Lüftungsgerät, das neben der Wärme aus der verbrauchten Abluft auch die Abwärme der Brennstoffzelle nutzt.

Das Picea-Lüftungsgerät kann – wie jedes marktgängige Lüftungsgerät – an ein Luftverteilsystem angeschlossen werden. Ein solches System ist in modernen Energiesparhäusern üblich. In Bestandshäusern ohne Luftverteilsystem kann die vorgewärmte Frischluft für eine gute Verteilung in das Treppenhaus gegeben werden.

Insgesamt können auf diese Weise bis zu 90 % der Energie vom eigenen Dach auch im Haus genutzt werden: als Strom oder für die Wärmeversorgung des Hauses. Findet sich keine sinnvolle Lösung, die Winterwärme aus der Lüftung zu nutzen, kann Picea auch ohne Austausch mit der Raumluft installiert werden. Dass Außenluft zugeführt wird, ist jedoch immer erforderlich.

Innen- und Außensystem

Picea besteht aus einem Innen- und einem Außensystem. Das Innensystem muss sicher und frostfrei im Haus stehen. Dafür kommt ein Keller oder ein Hauswirtschaftsraum infrage. In einem kompakten Gehäuse finden auf ­1,5 m² alle wichtigen Komponenten Platz: der Elektrolyseur, die Brennstoffzelle, die Reinstwasseraufbereitung, das Lüftungsgerät mit dem Wärmetauscher und die Batterie für die Kurzzeitspeicherung. Dazu ist ein Energiemanagementsystem integriert, das die Arbeit der Picea regelt und überwacht.

Das Außensystem besteht aus den Speicherflaschen und dem Kompressor, der einen Druck von bis zu 300 bar erreichen kann. Dieser Teil der Anlage muss im Freien stehen, wo eventuell entweichender Wasserstoff gefahrlos weggeweht würde. Die Behälter und Leitungen sind technisch dicht. Das Sicherheitssystem von Picea trägt das CE-Kennzeichen und entspricht den EU-Richtlinien und Sicherheitsanforderungen.

Bild: HPS

Elektrische Integration

Picea wird ähnlich wie ein marktüblicher Batteriespeicher in die elektrische Anlage des Hauses integriert. Ein Wechselrichter des Herstellers Sofar bringt alle notwendigen Zertifikate mit, die für eine einfache Anmeldung beim Netzbetreiber erforderlich sind. Die Wasserstofftechnik wird wie eine zusätzliche Batterie an den Wechselrichter angeschlossen. Ein Messsensor, der hinter dem offiziellen Stromzähler installiert wird, erfasst den aktuellen Stromverbrauch im Haus und wird durch eine Speisung des Wechselrichters ausgeglichen. Im Normalfall dreht sich dadurch der offizielle Stromzähler nicht: Der Haushalt versorgt sich dann ausschließlich aus der eigenen Solaranlage, der Picea-Batterie und dem Wasserstoffvorrat.

Wird im Haus einmal mehr Strom benötigt, als die Picea-Anlage liefern kann, wird der Rest übergangslos aus dem Stromnetz bezogen. Damit ist der Betrieb von Großverbrauchern wie Autoladestationen oder Wärmepumpen ohne Komforteinschränkungen möglich. Die volle Leistung des Strom­anschlusses steht immer zur Verfügung.

Bei einem Stromausfall schaltet Picea automatisch in den Netzersatzbetrieb. Dann steht die Leistung des Wechselrichters als Notstromversorgung zur Verfügung. Der Wechselrichter stützt sich dabei auf die Photovoltaikleistung, die gleichstromseitig auf den Picea-Wechselrichter geschaltet ist, sowie auf die neue Picea-Batterie und die Wasserstoff-Brennstoffzelle. Auf diese Weise kann der Betrieb monatelang ohne PV-Ertrag aufrechterhalten werden.

Die Aufschaltung einer PV-Anlage hat HPS so einfach wie möglich gestaltet. Die sogenannten Strings, also die in Reihe geschalteten Module, können direkt an den Picea-Wechselrichter angeschlossen werden. Diese Variante bietet sich an, wenn die PV-Anlage neu gebaut wird. Ein zusätzlicher Wechselrichter muss dann nicht angeschafft werden, da er im Liefer­umfang enthalten ist. Außerdem ist es möglich, eine PV-Anlage mit einem eigenen Wechselrichter in das System zu integrieren. Dies kann eine Lösung sein, wenn bereits eine PV-Anlage vorhanden ist oder wenn die geplante PV wegen ihrer Leistung oder technischer Besonderheiten (wie Leistungsoptimierer oder Mikrowechselrichter) nicht für den direkten Anschluss geeignet ist.

Während die erste Produktgeneration der Picea noch von HPS-eigenen Monteuren aufgebaut wurde, sucht und qualifiziert HPS für die zweite Generation des Wasserstoff-Solarstromspeichers aktuell Partnerunternehmen. Die Schulung besteht sowohl aus elektronischen Lerninhalten als auch aus praktischen Übungen in Berlin. Die Inbetriebnahme führen zunächst noch erfahrene HPS-Mitarbeitende durch, soll aber zukünftig an qualifizierte Fachpartner abgegeben werden.

www.homepowersolutions.de

Bild: HPS

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Picea 2: elektrische Integration mit AC-PV

Das vereinfachte Schaltbild der Gesamtanlage weist zwei Ausgänge auf, die mit den Buchstaben A und B gekennzeichnet sind. Der primäre Ausgang A verfügt über eine Notstromfunktion. Der Ausgang A ist im Normalfall auf das Stromnetz geschaltet. Bei einem Ausfall des Stromnetzes schaltet die Unterverteilung auf den inselfähigen Netzersatzstromausgang des Wechselrichters um. Das Haus wird dann mit Netzersatzstrom versorgt. Der Strom an diesem Ausgang ist – auch wenn das Stromnetz funktioniert – auf 63 Ampere begrenzt. Am Ausgang B kann unbegrenzt Leistung aus dem Netz gezogen werden, die 63-Ampere-Grenze gilt hier nicht. Der Ausgang B bietet jedoch keine Netzersatzfunktion. Der Verbrauch beider Ausgänge wird gleichermaßen am Stromrichtungssensor erfasst und aus dem netzparallelen Ausgang des Wechselrichters versorgt. So steht der offizielle Stromzähler still und der Strombedarf des Haushalts wird von Picea gedeckt. Der Picea-Wechselrichter kann bis zu 15 kW einspeisen, um den mit dem Stromrichtungssensor gemessenen Verbrauch des Hauses zu kompensieren. Hierfür stehen ihm die Leistung der Picea-Batterie sowie die Leistung der DC-PV und der Brennstoffzelle zur Verfügung. Sollte einmal mehr Leistung benötigt werden, als Picea liefern kann, so wird ohne Übergang Strom aus dem Netz beigemischt.