Von Erdgas zu H₂: Wasserstoff-Blockheizkraftwerke (BHKW) und ihre Armaturen

Was ist ein BHKW? Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung 

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine kompakte Anlage zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme. Dabei kommt das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zum Tragen: Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken, die die bei der Stromproduktion entstehende Wärme oft ungenutzt an die Umgebung abgeben, macht ein BHKW diese Wärmeenergie gezielt nutzbar – etwa für Heizungssysteme oder industrielle Prozesse. 

Das Herzstück eines BHKW ist in der Regel ein Verbrennungsmotor, der einen Generator antreibt und dabei Strom erzeugt. Die anfallende Motorabwärme wird über einen Wärmetauscher in das Wärmenetz überführt. Diese doppelte Nutzung ermöglicht BHKW Gesamtwirkungsgrade von bis zu 90 Prozent, während konventionelle Kraftwerke nur auf 30-60 % kommen. BHKW werden oft verbrauchernah installiert, wobei ihre Größe je nach Einsatzzweck variiert. So gibt es kleine Anlagen für Einfamilienhäuser, mittelgroße Systeme für Gewerbebetriebe und öffentliche Einrichtungen sowie große Anlagen für industrielle Prozesse.

Konventionelle BHKW werden mit verschiedenen Brennstoffen betrieben. Erdgas kommt aufgrund seiner hohen Verfügbarkeit und relativ sauberen Verbrennung am häufigsten zum Einsatz. Daneben werden auch Flüssiggas (besonders in Gebieten ohne Erdgasanschluss), Biogas, Heizöl sowie in speziellen Motoren auch Pflanzenöl oder Rapsöl verwendet. In jüngster Zeit gewinnt zudem Wasserstoff an Bedeutung.

Wasserstoff-BHKW: Vorzüge einer Kraftstoff-Alternative 

Wasserstoffbetriebene BHKW kombinieren die Vorteile der dezentralen KWK-Technologie mit der Möglichkeit einer potenziell CO₂-neutralen Energieversorgung. Ander als konventionelle BHKW nutzen sie entweder reinen Wasserstoff oder Wasserstoff-Erdgas-Gemische. Die elektrischen Wirkungsgrade moderner Anlagen liegen bei bis zu 45 Prozent, während der Gesamtwirkungsgrad durch die Wärmenutzung auf über 90 Prozent steigen kann.

Eine regelrechte Pionierleistung in der praktischen Anwendung gelang dem BHKW-Hersteller 2G Energy im Jahr 2019 mit den Städtischen Betrieben Haßfurt: Dort erweiterte das Unternehmen aus Westfalen eine bestehende Power-to-Gas-Anlage um ein Wasserstoff-BHKW zur Rückverstromung von regenerativ gewonnenem Wasserstoff.

Der integrierte Wasserstoffspeicher ermöglicht dabei einen Dauerbetrieb der Anlage für etwa 12 Stunden. Zudem verfügt das BHKW über einen zweiten Gasanschluss, um bei Bedarf in den Erdgasbetrieb zu wechseln. Ein Pluspunkt ist also die Flexibilität des Gesamtsystems: Ist Wasserstoff vorhanden, arbeitet das BHKW damit – und wenn er ausbleibt, nutzt es Erdgas. Das Projekt wurde wissenschaftlich vom Institut für Energietechnik an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Amberg-Weiden begleitet, um Praxiseinblicke in den Wasserstoffbetrieb zu erhalten. Für 2G war es bereits das zweite Wasserstoff BHKW: 2012 hatte der Hersteller bereits eine Anlage am Flughafen BER in Berlin installiert– eine der ersten überhaupt.  

Auch der Tiroler Hersteller INNIO Jenbacher bietet seit 2020 seine Gasmotoren für BHKW mit einer „Ready for H2"-Option an, die eine Beimischung von 25 % Wasserstoff sowie eine spätere Umrüstung von Erdgas auf 100 % Wasserstoff ermöglicht. In einem öffentlichkeitswirksamen Testlauf wurde ein umgerüstetes Jenbacher-BHKW bereits mehrere Wochen mit bis zu 100% Wasserstoff betrieben.

Ein anschauliches Demonstrationsprojekt ging im Oktober 2024 im oberösterreichischen Gampern in Betrieb: Der Gasspeicherbetreiber RAG Austria AG nutzt dort ein Wasserstoff-BHKW mit 1 MW Leistung von INNIO Jenbacher. Das Besondere: An dem Standort wird der Wasserstoff im Sommer mittels Solarstrom produziert und in einem unterirdischen Gesteinsporenspeicher eingelagert. In der Heizperiode wird er ausgespeichert und im BHKW in Strom- und Wärme umgewandelt. Der unterirdische Porenspeicher soll überschüssigen Sonnenstrom mit einem Volumen von bis zu 4,2 GWh in Wasserstoff-Form fassen können. Dies entspricht der Produktion von etwa 1.000 PV-Anlagen in Einfamilienhausgröße über den Verlauf eines Sommers. 

Herausforderungen an die Armaturentechnik 

Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff stellen indes hohe Anforderungen an die im BHKW verbauten Komponenten. Erste und wichtigste ist die Dichtheit: Mit einem Moleküldurchmesser von nur 0,24 nm ist Wasserstoff extrem diffusionsfähig und kann selbst durch kleinste Spalten hindurchdringen. Standards aus dem Erdgasbereich können also nicht einfach übernommen werden: Ventile und Regelarmaturen für Wasserstoff-BHKW müssen deutlich strengere Leckageraten einhalten. Dies hat wiederum direkte Auswirkungen auf die verwendeten Dichtungswerkstoffe und -konzepte.

Ein weiterer Knackpunkt ist die Materialauswahl. Viele Werkstoffe, die in konventionellen Armaturen eingesetzt werden, sind für Wasserstoffanwendungen ungeeignet, da sie zur Wasserstoffversprödung neigen. Dieses Phänomen, bei dem Wasserstoffatome in das Metallgitter eindringen und die mechanischen Eigenschaften verändern, kann zu plötzlichem Materialversagen führen. Für Wasserstoffarmaturen kommen daher bevorzugt austenitische Edelstähle mit erhöhtem Nickelanteil zum Einsatz. Alternativ werden spezielle Beschichtungen oder komplett andere Werkstoffkonzepte wie etwa Keramik-Metall-Verbunde entwickelt und verwendet.

Im Kraftstoffsystem sind aus diesem Grund korrosionsbeständige Rohrleitungen und Verschraubungen unverzichtbar. Für die sichere Steuerung des Wasserstoffdrucks braucht es zudem hochpräzise Druckregelventile, während nur spezielle Förderpumpen und Filter eine stabile Brennstoffversorgung gewährleisten. 

Sicherheit hat oberste Priorität 

Darüber hinaus benötigen Wasserstoff-BHKW ein ausgeklügeltes System aus Sicherheitsventilen – insbesondere aufgrund der weiten Zündgrenzen von Wasserstoff (4 bis 76 Volumenprozent in Luft) und der sehr niedrigen Zündenergie, die erforderlich ist, um das Gas zu entflammen. Benötigt werden daher Schnellschlussventile, die bei Störungen die Wasserstoffzufuhr in Sekundenbruchteilen unterbrechen, Überdruckventile zum Schutz vor unzulässigen Druckanstiegen sowie Rückschlagsicherungen, die einen Flammenrückschlag in die Versorgungsleitung verhindern.

In der Motor- und Brennstoffaufbereitung sollen hitzebeständige Zylinderkopfarmaturen ungewollte Zündungen verhindern. Das Einspritzsystem benötigt hier präzise Einspritzdüsen für eine kontrollierte Verbrennung. Besonders kritisch sind Brennstoffzufuhrleitungen und die Gemischaufbereitung: Hier müssen die Armaturen nicht nur absolut dicht sein, sondern auch genaue Regelcharakteristiken aufweisen, die ein optimales Luft-Wasserstoff-Gemisch gewährleisten. Wichtig ist, dass die Regelventile dabei unter stark schwankenden Betriebsbedingungen eine gleichbleibende Leistung liefern.

Retrofitting oder Neubeschaffung? 

Bei der Umstellung bestehender BHKW-Anlagen auf Wasserstoff stellt sich für Betreiber oft die Frage: Retrofitting oder kompletter Austausch der Armaturen? Die Antwort hängt maßgeblich vom geplanten Wasserstoffanteil ab. Grundsätzlich gilt, dass bei einem Wasserstoffanteil von bis zu 30 Prozent in der Regel ein Retrofitting bestehender Erdgasarmaturen möglich ist. Liegt der Anteil zwischen 30 und 75 Prozent, sind oft umfassendere Anpassungen erforderlich, während bei einem Wasserstoffanteil über 75 Prozent meist eine Neubeschaffung der Armaturen empfehlenswert ist.

Entscheidend für diese Grenzwerte sind die Anforderungen aus dem mechanischen Explosionsschutz durch den Gasgruppenwechsel. Nach Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) verhält sich die Grenzspaltweite nahezu linear zum Verhältnis der Stoffe Erdgas bzw. Wasserstoff: Ab etwa 30 Prozent Wasserstoffbeimischung erfolgt der Wechsel der Explosionsuntergruppe von IIA zu IIB und bei rund 75 Prozent der Wechsel von IIB zu IIC. 

Dieser Wechsel hat Auswirkungen auf die Anforderungen der Armaturen. Bei einer höheren Wasserstoffkonzentration besteht eine größere Gefahr, dass etwa an Spindelabdichtungen bei häufiger und schneller Betätigung zu viel Hitze erzeugt wird, was eine Entzündung des brennbaren Mediums hervorrufen könnte. Um dies zu vermeiden, müssen unter anderem die Spaltmaße verringert werden, um eine Flammenausbreitung zu unterbinden.

Ausblick: Standardisierung als Schlüssel zum Erfolg 

Die Zukunft der Wasserstoff-BHKW wird maßgeblich von der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der eingesetzten Armaturen abhängen, denn am Ende steht und fällt jedes Wasserstoffprojekt mit der Qualität seiner Komponenten. Für die weitere Entwicklung des Marktes ist jedoch eine bessere Standardisierung notwendig. Derzeit arbeiten verschiedene Normungsgremien an spezifischen Standards für Wasserstoffarmaturen. Die vom Bundeswirtschaftsministerium initiierte „Normungsroadmap Wasserstofftechnologien" adressiert dabei explizit den KWK-Bereich.

Die Valve World Expo wird in diesem Zusammenhang zu einem wichtigen Branchentreffpunkt, um den Austausch zwischen Herstellern, Anwendern und Normungsexperten zu fördern. Mit zahlreichen Fachvorträgen, Produktpräsentationen und einer breiten Auswahl an Wasserstoffarmaturen bietet die Messe im Dezember 2026 einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik.

Weitere Informationen zur Valve World Expo 2025 finden Sie unter www.valveworldexpo.com