Forschungsprojekt «H2 districts» erfolgreich abgeschlossen: Wie Wasserstoff-Brennstoffzellen das Stromnetz unterstützen

Zur Reduzierung von CO₂-Emissionen im Gebäudesektor sind elektrisch betriebene Wärmepumpen zentral. Allerdings verursacht ihr Einsatz an kalten Tagen mit hohem Wärmebedarf Spitzenlasten im Stromnetz. Auch die steigende Zahl an Elektrofahrzeugen belastet das Stromnetz. Dies erfordert nicht nur eine Erweiterung der Stromerzeugungskapazitäten, sondern auch einen Ausbau der Verteilungsnetze.

Eine vielversprechende alternative Lösung für diese Herausforderung liegt in der Nutzung lokal gespeicherten Wasserstoffs als leistungsfähigen Energiespeicher sowie im Einsatz von Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmeerzeugung. Der von den Brennstoffzellen produzierte Strom kann vor Ort zum Betrieb der Wärmepumpe genutzt werden, während die entstehende Abwärme die Gebäudeheizung unterstützt. Möglich ist auch das direkte Laden elektrischer Fahrzeuge zur weiteren Entlastung des Stromnetzes. Besonders umweltfreundlich ist die Nutzung von Wasserstoff, der dank Produktionsüberschüssen von zum Beispiel Photovoltaikanlagen oder Wasserkraftwerken hergestellt wird.

Betriebliche Grundlagen und Praxisbetrieb erforscht

In Zusammenarbeit mit der Hälg Group, der Osterwalder Gruppe und der H2 Energy AG untersuchten Empa Forschende den Einsatz von stationären H₂-Brennstoffzellen zur Vermeidung von Spitzenlasten in Quartier-Energiesystemen. Dazu kam ein neu entwickeltes Brennstoffzellen-System zum Einsatz, das nicht nur Strom liefert, sondern, über einen speziellen Wärmetauscher auch mittlere Temperaturen von etwa 35 °C an das Wärmenetz des NEST-Innovationsgebäudes und des Empa-Campus in Dübendorf liefern kann.

Zwischen Oktober 2023 und September 2025 wurden die betrieblichen Grundlagen sowie ein Simulationsmodell für Auslegung und Betrieb einer solchen Spitzenlastversorgung erstellt. Eine Testanlage wurde neben dem Mobilitätsdemonstrator «move» auf dem Empa-Campus in Dübendorf errichtet und damit in einer realen Anwendung im  «Energy Hub», der Energieforschungsplattform der Empa, die Parameter für Betrieb und CO₂-Einsparungspotential validiert. Im Rahmen des Pilot- und Demonstrationsprojekts des SWEET-PATHFNDR-Konsortiums wurde das Forschungsprojekt vom Bundesamt für Energie (BFE) unterstützt.

Wasserstoff glättet elektrische und thermische Lastspitzen in Gebäuden

Die Ergebnisse der zweijährigen Projektphase waren durchweg positiv: Die Wirkungsgrade der Anlage im Einsatz erreichten bis zu 48% elektrisch und bis zu 50% thermisch, ein mittlerer Gesamtwirkungsgrad von deutlich über 90%. Die angepeilte Glättung der Lastspitzen, angewendet auf das gesamte Innovationsgebäude NEST, verminderte die Gesamtkosten der Spitzenlast um mehr als 10%. Für die grundlegende Wirtschaftlichkeit eines solchen Systems konnten Sensitivitätswerte bezüglich Spitzenlastgebühren und Energiejahresbedarf abgeschätzt werden.

«Unsere Versuche zeigten, dass Brennstoffzellen elektrische und thermische Spitzenlasten in Gebäuden wirksam ausgleichen können. Damit wurde klar: Die wasserstoffbasierte Spitzenlastabdeckung ist technisch machbar und liefert wertvolle Erkenntnisse für die Steuerung komplexer Energiesysteme», so Binod Prasad Koirala, stellvertretender Leiter der Empa-Forschungsabteilung «Urban Energy Systems». Bei Einsatz von grünem Wasserstoff leisten die Brennstoffzellen zudem einen messbaren Beitrag zur CO₂-Reduktion und werden damit zu einem wichtigen Baustein, welcher für ein resilientes und kohlenstoffarmes Energiesystem nötig ist.

Mögliche Einsatzgebiete derartiger Brennstoffzellen sind Areale oder Stadtgebiete, in denen Luft-Wasser-Wärmepumpen die Wärmeversorgung dominieren oder Sektoren, die regelmässig einen hohen Spitzenlastbedarf haben, wie z.B. Schulen, Sporthallen, Schwimmbäder, Hotels und Logistikzentren. Wie gross der wirtschaftliche Nutzen für die jeweiligen Einsatzgebiete letztlich ist, hängt jedoch auch von diversen weiteren Faktoren ab, wie etwa künftige Strompreisentwicklung, Leistungsgebühren und allfällige CO₂-Preise.

Zur Medienmitteilung

Informationen

Dr. Binod Prasad Koirala
Urban Energy Systems
+41 58 765 4683
binod.koirala@empa.ch

Andrea Orlando
Hälg Group
T +41 71 243 37 30
andrea.orlando@haelg.ch