Aktuell leisten in Deutschland 11,3 Mio Einzelraumfeuerstätten mit Festbrennstoffen einen großen Beitrag zur Wärmeversorgung in privaten Haushalten. Davon sind etwa 6,2 Mio. Kaminöfen. Insgesamt 200,5 Mrd. kWh Wärme wurden regernativ erzeugt. Davon entfallen 130, 5 Mrd. kWh (65 %) auf feste Biomasse-Brennstoffe wie Holz, welches auch in Kaminöfen verwendet wird. Bei der Verwendung von Holz konkurriert die energetische mit der stofflichen Nutzung. Eine vermehrte stoffliche Nutzung (z.B. in der Bauindustrie oder zur Substitution von Erdöl als Grundstoff in der Plastik-Herstellung) wäre wünschenswert, da diese ebenso regenerativ wäre wie die energetische Nutzung. Somit müssen zukünftig zunehmend für die Einzelraumfeuerstätten auch neue regenerative Energieträger eingesetzt werden. Wasserstoff, welcher mit Windstrom in Deutschland erzeugt wird, ist hier eine herausragende Möglichkeit.

Die grundlegende Idee des Projektes ist es, einen Wasserstoff-Raumheizer (Windgaskamin) zu entwickeln. Der Wasserstoff-Raumheizer ist prinzipiell ein mit 100 % Wasserstoff befeuerter Raumheizer für einen einzelnen Raum, ähnlich eines Festbrennstoff-Kaminofens. Das darin verbrannte Wasserstoff-Gas soll regenerativ, z.B. als sog. „Windgas“ aus der Elektrolyse von regenerativ erzeugten Strom gewonnen werden und für den Wasserstoff-Raumheizer in Druckgefäßen zur Verfügung stehen. Diese werden im Freien, geschützt in Nähe des Nutzungsbereiches aufgestellt und können bequem von Lieferanten getauscht werden. Bei einer späteren Wasserstoffinfrastruktur kann der Wasserstoff dem Gasnetz entnommen werden. Mit dem neuen Wasserstoff-Raumheizer wird eine Heizanwendung mit folgenden Eigenschaften entwickelt:

• quasi emissionsfrei,
• 100 % Wirkungsgrad (ohne Abgassystem, daher ohne Abgasverlust),
• Erhaltung der emotionalen Eigenschaften bzw. Ästhetik von Festbrennstoff-Kaminöfen (Flammenspiel),
• schnell aktivierbare Nutzungsmöglichkeit für Wasserstoff,
• CO2 – arme (neutrale) Wärmebereitstellung durch Nutzung von „grünem“ Wasserstoff (Darstellung der logistischen Möglichkeiten),
• dekarbonisierte Wärmeerzeugung - damit Vermeidung von Emissionen bei Anwendung,
• Vermeidung von Emissionen und Treibhausgasemissionen indirekt - mit Schaffung dieser Nutzungsmöglichkeit von Wasserstoff wird gleichzeitig kurzfristig sogar Treibhausgas vermieden, indem bisherige mit Holz befeuerte Kaminöfen ersetzt werden.

Der innovative Kern ist der erstmalige Einsatz des Energieträgers „grüner“ Wasserstoff in einer Raumheizung, ähnlich einem Kaminofen. Bislang ist eine solche Entwicklung oder ein derartiges Produkt nicht bekannt oder gar marktverfügbar. Zwar können Ethanol-Kamine bzw. Gas-Kamine, befeuert mit Propan-Mischgas, erworben werden, die Nutzung von reinem Wasserstoff ist jedoch völlig neu.

Eine solche Entwicklung hat den signifikanten Vorteil, dass keine staubförmigen oder Kohlenwasserstoffemissionen entstehen können (keine C-Verbindungen im Brennstoff) und bei regenerativer Erzeugung des Wasserstoffs ein nahezu CO2 – neutraler Nutzungskreislauf dargestellt werden kann. Weiterhin beträgt der Wirkungsgrad der Feuerstätte nahezu 100 % (keine Verluste über Abgassystem).

Bei der Verbrennung können außer NOX keine weiteren Emissionen entstehen, lediglich Wasserdampf wird freigesetzt. Es entsteht auch kein CO2, welches bei einem Betrieb ohne Abgassystem unweigerlich zu lufthygienischen Schwierigkeiten führen würde. Gleichzeitig ist Kern der Entwicklung die so prägnante emotionalen Eigenschaften der Kaminöfen in der wasserstoffbefeuerten Raumheizung zu erhalten. Hierzu muss eine Flammenbildung mit warmen Farben ersichtlich sein. Weiterhin eröffnet das Ziel der technischen Umsetzung ohne Abgassystem eine nahezu freie Platzierung im Aufstellungsraum, was neue Möglichkeiten der Inneneinrichtung ermöglicht.  Die angestrebte Entwicklung soll es seitens der Anwendung ermöglichen, „grünen Wasserstoff“ innerhalb der bestehenden Infrastruktur zu nutzen.

Die Feuerstätte wird als Wasserstoff-Raumheizer nach der Richtlinie 2009/142/EG (Gasgeräterichtlinie) konzipiert (GGRL). Mit einer Leistung von 0,6 – 3 kW ist ein maximaler Wasserstoffbedarf von ca. 1,2 m³/h (bei 50 mbar Versorgungsdruck notwendig). Die Verbrennungsluftmenge beträgt 3,7 m³ Luft/m³ H2 bei Lambda = 1,5. Die für den Versuchsbetrieb erweiterte Ausstattung der Gasversorgung wurde ebenso konzipiert und ausgelegt. Hier spielte vor allem die DVGW-TRGI 2018 (Gasinstallation), TRBS3146/TRGS 746 (Ortsfeste Druckanlagen) sowie die TRGS 720 (Explosionsschutz) eine wesentliche Rolle. Es wurde die Konzeption von Brenner und Brennraum erarbeitet. Dabei konnten zunächst wesentliche Elemente der Brennraumgestaltung des ausgewählten Kaminofen-Grundkörpers übernommen werden (Abbildung 1). Die Zu- und Abluftwege wurden ausgelegt und überarbeitet. Weitere Konstruktionsbauteile für den Brennraum wurden ausgelegt und fertigungsgerecht konstruiert. Allerdings zeigten sich Schwierigkeiten bei der verfahrenstechnischen Gestaltung des Brenners. Nach Einbindung des DBI – Freiberg (Fremdleistung) für die Konzeption und Konstruktion wurde festgestellt, dass ein erster Entwurf des Wasserstoffbrenner in diesem Leistungsbereich verworfen werden musste. Auf Grund der bereits am DBI durchgeführten Versuche zur Eignung von Materialen und Bauformen für Wasserstoffanwendungen ist eine Ausführung mit Vormischkammerbrenner kaum umzusetzen, da auf Grund der hohen Flammgeschwindigkeit von 1,75 m/s die Neigung zum Zurückbrennen sehr hoch ist, wie auch eigene Versuche zeigen. Die strömungstechnische Betrachtung zeigt, dass auf Grund der geringen Viskosität von Wasserstoff bei der Brennerkonstruktion mit thermoakustischen Wellen gerechnet werden muss. In Folge dieser Ergebnisse wurde eine optimierte Konstruktion angefertigt, welche jedoch aktuell noch in der Diskussion ist. Wasserstoff verbrennt ohne eine Flammenfarbe. Durch die Beimischung von Metallsalzen geringer Konzentration kann auch eine Flammenfarbe eingestellt werden (Abbildung 2).