Sicheres Handling von grünem Wasserstoff

Grüner Wasserstoff hat als Ersatz fossiler Brennstoffe und lang gesuchte Lösung zur umfänglichen Nutzung erneuerbarer Energien nahezu unbegrenztes Potenzial. Er ist 14-mal leichter als Luft, ungiftig, farb- und geruchlos, entzündet sich nicht selbst und verbrennt mit farbloser Flamme rückstandslos. Bis -253 Grad Celsius ist er gasförmig, danach verflüssigt er sich. Mit mehr als 90 % aller Atome ist Wasserstoff auch das häufigste Element im Universum. Auf der Erde kommt das sehr reaktionsfähige Gas jedoch nur in gebundener Form vor, beispielsweise in Wasser mit Sauerstoff oder in Methan mit Kohlenstoff. Und während grauer Wasserstoff auf Basis fossiler Energieträger wie Erdgas, Kohle oder Erdöl produziert wird, wodurch je erzeugter Tonne zehn Tonnen Kohlendioxid (CO₂) entstehen, wird bei grünem Wasserstoff auf erneuerbare Energien gesetzt.

Entsprechend große Erwartungen sind mit dem klimaneutralen, grünem Wasserstoff verknüpft, dessen Bedarf in den nächsten Jahren rasant steigen wird. Als Ausgangsstoff für Power-to-X-Prozesse soll grüner Wasserstoff durch die Umwandlung von Strom den grauen Wasserstoff in bisherigen Anwendungsfeldern ersetzen. Dafür spricht auch, dass er, gemessen an seinem Volumen, sehr große Mengen an Energie speichern und transportieren kann. Der emissionsfreie gasförmige oder flüssige Brennstoff soll anstelle von Erdöl und -gas Gebäudeheizungen und Industrieöfen befeuern. Auch für die großtechnische Herstellung von Grundchemikalien wie grünem Ammoniak oder grünem Methanol soll er eingesetzt werden. In Brennstoffzellen wird grüner Wasserstoff wieder in elektrischen Strom umgewandelt, ein Verfahren, das beispielsweise als Antrieb von Elektromotoren für Lkw und Busse kurz vor der Serienreife steht. Fahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotoren nutzen die Umwandlung seiner chemischen in mechanische Energie direkt als Antriebsenergie. Schifffahrt sowie Luft- und Raumfahrt setzen ebenfalls große Hoffnungen auf den umweltverträglichen Energieträger. Mit der noch zu schaffenden Infrastruktur soll er künftig klimaneutral erzeugte Energie überall nutzbar machen. Nur mit seiner Hilfe wird es gelingen, den CO₂-Ausstoß nachhaltig zu verringern und bis 2050 in Europa klimaneutral zu sein. Mittel und Wege zur Produktion, Nutzung und Verteilung des grünen Energieträgers werden aktuell auch mithilfe der Politik massiv ausgebaut.

Gängigstes Herstellungsverfahren für klimaneutralen Wasserstoff ist die Elektrolyse. Alternativ wird er durch Vergasung und Vergärung von Biomasse oder Reformierung von Biogas produziert. Für die Erzeugung der künftig von Industrie und Verkehr benötigten Menge an Wasserstoff muss deshalb nicht nur die Elektrolysekapazität exponentiell vergrößert werden, sondern auch die Bereitstellung der dafür erforderlichen erneuerbaren Energie. Forschung und Industrie arbeiten mit Hochdruck daran, eine entsprechende Infrastruktur zu schaffen und die Effizienz bestehender Systeme zu verbessern. Eine Vielzahl an Projekten ist derzeit in der Planung oder bereits im Prototypenstadium, um in den nächsten Jahren zur benötigten gigantischen Gesamterzeugungsleistung beizutragen. Die spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff stellen an die für Elektrolyseure, Fluidsysteme, Tanks, Anlagen und Armaturen eingesetzten Werkstoffe und deren Verarbeitung höchste Anforderungen. So erfordert die hohe Diffusionsfähigkeit des Gases eine zuverlässige Gasdichte aller Komponenten, um Verluste sowie Explosions- oder Brandgefahr durch austretenden Wasserstoff zu vermeiden. Bei vielen Metallen können Wasserstoffatome den Werkstoff durchdringen (Permeation) und dadurch seine mechanischen Eigenschaften erheblich beeinträchtigen: Bereits bei einer Wasserstoffkonzentration von wenigen ppm entsteht dadurch Korrosion mit der Folge einer vorzeitigen Materialermüdung (Degradation). Sie führt zu Rissbildung und Sprödbruch und bedeutet deshalb ein unvertretbares Sicherheitsrisiko. Hier eignet sich vor allem Edelstahl Rostfrei. Komponenten aus widerstehen durch ihre Gefügestruktur sowohl Permeation als auch Degradation dauerhaft. So verhindern sie schleichenden Gasaustritt und schützen die Bauteile durch gleichbleibend hohe Festigkeit, Duktilität und Homogenität vor Versprödung. Standardmäßig kommen für Komponenten, die mit Wasserstoff in Berührung kommen, die nichtrostenden austenitischen Edelstähle der Güte 1.4435, 1.4404 und 1.4307 zum Einsatz. Für besonders kritische Anwendungen mit extremen Korrosionsanforderungen sind die Güten 1.4439, 1.4462 (Duplex) und 1.4410 (Superduplex) bewährt.

Gehäusekomponenten für Elektrolyseure werden ebenso wie Rohrbündel-Wärmetauscher, die zur Herunterkühlung von Wasserstoff von 60 auf 5 Grad eingesetzt werden, aus Edelstahl in den Standardgüten gefertigt. Hocheffiziente Plattenwärmetauscher für die Produktion von Wasserstoff mittels PEM- oder AEL-Verfahren oder Aufgaben mit sehr hohen Reinheitsanforderungen bestehen komplett aus hochlegierten nichtrostenden Stählen. Dank ihrer besonderen Korrosionsbeständigkeit widerstehen diese sogar extremen Druckunterschieden und Temperaturen. Auch Wärmeübertragungslösungen für die Rückgewinnung der Energie aus den Elektrolyseuren und ihre Nutzung in Brennstoffzellen oder anderen Power-to-X-Lösungen benötigen für eine dauerhafte Resistenz gegen Korrosion, Temperaturschwankungen und Ermüdung Konstruktionen aus hochwertigem Edelstahl Rostfrei. Wärmeüberträger mit Leiterplatten werden in der gesamten Energiekette von Wasserstofftankstellen eingesetzt. Dabei müssen sie durch Druck und Strömung der Flüssigkeit hervorgerufenen Vibrationsbelastungen sowie Drücken bis 1.000 bar und Temperaturen von -196 Grad bis +800 Grad standhalten. Dank ihrer robusten Vollkonstruktion aus Edelstahl erfüllen sie diese Aufgabe mit der gebotenen Zuverlässigkeit. Bipolarplatten umschließen beidseitig sowohl die Membran-Elektroden-Einheit im Elektrolyseur als auch Brennstoffzellen für den Antrieb von Fahrzeugen. Ihre durch zahlreiche Kanäle für den Flüssigkeits- und Gastransport sehr komplexe Geometrie bedingt den Einsatz von nichtrostendem Stahl, der höchste Reinheitsanforderungen erfüllt. Bei der hier verwendeten Materialdicke von 70 bis 100 Mikrometern könnten bei der Formgebung der Gaskanäle Einschlüsse die Umformeigenschaften negativ beeinträchtigen. Bewährt haben sich für diese Anwendung Präzisionsbandstähle der Werkstoffgüten 1.4301, 1.4303, 1.4404 oder 1.4016.

Einen unverzichtbaren Beitrag zur Nutzbarmachung von Wasserstoff in industriellen Anwendungen leisten Hochdruckkompressoren bei Verdichtung und Transport. Zur platzsparenden Speicherung oder Trailer-Abfüllung verdichten und verflüssigen sie das Gas. Alle Komponenten mit direktem Kontakt zu Wasserstoff wie Leitungen, Rohre, Gasstrang und Zylinderköpfe dieser Verdichter werden aus kundenspezifisch ausgelegtem Edelstahl Rostfrei gefertigt. Auch für die in Wasserstofffahrzeugen oder -tankstellen eingesetzten Ventile und Armaturen gelten höchste Anforderungen in puncto Wasserstoffresistenz und Druckbeständigkeit. Ob Sicherheits-, Überdruck- oder Rückschlagventile, Rohrverschraubungen, Anschlusstücke oder Absperrhähne: Für die gebotene Verschleiß- und Dauerfestigkeit sowie hohe Zähigkeit der Komponenten ist Edelstahl Rostfrei mit erhöhtem Nickelanteil unverzichtbar. Eine Schlüsselfunktion bei Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff haben Pipelines und Pumpen. Stahl-Pipelines für den Wasserstofftransport ergänzen ihren mehrschichtigen Aufbau mit einer Innenauskleidung aus nichtrostendem Stahl. Mehrphasenpumpen aus Edelstahl fördern bei der Elektrolyse das noch gesättigte Medium nach der Gasabscheidung über den Wärmetauscher auf den Stack genannten Zellenstapel, versorgen Brennstoffzellen mit Wasserstoff oder bringen Wasserstoff bei der Methanisierung in Lösung. Zum Erreichen hoher Förderdrücke werden mehrstufige Kreiselpumpen aus nichtrostendem Stahl eingesetzt. Kryotechnische Lager- und Transportbehälter aus Edelstahl für tiefkalt verflüssigte Gase beantworten die Nachfrage der Chipindustrie nach hochreinem grünem Wasserstoff als Prozessgas.