Wasserstoff – der Schlussstein der Energiewende

Wasserstoff – Ein universales Gas

Wasserstoff ist nicht nur das leichteste Element, sondern mit großem Abstand auch das häufigste im Universum. Es stellt dort rund 70 Prozent der bekannten Masse und 93 Prozent aller Atome. 1783 erkannte der französische Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier, dass bei seiner Verbrennung Wasser entsteht und gab ihm den Namen „hydrogène“, Wasserbildner. Dessen Anfangsbuchstabe H wurde später zur Bezeichnung im Periodensystem der Chemie. Wenn keine anderen Stoffe in der Nähe sind, bilden zwei Wasserstoffatome ein H₂-Molekül. In dieser Form wird es auch in der Industrie verwendet.

Grauer oder grüner Wasserstoff?

Allerdings ist nicht jeder Wasserstoff „grün“. In vielen industriellen Prozessen wie etwa der Düngemittelproduktion wird bisher meist „grauer“ Wasserstoff eingesetzt. Diesen gewinnt man aus Erdgas, und dabei wird CO₂ freigesetzt. Die grüne Wasserstoffwirtschaft steht dagegen noch am Anfang, wird aber mit Hochdruck vorangetrieben. Auf der ganzen Welt werden entsprechende Projekte mit staatlichen Mitteln massiv gefördert. Auch die Wirtschaft engagiert sich in großem Maßstab. Nicht zuletzt die Großkonzerne der Ölindustrie und des traditionellen Energiesektors haben die Weichen in Richtung Wasserstoff gestellt.

Grüner Wasserstoff entsteht durch die Elektrolyse von Wasser mit grüner Energie. Das Prinzip ist einfach: Man legt in einem wassergefüllten Behälter eine Spannung an; der Wasserstoff wandert zum negativ geladenen und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol. In einer großtechnischen Anlage wird die Sache etwas komplizierter, doch hier arbeiten weltweit bereits zahllose Menschen daran, die Abläufe zu optimieren und die Kosten zu senken. Es ist wohl nur eine Frage der Zeit, bis grüner Wasserstoff in großem Maßstab und zu marktfähigen Kosten gewonnen werden kann.

Zündfähig und hochexplosiv

Die wichtigste Eigenschaft des Gases – seine Affinität zum Sauerstoff – macht den Elektrolyseur und seine Peripherie zu einer Anlage mit Explosionsrisiko. Behälter und Leitungen müssen möglichst absolut dicht sein, damit das Gas nirgendwo unkontrolliert austreten kann. Außerdem müssen in den Ex-Bereichen alle Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, die durch Gesetze und Normen vorgeschrieben sind.

Sensoren optimieren Windausbeute

Vor dem Umgang mit dem grünen Wasserstoff steht jedoch die Gewinnung grüner Energie. Neben Wasserkraft sind hier Sonne und in nördlicheren Breiten vor allem Wind die wichtigsten Quellen. Laut dem Bericht des Global Wind Energy Council waren bis Ende 2020 weltweit Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von rund 740 Gigawatt installiert, was einer Zahl von mehreren hunderttausend Windrädern entspricht.

Die Windkraftanlagen stehen oft an unzugänglichen Orten, schon deshalb sollen sie über möglichst lange Zeit wartungsfrei laufen. Für eine optimale Energieausbeute müssen die Rotorblätter aber immer exakt in den Wind gestellt und die Winkel angepasst werden. Weht der Wind zu heftig, muss die Überlastabschaltung rechtzeitig stattfinden. Drehgeber, Beschleunigungssensoren, Schwingungssensoren und induktive Sensoren erfassen Drehzahl, Beschleunigung und Achsstellung. Sie liefern damit die Grundlage für eine präzise Regelung und Zustandsüberwachung der Windräder.

Die gleichen Messgeräte übernehmen in solarthermischen Kraftwerken ähnliche Positionierungsaufgaben, zusammen mit Neigungssensoren. Dort werden bewegliche Spiegel dem Sonnenstand nachgeführt, um eine optimale Energieausbeute zu erzielen. „Pepperl+Fuchs verfügt über eine große Auswahl von Sensoren, die für die grüne Stromerzeugung benötigt werden“, erklärt Wolfgang Weber. „Dasselbe gilt auch für das andere Ende der Verwertungskette, wie etwa die Wasserstoff-Tankstellen.“

Grenzen der E-Mobilität

Bei der Zahl der Neuinstallationen können Wasserstoff-Tankstellen zwar noch nicht mit der Zunahme der elektrischen Ladestationen mithalten, doch ihre Verbreitung nimmt Fahrt auf. „Im Schwerlastverkehr kann die batteriegestützte E-Mobilität wohl kaum die optimale Lösung sein“, erklärt Wolfgang Weber den Hintergrund. „Akkus wie im Elektro-PKW wären dort schlicht zu groß und zu schwer für einen sinnvollen Einsatz, ohne dass sie die nötige Reichweite gewährleisten könnten. Wasserstoff bietet in Bezug auf Gewicht und Volumen eine viel größere Energiekapazität, durchaus vergleichbar mit Diesel oder Kerosin.“

Namhafte LKW-Hersteller arbeiten an der Entwicklung von Wasserstoffantrieben für ihre großen Fahrzeuge. Ähnliches gilt für den Schiffsbau und die Flugzeugindustrie. Im Schienenverkehr ist man schon einen Schritt weiter: Bereits in diesem Jahr sollen die ersten Wasserstoff-Lokomotiven in Deutschland zum Einsatz kommen und den Linienverkehr auf einigen Bahnstrecken ohne Stromanschluss übernehmen.

Wasserstoff aus der Zapfsäule

Das Tanken von Wasserstoff geht schnell, ein zeitraubender Ladevorgang entfällt. Die besonderen Eigenschaften des Gases erfordern allerdings eine eigene Tanktechnologie. Hier soll unter anderem ein Austreten der superkleinen Moleküle zuverlässig verhindert werden. Beim Tankvorgang sind folglich zusätzliche Schritte nötig.

Um die Tankkunden intuitiv durch den Ablauf zu führen, bieten sich hochauflösende Monitore der Serie VisuNet FLX an, die auch bei sehr hellen Umgebungsbedingungen gute Sicht gewähren und für den geschützten Außeneinsatz im Ex-Bereich geeignet sind. Induktive Sensoren überwachen, ob der Dispenser – sprich der koppelbare H₂-Füllstutzen – fest und dicht auf dem Fahrzeugtank aufsitzt; Beschleunigungssensoren erkennen Erschütterungen bei einer Kollision und lösen bei Bedarf eine Notabschaltung aus. Ein RFID-System kann dann beispielsweise zum Tankmanagement mit automatischer Abrechnung genutzt werden. Im Zusammenspiel gewährleisten diese Geräte, die allesamt von Pepperl+Fuchs bezogen werden können, den sicheren und komfortablen Tankvorgang.

Große Mengen Wasserstoff für die Industrie

Für eine CO₂-neutrale Industrieproduktion wird Wasserstoff in Prozessen benötigt, die eine hohe Brennerleistung oder den Einsatz eines reduktiven Elements voraussetzen. Mit einem weltweiten CO₂-Ausstoß von rund 2,8 Milliarden Tonnen verursacht etwa die Zementindustrie allein circa acht Prozent der menschengemachten Treibhausgase. Diese Zahl ließe sich drastisch senken, wenn ihre Brennöfen mit grünem Wasserstoff statt mit fossilen Energieträgern befeuert würden.

Ähnliches gilt für die Steam-Cracker der Petrochemie oder die Öfen in der Metallindustrie sowie der Glas- und Porzellanherstellung. Im sogenannten Direktreduktionsverfahren der Stahlindustrie kann der Wasserstoff zudem den Kohlenstoff ersetzen, mit dem man Sauerstoff aus dem Eisenerz entfernt. Statt CO₂ entsteht dann auch bei diesem entscheidenden Schritt nur H₂O.

In solchen Prozessen werden sehr große Mengen Wasserstoff gebraucht. Die Industriebetriebe bekommen das Gas deshalb in Tanklastzügen oder direkt per Pipeline geliefert. „Man kann dafür bestehende Erdgasleitungen nutzen“, erläutert Wolfgang Weber. „Ein gewisser Prozentsatz an Wasserstoff ist im Erdgas ohnehin enthalten, man kann es bis zu einem Anteil von 60 Prozent zusätzlich zumischen. Vor der Verwendung werden die Gase dann wieder getrennt. Irgendwann könnte statt Erdgas nur noch Wasserstoff durch dieselben Pipelines fließen. Allerdings sind dann einige Vorkehrungen zum Schutz der Leitungen nötig, weil Wasserstoff herkömmlichen Rohrstahl spröde macht – es reagiert auch gern mit dem Kohlenstoff im Metall. Grundsätzlich ist hier aber schon eine sehr tief gestaffelte Infrastruktur vorhanden, die den Übergang zur klimaneutralen Wasserstoffwirtschaft enorm erleichtert. Derzeit werden an vielen Stellen viele wichtige Schritte in diese Richtung gemacht.“