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Wasserstoff

Wasserstoff – der Schlussstein der Energiewende


Main Navigation 14.03.2022

Wer den Klimawandel bremsen will, kommt an Wasserstoff nicht vorbei. Das erste Element des Periodensystems ist ein Schlüsselfaktor für die Dekarbonisierung von Wirtschaft und Verkehr – sofern das Gas ohne CO2-Ausstoß gewonnen wurde. Die Wertschöpfungskette vom Windrad bis zur Wasserstoff-Tankstelle ist lang, und sie steckt voller technischer Herausforderungen. Für sichere automatisierte Prozesse werden zahlreiche Sensoren unterschiedlichster Funktionen sowie explosionsgeschützte Komponenten benötigt. Pepperl+Fuchs bietet der Wasserstoffwirtschaft ein umfassendes Geräte-Portfolio und langjährige Erfahrung in vielen Teilbereichen.

Die Menschheit hat im 21. Jahrhundert ein gemeinsames Ziel: Der CO2-Ausstoß soll kräftig gesenkt werden, um die Erderwärmung zu stoppen. Die angestrebte Dekarbonisierung wird vor allem die Art verändern, wie wir Energie erzeugen, speichern, verteilen und verbrauchen. „Bisher hatte man bei der Energiewende hauptsächlich die Stromerzeugung im Blick. Nun müssen wir uns aber verstärkt auch mit Bereichen wie Transport und Verkehr, Heizen und Kühlen und nicht zuletzt der Schwerindustrie beschäftigen“, sagt Wolfgang Weber, Global Industry Manager bei Pepperl+Fuchs.

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.

Chemiker de Lavoisier Entdecker von Wasserstoff, Knallgasprobe
Chemiker de Lavoisier Entdecker von Wasserstoff, Knallgasprobe

1783 entdeckte der französische Chemiker de Lavoisier, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff Wasser und Sauerstoff entsteht, heute bekannt als Knallgasprobe.


Auf der Erde ist der größte Teil des Wasserstoffs jedoch in Wasser (H2O) gebunden, denn es ist ein äußerst reaktionsfreudiges Gas und verbindet sich besonders leicht mit Sauerstoff (O). Kommen die beiden Elemente chemisch zusammen, wird Energie frei. Will man sie voneinander trennen, muss man Energie einsetzen.

„Damit ist der wesentliche Grund beschrieben, warum Wasserstoff ein Schlüsselelement für klimaneutrale Energie ist“, sagt Wolfgang Weber. „Wir können grüne Energie speichern, indem wir mit ihr das H2O-Molekül spalten. Der Wasserstoff lässt sich in Tanks zwischenlagern und durch Rohre transportieren. Wenn beim Verbrennen die Energie wieder freigesetzt wird, entsteht als Abgas nur Wasserdampf. In einer Brennstoffzelle kann man aus der Oxidationsreaktion sogar direkt elektrischen Strom gewinnen. Außerdem gibt es weitere klimaschonende Verwendungsmöglichkeiten. Zum Beispiel lässt es sich statt Kohle zur Reduktion der Schmelze einsetzen, um ‚grünen‘ Stahl herzustellen. Das universale Element ist universell einsetzbar.“

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Wasserstoff ist ein Schlüsselelement für klimaneutrale Energie. Wir können grüne Energie speichern, indem wir mit ihr das H2O-Molekül spalten. Wenn beim Verbrennen die Energie wieder freigesetzt wird, entsteht als Abgas nur Wasserdampf.

Wolfgang Weber, Global Industry Manager bei Pepperl+Fuchs

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.

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Im Hinblick auf das Explosionsrisiko verhält sich Wasserstoff ähnlich wie Methan, dementsprechend funktioniert auch der Ex-Schutz für beide Gase im Grunde gleich. Unsere bewährte Technologie funktioniert auch bei Wasserstoff sicher und zuverlässig.

Thomas Schnepf, Vertriebsingenieur Prozessautomation bei Pepperl+Fuchs

„Man kann dieselben Prinzipien zugrunde legen, die auch beim Umgang mit Erdgas gelten. Im Hinblick auf das Explosionsrisiko verhält sich Wasserstoff ähnlich wie Methan, dementsprechend funktioniert auch der Ex-Schutz für beide Gase im Grunde gleich“, betont Vertriebsingenieur Thomas Schnepf, ein Experte für dieses Einsatzgebiet. „Pepperl+Fuchs verfügt über ein breites Portfolio verbindungstechnischer Komponenten für die sichere Signalübermittlung in Ex-Zonen. Dazu gehören unter anderem eigensichere Barrieren, Signaltrenner, Remote-I/O-Systeme und eigensichere Mobilgeräte. Unsere bewährte Technologie funktioniert auch bei Wasserstoff sicher und zuverlässig.“

Wasserstoff Elektrolyse, Hochdruckverdichtungsprozesse und Transport
Wasserstoff Elektrolyse, Hochdruckverdichtungsprozesse und Transport

Wasserstoff ist ein sehr reaktionsfreudiges und explosives Gas. Daher ist für alle Prozesse rund um die Elektrolyse, wie Hochdruckverdichtung, die Speicherung und für den Transport der Explosionsschutz unerlässlich.


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.“

Energieerzeugung bis zur H2-Tankstelle
Energieerzeugung bis zur H2-Tankstelle

Von der Energieerzeugung – ob durch Wind oder Sonne –, der Hochdruckverdichtung, dem Transport bis hin zur Wasserstoff-Tankstelle bietet Pepperl+Fuchs die passende Sensorik und Komponenten für den Explosionsschutz.


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.“

Ob grüner Wasserstoff tatsächlich der Schlussstein der Energiewende sein wird, werden die kommenden Jahre zeigen. Sicher aber wird er eine elementare Rolle in der zukünftigen Energieerzeugung und der Dekarbonisierung der Industrie und des Schwerlastverkehrs spielen. Mit seiner langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet des Explosionsschutzes und der industriellen Sensorik ist Pepperl+Fuchs der richtige Partner und ein verbindendes Element in der Wasserstoffkette – von der regenerativen Energiegewinnung, der Hochdruckverdichtung nach der Elektrolyse, dem Transport, der Speicherung bis hin zum großflächigen industriellen Einsatz und der Wasserstoff-Tankstelle.