Wasserstoffanwendungen

Grüner Wasserstoff

wird durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt. Der hierfür benötigte Strom stammt aus erneuerbaren Energiequellen wie Solar-, Wind- oder Wasserkraft. Aus diesem Grund ist die Herstellung CO2-neutral und damit klimafreundlich.

Grauer Wasserstoff

wird aus fossilen Energieträgern wie Erdgas, Kohle oder Öl durch die Dampfreformierung hergestellt. Dabei entstehen als Abfallprodukt für die Erzeugung einer Tonne Wasserstoff zehn Tonnen CO2. Er ist nicht klimaneutral.

Blauer Wasserstoff

entsteht, wie grauer Wasserstoff, durch die Dampfreformierung. Jedoch wird das freigesetzte CO2 unterirdisch gespeichert (CCS-Technologie: Carbon Capture and Storage). Da das CO2 nicht in die Atmosphäre gelangt, ist blauer Wasserstoff bilanziell CO2-neutral.

Türkiser Wasserstoff

entsteht bei der Methanpyrolyse. Dabei wird Erdgas (Methan) in einem thermochemischen Verfahren in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. Der feste Kohlenstoff kann als Granulat gelagert und zu einem späteren Zeitpunkt wiederverwendet werden.

Roter / Pinker Wasserstoff

wird, wie auch grüner Wasserstoff, durch Elektrolyse hergestellt. Der notwendige Strom stammt jedoch aus der Kernenergie. Diese Wasserstoffart ist zwar CO2-neutral, verursacht allerdings radioaktiven Abfall, der sicher gelagert werden muss.

Die für die Industrie relevantesten Elektrolysearten sind die alkalische Elektrolyse (AEC), die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) und die Festoxid-Elektrolyse (SOEC). Bei allen Verfahren wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die Technologien unterscheiden sich in der Auswahl der Membran und des Elektrolyts.

Alkalische Elektrolyse (AEC)

Die alkalische Elektrolyse ist die in der Praxis am häufigsten eingesetzte Technologie. Als Elektrolyt dient eine Kaliumhydroxid-Lösung (KOH). Die Technologie ist bereits in großem Maßstab verfügbar. Neben niedrigen Investitionskosten und einer langen Lebensdauer werden praktisch keine kritischen Rohstoffe verwendet. Nachteile liegen vor allem in der geringen Dynamik bei Laständerungen.

Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEMEC)

Im Vergleich zur alkalischen Elektrolyse ist die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse deutlich jünger, aber ebenfalls im industriellen Maßstab erhältlich. Zentraler Bestandteil ist die Protonen-Austausch-Membran. Sie sorgt dafür, dass sich die beiden Produkte Sauerstoff und Wasserstoff nicht vermischen, was für eine höhere Reinheit des Wasserstoffs sorgt. Die PEM-Elektrolyse ermöglicht schnelle Lastwechsel und ein kompaktes Design. Dagegen stehen teure Katalysator-Materialien.

Festoxid- oder Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC)

Hierbei wird das Wasser dem System als Wasserdampf zugeführt. Dadurch können sehr hohe Effizienzen von bis zu 85% erreicht werden. Die Zellen arbeiten bei Temperaturen von bis zu 900°C. Als Elektrolyt dient ein fester keramischer Werkstoff. Ein weiterer Vorteil der SOEC ist, dass sie auch für die CO-Elektrolyse zur Herstellung von Synthesegas geeignet ist. Die hohen Temperaturen führen jedoch zu einer geringen Lastwechselfähigkeit und zu hohen Materialanforderungen.

Es gibt zahlreiche Technologien, um Wasserstoff zu speichern. Physikalische Speicher haben eine höhere gravimetrische und volumetrische Energiedichte. Materialbasierte Speicher ermöglichen die Speicherung unter handhabbaren Drücken und Temperaturen. Die beiden relevantesten Technologien sind die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff unter Druck bis zu 700 bar und von flüssigem Wasserstoff bei -253 °C in vakuumisolierten Tanks. Weitere Technologien sind Metallhydridspeicher, LOHC oder chemische Speicher wie Ammoniak oder Methanol.

Wasserstoff kann in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt werden. In der Industrie ist die höchste Nachfrage zu erwarten, da der Wasserstoff hier aufgrund seiner chemischen Eigenschaften benötigt wird. Mögliche Anwendungen sind die Herstellung von Ammoniak und Methanol oder die Stahl- und Zementproduktion. In der Mobilität wird ebenfalls eine hohe Nachfrage prognostiziert. Hier wird Wasserstoff überall da eingesetzt, wo Batterien keine Alternative bieten - also bei hohen Lasten und großen Reichweiten. Dazu gehören die Luft- und Raumfahrt, maritime Anwendungen aber auch das Transportwesen.

Wasserstoff besteht aus nur einem Proton und einem einzigen Elektron. Es ist somit das kleinste und leichteste Element, weshalb er sehr schnell durch eine Vielzahl von Materialien diffundiert. Abhängig von Grundwerkstoff, Druck, Temperatur und der Expositionsdauer kann dies zur Wasserstoffversprödung und somit zu einer vorzeitigen Ermüdung des Bauteils führen. Um sicherzustellen, dass die Leitungen dicht und sicher bleiben, ist die Auswahl des richtigen Werkstoffes sowie die passende Bauteilauslegung auf den Anwendungsfall essenziell.

Für den Einsatz in Wasserstoffanwendungen eignen sich am besten hochlegierte, austenitische Chrom-Nickelstähle mit einem geringen Kohlenstoffanteil und einem hohen Nickelgehalt. Der geringe Kohlenstoff- und der erhöhte Nickelgehalt machen diese Stähle sehr beständig gegenüber interkristalliner Korrosion und verhindern weitgehend die sogenannte Wasserstoffversprödung.

Wasserstoffversprödung bezeichnet das Eindringen und Einlagern von atomarem Wasserstoff in die Gitterstruktur eines Materials. Dies verursacht eine Zähigkeitsabnahme, was zur vorzeitigen Ermüdung durch Rissbildung oder stark beschleunigtem Rissfortschritt und plötzlichem Werkstoffversagen führen kann. Die Versprödung von Wasserstoff stark abhängig von Werkstoff, Druck, Temperatur und vielen weiteren Einflussfaktoren.