Mission Klima retten

Dem Energiemarkt steht eine Revolution bevor. Denn Wasserstoff wird die Bereiche Strom, Wärme und Mobilität deutlich verändern. Auch Prozesse in der Chemie- und der Stahlbranche und beispielsweise in Raffinerien könnten mit Wasserstoff signifikant CO₂-ärmer gestaltet werden. Um die besonderen Herausforderungen dieses Mediums zu bewältigen, werden anspruchsvolle Armaturen benötigt. Die Armaturenbranche ist bereits auf Kurs – und der Markt scheint zu boomen.

Einige Staaten nehmen bereits Kurs auf die Nutzung von Wasserstoff. So hat beispielsweise Deutschland dessen Potenzial erkannt und vor rund zwei Jahren die Nationale Wasserstoffstrategie formuliert, die mit Förderungen verbunden ist. Auch mit ihrer Hilfe soll das Klima geschützt werden. „Der flexible Energieträger ist unverzichtbar für die Energiewende und eröffnet deutschen Unternehmen neue Märkte“, erklärt das deutsche Ministerium für Bildung und Forschung. Dabei verfolgt Deutschland einen systemischen Ansatz und denkt Erzeugung, Transport, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff – einschließlich der internationalen Dimension – zusammen.

Zur Erzeugung von grünem Wasserstoff werden Power-to-Gas-Anlagen benötigt: Hier werden bei der Elektrolyse Wind- und Sonnenenergie verwendet, um Wasserstoff aus Strom und Wasser herzustellen. In Deutschland, aber auch in Skandinavien oder beispielsweise in der Schweiz, Österreich, Frankreich, Italien und Ungarn sind Power-to-Gas-Anlagen bereits in Betrieb. Weltweit werden Anlagen etwa in China, Kanada und Argentinien eingesetzt.

Ein anspruchsvolles Medium
Die Herausforderungen sind groß: Denn bei der Elektrolyse entsteht nicht nur Wasserstoff, sondern auch Sauerstoff. Beides sind sehr anspruchsvolle Medien, wobei die konkreten Anforderungen an entsprechende Armaturen und deren Materialien völlig unterschiedlich sind“, erläutert Hartmann Valves. Bei Wasserstoff-Armaturen, die in Power-to-Gas-Anlagen zum Einsatz kommen, sind die Anforderungen vergleichbar mit anderen Gasanwendungen.

Eine zentrale Rolle nimmt die geeignete Materialauswahl ein, um beispielsweise die Wasserstoffversprödung zu vermeiden. Entscheidend sind ebenfalls konstruktive Maßnahmen, um die Dichtheit der Armaturen gegenüber dem kleinmolekularen Wasserstoff langfristig zu gewährleisten. Daher bietet beispielsweise Hartmann Valves gasdichte metallisch dichtende Kugelhähne mit langen Standzeiten, auf Wunsch auch mit Mehrfachbarrieren in Druckrichtung, um die Sicherheit in der Anlage weiter zu erhöhen. Wer Gewissheit sucht, setzt auf Materialeignungstests und Wasserstoff-Emissionstests. „Sie geben dem Anlagenbetreiber die zusätzliche Sicherheit, tatsächliche Emissionen mit dem später eingesetzten Medium Wasserstoff voraussagen zu können.“

Gespeichert werden kann Wasserstoff in Kavernen, deren Hohlräume dicht sind gegenüber dem Medium. Hier werden Bohrlochköpfe an der Schnittstelle zwischen obertägigen Anlagen und unterirdischem Speicher eingesetzt, erläutert Hartmann Valves. Neben den Wellheads werden außerdem Kugelhähne für Rohrleitungen und Kompressorstationen verwendet.

Explosive Konzentration vermeiden
Auch die Waldemar Pruss Armaturenfabrik setzt sich intensiv mit den Herausforderungen für Armaturen im Medium Wasserstoff auseinander. Ein besonderes Risiko für hochbelastete drucktragende Bauteile sei die „Wasserstoffversprödung“, eine Materialermüdung, die durch das Eindringen von Wasserstoff in das Metallgitter verursacht werde und zur Rissbildung führe. „Ein ernst zu nehmendes Risiko“, betont das Unternehmen. Außerdem ist Wasserstoff das chemische Element mit der geringsten Dichte und diffundiert vergleichsweise leicht durch Werkstoffe. Pruss: „Dies erfordert besondere Lösungen für Spindel- und Gehäuseabdichtungen.“

Pruss mahnt zu besonderer Vorsicht, denn Wasserstoff ist geruchslos sowie geschmackslos und kann je nach Konzentration explosiv mit der Umgebungsluft reagieren. „Bei der Werkstoffauswahl prüfen wir deshalb mit größter Sorgfalt die Einsatzfähigkeit in punkto Härtewerte, explosiver Dekompression und Duktilität“, erläutert das Unternehmen.

Runder Dichtsitz
Um die absolute Dichtheit zu ermöglichen, arbeitet zum Beispiel müller quadax bei seinen Klappen mit dem 4-fach exzentrischen Konstruktionsprinzip. Dabei verfügen die Absperrklappen über einen runden Dichtsitz mit einer ringsum gleichmäßigen Wandstärke. Damit „unterscheidet sich die Bauweise wesentlich von den geläufigen 3-fach exzentrischen Ausführungen, die über einen elliptischen Dichtsitz verfügen“, erläutert das Unternehmen. Materialausdehnungen wirken durch hohe Temperaturschwankungen homogen auf die gesamte Dichtfläche „und sorgen somit für optimale Dichtheit“, erklärt das Unternehmen. Außerdem ist die Quadax®-H2 -Klappe mit einem speziellen Dichtring in einem Sonderwerkstoff ausgerüstet, „um selbst bei diesen extrem tiefen Temperaturen einwandfrei zu funktionieren“.

Sicherheitsventile für Wasserstofftankstellen
Die Goetze KG liefert unter anderem Hochdruck-Sicherheitsventile für Elektrolyseur-Hersteller, aber auch Sicherheitsventile für Wasserstofftankstellen – denn neben dem Energienetz und der Industrie ist auch die Mobilität im Fokus. Goetze sieht hier eine steigende internationale Nachfrage nach Wasserstofftechnologie und liefert Sicherheitsventile mit bis zu 1.000 bar an chinesische oder spanische Anlagenbauer. China setzt hier bereits Ausrufezeichen: In Peking wurde im vergangenen Jahr die größte Wasserstofftankstelle der Welt errichtet. „Acht Wasserstofftanksäulen stehen bereit, um bis zu 600 Fahrzeuge täglich zu betanken“, berichtet Goetze. Möglich werde dies durch die große Menge von bis zu fünf Tonnen Fördervolumen, eingebettet in einen 200.000 Quadratmeter großen Wasserstoffpark.

Hohe technische Herausforderungen
Die technischen Anforderungen an Wasserstofftankstellen sind höher als bei herkömmlichen, betont Herose: An den Stationen lagert das Gas in Niederdruckspeichern bei etwa 20 bar. In den Tanks der Autos muss der Wasserstoff wegen der nötigen Energiedichte jedoch wesentlich stärker komprimiert werden. „Also bringen Kompressoren das Gas zunächst bis auf 1.000 bar, um es dann in Hochdrucktanks zwischenzuspeichern. Damit sich das Gas beim Betanken nicht zu sehr aufheizt, passiert es einen Vorkühler“, erläutert das Unternehmen. Der Tankvorgang wird elektronisch kontrolliert, bei 700 bar Druck im Tank wird abgeregelt. „Falls der Druck unerwartet steigt, öffnet das Sicherheitsventil und lässt den Überdruck ungehindert in die Atmosphäre.“ Da Wasserstoff dreizehn mal leichter ist als Luft, entweicht er nach oben und ist ungefährlich. Auf dem Weg zwischen Tankstellenspeicher und Autotank seien Armaturen mit höchsten Sicherheitsstandards gefordert.

Und wie könnte die Wasserstoffnutzung der Zukunft aussehen? Wertvoll ist aus Sicht des Fraunhofer IFF „eine systemisch integrierte Wasserstoffproduktion“. Dabei würde nicht nur der bei der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff, sondern auch Sauerstoff eingesetzt – etwa für Schweißprozesse oder zur Ozonierung für Kläranlagen. „Mit der Zufuhr von Ozon lassen sich problematische Mikroverunreinigungen wie Pharmaka, Pflanzenschutzmittel oder Kosmetika aus Abwässern entfernen“, erläutert Fraunhofer IFF. Ein weiteres Anwendungsszenario: In der Landwirtschaft könne der Sauerstoff für die Entschwefelung der Biogasanlage verwendet werden. Nutzungen, die weitere, erfolgversprechende Perspektiven aufzeigen.

Innovationen rund um Industriearmaturen und Ventile sind auf der VALVE WORLD EXPO vom 29.11. bis 1.12. 2022 in den Hallen 1 und 3 des Düsseldorfer Messegeländes zu sehen. Aktuelle Branchen- und Produktinformationen befinden sich im Internetportal unter www.valveworldexpo.de.