Wasserstoffinfrastruktur: Transport, Speicherung und Bereitstellung

Die Wasserstoffinfrastruktur ist von entscheidender Bedeutung für die erfolgreiche Einführung von Wasserstoff und seine vielfältigen Anwendungen auf dem Markt. Eine flächendeckende Verfügbarkeit von Wasserstoff ist unerlässlich, um die Bedürfnisse aller Nutzer zu decken. Dies erfordert entweder den Bau neuer Wasserstoffpipelines oder die Umrüstung bestehender Pipelines. Zusätzlich muss eine effiziente Speicherstruktur geschaffen werden, um die Produktion von Wasserstoff zu stabilisieren.

Ist unsere bestehende Infrastruktur für Wasserstoff geeignet?

Jährlich gehen weltweit etwa 2 % des geförderten Erdgases durch Leckagen während der Förderung, des Transports oder der Verdichtung verloren. Bei der Umstellung der Infrastruktur von Erdgas auf Wasserstoff sind aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas sogar noch größere Verluste durch Leckagen zu erwarten. Wasserstoffmoleküle sind kleiner, was dazu führt, dass sie schneller durch Risse und Undichtigkeiten entweichen können. Ein weiterer Faktor, der Leckagen begünstigt, ist die sogenannte Wasserstoffversprödung, bei der Wasserstoff in atomare Metallstrukturen eindringt und Mikrorisse verursacht. Die Stärke der Wasserstoffversprödung hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter das verwendete Material, Druck, Kontaktzeit und Temperatur.

Um sicherzustellen, dass unsere bestehende Infrastruktur wasserstofftauglich ist, sind verschiedene Entwicklungsmaßnahmen erforderlich:

1. Wir benötigen Methoden, um die Wasserstofftauglichkeit von bestehenden Pipelines festzustellen und sicherzustellen. Dies erfordert zerstörungsfreie Verfahren zur Bestimmung der Resistenz gegen Wasserstoffversprödung sowie zur Überwachung des Fortschritts dieser Versprödung.
   
   
2. Darüber hinaus benötigen wir Methoden zur Nachrüstung nicht wasserstoffresistenter Infrastruktur. Zum Beispiel könnten wasserstoffresistente Beschichtungen oder Inlays in Pipelines installiert werden, um Versprödung und langfristige Leckagen zu verhindern.
   
   
3. Zudem sind alternative Methoden zur Detektion von Leckagen erforderlich. In Erdgaspipelines erfolgt die genaue Lokalisierung von Lecks mithilfe von Infrarotkameras, die Methan detektieren können. Wasserstoff jedoch hat keine Infrarotsignatur. Auch das Beimengen von Detektionsstoffen, wie es bei Erdgas mit Duftstoffen geschieht, funktioniert bei Wasserstoff aufgrund der unterschiedlichen Molekülgrößen nicht.

Die Entwicklung solcher Maßnahmen kann durch verschiedene Förderprogramme wie die steuerliche Forschungszulage oder KMU-innovativ unterstützt werden.

Speicher- und Transportmöglichkeiten für Wasserstoff im Überblick

Wasserstoff ist ein guter Energiespeicher: Bezogen auf sein Gewicht ist sein Energiegehalt viel höher als etwa der von anderen fossilen Brennstoffen. Allerdings nimmt Wasserstoff bei normalen Temperaturen viel Raum ein und ist sehr flüchtig. Durch Komprimierung oder Verflüssigung lässt sich seine geringe Energiedichte erhöhen und maximieren, was entscheidend ist. Denn flüssige Wasserstoffspeicher haben eine weit höhere Energiedichte als gasförmige und erleichtern so den Transport von H2 erheblich. Aktuelle Speichermöglichkeiten für Wasserstoff sind:

• Die kryogene Speicherung erfordert extreme Kälte (-253 °C) benötigt dafür aber deutlich geringeren Druck (<5 bar). Für die Verflüssigung müssen ca. 30 % der gespeicherten Energie zusätzlich aufgewandt werden müssen.
• Für die Hochdruckspeicherung muss der Wasserstoff komprimiert werden. Für die Kompression auf 700 bar, was der gängige Speicherdruck ist, müssen ca. 10 % der gespeicherten Energie aufgewandt werden. Aufgrund des geringeren Energieaufwands wird die Hochdruckspeicherung bevorzugt.

Für den Ferntransport von Wasserstoff sind daher neue Speicher- und Transportmethoden erforderlich. Aktuell sehen die Möglichkeiten wie nachfolgend aus.

Abbildung 1: Modernes Wasserstoffspeichersystem, begleitet von einem großen Solarkraftwerk und Windturbinenpark

Chemische Umwandlung zur einfacheren Wasserstoffspeicherung

Eine Möglichkeit, die Wasserstoffspeicherung und den -transport zu vereinfachen, besteht in der chemischen Umwandlung von Wasserstoff. Ein Ansatz ist die Umwandlung von Wasserstoff mit Stickstoff zu Ammoniak durch das Haber-Bosch-Verfahren. Ammoniak ist einfacher in großen Mengen zu speichern, da es bereits bei mittleren Drücken ohne Kühlung flüssig vorliegt. Im Gegensatz zu Wasserstoff kann Ammoniak mit geringerem Aufwand und ohne aktive Kühlung transportiert werden.

Tankschiffe zum Wasserstofftransport über weite Strecken

Verflüssigtes Ammoniak kann über große Entfernungen transportiert werden, beispielsweise mittels Tankschiffen. Am Zielort muss der Wasserstoff aus Ammoniak zurückgewonnen werden, was beispielsweise durch Plasmalyse oder Elektrolyse erfolgen kann (siehe Abbildung 2). Das Ziel besteht darin, die transportierte Energiemenge zu maximieren und den Energieverlust beim Transport und bei der Rückgewinnung möglichst gering zu halten.

Abbildung 2: Transport von Ammoniak mittels Tankschiffen

In der chemischen Umwandlung und der Rückgewinnung von Wasserstoff gibt es noch Entwicklungspotenzial. Die Herstellung von Ammoniak durch das energieintensive Haber-Bosch-Verfahren erfordert Verbesserungen, um die Energieeffizienz zu steigern. Ebenso müssen die Verfahren zur Rückgewinnung von Wasserstoff weiterentwickelt und optimiert werden, um eine positive Energiebilanz zu erreichen.

Infrastruktur: Was wird für die Wasserstoffbereitstellung benötigt?

Die Bereitstellung von Wasserstoff erfordert mehr als nur Transport und Speicherung. Zusätzliche Komponenten sind erforderlich, um die Produktion und den Verbrauch mit der Wasserstoffinfrastruktur zu verknüpfen. Prozesse müssen geregelt und die Versorgung mit anderen Rohstoffen sichergestellt werden. Diese essenziellen Komponenten, die den Betrieb der Wasserstoffprozesse gewährleisten, werden als "Balance-of-Plant" bezeichnet. Sie umfassen Aufgaben wie Druckregelung, Temperaturregelung, Bereitstellung elektrischer Energie, Rohstoffversorgung und Regelungssysteme.

Der Bedarf in der Wasserstoffwirtschaft ist vielfältig. Wenn Sie Ideen für Forschung und Entwicklung im Bereich Wasserstoff haben, stehen wir Ihnen gerne zur Seite. Weitere Informationen zum Thema Wasserstoff finden Sie unter www.eura-ag.com/wasserstoff.

Text: Georg Beckmann