Wasserstoff findet Einsatz als Rohstoff für die Chemie- und Petrochemie sowie als Brennstoff für die Öfen der Glas-, Keramik, Stahl- und Zementindustrie. Mehr als die Hälfte der heutigen Wasserstoffproduktion wird zu Ammoniak für die Herstellung von Düngemitteln verarbeitet. Raffinerien nutzen ihn zum Aufspalten und Entschwefeln von Erdölprodukten.

Entsprechend große Erwartungen sind mit grünem Wasserstoff verknüpft, dessen Bedarf in den nächsten Jahren rasant steigen wird. Er wird klimaneutral aus 100 % erneuerbaren Energien erzeugt – auch aus bislang nicht speicherbaren Energieüberschüssen von Wind- und Solarkraftwerken. Als Ausgangsstoff für Power-to-X-Prozesse soll grüner Wasserstoff durch die Umwandlung von Strom den grauen Wasserstoff in bisherigen Anwendungsfeldern ersetzen. Dafür spricht auch, dass er, gemessen an seinem Volumen, große Mengen an Energie speichern und transportieren kann. Der emissionsfreie gasförmige oder flüssige Brennstoff soll anstelle von Erdöl und -gas Gebäudeheizungen und Industrieöfen befeuern. Zudem soll er für die großtechnische Herstellung von Grundchemikalien wie grünem Ammoniak oder grünem Methanol eingesetzt werden. In Brennstoffzellen wird grüner Wasserstoff wieder in elektrischen Strom umgewandelt, ein Verfahren, das beispielsweise als Antrieb von Elektromotoren für Lkw und Busse vor der Serienreife steht. Fahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotoren nutzen die Umwandlung seiner chemischen in mechanische Energie direkt als Antriebsenergie. Schifffahrt sowie Luft- und Raumfahrt setzen ebenfalls große Hoffnungen auf den umweltverträglichen Energieträger. Mit der noch zu schaffenden Infrastruktur soll er künftig klimaneutral erzeugte Energie überall nutzbar machen.

Große Herausforderungen

Gängigstes Herstellungsverfahren für klimaneutralen Wasserstoff ist die Elektrolyse. Alternativ wird er durch Vergasung und Vergärung von Biomasse oder Reformierung von Biogas produziert. Die Alkalische Elektrolyse (AEL) verwendet Kalilauge als Elektrolyt und eine poröse Membran, die Anode und Kathode voneinander trennt. Bei der Proton-Exchange-Membrane-Elektrolyse (PEM) dient eine elektrisch leitfähige Membran als Ionen durchlässige Trennschicht und ersetzt somit das Bad.

Für die Erzeugung der künftig von Industrie und Verkehr benötigten Menge an Wasserstoff muss nicht nur die Elektrolysekapazität massiv gesteigert werden, sondern auch die Bereitstellung der dafür erforderlichen erneuerbaren Energie. Forschung und Industrie arbeiten deshalb mit Hochdruck daran, eine ausreichende Wasserstoffinfrastruktur zu schaffen und die Effizienz bestehender Systeme zu verbessern. Eine Vielzahl an Projekten ist derzeit in der Planung oder bereits im Prototypenstadium, um in den nächsten Jahren zur nötigen Gesamterzeugungsleistung beizutragen. Für die Steigerung des Wirkungsgrads der Elektrolyseprozesse gilt den eingesetzten Materialien sowie dem Design von Katalysatoren und Bipolarplatten besonderes Augenmerk.

Die spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff stellen an die für Elektrolyseure, Fluidsysteme, Tanks, Anlagen und Armaturen eingesetzten Werkstoffe und deren Verarbeitung hohe Anforderungen. So erfordert die ausgeprägte Diffusionsfähigkeit des Gases eine zuverlässige Gasdichte aller Komponenten, um Verluste sowie Explosions- oder Brandgefahr durch austretenden Wasserstoff zu vermeiden. Bei vielen Metallen können Wasserstoffatome den Werkstoff durchdringen (Permeation) und dabei seine mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen: Bereits bei einer Wasserstoffkonzentration von wenigen ppm entsteht dadurch Korrosion mit der Folge einer vorzeitigen Materialermüdung (Degradation). Sie führt zu Rissbildung und Sprödbruch und bedeutet deshalb ein nicht vertretbares Sicherheitsrisiko.

Komponenten aus anwendungsbezogen ausgelegtem Edelstahl Rostfrei hingegen widerstehen durch ihre Gefügestruktur sowohl Permeation als auch Degradation dauerhaft. So verhindern sie schleichenden Gasaustritt und schützen die Bauteile durch gleichbleibend hohe Festigkeit, Duktilität und Homogenität vor Versprödung. Standardmäßig kommen für Komponenten, die mit Wasserstoff in Berührung kommen, nichtrostende austenitische Edelstähle der Güten 1.4435, 1.4404 und 1.4307 zum Einsatz. Für besonders kritische Anwendungen mit extremen Korrosionsanforderungen haben sich die Güten 1.4439, 1.4462 (Duplex) und 1.4410 (Superduplex) bewährt.

Produktion und Nutzung

Gehäusekomponenten für Elektrolyseure werden ebenso wie Rohrbündelwärmetauscher, die zur Herunterkühlung von Wasserstoff von 60 auf 5°C eingesetzt werden, aus Edelstahl in den Standardgüten gefertigt. Hocheffiziente Plattenwärmetauscher für die Produktion von Wasserstoff mittels PEM- oder AEL-Verfahren oder Aufgaben mit sehr hohen Reinheitsanforderungen bestehen komplett aus hochlegierten nichtrostenden Stählen. Dank ihrer besonderen Korrosionsbeständigkeit widerstehen diese sogar extremen Druckunterschieden und Temperaturen. Auch Wärmeübertragungslösungen für die Rückgewinnung der Energie aus den Elektrolyseuren und ihre Nutzung in Brennstoffzellen oder anderen Power-to-X-Lösungen benötigen für eine dauerhafte Resistenz gegen Korrosion, Temperaturschwankungen und Ermüdung Konstruktionen aus hochwertigem Edelstahl Rostfrei. Wärmeüberträger mit Leiterplatten werden in der gesamten Energiekette von Wasserstofftankstellen eingesetzt. Dabei müssen sie durch Druck und Strömung der Flüssigkeit hervorgerufenen Vibrationsbelastungen sowie Drücken bis 1000 bar und Temperaturen von - 196 bis + 800°C standhalten. Dank ihrer robusten Vollkonstruktion aus Edelstahl erfüllen sie diese Aufgabe mit der gebotenen Zuverlässigkeit. Bipolarplatten umschließen beidseitig sowohl die Membran-Elektroden-Einheit im Elektrolyseur als auch Brennstoffzellen für den Antrieb von Fahrzeugen. Ihre durch zahlreiche Kanäle für den Flüssigkeits- und Gastransport sehr komplexe Geometrie bedingt den Einsatz von nichtrostendem Stahl, der hohe Reinheitsanforderungen erfüllt. Bei der hier verwendeten Materialdicke von 70 bis 100 µm könnten bei der Formgebung der Gaskanäle Einschlüsse die Umformeigenschaften negativ beeinträchtigen. Bewährt haben sich für diese Anwendung Präzisionsbandstähle der Werkstoffgüten 1.4301, 1.4303, 1.4404 oder 1.4016.

Verdichtung und Transport

Einen unverzichtbaren Beitrag zur Nutzbarmachung von Wasserstoff in industriellen Anwendungen leisten Hochdruckkompressoren bei Verdichtung und Transport. Zur platzsparenden Speicherung oder Trailerabfüllung verdichten und verflüssigen sie das Gas. Alle Komponenten mit direktem Kontakt zu Wasserstoff wie Leitungen, Rohre, Gasstrang und Zylinderköpfe dieser Verdichter werden aus kundenspezifisch ausgelegtem Edelstahl Rostfrei gefertigt. Auch für die in Wasserstofffahrzeugen oder -tankstellen eingesetzten Ventile und Armaturen gelten hohe Anforderungen in puncto Wasserstoffresistenz und Druckbeständigkeit. Ob Sicherheits-, Überdruck- oder Rückschlagventile, Rohrverschraubungen, Anschlusstücke oder Absperrhähne: Für die gebotene Verschleiß- und Dauerfestigkeit sowie hohe Zähigkeit der Komponenten ist Edelstahl Rostfrei mit erhöhtem Nickelanteil unverzichtbar.

So widerstehen spezielle Klemmringverschraubungen aus Edelstahl extremen Drücken bei gleichzeitiger Vibrationsresistenz. Gleiches gilt für in Speicherbehältern eingesetzte Dichtungen mit Durchmessern von bis zu 4000 mm. Für den sicheren Betrieb in Hochdruckbereichen mit über 200 bar Druck und kontinuierlicher Wasserstoffexposition haben diese Spiraldichtungen vorgeformte Metallwicklungen aus Edelstahl. Kupplungen für die Betankung oder auch zur Hochdrucknottrennung, wenn das Fahrzeug noch während der Betankung gestartet wird, sind ebenfalls sicherheitsrelevante Komponenten bei der Nutzung von Wasserstoff. Gefertigt werden sie aus Edelstahl der Güte 1.4404 oder 1.4571. Damit bei der Betankung die Motorkomponenten nicht durch Partikeleintrag kontaminiert werden, kommen Edelstahlfilter zum Einsatz. Das robuste korrosionsbeständige Design dieser Hochdruckfilter gewährleistet mit einem hochfeinen Edelstahlgewebe sicheren Partikelrückhalt bei hohem Durchfluss und geringem Druckabfall.

Eine Schlüsselfunktion bei Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff haben Pipelines und Pumpen. Stahlpipelines für den Wasserstofftransport ergänzen ihren mehrschichtigen Aufbau mit einer Innenauskleidung aus nichtrostendem Stahl. Mehrphasenpumpen aus Edelstahl fördern bei der Elektrolyse das noch gesättigte Medium nach der Gasabscheidung über den Wärmetauscher auf den Stack genannten Zellenstapel, versorgen Brennstoffzellen mit Wasserstoff oder bringen Wasserstoff bei der Methanisierung in Lösung. Für das Erreichen hoher Förderdrücke werden mehrstufige Kreiselpumpen aus nichtrostendem Stahl eingesetzt. Kryotechnische Lager- und Transportbehälter aus Edelstahl für tiefkalt verflüssigte Gase beantworten die Nachfrage der Chipindustrie nach hochreinem grünem Wasserstoff als Prozessgas.

Aktuell in der Entwicklung ist auch ein Wasserstofftanker zum Transport von komprimiertem Wasserstoff. Er soll ab Mitte des Jahrzehnts mit einer Ladekapazität von bis zu 2000 t die Anforderungen der entstehenden Wasserstoffschifffahrt über mittlere Entfernungen erfüllen. Seine mehrwandigen Tanks mit Durchmessern von bis zu 20 m sind zum Schutz gegen Materialversprödung vollflächig mit Edelstahl ausgekleidet.

Umweltverträglicher Begleiter

Grüner Wasserstoff hat als Ersatz fossiler Brennstoffe und als Lösung für die umfängliche Nutzung erneuerbarer Energien ein weitreichendes Potenzial. Nur mit seiner Hilfe kann es gelingen, den CO2-Ausstoß nachhaltig zu verringern und bis 2050 in Europa klimaneutral zu sein. Mittel und Wege zur Produktion, Nutzung und Verteilung des grünen Energieträgers werden aktuell auch mithilfe der Politik massiv ausgebaut. Umweltverträglicher Begleiter auf diesen Wegen in eine klimaneutrale Zukunft ist in zahlreichen Prozessen Edelstahl Rostfrei.

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