Grüner Wasserstoff – mit Sicherheit beherrschbar

Der Umstieg auf erneuerbare Energien ist in vollem Gange. Wasserstofftechnologie bildet dabei einen wichtigen Baustein. Die gesamte Wertschöpfungskette von der Erzeugung von Wasserstoff über Speicherung und Transport bis hin zur Nutzung als Energiequelle steckt jedoch voller sicherheitstechnischer Herausforderungen. Mit Fokus auf die Wasserstofferzeugung ist im Folgenden dargestellt, worauf es insbesondere beim Explosionsschutz ankommt und welche Aufgaben internationale und nationale Normungsgremien noch meistern müssen.

Wasserstoff kommt in unseren Lebensräumen praktisch nicht elementar vor. Er verbindet sich spontan und schnell mit anderen Elementen. Wegen seiner hohen Reaktivität ist er als gefährlich einzustufen. Die Knallgasprobe zeigte bereits vielen Schülergenerationen eindrücklich, wie viel Energie frei wird, wenn Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert. Seine Eigenschaften machen ihn aber auch zu einem Schlüsselelement der Energiewende. Denn Wasserstoff kann zur Speicherung von Energie genutzt werden.

Als neue, klimaneutrale Energiequellen bieten sich, neben der Kernenergie, die an dieser Stelle nicht weiter betrachtet werden soll, die sogenannten erneuerbaren Energien an. Die Nutzung klassischer Erneuerbaren wie Wasserkraft und biogene Rohstoffe (z. B. nachwachsende Rohstoffe wie Holz) ist in vielen Regionen weitestgehend ausgereizt. Signifikante Wachstumsmöglichkeiten ergeben sich dagegen mit der Nutzung von Photovoltaik, Solarthermie und der Windenergie. Diese weisen jedoch einige schwerwiegende Nachteile auf, von denen ihre geringe Energiedichte und ihre Volatilität – sprich periodische Schwankung des Angebotes – hervorzuheben sind.

Um eine Volkswirtschaft wie Deutschland überwiegend durch erneuerbare Energien stabil und zuverlässig zu versorgen, werden daher große Energiespeicherkapazitäten mit einer hohen Energiedichte benötigt. Geht man beispielsweise von einer über längere Zeiträume zu puffernden Grundleistung von 70 GW aus, würde das eine Speicherkapazität verlangen, die einem gigantischen Pumpspeicherkraftwerk mit dem Volumen des Bodensees und einer Fallhöhe von 800 m entspricht. Wasserstoff bietet sich aufgrund seiner Eigenschaften als Energieträger und -speichermedium an und kann beide Hauptnachteile volatiler erneuerbarer Energien kompensieren. Aktuell nicht benötigte elektrische Energie aus Windkraft- oder Solaranlagen kann genutzt werden, um Wasserstoff zu erzeugen. Dazu wird Wasser elektrolytisch gespalten. Wird zusätzliche elektrische Energie benötigt, kann der gespeicherte Wasserstoff wieder in Strom umgewandelt werden (Rückverstromung). Natürlich sind auch andere Nutzungsmöglichkeiten der chemischen Energie des Wasserstoffs gegeben, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll.

Wasserstoff ist unter Normalbedingungen ein farb- und geruchloses Gas. Er ist nicht toxisch und verursacht keine Umweltschäden. Seine Dichte beträgt bei einer Temperatur von 0 °C 0,089 g/l. Im Freien verflüchtigt sich Wasserstoff daher schnell, denn Luft mit einer Dichte von 1,29 g/l ist 14-mal schwerer.

Wasserstoffmoleküle sind jedoch sehr klein. Daher besitzt Wasserstoff eine hohe Diffusionsfähigkeit, auch durch metallische Werkstoffe hindurch. An Korngrenzen oder Fehlstellen können Wasserstoffatome beispielsweise zur Metallversprödung führen. Daher bestehen an die Dichtheit von Wasserstoffapparaturen besondere Herausforderungen, die aber technisch durchaus beherrschbar sind.

Ausgewählte Eigenschaften von Wasserstoff und Methan (Hauptbestandteil von Erdgas).

Wasserstoff kann wie erwähnt mit Sauerstoff explosionsfähige Gemische bilden (Knallgas). Sicherheitstechnisch interessant ist dabei der außergewöhnlich breite Explosionsbereich, der von 4 Vol.% (Untere Explosionsgrenze UEG) bis 77 Vol.% (Obere Explosionsgrenze OEG) reicht. Die Mindestzündenergie von 0,02 mJ ist eine der niedrigsten; in der gefährlichsten Zündgruppe IIC befinden sich neben dem Wasserstoff mit Acetylen und Schwefelkohlenstoff lediglich zwei weitere Gase. Im Widerspruch zu der niedrigen Zündenergie scheint die relativ hohe Zündtemperatur von 585 °C zu stehen. Diese Diskrepanz ist mit der hohen Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff zu erklären: Da immer der Nettozustrom von Wärme für das Auslösen von Explosionen entscheidend ist, bedarf es z. B. sehr heißer Oberflächen und lange Verweilzeiten, um eine genügend große Wärmemenge in ein Wasserstoff-Luft-Gemisch zu transportieren, bis die Zündung einsetzt.

Auch wegen der extrem hohen Flammengeschwindigkeit, die etwa achtmal höher ist als die einer Methanflamme, ist ein Wasserstoff-Luft-Gemisch außergewöhnlich. Bewusst genutzt, etwa in Raketenantrieben, führt diese Eigenschaft zu einem starken Impuls (Masse mal Flammenaus-breitungsgeschwindigkeit). Bei ungewollten und unkontrollierten Wasserstoffexplosionen sorgt sie jedoch für eine besonders hohe Zerstörungskraft.

Die Beherrschung der von Wasserstoff ausgehenden Gefahren gehört seit vielen Jahrzehnten zum Repertoire der Sicherheitstechnik. Die großtechnische Nutzung begann Anfang des 20. Jahrhunderts mit der Einführung des Haber-Bosch-Verfahrens zur Synthese von Ammoniak. Gegenwärtig geht man von einer Wasserstoff-Jahresproduktion von mehr als 100 Millionen Tonnen aus. Neben der Herstellung von Ammoniak wird diese Menge hauptsächlich in Raffinerieprozessen und für die Produktion von Methanol verwendet.

Der Explosionsschutz funktioniert in all diesen Anwendungen seit vielen Jahrzehnten sicher und zuverlässig. International wird er über die Normenreihen IEC 60079 und IEC 80079 geregelt, für die das Technische Komitee TC 31 bei der IEC verantwortlich ist. In der Mehrzahl der Länder und Regionen werden diese Normen nahezu deckungsgleich in regionale und nationale Standards umgewandelt und befolgt. Für zwei sehr gebräuchliche Zündschutzarten, die „druckfeste Kapselung“ und die „Eigensicherheit“, werden die oben genannten Eigenschaften des Wasserstoffs dadurch berücksichtigt, dass dieser in die Explosionsgruppe IIC eingestuft wird.

Im Zuge der Energiewende wird es zur spürbaren Erweiterung und Vertiefung der Wasserstoffverwendung kommen. Daraus werden sich neue sicherheitstechnische Fragestellungen ergeben. In den folgenden Abschnitten soll dazu der aktuelle Status anhand von ausgewählten Elementen der Wasserstoffwirtschaft erläutert werden.

Bei den Herstellungsmethoden für Wasserstoff dominiert derzeit mit ca. 50 % Anteil die Dampfreformation von Erdgas. Auch die Wasserstoffgewinnung aus Kohle hat nach wie vor eine gewisse Bedeutung, insbesondere in China. In einem zukünftigen nachhaltigen Wasserstoffkreislauf werden diese konventionellen Methoden wegen des dabei freigesetzten Kohlendioxids keine so dominierende Rolle spielen bzw. müssen um Energie verbrauchende Technologien ergänzt werden (Carbon Capture, Utilization and Storage Technologien CCUT). Gegenwärtig ist der globale Anteil des Wasserstoffs, der durch Elektrolyse hergestellt wird, mit weniger als 5 % noch sehr gering, was insbesondere auf die hohen Produktionskosten zurückzuführen ist. So kostet die Produktion von „grünem“ Wasserstoffs (erzeugt mit „grünem“ Strom) drei- bis fünfmal so viel wie die mittels Dampfreformation von Erdgas. Wie stark der Anteil des grünen Wasserstoffs in der Zukunft sein wird, hängt vor allem von der Entwicklung der Strompreise, der Effizienz des Elektrolyseprozesses und der Entwicklung des Erdgaspreises ab. Weltweite, vor allem politisch initiierte Programme zur Entwicklung von Wasserstoffinfrastrukturen wie z. B. die deutsche „Nationale Wasserstoffstrategie“ oder die „Roadmap to a US Hydrogen Economy“ sollen geeignete Rahmenbedingungen für eine positive Entwicklung schaffen.

Bei der Elektrolyse von Wasser wird es unter Einwirkung von Gleichstrom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Dabei trennen Membranen die beiden entstehenden Gase, sodass sich kein explosionsfähiges Gemisch bilden kann (crossover). Von bestimmten Ionen können die Membranen dagegen passiert werden.

Gegenwärtig gibt es vier Methoden für die Elektrolyse, die sich durch die Prozesstemperatur sowie durch die Art der verwendeten Membranen unterscheiden. Die weiteste Verbreitung mit dem größten technischen Reifegrad hat die alkalische Elektrolyse erreicht. Hier übernimmt mit Kaliumhydroxid versetzte Flüssigkeit den Ionentransport (OH-) von der Kathode zur Anode. Bei der PEM (Proton Exchange Membran) -Elektrolyse (H+) wird genau wie bei der Anion Exchange Membran Elektrolyse (AEM) ein Feststoff als Membran verwendet. Alle genannten Methoden gehören mit Prozesstemperaturen von 60 °C bis 80 °C zu den Niedrigtemperaturelektrolysen (NT). Die typischen Wirkungsgrade liegen zwischen 65 % und 82%. Als Hochtemperaturelektrolyse (HT) ist vor allem die SOE (Solid Oxid Elektrolyse) zu erwähnen. Hier wird Oxidkeramik als Membranwerkstoff verwendet. Die Prozesstemperaturen liegen im Bereich von 700 °C bis 900 °C. Statt flüssigem Wasser wird Wasserdampf aufgespalten. Der höhere energetische Aufwand zur Erzeugung der nötigen Prozesstemperaturen wird durch einen sehr hohen Systemwirkungsgrad von 84 % kompensiert.

International existieren eine Reihe von Normen, die die sicherheitsrelevanten Belange der wichtigsten Elemente in der Wasserstoff-Wertschöpfungskette – darunter die Elektrolyse – abdecken. Im Technical Report ISO/TR 15916 werden Maßnahmen zur Gefahrenabwehr vorgeschlagen. Dieser unverbindliche Technische Report stellt einen guten Einstieg in die komplexe Thematik dar. Für die Elektrolyse von Wasser gibt es den internationalen Standard ISO 22734: „Hydrogen generators using water electrolysis – Industrial, commercial, and residential applications“ (aktueller Stand 2019). Darin werden die Anforderungen für die Gestaltung, den Bau, die Sicherheit und den Betrieb von Elektrolyseanlagen ausführlich beschrieben. Hervorzuheben ist, dass vom Hersteller derartiger Anlagen die Durchführung einer Risikoanalyse verlangt wird, um potenzielle Gefährdungen systematisch zu erfassen, ihre Auftrittswahrscheinlichkeit zu ermitteln und geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Demnach ist für den Explosionsschutz eine Zoneneinteilung anhand der IEC 60079-10-1 oder adäquater nationaler Standards durchzuführen, auf deren Basis geeignete Maßnahmen des primären (Vermeidung des Auftretens explosionsfähiger Atmosphären) und sekundären Explosionsschutzes (Vermeidung von Zündquellen gemäß der Normenreihe IEC 60079) zu ergreifen sind.

Die Maßnahmen des primären Explosionsschutzes sollen dabei insbesondere das Freisetzen von Wasserstoff durch ausreichend dichte Anlagenteile verhindern. Abgesichert wird dies durch eine Überwachung der unmittelbaren Umgebung mittels Gasmessgeräten. Die Dichtheit stellt einen bestimmenden Aspekt der meisten Sicherheitskonzepte von Wasserstoffanlagen dar. Wie oben beschrieben sind Wasserstoffmoleküle besonders klein und können durch metallische Werkstoffe diffundieren. Daher ist es dringend geboten, die internationalen Normen um genaue Spezifikationen für die konkrete Realisierung von dichten Rohrleitungsverbindungen und Apparaturen zu erweitern.

In Deutschland sind die beiden Kategorien „technisch dicht“ und „dauerhaft technisch dicht“ seit vielen Jahren bewährt. Die konkreten Ausführungsformen sind in der TRGS 722 „Vermeidung oder Einschränkung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre“ definiert. Auf europäischer Ebene wurde dieser Notwendigkeit in der neuesten Ausgabe der EN 1127-1: „Explosionsfähige Atmosphären – Explosionsschutz – Teil 1: Grundlagen und Methodik“ in Gestalt des neuen Anhangs B: Dichtheit von Geräten Rechnung getragen. Allerdings muss festgestellt werden, dass es zwischen der nationalen deutschen Vorgabe in und der Europäischen Norm hinsichtlich der Konzepte und einiger Details deutliche Abweichungen gibt. Auf der Ebene von IEC bzw. ISO-Normen fehlt derzeit eine adäquate Vorgabe mit speziellem Bezug auf den Explosionsschutz gänzlich. Besondere Anforderungen ergeben sich für die Hochtemperaturelektrolyse aufgrund der Prozesstemperaturen, die weit über der Mindestzündtemperatur des Wasserstoffs liegen.

Auf nationaler Ebene gibt es ebenfalls bereits seit längerer Zeit Vorgaben für den Explosionsschutz von Wasserstoffanlagen. Diese sind unter dem Abschnitt 1.2.7: „Anlagen zur Herstellung und Verwendung von Wasserstoff“ der Beispielsammlung zu den Explosionsschutz-Regeln (EX-RL) DGUV Regel 113-001 enthalten. Auch hier stellt die Dichtheit der Anlage, verbunden mit geeigneten Lüftungs- und Gasüberwachungsmaßnahmen und ergänzt durch organisatorischen Maßnahmen das zentrale Element des Sicherheitskonzeptes dar. Für Elektrolyseanlagen wird lediglich in geschlossenen Räumen und beim Fehlen von ergänzenden technischen und organisatorischen Maßnahmen der Bereich unter der Decke als Zone 2 eingestuft.

Auch bei der Speicherung, dem Transport und der Rückverstromung von Wasserstoff sind die Anforderungen an die Sicherheitstechnik hoch. Wie bei der Herstellung bestehen jedoch international heute noch keine ausreichenden Normen und Standards, um in allen Prozessen den Explosionsschutz sicherzustellen. Die Beispielsammlung der deutschen Explosionsschutzregeln (EX-RL) enthält dagegen entsprechende Vorgaben, etwa unter Abschnitt 1.2.7.2 Vorgaben für die Verdichtung von Wasserstoff in Räumen und im Freien. Für Wasserstofftankstellen gibt es seit 2020 den entsprechenden Internationalen Standard ISO 19880 – 1: „Gaseous hydrogen – Fuelling stations Part 1: General requirements“. In Deutschland gilt als spezielle nationale Festlegung zum Explosionsschutz von Wasserstofftankstellen die TRGS 751: „Vermeidung von Brand-, Explosions- und Druckgefährdungen an Tankstellen und Gasabfüllanlagen zur Befüllung von Landfahrzeugen“, die in der gültigen Fassung vom 02.10.2020 um die Aspekte von Wasserstoff als Treibstoff ergänzt wurde.

Um elektrische Energie aus dem Speichermedium Wasserstoff zurückzugewinnen, nutzt man Brennstoffzellen. In ihnen läuft ein Prozess ab, der im Wesentlichen einer Umkehr der oben beschriebenen Elektrolyse entspricht. Der Explosionsschutz ist auf internationaler Ebene über das Technische Komitee TC 105 von IEC geregelt. Seit Anfang 2021 werden in elf Arbeitsgruppen Normenprojekte zu den unterschiedlichen Anwendungsfällen, von der Mikro-Brennstoffzelle bis hin zum Antriebsaggregat für Drohnen, bearbeitet. Zahlreiche neue Normen wurden inzwischen fertiggestellt. Bereits verfügbar sind u. a. die Normen für die Sicherheit von stationären und portablen sowie von Brennstoffzellenmodulen.