Energieträger Wasserstoff – Sicherheitsfragen näher betrachtet

Vera Töpfer, Safety-Health-Environment-Management, UMCO-Hamburg – veröffentlicht am 28. Oktober 2021

Das neue Bundes Klimaschutzgesetz (KSG) strebt ein Treibhausminderungsziel für das Jahr 2030 auf minus 65 Prozent gegenüber 1990 an, bis 2045 soll Treibhausgasneutralität verbindlich erreicht werden. Um diese Klimaziele erreichen zu können, benötigt es eine erfolgreiche Energiewende. Dabei gilt Wasserstoff als der Energieträger der Zukunft – doch welche Gefahren gehen mit ihm einher?

Kann Wasserstoff bisherige Energieträger ablösen?

Motivation

Insbesondere gasförmige und flüssige Energieträger sind in der Industrie von zentraler Bedeutung und langfristig unverzichtbar. Zum Erreichen der Klimaziele werden gerade hier alternative Optionen zu den derzeit noch eingesetzten fossilen Energieträgern benötigt. Wasserstoff kommt hierbei eine zentrale Rolle zu, da er bei seiner Nutzung keine CO2-Emissionen und fast keine Luftschadstoffemissionen verursacht. Zusätzlich sind auch im Verkehr sowie im Energie- und im Gebäudesektor zahlreiche Anwendungen möglich. 

Was bisher geschah

Am 10. Juni 2020 schuf die Bundesregierung mit der Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) einen Handlungsrahmen für den Hochlauf von Wasserstofftechnologien in Deutschland.

Auch die Europäische Kommission veröffentlichte am 8. Juli 2020 die EU-Wasserstoffstrategie, in welcher sie Wasserstoff bei der Verwirklichung des europäischen Green Deals und der Energiewende in Europa eine der obersten Prioritäten zuweist.

Im Rahmen dieses gemeinsamen europäischen Wasserstoffprojekts wählten das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) und das Bundesverkehrsministerium (BMVI) im Mai 2021 62 deutsche Großvorhaben aus, welche mit über acht Milliarden Euro an Bundes- und Landesmitteln gefördert werden sollen. Insgesamt sollen allein in Deutschland Investitionen in Höhe von 33 Milliarden Euro ausgelöst werden. Das Important Project of Common European Interest (IPCEI) „Wasserstoff“ ist damit das bislang größte europäische Projekt dieser Art.

Gefahrenpotential

Trotz der Sauberkeit und Bedenkenlosigkeit nach der (Rück-)Gewinnung der Energie aus Wasserstoff stellt er bis dahin in Hinblick auf Umgang, Lagerung und Transport gewisse Risiken dar, die einkalkuliert werden müssen.

Einige Risikofaktoren werden im Folgenden skizziert:

Brand- und Explosionsgefahr

  • Explosionen sind Hauptgefahr beim Umgang mit Wasserstoff. 
    Strömt Wasserstoff aus, ist dies am ehesten an der Geräuschentwicklung zu erkennen, da Wasserstoff farb- und geruchlos ist. Zur Zündung ist dann nur eine sehr geringe Zündenergie erforderlich.
  • Eine Wasserstoffflamme ist bei Tageslicht fast unsichtbar und über 2000°C heiß, dabei gibt sie nur eine geringe Wärmestrahlung ab, sodass Gefahr besteht, sich ihr unbewusst zu nähern.
  • Wärmebildkameras können den entsprechenden Bereich überwachen.
  •  Viele Wasserstoffbrände entstehen durch Selbstentzündung bei plötzlicher Wasserstofffreisetzung an Berstscheiben und Überdruckventilen. 
    Systeme sollten technisch dicht und möglichst ohne lösbare Verbindungen gestaltet werden.
  • Detektoren sollten angebracht und die Gaszufuhr bei Leckagen automatisch abgeriegelt werden.
  • Aufstellung von Wasserstoffanlagen im Freien reduziert die Explosionsgefahr.

 

Materialversprödung

  • Durch die Diffusion von Wasserstoff können Metalle und Stähle verspröden, davon können beispielsweise Rohrleitungen, Behälter oder Maschinenteile betroffen sein.
  • In Verbindung mit Versprödung kann es, insbesondere an Orten erhöhter Spannung im Material, zu wasserstoffunterstützter Rissbildung (engl. HAC – hydrogen-assisted cracking) kommen.
  • Die Versprödungsgefahr und das Risiko von HAC muss bei der richtigen Auswahl von Werkstoffen (z.B. Art des Kristallgitters, Oberflächengüte) schon im Entwurf berücksichtigt werden. Ebenso müssen die Betriebsbedingungen (Gasdruck, Temperatur, mechanische Belastung) eingehalten werden.

 

Speicher- und Transporttechniken

  • Die Risiken, die mit der Speicherung von Druckwasserstoff in Tanks verbunden sind, sind gut bekannt und dank hoher Behältersicherheit gering.
  • Auch bei verflüssigtem Wasserstoff sind die Qualität und Haltbarkeit der verwendeten Tanks sehr hoch, Schadensfälle selten und Maßnahmen zur Risikominderung sehr gut etabliert.
  • Bei Pipelinetransporten von Wasserstoff muss, neben der Verwendung geeigneter Materialien zur Vermeidung von Versprödung, ebenfalls der erhöhte Zündbereich von Wasserstoff/Luft-Gemischen im Vergleich zu Erdgas berücksichtigt werden.

 

Gesundheit und Sicherheit

  • Wasserstoff ist weder giftig noch ätzend oder radioaktiv. Das Endprodukt der Verbrennung ist sauberes Wasser.
  • Die Brand- und Explosionsgefahr stellt die größte Gefährdung dar, zudem kann Wasserstoff erstickend wirken, wenn er den Sauerstoff verdrängt. Dies fordert sorgfältige Arbeitsschutzmaßnahmen.

Empfehlung

Auch wenn noch einige Herausforderungen gemeistert werden müssen, treiben die erforderlichen drastischen Verringerungen der Treibhausgasemissionen den Fortschritt voran. Angesichts des Markthochlaufs und der zahlreichen Projekte weltweit lohnt es sich daher, über die weitere Entwicklung auf dem Laufenden zu bleiben.

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