Wasserstoff: Chancen und Risiken für die Industrie
Wasserstofftechnologien bieten Herstellern, Vertriebszentren und der Schwerindustrie vielfältige Vorteile. Von stationären Stromversorgungen bis zu Brennstoffzellen für Gabelstapler benötigen sie häufig deutlich weniger Platz als die Batterien, die in elektrifizierten Geräten verwendet werden. Brennstoffzellensysteme sind zudem deutlich schneller wieder einsatzbereit, da ihr Wasserstofftank in weit kürzerer Zeit gefüllt werden kann, als eine Batterie aufgeladen ist – und sie liefern eine konstante Leistung, anders als typische Lithium‑Ionen‑Akkus.
Da Wasser der einzige Nebenstoff ist, bieten Brennstoffzellen eine nachhaltige Alternative zu Dieselmotoren in schweren Maschinen – und die Verfügbarkeit des alternativen Energieträgers wird weiter steigen. „Mit dem weltweit wachsenden Angebot an Wasserstoffversorgung erwarten wir, dass Unternehmen diese Technologie zunehmend einsetzen werden“, sagt Luke Allison, Senior Staff Engineer beim globalen Versicherer FM.
FM mit Hauptsitz in Rhode Island, USA, gehört zu den weltweit größten Anbietern für Industriesachversicherungen. Das Unternehmen versichert jedes vierte Fortune-500-Unternehmen sowie ähnlich große Organisationen weltweit. FM arbeitet mit seinen Kunden daran, Resilienz in allen Bereichen ihrer Organisationen zu verankern – ein zentraler Schwerpunkt in sich entwickelnden Feldern wie der Wasserstoffwirtschaft. Hier ist ein Überblick über die wichtigsten Risiken – und über Strategien, um ihnen erfolgreich zu begegnen.
Einblicke in die Sicherheit von Wasserstoff
Weltweit nehmen neue große Wasserstoffproduktionsanlagen den Betrieb auf. Die Verarbeitung fossiler Brennstoffe macht zwar derzeit einen großen Anteil aus, doch die Wasserelektrolyse – häufig mit erneuerbaren Energien betrieben – steht im Mittelpunkt vieler Ausbaupläne. Die Europäische Union plant beispielsweise Elektrolyseurkapazitäten von 40 Gigawatt, die etwa 10 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Jahr produzieren können – im Vergleich zu rund 18.000 Tonnen pro Jahr, die derzeit in Nordamerika erzeugt werden.
Dieser Wasserstoff wird entweder auf kryogene Temperaturen abgekühlt, um ihn als Flüssigkeit zu lagern und zu transportieren, oder er wird in gasförmiger Form genutzt. Da das Angebot derzeit noch aufgebaut wird, haben sich die dominierenden Verfahren für Produktion, Speicherung und Nutzung noch nicht vollständig herausgebildet. Doch unabhängig davon gibt es einen zentralen Aspekt, der immer berücksichtigt werden muss.
„Meiner Erfahrung nach gilt das Hauptaugenmerk in der Wasserstoffbranche vor allem dem Sicherheitsaspekt”, sagt Luke Allison, der gemeinsam mit Kollegen Betriebsstandards und öffentlich verfügbare Datenblätter von FM entwickelt und pflegt. „Die größten Sicherheitsbedenken betreffen Explosions‑ und Deflagrationsrisiken sowie nachfolgende Stahlfeuer, die entstehen können, wenn unter Druck stehender Wasserstoff aus verschiedenen Rohrleitungen, Schläuchen, Behältern oder aus Betriebsausrüstung austritt.“
Diese Risiken unterscheiden sich von denen fossiler Energieträger wie Erdgas oder Propan, da Wasserstoff einen deutlich größeren Entzündbarkeitsbereich und eine niedrigere Zündenergie aufweist. „Schon ein kleiner Funken – etwa von einem Schraubenschlüssel oder sogar durch statische Elektrizität in der Luft – kann Wasserstoff entzünden”, so Luke Allison. „Der Schutz der technischen Ausrüstung und angemessene Reaktionen der Industrie sind entscheidend, um eine hohe Resilienz gegenüber solchen Ereignissen sicherzustellen.”
Da einige Organisationen die eigene Produktion und Speicherung des Energieträgers prüfen, müssen alle Phasen des Wasserstoff-Lebenszyklus berücksichtigt werden. Unzureichend aufbereitetes Speisewasser kann sowohl Protonenaustauschmembran- (PEM-) als auch alkalische Stacks beeinträchtigen und macht daher eine kontinuierliche Überwachung sowie automatisierte Systeme erforderlich, um Wasser minderer Qualität auszuleiten. Eine unzuverlässige Stromversorgung kann ebenfalls „katastrophale Ausfälle verursachen“, ergänzt Luke Allison.
Kryogener Wasserstoff wiederum verdampft, wenn er nicht genutzt wird, und muss gegebenenfalls in die Atmosphäre abgelassen werden. Speicherbehälter aus Kohlefaser eröffnen neue Möglichkeiten für die Speicherung. Luke Allison weist jedoch darauf hin: „Alle Speicherbehälter – ob gasförmig oder kryogen – können ihren gesamten Inhalt freisetzen und als Brennstoff wirken, wenn Druck- oder Temperaturgrenzen erreicht werden oder wenn Bedienfehler und menschliche Faktoren ins Spiel kommen. Oder wenn die eingesetzte technische Ausrüstung schlichtweg unzuverlässig ist – etwa fehlerhafte Drucksicherheitsventile, luftbetätigte Ventile oder Leckagen in Rohrleitungen infolge einer mangelhaften Konstruktion.
Auch das Umfeld von Produktions-, Verteil- und Nutzungsanlagen sollte berücksichtigt werden – unabhängig davon, ob sie sich in städtischen Gebieten oder an abgelegenen Standorten befinden. Dazu gehören eine sorgfältige Betrachtung von Naturgefahren und Wetterbedingungen, etwa starken Winden, Frost oder Hagel. Untersuchungen von Abluftfahnen sind laut Luke Allison entscheidend, um sicherzustellen, dass abgelassener Wasserstoff nicht durch externe Zündquellen entzündet wird.
Wie Unternehmen sich einen Vorsprung bei der Wasserstoffsicherheit sichern
„Wir sind überzeugt, dass die meisten Schadenereignisse vermieden werden können. Wir unterstützen unsere Kunden in jeder Phase bei der sachgerechten Planung, Auslegung und Umsetzung der technischen Ausrüstung“, sagt Luke Allison. „Wir sichern uns einen Vorsprung: Dank kontinuierlicher Forschung und schneller Trendanalyse bleiben unsere Empfehlungen ihrer Zeit voraus.“
Diese Expertise nutzt FM, um seine Kunden bei der technischen Planung und beim Betrieb ihrer Anlagen zu unterstützen – mit einem spezialisierten, globalen Team von Außendienstingenieuren.
Da Leckagenerkennung ein zentrales Thema ist – und neue Technologien verfügbar werden – etwa Ultraschall-Gasleckdetektoren und Sensoren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit – bietet der FM Approvals-Leitfaden Orientierung bei wasserstoffspezifischen Gasdetektoren. Gleichzeitig beschreiben die Datenblätter des Unternehmens bewährte Vorgehensweisen für Gerätehersteller, Eigentümer und Betreiber im Detail. Die Themen reichen von der Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse über die Speicherung von verflüssigtem und gasförmigem Wasserstoff bis hin zu Abgabesystemen und Endgeräten. Die Dokumente werden mindestens alle zwölf Monate aktualisiert – bei Bedarf auch häufiger.
„Ein fundiertes Verständnis der technischen Ausrüstung, ihrer Steuerungen und ein konsequent angewandter Management-of-Change-Prozess sind entscheidend, um Probleme zu vermeiden und deren Lebensdauer sicherzustellen”, sagt Luke Allison.
Dieser Artikel erschien ursprünglich im Professional Engineering.