Zukunftssicher für Wasserstoff?!

KUGELHÄHNE, BOHRLOCHKÖPFE UND PRÜFUNGEN FÜR WASSERSTOFF-ANWENDUNGEN

Die richtige Auswahl von Werkstoffen und zuverlässige Dichtheitstests geben Sicherheit

Wie gelingt es, erneuerbare Energie mittels Wasserstoff speicherbar, transportierbar und für erweiterte Einsatzbereiche nutzbar zu machen?

Erfahren Sie in drei Minuten, welche Lösungen Hartmann Valves im Bereich Wasserstoff bietet.

ANWENDUNGSGEBIETE

Spezialarmaturen, die dem anspruchsvollen Medium Wasserstoff gewachsen sind, kommen in der (Petro-)Chemie bereits seit Jahrzehnten zum Einsatz. Im Zuge der Energiewende wird Wasserstoff zunehmend auch in anderen Anwendungsfeldern vorkommen – von der Strom-Erzeugung (wie Power-to-Gas), über den Transport (in Erdgasnetzen oder Wasserstoff-Pipelines) bis hin zur Verarbeitung und Mobilität.
Die Untergrundspeicherung von Wasserstoff in Kavernen stellt eine umweltfreundliche Lösung dar, um zukünftig große Energiemengen zum Ausgleich zwischen Erzeugung und Bedarf zu speichern.

Erzeugung

In Deutschland werden derzeit rund 20 Mrd. m³ Wasserstoff gewonnen, weltweit sind es ca. 500 Mrd. m³. Das entspricht etwa 2% des Weltprimärenergiebedarfs.
Die konventionelle Herstellung erfolgt seit vielen Jahren mit rund 48% überwiegend aus der Reformierung von Erdgas, da sie mit Herstellungskosten von einem Euro je Kilogramm konkurrenzlos günstig ist. Diese großtechnische Wasserstofferzeugung wird in Dampfreformierungsanlagen mit üblichen Kapazitäten von bis zu 100.000 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde durchgeführt.
Darüber hinaus wird Wasserstoff auch durch partielle Oxidation von Erdgas, flüssigen Kohlenwasserstoffen – oder in kohlereichen Ländern – auch aus Kohle hergestellt. Die Kohlenwasserstoffe werden dabei thermisch mit Sauerstoff zu Synthesegas, einem Gemisch aus H
2 und CO, umgesetzt.

Wasserstoff als Beitrag zur Energiewende

Zu Neige gehende Ressourcen an fossilen Brennstoffen und die Bekämpfung des Klimawandels haben dazu geführt, dass Politik und Wissenschaft in der Energiewirtschaft seit längerem auch nach neuen Wegen für die Erzeugung von Wasserstoff suchen.
Immer mehr in den Fokus kommen daher Verfahren zur Gewinnung von grünem Wasserstoff, der ausschließlich durch regenerative Energieträger erzeugt wird.

Ein wesentliches Verfahren zur Erzeugung von grünem Wasserstoff ist die Wasserelektrolyse. Dieses als Power-to-Gas bezeichnete elektrochemische Verfahren nutzt Wind- und Sonnenenergie, um Wasserstoff aus Strom und Wasser herzustellen.
Es gibt heute im Wesentlichen drei Elektrolyse-Verfahren, die je nach Anwendung zum Einsatz kommen:
Alkalische Elektrolyse (AEC): Sie arbeitet mit Kalilauge als Elektrolyt bei Drücken von bis zu 60 bar bei einer moderaten Temperatur von 90°C. Der Anoden- und Kathodenraum sind durch ein mikroporöses Diaphragma getrennt, um die Vermischung der Produktgase zu verhindern. Diese Technologie ist bereits etabliert und zeichnet sich durch eine hohe Lebensdauer aus. Mit Kapazitäten von 0,25 Nm³/h bis 1400 Nm³/h bietet sie ein vielseitiges Anlagen- und Einsatzspektrum, ist jedoch träge im Betriebsverhalten.
Polymerelektrolyt-Membran Elektrolyse (PEMEC): Sie arbeitet mit einer Ionenaustauschmembran auf Basis von Copolymeren bei Drücken von bis zu 350 bar bei einer ebenfalls moderaten Temperatur von 90°C. Es sind bereits mittelgroße Anlagen mit Kapazitäten von 500 Nm³/h vorhanden. Im Gegensatz zur AEC zeichnet sich PEMEC durch ein dynamisches Ansprechverhalten bei kompaktem Aufbau aus, ist jedoch bei den Systemkomponenten noch sehr kostenintensiv.
Festoxid Elektrolyse (SOEC): Sie arbeitet mit Festoxiden wie ZrO2 als Elektrolyt bei Temperaturen von 700°C bis 1000°C. Die Anlagen zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus, wenn der als Edukt benötigte Dampf zur Verfügung steht. Entsprechende Anlagen wurden bislang nur bis 40 Nm³/h realisiert, aufgrund der hohen Temperatur ist ihre Lebensdauer noch stark begrenzt. Die Überlegungen zielen dahin, die in einem Solarkonzentrator produzierte Wärme zu nutzen. Denkbar wären etwa solarthermische Kraftwerke zur Stromerzeugung (Parabolrinnenkraftwerk) in Kombination mit einem solaren Turmkraftwerk, in welchem Temperaturen von über 1000°C erzeugt werden können. Der elektrische Wirkungsgrad der Elektrolyse ließe sich so auf bis zu 90% steigern. Dies ist jedoch nur möglich in Ländern mit viel direkter Sonnenstrahlung.

Neben der Elektrolyse von Wasser kann auch durch Pyrolyse und Vergasung von Biomasse Wasserstoff erzeugt werden. Dabei fallen im ersten Schritt, der Pyrolyse, Koks und Methanol an. Durch anschließende Reaktionen mit Wasserdampf und Sauerstoff entsteht ein Gasgemisch aus Wasserstoff, CO, CO2 und Methan.
Da das entstehende CO
2 durch die Biomasse aus der Luft vorher gebunden wurde, wird diese Erzeugungsart ebenfalls als CO2 neutral betrachtet.

Einen weiteren Ansatz zur CO2 freien Erzeugung von Wasserstoff bildet das Kvaerner Verfahren. Hier werden Kohlenwasserstoffe wie Erdgas oder Erdöl mittels Plasmabrenner bei ca. 1600°C in Aktivkohle und Wasserstoff gespalten. Das Verfahren wurde bislang im Pilotmaßstab getestet, geplant ist jetzt eine Anlage im industriellen Maßstab, die 100.000 Nm³ Wasserstoff pro Stunde produzieren soll.

Der erneuerbar produzierte Wasserstoff bietet erhebliches Potenzial für den Klimaschutz in einem zunehmend auf Erneuerbaren Energien beruhenden Energiesystem. Bislang entfallen nur rund 4 % der Wasserstofferzeugung auf diese Verfahren, was sich bislang durch die noch höheren Herstellkosten von ca. 6- 10 EUR je Kilogramm erklärt. Im Zuge der Energiewende gibt es jedoch bereits eine Vielzahl von Power-to-Gas- (bzw. Power-to-X-) Projekten und es sieht so aus, dass auf Basis dieser Erzeugungsart Wasserstoff einen stark erhöhten Anteil am zukünftigen Energiemix in Deutschland, aber auch weltweit, einnehmen wird.

Quellen: Sterner /Stadler Hrsg. : Energiespeicher, Bedarf, Technologien, Integration (2. Auflage 2017) DBI 2019, TÜV SÜD 2020

Transport

Der erzeugte Wasserstoff kann auf unterschiedlichen Wegen transportiert werden. Neben dem Transport über ein Leitungsnetz kann der Wasserstoff auch per Fahrzeug vom Ort der Erzeugung zum Verbraucher gebracht werden. Der Transport erfolgt dabei in Behältern, unter hohem Druck und Umgebungstemperatur, oder bei sehr tiefer Temperatur (unter -240°C) und niedrigem Druck. Der größte Nachteil des flüssigen Transports bei tiefer Temperatur ist der enorme Energiebedarf zur Verflüssigung und die Verluste beim Transport, um die niedrige Temperatur zu erhalten. Die Verluste entstehen zum einen durch das Umfüllen, zum anderen durch das Verdampfen des flüssigen Wasserstoffs. Der Verdampfungsprozess entzieht dem flüssigen Wasserstoff die Energie, die durch die wärmere Umgebung permanent zugeführt wird und erhält so die benötigte tiefe Temperatur. Eine eher untergeordnete Rolle spielen Adsorptions- und Metallhydridspeicher sowie die chemische Bindung an Flüssigkeiten.
Der überwiegende Anteil wird zukünftig also in Druckbehältern bei extrem hohen Drücken oder in Leitungsnetzen bei etwas geringeren Drücken transportiert. Bei den Leitungsnetzen gibt es die Möglichkeit spezielle Wasserstoffleitungen zu nutzen oder den Wasserstoff dem bestehenden Erdgasnetz beizumischen. Die Beimengung zum Erdgas hat den Nachteil, dass der reine Wasserstoff nicht mehr direkt verfügbar ist, der Vorteil ist aber, dass das Gasnetz flächendeckend ausgebaut ist.
Für beide Netze muss der Wasserstoff auf den Leitungsdruck gebracht werden. Die dabei benötigten Kompressoren, Zuleitungen und Armaturen müssen für die Verwendung mit Wasserstoff ausgewählt sein, um die Sicherheit und Dichtheit stets zu gewährleisten.

Speicherung

Die Erzeugung und die Nutzung von Wasserstoff liegen nicht nur örtlich sondern auch zeitlich auseinander. Dies ist bei der Stromerzeugung genauso, allerdings lässt sich der produzierte Wasserstoff wesentlich besser speichern. Gegenüber dem Stromnetz, welches sehr empfindlich auf Differenzen zwischen Erzeugung und Verbrauch reagiert, kann das Wasserstoff- und Erdgastransportnetz Schwankungen ausgleichen. Das bereits flächendeckend ausgebaute Erdgasnetz besitzt ein so großes Gesamtvolumen, dass es Differenzen mit leichten Druckschwankungen ausgleichen kann. Wird eine größere Menge eingespeist als entnommen, so steigt der Druck. Analog sinkt er, wenn die Entnahme überwiegt.
Um allerdings Stunden, Tage, Wochen oder sogar den saisonalen Unterschied zwischen Sommer und Winter auszugleichen werden größere Speicher benötigt.
Ideal sind dafür unterirdische Kavernenspeicher im Salz. Dort, wo großvolumige Salzvorkommen lagern, kann das Salz mit Wasser aufgelöst und so ein Hohlraum geschaffen werden. Diese Hohlräume sind dicht gegenüber Kohlenwasserstoffen sowie Wasserstoff und werden schon seit über 50 Jahren zum Beispiel zur Speicherung der nationalen Erdölreserve Deutschlands genutzt. Auch die saisonalen Unterschiede im Gasbedarf werden in Deutschland mit diesen Kavernen ausgeglichen. Die Kavernen werden typischerweise in einer Teufe von 1000 bis 1500m erstellt, haben einen Durchmesser von bis zu 70m und sind bis zu 400m hoch. Der Gebirgsdruck liegt dort bei über 200 bar und der Speicherdruck kann zwischen 70 bar (entleert) und 200 bar (gefüllt) liegen.
Mit angeschlossenen Kavernenspeichern können sehr große Mengen Energie gespeichert werden. Die Kapazität einer einzelnen Kaverne ist dabei um mehr als Faktor 1000 größer als die weltgrößte Batterie von Tesla in Australien. Das liegt zum einem an ihrem sehr großen Volumen von bis zu 1 Mio. geometrischen Kubikmetern, und zum anderen daran, dass die Energie chemisch im H
2-Molekül gespeichert ist und sich in der Kaverne komprimieren lässt. Dabei ist sie in der Herstellung einer Kaverne viel umweltfreundlicher, da sie keine Rohstoffe wie zum Beispiel Lithium oder Kobalt benötigt. Die Speicherung von Wasserstoff in Kavernen für Raffinerien wird seit Jahrzehnten erfolgreich genutzt. Beispiele hierfür sind Projekte in England und dem Süden von Nordamerika. In Deutschland findet man im Nordwesten optimale Bedingungen zur Herstellung von Kavernenspeichern. Gleichzeitig liegt dort auch ein Schwerpunkt der Erzeugung von Energie aus off-shore Windparks in der Nordsee.
Die Bohrlochköpfe von Firma Hartmann bilden an den Speichern die Schnittstelle zwischen den obertägigen Anlagen und dem unterirdischen Speicher. Sie werden an die besonderen Eigenschaften von Wasserstoff angepasst. In Deutschland befindet sich auch der erste europäische Speicher, der Helium mit seinen ebenfalls sehr kleinen Molekülen speichert und von Hartmann ausgerüstet wurde.
Neben den Kavernen und den Bohrlochköpfen gehört zur Speicheranlage noch eine Kompressorstation. Sie wird benötigt um das Erdgas, beziehungsweise den Wasserstoff, von Pipelinedruck, der bis ca. 100 bar beträgt, auf bis zu 250 bar zu komprimieren, um es in die Kavernen zu leiten. Wie auch bei der Erzeugung werden für diese Druckerhöhung Anlagen benötigt, die auf Wasserstoff ausgelegt sind. Hartmann liefert hier neben den Wellheads auch die Kugelhähne für die Rohrleitungen und die Kompressorstation. Durch die richtige Auswahl der metallischen Werkstoffe und die Druckprüfung mit Wasserstoff sind Sicherheit und Dichtheit stets gewährleistet.

Nutzung

Wasserstoff ist seit über 100 Jahren ein wichtiger Grundstoff für unterschiedlichste Anwendungen. Jährlich werden ca. 19 Mrd. Nm³ Wasserstoff in Deutschland verbraucht (DWV 2015). Den größten Anteil an der Nutzung haben dabei Raffinerien und die chemische Industrie mit ca. 85% (DENA 2016). Davon entfallen ca. 30-40% auf Raffinerieprozesse, 25% werden alleine bei der Ammoniakherstellung eingesetzt (weltweit liegt hier der Anteil sogar bei ca. 50%), weitere 20% werden bei der Methanolherstellung verwendet.
Durch die sich ändernde Energiepolitik hin zu einer Dekarbonisierung der Energiewirtschaft, rückt Wasserstoff, der möglichst mit CO
2-armen Produktionsverfahren hergestellt wird, als Energieträger immer mehr in den Fokus. Hauptansatzpunkte für die zukünftige Verwendung sind daher neben der industriellen Verwendung in der Chemie, Petrochemie und dem Raffineriebereich die Stahlindustrie, der Einsatz von H2 mittels Brennstoffzellen für die Mobilität, stationäre Anwendungen sowie diverse portable Anwendungen.
Auch eine direkte Rückverstromung ist denkbar, wird aber voraussichtlich in den nächsten 10 Jahren keine nennenswerte Rolle im Energiesystem spielen. Andere vertretende Branchen wie Glasindustrie, Halbleiterindustrie, Kunststofferzeugung, Metallverarbeitung und Pharmaindustrie tragen weniger als 1% zur Wasserstoffnutzung bei (DBI 2020).

 

Chemie / Petrochemie

Ammoniakherstellung (Haber-Bosch Verfahren) zur Herstellung von Dünger
Ammoniak wird weltweit als Basis zur Erzeugung von Düngemitteln, Harnstoff aber auch Sprengsoff eingesetzt. Die Weltjahresproduktion liegt bei ca. 160 Mio. Tonnen. Hergestellt wird der Ammoniak durch das Haber-Bosch-Verfahren. Die Ammoniaksynthese wird dabei aus atmosphärischem Stickstoff und Wasserstoff an einem eisenhaltigen Katalysator bei Drücken von etwa 150 bis 350 bar und Temperaturen von etwa 400°C bis 530°C durchgeführt, der Verbrauch an Wasserstoff liegt dabei zwischen 80.000 m³/h und 160.000 m³/h.

Methanolherstellung
Methanol ist Ausgangsstoff für eine Vielzahl chemischer Produkte, wird aber neben der stofflichen Verwendung heute auch als Energieträger eingesetzt. Mit der Technologie „Methanol-to-Gasoline“ wird aus Methanol Kraftstoff. Methanol wird auch bei der Synthese von Biodiesel und dem Klopfschutzmittel MTBE benötigt. Mit Hilfe von Brennstoffzellen kann es elektrische Energie liefern. Die Weltjahresproduktion liegt bei ca. 50 Mio. Tonnen.
Hergestellt wird Methanol in katalytischen Verfahren aus Synthesegas, einem Gemisch von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff im Verhältnis von etwa 1:2. Je nach Verfahren wird dabei mit Drücken von 50 bis 350 bar und Temperaturen von 200°C bis 380°C gearbeitet.

Lebensmittelchemie
In der Lebensmittelchemie wird Wasserstoff zum Härten von Pflanzenölen eingesetzt. Dabei werden flüssige Öle in feste Fette (z.B. Margarine) umgewandelt. Des Weiteren wird Wasserstoff zur Konservierung von Lebensmitteln eingesetzt. Der Wasserstoff hemmt dabei als Packgas die mikrobielle Zersetzung.

 

Raffinerie

Fischer-Tropsch-Synthese (Herstellung Benzin, Diesel, Olefine)
Die Fischer-Tropsch-Synthese dient zur Herstellung flüssiger KWST wie Benzin, Diesel und Olefinen. Bei diesem großtechnischen Verfahren zur Kohleverflüssigung durch indirekte Hydrierung von Kohle wird zunächst Synthesegas aus CO und H
2 erzeugt, danach erfolgt die Umwandlung in gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe. Das Verfahren wurde bis 1945 großtechnisch in Deutschland eingesetzt, aktuelle Anlagen befinden sich in Kohlereichen Ländern wie Südafrika, Malaysia, USA, China, Indien und Katar.

Hydrotreating Prozesse

1) Hydrosulfurierung (HDS) / Hydrofining
Bei der Hydrosulfurierung (auch Hydrofining / Hydrotreating) werden Mitteldestillate (Kerosin / Gasöl) durch Hydrierung der Schwefelkomponenten entschwefelt. Der Schwefel wird dabei zu Schwefelwasserstoff umgewandelt. Der Prozess läuft bei Temperaturen zwischen 320°C und 360°C und Drücken von 20 bis 80 bar. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der SOx-Emissionen.

2) Hydrometallierung (HDM)
Bei der Hydrometallierung werden Schwermetalle (wie z.B Ni oder Vanadium) aus Rohöl mit Wasserstoff
entfernt.

3) Hydrodenitrifizierung (HDN)
Bei der Hydrodenitrifizierung werden organische Stickstoffverbindungen hydriert und zu Ammoniak umgesetzt. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung von NOx-Emissionen.

4) Hydrodesoxygenerierung (HDO)
Bei der Hydrodesoxygenerierung wird Sauerstoff aus Edukten wie Leicht- und Schwerbenzin, Dieselkraftstoff, Heizöl und Vakuumgasöl durch Reaktion mit Wasserstoff entfernt. 

Der Wasserstoffbedarf bei den oben genannten Hydrotreatment Verfahren liegt bei 20 bis 100 m³/t pro Tonne Einsatzstoff.

Hydrocracking
Beim Hydrocracking werden langkettige Kohlenwasserstoffe aufgetrennt, um niedrig siedende Fraktionen für Diesel und Benzin zu erhalten. Der Wasserstoff wird dabei in den Prozess eingebracht, um die Bildung fester kohlenstoffhaltiger Ablagerungen zu verhindern und die Ausbeute an gesättigten KWST zu erhöhen. Zur Prozessdurchführung sind Mengen von bis zu 500 m³ an Wasserstoff pro Tonne Einsatzstoff notwendig.

Hydroformylierungen
Die Hydroformylierung (auch Oxosynthese, Roelen-Reaktion) ist eine technisch bedeutende, homogen katalysierte Reaktion, bei der Wasserstoff und Kohlenmonoxid an Alkenen und anderen geeigneten Substraten angelagert  werden. Produkte der Hydroformylierung sind Aldehyde. Die Aldehyde werden in der Regel weiter zu Alkoholen hydriert, die vielfältig als Lösungsmittel oder als Zwischenprodukte für die Herstellung von Wasch- und Reinigungsmitteln, Schmiermitteln oder Weichmachern für Kunststoffe eingesetzt werden.

 

Verwendung in der Stahlindustrie

Die Stahlherstellung ist heute eine der CO2-intensivsten Industriebranchen in Deutschland. Es werden zurzeit ca. 45 Mio. Tonnen Stahl pro Stunde erzeugt. Die Stahlerzeugung erfolgt bislang größtenteils auf Kohle- und Koksbasierenden Prozessen zur Reduzierung von Eisenerz im Hochofen. Dabei werden große Mengen an CO2 an die Umwelt abgegeben.
Es gibt verschiedene Ansätze, die Stahlproduktion durch den Einsatz von Wasserstoff klimaneutraler zu gestalten. Bislang wurde Wasserstoff bei der Stahlherstellung hauptsächlich als Schutzgas / Inertgas in den Hochöfen eingesetzt.

Ersatz von Kohle / Koks durch Wasserstoff als Reduktionsmittel im Hochofen
Ein Ansatz zur Verminderung von CO
2-Emissionen ist der Ersatz von Kohle- und Koks durch Wasserstoff als Reduktionsmittel im traditionellen Hochofenprozess. Erste Hochöfen in Deutschland wurden vom Verfahren her umgestellt, weitere sind bereits in Planung. Die Betreiber erhoffen sich bei vollständiger Umstellung des Reduktionsmittels auf Wasserstoff bei diesem Verfahren eine CO2-Verminderung um ca. 20% (Thyssenkrupp 2020). 


Direktreduktionsanlagen
Eine gängige Alternative zum traditionellen Hochofenprozess im Hochofen bietet die Direktreduktion von Eisenerz. Direktreduktionsanlagen auf Erdgasbasis sind seit vielen Jahrzehnten etabliert und im Einsatz. Hierbei wird das Eisenerz an Stelle von Kohle und Koks durch Erdgas bei Temperaturen von ca. 1000°C zu Eisenschwamm reduziert, wodurch CO
2-Emissionen direkt vermindert werden. Der Anteil an Wasserstoff als Beimischung zum Erdgas kann dabei zukünftig beliebig erhöht werden, einer Machbarkeitsstudie zu Folge ist ein Betrieb auch mit 100% Wasserstoff möglich.

Der eingesetzte Wasserstoff wird bislang in der Regel über Erdgas Dampfreformierung gewonnen. Grundsätzlich kann der in der Stahlindustrie benötigte Wasserstoff zukünftig auch durch grünen Wasserstoff gedeckt werden. Bei Einsatz von Direktreduktionsanlagen mit grünem Wasserstoff ist eine Einsparung der CO2 Emissionen von bis zu 95% gegenüber dem traditionellen Hochofenprozess möglich (DENA 2018). Durch eine vollständige Substitution des Kohle- Koksbedarfs entsteht in Deutschland ein zusätzlicher Wasserstoffbedarf von 2,4 Mio. t / Jahr (LBST 2017).

 

Mobile Anwendungen

Die Eigenschaft des Wasserstoffs, erneuerbare Energie sehr effizient zu speichern und fernab vom Stromerzeuger umweltfreundlich einzusetzen, macht ihn im Bereich der Mobilität zu einer der wichtigsten zukünftigen Anwendungen. Generell gibt es 3 Möglichkeiten, den Wasserstoff als Antrieb für Verkehrsmittel einzusetzen: Die direkte Verbrennung in normalen Motoren als Ersatz für Benzin und Diesel, die Verwendung von Brennstoffzellen sowie die Umwandlung von grünem Wasserstoff in synthetische Kraftstoffe zum Einsatz in Verbrennungsmotoren. 
Im Verkehrsbereich wird Wasserstoff meistens über Brennstoffzellenanwendungen eingesetzt.  Brennstoffzellen nutzen die in einer galvanischen Zelle durch die Reaktion von Wasserstoff mit Luftsauerstoff entstehende Reaktionsenergie und wandeln sie in elektrische und Wärmeenergie um.
Da hierbei nur Wasserdampf entsteht, können sie als hocheffiziente und saubere elektrochemische Energiewandler vielseitig eingesetzt werden. Der Vorteil von H
2 Brennstoffzellenfahrzeugen besteht in dem hohen Wirkungsgrad des Elektroantriebs im Vergleich zum Verbrennungsmotor sowie in den kürzeren Betankungszeiten und größeren Reichweiten im Vergleich zur Batterie. In nur drei Minuten können Wasserstoffautos an diesen Tankstellen für eine Reichweite von über 500 Kilometern mit dem emissionsfreien Treibstoff betankt werden – ein erheblicher Vorteil gegenüber reinen Elektroautos. Dies gilt insbesondere für größere PKW, Transporter sowie kommunale Nahverkehrsbusse als auch für LKW. Noch ist die Technologie gegenüber konkurrierenden Dieselantrieben vergleichsweise teuer, da das Gas zum Erreichen von vergleichbaren Reichweiten von Dieselantrieben entweder bei sehr hohen Drücken von bis zu 700 bar oder flüssig bei -253°C gespeichert werden muss und dies mit entsprechenden Herausforderungen an die Technik verbunden ist. Sie ist aber bereits in allen Bereichen der Mobilität -angefangen von Autos, LKWs, Bussen, nichtelektrifizierten Schienenverkehr, Flugzeugen, Raketen über Schiffen bis hin zu U-Booten- erfolgreich im Einsatz.
Im internationalen Flug- und Schiffsverkehr kommen aus heutiger Sicht aufgrund der hohen Anforderungen an die Energiedichte nur erneuerbare Flüssigkraftstoffe als Alternativen zu den fossilen Brennstoffen in Frage. Wasserstoff ist dabei ein zentrales Zwischenprodukt.  


Stationäre Anwendungen / Heizen

Brennstoffzellen arbeiten als kleine Heizkraftwerke. Sie wandeln die gespeicherte chemische Energie nicht nur in Strom, sondern auch in Wärme um. Die Kombination bietet sich auch zum dezentralen Einsatz in Wohngebäuden an, in denen mittels Brennstoffzellen geheizt werden, gleichzeitig aber auch Strom erzeugt werden kann. Es gibt hier im Wesentlichen zwei Ansätze für die Umsetzung im Gebäudebereich. Eine Möglichkeit besteht darin, Haushalte mit einer eigenen dezentralen Wasserstoffversorgung aus erneuerbaren Energien auszustatten.
Der zweite Ansatz ist eine Wasserstoffbeimischung in das bestehende Erdgasnetz. Der Vorteil der Wasserstoffbeimischung ist, dass im Gegensatz zur ersten Option die vorhandene Infrastruktur verwendet werden kann. Eine erweiterte Variante bietet hier auch noch der spätere Ersatz des Erdgases durch synthetisches Methan, hergestellt über Power-to-X Verfahren. Die Beimischung von Wasserstoff bis zu einer maximalen Toleranzgrenze von 20% in das vorhandene Erdgasnetz ist technisch ggfs. möglich und wird schon seit längerem erforscht (DVGW 2013). Unproblematisch haben sich bislang H
2-Beimischungen von bis zu 10% erwiesen. In Japan sind bereits viele Brennstoffzellen auf Erdgasbasis im Einsatz, auch in Deutschland arbeiten viele namenhafte Heizungshersteller bereits an solchen Systemen.    

Portable Anwendungen
Ein sehr vielseitiges Gebiet der Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellen ergibt sich bei der Energieversorgung als Alternative sowohl zu batteriebasierten Stromversorgung im Kleinleistungsbereich (bis 50W), als auch zur motorbetriebenen Stromerzeugung im kW Bereich.
Die kleineren Systeme zeichnen sich durch den höheren Energieinhalt aus, die größeren Systeme durch ihre Umweltfreundlichkeit.
So können mit dieser Technologie nicht nur kleine Geräte wie Mobiltelefone, tragbare Computer, MP3-Player und Videokameras leistungsstark betrieben werden, sondern sie findet z.B. auch Anwendung zur netzunabhängigen Stromversorgung z.B. an abgelegenen Stellen. Bei diesen größeren Systemen werden die Brennstoffzellen in der Regel als Zellstapel (Stack) aufgebaut.

 

Rückverstromung von grünem Wasserstoff / Stromproduktion aus Wasserstoff

Eine Rückverstromung von grünem Wasserstoff kann technisch mit den für Erdgas üblichen Verfahren zur Stromerzeugung, d.h. in Gasturbinen, GUD Kraftwerken oder mit Verbrennungsmotoren erfolgen. Zur Anwendung könnte dies zukünftig insbesondere in Zeiten von erhöhtem Strombedarf und geringer erneuerbaren Stromproduktion kommen.
Gasturbinen für den Einsatz mit reinem Wasserstoff unter 100MW sind bereits heute erhältlich (Siemens 2019). Hier besteht jedoch noch weiterer Forschungsbedarf, um die Kosten zu senken und den grünen Wasserstoff günstiger zur Verfügung stellen zu können.
Eine Wasserstoffbeimischung in vorhandene Erdgasturbinen oder Erdgasverbrennungsmotoren bietet hier eine Möglichkeit, um kurzfristiger solche Anlagen auch bei geringer Auslastung ökonomisch betreiben zu können.
Eine große Herausforderung ist bislang noch die Versorgung mit Wasserstoff für solchen Anlagen. Hier sind noch Versorgungs- und Speicherkonzepte zu entwickeln, um die Belieferung und Speicherung von Wasserstoff in unmittelbarer Nähe der Stromerzeugungsanlagen zu gewährleisten.
Die Rückverstromung von Wasserstoff wird daher voraussichtlich in den nächsten 10 Jahren noch keine wesentliche Rolle im Energiesystem spielen.
Aufgrund des großen technischen Fortschritts der Brennstoffzellentechnik in den vergangenen Jahren, aber auch durch die erhöhten technischen Anforderungen an den Betrieb von Wärmekraftmaschinen wird die energetische Nutzung des Wasserstoffs überwiegend in der Brennstoffzellentechnik gesehen.

Quellen: DVGW 2013, DWV 2015, DENA 2016, DBI 2019, TÜV SÜD 2020

H2 Produkte

KUGELHAHN
Zuverlässige Absperrung dank langlebiger Spezialarmaturen
  • Rein metallische Abdichtung zwischen Kugel und Sitzring
  • Gasdicht, auch bei hohen Drücken bis 690 bar
  • Spezielles Design auch für Temperaturen bis 550°C
  • Schalthäufigkeiten bis 200.000 Schaltungen/Jahr
  • Zwei unabhängige Barrieren – Double Isolation and Bleed (DIB)
  • Testen in der Rohrleitung – Double Block and Bleed (DBB)
  • Dreifache Abdichtung nach außen
BOHRLOCHKOPF
Sichere Schnittstelle zu Untergrundspeichern
  • Kugelhähne nach API 6A mit DIB in großen Durchmessern bis 13-5/8“
  • Doppelte Abdichtung an Flanschverbindungen
  • Integration mehrerer Komponenten in einem Block
    (weniger Flanschverbindungen)
  • Metallische Dichtungen am Wellhead
  • Sonderausführungen für:
    • Control Lines
    • Lastmessung mittels Dehnungsmessstreifen
    • Elektrische Pumpen

H2 Prüfungen

WASSERSTOFF-PRÜFUNGEN

Das anspruchsvolle Medium Wasserstoff wird zukünftig in immer mehr Anwendungsfeldern zum Einsatz kommen. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen alle Komponenten, die mit Wasserstoff in Berührung kommen, entsprechend geeignet und dicht sein. Einzusetzende Armaturen und Bohrlochköpfe müssen daher hinsichtlich der Materialeignung der metallischen Werkstoffe geprüft sowie auf ihre Dichtheit getestet und entsprechend ausgewählt werden.

Hartmann bietet die beiden Wasserstoff-Prüfungen sowohl für Hartmann Kugelhähne und Bohrlochköpfe sowie für Produkte anderer Hersteller an  (basierend auf Dokumentationen).

MATERIAL­EIGNUNGS­PRÜFUNG

Molekularer Wasserstoff H2 ist vergleichsweise beständig und wenig reaktiv, daher ist eine klassische Korrosion nicht zu erwarten. Die sogenannte Wasserstoffversprödung, d.h. die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion (s. Bild) stellt für hochbelastete drucktragende Bauteile ein Risiko dar, welches eine besondere Betrachtungsweise benötigt. Im Rahmen der Materialeignungsprüfung wird die Werkstoffauswahl auf die Einsatzfähigkeit für Wasserstoff umfassend geprüft.

Die Prüfung erfolgt auf Basis folgender Regelwerke:

  • DGRL 2014/68/EU (PED)
  • API 6A, API 6D, ASME
  • DIN EN ISO 15156 / NACE MR175

 

Betrachtet werden folgende Kriterien:

  • Härte
  • Oberflächenhärte
  • Duktilität
  • Wärmebehandlung und Gefüge
TEST AUF WASSERSTOFF-DICHTHEIT

Als kleines Molekül kann Wasserstoff durch Dichtelemente diffundieren. Ein umfassender Dichtheitstest gibt Sicherheit, dass die Grenzwerte eingehalten und somit flüchtige Emissionen minimiert werden.

  • Die Messung für die Dichtigkeit nach außen erfolgt mittels Massenspektrometer
  • Als Prüfmedium wird Formiergas nach DIN EN ISO 14175 verwendet
  • Die Dichtheit wird in Anlehnung an DIN EN ISO 15848 gemessen
    (mit entsprechenden Grenzwerten)
IHRE VORTEILE
Die einzeln oder in Kombination durchgeführten Wasserstoff-Prüfungen ersparen Ihnen eigenen Prüfungsaufwand und geben Sicherheit im Betrieb:
  • Bestätigte Wasserstofftauglichkeit der metallischen Werkstoffe
  • Erfüllung höchster Dichtheitsanforderungen durch standardisierte Tests
  • Aufwertung von Bestandsarmaturen durch Hartmann Fachpersonal
  • Lange Standzeiten, auch bei hohen Drücken

Broschüre H2 Lösungen

H2 Referenzen

Kontakt

Peter Wegjan
Ihr Ansprechpartner für
Kugelhähne und Prozesstechnik

Peter Wegjan
p.wegjan[at]hartmann-valves.com
+49 5141 3841-82

Norman Holenstein
Ihr Ansprechpartner für
Wellheads und Speichertechnologien

Norman Holenstein
n.holenstein[at]hartmann-valves.com
+49 5085 9801-18

Haben Sie Fragen?
Bitte nutzen Sie dieses Kontaktformular, um mit uns in Kontakt zu treten.

Oder rufen Sie uns an oder schreiben Sie uns eine E-Mail. Wir freuen uns auf Ihre Anfrage.

Sie können uns unter dieser Telefonnummer erreichen: +49 5085 9801 0.

Über uns
HARTMANN VALVES & WELLHEADS

Die Hartmann Valves GmbH gehört zu den führenden Herstellern von Kugelhähnen, Molchhähnen und Bohrlochverflanschungen. Weltweite Präsenz in den Bereichen Erdöl, Erdgas, Chemie, Petrochemie, Kraftwerkstechnik, Geothermie und anderen erneuerbaren Energien sind unsere Referenzen. Unsere Produkte werden gemäß kundenspezifischer Anforderungen entwickelt und mit rein metallischem Dichtsystem ausgestattet. Konstruktion, Montage und Tests werden ausschließlich in unseren Werken in Celle und Burgdorf-Ehlershausen durchgeführt. Gegründet 1946, wird das inhabergeführte Familienunternehmen mittlerweile in dritter Generation geführt und hat sich zu einem internationalen Systemanbieter mit mehr als 170 Mitarbeitern entwickelt.

EINBLICKE IN UNSERE PRODUKTION:

Video abspielen
WAS UNS AUSZEICHNET
Wir fangen da an, wo andere aufhören: Hartmann entwickelt maßgeschneiderte High Performance Komponenten von höchster Qualität. Sicher. Zuverlässig. Langlebig.

INDIVIDUELLE ANFERTIGUNG

Unsere Vertriebs- und Konstruktionsingenieure freuen sich auf Ihre Anfrage aus dem Hochleistungsbereich. In enger Abstimmung entwickeln wir die passende Komponente für Ihren speziellen Anwendungsfall.

LÖSUNGEN FÜR EXTREMBEREICHE

Hartmann Kugelhähne und Wellheads sind ausgelegt für Druckstufen bis 690 bar, Temperaturen von -200 bis +550°C sowie für extreme Schalthäufigkeiten und Medien aller Art.

QUALITÄT, DIE SICH AUSZAHLT

Beständige und wartungsarme Produkte reduzieren die Lebenszykluskosten Ihrer Anlage. Deshalb entwickeln, montieren und testen wir ausschließlich in Deutschland.

ALLES AUS EINER HAND EXPERTISE & BERATUNG

Mehr als 70 Jahre Erfahrung – davon profitieren Sie während aller Projektphasen. Wir begleiten Sie von der Beratung, Entwicklung bis hin zum Aufbau und Wartungsservice.

-1 freie Stellen und Ausbildungsplätze

×
Durch die Nutzung dieser Webseite stimmen Sie der Verwendung von Cookies, wie in unserer Cookie-Richtlinie beschrieben, zu.
Wir verwenden Cookies, um die Benutzung der Website zu verbessern. Wenn Sie ohne Änderung Ihrer Cookie-Einstellungen fortfahren, gehen wir davon aus, dass Sie unserer Verwendung von Cookies auf diesem Gerät zustimmen.
Ok