Die jüngste Vergangenheit zeigt, dass wir am Wasserstoff nicht vorbeikommen, wollen wir einige der drängendsten Probleme der Menschheit in den Griff bekommen. Das leichteste und häufigste Element des Universums hat sich zuletzt deutlicher denn je als ein Schlüsselfaktor für die Dekarbonisierung von Wirtschaft und Verkehr herauskristallisiert – sofern das Gas ohne Ausstoß von CO2 gewonnen werden kann. Doch der Weg zu einer wirtschaftlichen Nutzung grünen Wasserstoffs ist lang und steinig, und er steckt voller technischer Herausforderungen. So werden für sichere automatisierte Prozesse unter anderem spezifische Sensoren und vor allem explosionsgeschützte Komponenten benötigt. Bereiche, in denen das Mannheimer Unternehmen Pepperl+Fuchs seit jeher zu Hause ist.

Und warum gerade Wasserstoff?

Da Wasserstoff (H) ein sehr reaktionsfreudiges Gas ist, das sich bevorzugt mit Sauerstoff (O) verbindet, liegt der weitaus größte Teil davon gebunden in Wasser (H2O) vor. Und während bei der chemischen Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff Energie freigesetzt wird, benötigt man die gleiche Energie, um sie wieder voneinander zu trennen. „Damit ist der wesentliche Grund beschrieben, warum Wasserstoff ein Schlüsselelement für klimaneutrale Energie ist“, erklärt Wolfgang Weber, Global Industry Manager bei Pepperl+Fuchs. „Wir können grüne Energie speichern, indem wir mit ihr das H2O-Molekül spalten. Der Wasserstoff lässt sich in Tanks zwischenlagern und durch Rohre transportieren. Wenn beim Verbrennen die Energie wieder freigesetzt wird, entsteht als Abgas nur Wasserdampf. In einer Brennstoffzelle kann man aus der Oxidationsreaktion sogar direkt elektrischen Strom gewinnen. Außerdem gibt es weitere klimaschonende Verwendungsmöglichkeiten. Zum Beispiel lässt es sich statt Kohle zur Reduktion der Schmelze einsetzen, um ‚grünen‘ Stahl herzustellen. Das universale Element ist universell einsetzbar.“

Aus Grau wird Grün

Derzeit noch ist der größte Teil des eingesetzten Wasserstoffs aber nicht grün, sondern grau. Soll heißen, er wird durch Verfahren gewonnen, bei denen CO2 freigesetzt wird. Die grüne Wasserstoffwirtschaft wird aber mit zunehmenden Druck vorangetrieben. Überall auf der Welt werden entsprechende Projekte mit staatlichen Mitteln gefördert, große Industrienationen wie Japan, aber auch Länder wie Saudi-Arabien, die ihren Wohlstand nahezu ausschließlich fossilen Ressourcen verdanken, bekennen sich längst zu diesem Weg. Auch die Wirtschaft engagiert sich in großem Maßstab. Viele Großkonzerne haben inzwischen die Weichen in Richtung Wasserstoff gestellt.

Das Prinzip zur Erlangung grünen Wasserstoffs, also die Elektrolyse, ist im Grunde einfach: Man legt in einem wassergefüllten Behälter eine Spannung an und der Wasserstoff wandert zum negativ geladenen und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol. Im großen Maßstab ist die Sache natürlich etwas komplexer, deshalb forschen zahlreiche Menschen auf der ganzen Welt daran, die Abläufe zu optimieren und die Kosten zu senken. Es ist daher nur eine Frage der Zeit, bis grüner Wasserstoff in großem Maßstab und zu marktfähigen Kosten gewonnen werden kann.

Es heißt nicht umsonst auch Knallgas!

Was so einfach klingt, birgt aber auch gewisse Risiken. Denn die wichtigste Eigenschaft des Gases – seine enorme Reaktionsfähigkeit – macht den Elektrolyseur und seine Peripherie zu einer Anlage mit Explosionsrisiko. Daraus resultiert, dass alle beteiligten Komponenten für Lagerung und Transport absolut dicht sein müssen, um ein unkontrolliertes Austreten des Gases zu vermeiden. Zudem müssen in den sogenannten Ex-Bereichen zahlreiche Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, die durch Gesetze und Normen vorgegeben sind. „Man kann dieselben Prinzipien zugrunde legen, die auch beim Umgang mit Erdgas gelten. Im Hinblick auf das Explosionsrisiko verhält sich Wasserstoff ähnlich wie Methan, dementsprechend funktioniert auch der Ex-Schutz für beide Gase im Grunde gleich“, betont Vertriebsingenieur Thomas Schnepf, ein Experte für dieses Einsatzgebiet. „Pepperl+Fuchs verfügt über ein breites Portfolio verbindungstechnischer Komponenten für die sichere Signalübermittlung in Ex-Zonen. Dazu gehören unter anderem eigensichere Barrieren, Signaltrenner, Remote-I/O-Systeme und eigensichere Mobilgeräte. Unsere bewährte Technologie funktioniert auch bei Wasserstoff sicher und zuverlässig.“

Sensoren für eine optimale Ausbeute

Bevor jedoch mit grünem Wasserstoff gearbeitet werden kann, muss erst einmal grüne Energie her, um ihn zu erzeugen. Die wichtigsten Quellen dafür sind bekannt: Wasserkraft, Sonne und in unseren Breiten vor allem Wind. Laut einem Bericht des Global Wind Energy Council waren bis Ende 2020 Windkraftanlagen mit einer weltweiten Gesamtleistung von rund 740 Gigawatt installiert. Viele dieser Windkraftanlagen stehen aber an unzugänglichen Orten, zumeist offshore, was Wartungs- und Einstellungsarbeiten erschwert. Zur Optimierung der Energieausbeute müssen die Rotorblätter aber immer exakt in den Wind gestellt und die Winkel laufend angepasst werden. Um den Betrieb dieser Windkraftanlagen möglichst lange wartungsfrei und dennoch effektiv zu gewährleisten, bedarf es diverser zuverlässiger Sensoren. Drehgeber, Beschleunigungssensoren, Schwingungssensoren und induktive Sensoren erfassen Drehzahl, Beschleunigung und Achsstellung und liefern damit die Grundlage für eine präzise Regelung und Zustandsüberwachung der Windräder.

Aber auch in solarthermischen Kraftwerken gibt es Bedarf an Messgeräten und Sensoren für Positionierungsaufgaben, um zum Beispiel bewegliche Spiegel dem Sonnenstand folgen zu lassen. „Pepperl+Fuchs verfügt über eine große Auswahl von Sensoren, die für die grüne Stromerzeugung benötigt werden“, erklärt Wolfgang Weber. „Dasselbe gilt auch für das andere Ende der Verwertungskette, wie etwa die Wasserstoff-Tankstellen.“

Diversifizierung im Bereich der Elektromobilität

Im Vergleich zu elektrischen Ladestationen steckt die Anzahl der Neuinstallationen von Wasserstoff-Tankstellen zwar noch in den Kinderschuhen – doch ihre Verbreitung nimmt allmählich Fahrt auf. „Im Schwerlastverkehr kann die batteriegestützte E-Mobilität wohl kaum die optimale Lösung sein“, erklärt Wolfgang Weber den Hintergrund. „Akkus wie im Elektro-PKW wären dort schlicht zu groß und zu schwer für einen sinnvollen Einsatz, ohne dass sie die nötige Reichweite gewährleisten könnten. Wasserstoff bietet in Bezug auf Gewicht und Volumen eine viel größere Energiekapazität, durchaus vergleichbar mit Diesel oder Kerosin.“ Doch nicht nur namhafte LKW-Hersteller arbeiten an der Entwicklung von Wasserstoffantrieben, auch im Schiffsbau und selbst in der Flugzeugindustrie hat man die Zeichen der Zeit erkannt. Im Schienenverkehr ist man sogar schon einen Schritt weiter: Die ersten Wasserstoff-Lokomotiven stehen in Deutschland kurz vor dem Einsatz, um im Linienverkehr auf nicht elektrifizierten Strecken die bisherigen Dieselantriebe zu ersetzen.

Einmal Ladesäule und zurück – zum Zapfhahn

Ein Vorteil von Wasserstoff gegenüber der Batterie-getriebenen Elektromobilität ist besonders offensichtlich: Der Tankvorgang geht ähnlich flott von statten wie bei bisherigen fossilen Treibstoffen, der zeitraubende Ladevorgang entfällt. Allerdings erfordern die besonderen Eigenschaften des Gases eine in vielen Bereichen angepasste Tanktechnologie, die unter anderem ein Austreten der superkleinen Moleküle zuverlässig verhindert. Auch der Tankvorgang selbst unterscheidet sich etwas vom bisher Gewohnten und erfordert zumindest anfangs mehr Aufmerksamkeit. Um Tankkunden trotzdem intuitiv durch den Ablauf zu führen, bietet Pepperl+Fuchs hochauflösende Monitore der Serie VisuNet FLX an, die auch bei sehr hellen Umgebungsbedingungen gute Sicht gewähren und für den geschützten Außeneinsatz im Ex-Bereich geeignet sind. Für noch mehr Sicherheit beim Tankvorgang sollen induktive Sensoren der Kurpfälzer sorgen. Sie überwachen, ob der koppelbare H2-Füllstutzen, Dispenser genannt, fest und dicht mit der Einfüllöffnung verbunden ist. Eventuelle Kollisionen mit der Tankanlage wiederum werden durch Beschleunigungssensoren erfasst, die im Bedarfsfall auch gleich die Notabschaltung auslösen. Und das integrierte RFID-System soll eine automatische Abrechnung des Tankvorgangs ermöglichen. Im Zusammenspiel sollen all diese Pepperl+Fuchs-Lösungen ein sicheres und komfortables Tankerlebnis gewährleisten.

Dekarbonisierung im großen Stil

Im industriellen Bereich wird Wasserstoff seine segensreiche, sprich dekarbonisierende Wirkung vor allem dort entfalten können, wo hohe Brennerleistungen gefragt sind oder der Einsatz eines reduktiven Elements Voraussetzung ist. Allein die Zementindustrie erzeugt mit ihren Brennöfen einen weltweiten CO2-Ausstoß von rund 2,8 Milliarden Tonnen. Das entspricht rund acht Prozent der menschengemachten Treibhausgase, die sich durch grünen Wasserstoff als Energieträger weitgehend einsparen ließen. Vergleichbares gilt für die Steam-Cracker der Petrochemie oder die Öfen in der Metallindustrie sowie der Glas- und Porzellanherstellung. Im sogenannten Direktreduktionsverfahren der Stahlindustrie kann der Wasserstoff zudem den Kohlenstoff ersetzen, mit dem man Sauerstoff aus dem Eisenerz entfernt. Statt Kohlendioxid wird dann auch bei diesem entscheidenden Schritt lediglich profanes Wasser freigesetzt.

Aus Erdgaspipelines werden Wasserstoffpipelines

Für solche Prozesse werden natürlich besonders große Mengen an Wasserstoff benötigt, die bevorzugt per Tanklastzügen oder direkt via Pipeline geliefert werden. „Man kann dafür bestehende Erdgasleitungen nutzen“, erläutert Wolfgang Weber. „Ein gewisser Prozentsatz an Wasserstoff ist im Erdgas ohnehin enthalten, man kann es bis zu einem Anteil von 60 Prozent zusätzlich zumischen. Vor der Verwendung werden die Gase dann wieder getrennt. Irgendwann könnte statt Erdgas nur noch Wasserstoff durch dieselben Pipelines fließen. Allerdings sind dann einige Vorkehrungen zum Schutz der Leitungen nötig, weil Wasserstoff herkömmlichen Rohrstahl spröde macht – es reagiert auch gern mit dem Kohlenstoff im Metall. Grundsätzlich ist hier aber schon eine sehr tief gestaffelte Infrastruktur vorhanden, die den Übergang zur klimaneutralen Wasserstoffwirtschaft enorm erleichtert. Derzeit werden an vielen Stellen viele wichtige Schritte in diese Richtung gemacht.“

Ende gut – alles gut?!

Ob grüner Wasserstoff tatsächlich das Schlüsselelement zur Energiewende sein wird, muss sich noch zeigen. Seine elementare Rolle in der zukünftigen Energieerzeugung und der Dekarbonisierung der Industrie und des Schwerlastverkehrs scheint aber gesichert. Mit seiner langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet des Explosionsschutzes und der industriellen Sensorik will Pepperl+Fuchs seinen Kunden und Partnern als verbindendes Element in der Wasserstoffkette zur Seite stehen – von der regenerativen Energiegewinnung, der Hochdruckverdichtung nach der Elektrolyse, dem Transport, der Speicherung bis hin zum großflächigen industriellen Einsatz und der Wasserstoff-Tankstelle.

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