Großes technologisches Potenzial verlangt ein hohes Maß an Sicherheit. Wasserstoff stellt besondere Anforderungen an Anlagen und ihre Betreiber: In vielen Anwendungen steht er unter hohem Druck, kann durch bestimmte Dichtungswerkstoffe dringen und die Eigenschaften mancher Metalle beeinträchtigen. Zudem genügt bereits eine geringe Zündenergie, um ein Wasserstoff-Luft-Gemisch zu entzünden. Leckagen müssen daher früh erkannt, Zündquellen beherrscht und alle Komponenten für ihre jeweiligen Betriebsbedingungen ausgelegt sein.
Im Interview erläutert Prof. Dr. Arnulf Hörtnagl, was Wasserstoff mit anderen technischen Gasen gemeinsam hat und wo seine Eigenschaften besondere Herausforderungen schaffen. Er zeigt, weshalb Betreiber neben den rechtlichen Vorgaben und technischen Regeln vor allem ihre eigenen Prozesse, Betriebsparameter und möglichen Störfälle genau kennen müssen, um Anlagen sicher zu betreiben. Dabei geht es auch um die Frage, welche Messtechnik hilft, Undichtigkeiten rechtzeitig aufzuspüren.
Wie kann ich Wasserstoffanlagen sicher planen, betreiben und instand halten?
Prof. Arnulf Hörtnagl: Im Umgang mit Wasserstoff ist in der Planung und im Betrieb, wie bei allen technischen Gasen, auf die Besonderheiten dieses Gases Rücksicht zu nehmen. Dies betrifft insbesondere die geringe Dichte, den sehr hohen Heiz- bzw. Brennwert und den sehr breiten Bereich zwischen unterer und oberer Explosionsgrenze. Hinzu kommt, dass Dichtheit und Diffusionsverhalten wegen der geringen Größe von Wasserstoffmolekülen und -atomen eine besondere Bedeutung haben.
Wenn Sie diese Aspekte in Verbindung mit den geltenden Normen und Richtlinien beachten, steht in den meisten Fällen nichts im Wege.
Welche besonderen Risiken und Gefahren gehen von Wasserstoff aus – und wie beherrsche ich sie?
Prof. Arnulf Hörtnagl: Da bei der Speicherung von Wasserstoff und auch bei vielen Prozessen vergleichsweise hohe Druckniveaus zur Anwendung kommen, liegt das größte Risiko in der Kombination aus hohen mechanischen Lasten in Verbindung mit der Anwesenheit von Wasserstoff. Aufgrund der möglichen Schädigungsmechanismen, die meist pauschal als Wasserstoffversprödung zusammengefasst werden, nimmt die Duktilität von metallischen Werkstoffen häufig ab, was unter Umständen zu einem stark beschleunigten Risswachstum und zu einem verfrühten Bauteilversagen führen kann.
Diesen Herausforderungen kann man durch eine normgerechte Auslegung von Komponenten und Anlagen, eine passende Werkstoffauswahl und auf die Anwendung abgestimmte Fertigungstechnologien begegnen.
Welche Normen, Regelwerke und gesetzlichen Anforderungen muss ich beim Umgang mit Wasserstoff kennen und einhalten?
Prof. Arnulf Hörtnagl: An erster Stelle ist hier die Druckgeräterichtlinie (DGRL) zu nennen. Spezifisch für Wasserstoff sind darüber hinaus die in Erarbeitung befindlichen EN 13445-15 (unbefeuerte Druckbehälter für Wasserstoffanwendungen) und EN 13480-15 (metallische industrielle Rohrleitungen für Wasserstoffanwendungen) aufzuführen.
Das VDMA-Einheitsblatt 69243-1 bietet zudem eine Orientierung zu den regulatorischen und genehmigungsrechtlichen Anforderungen an Wasserstoffanlagen und -systeme.
Von Bedeutung ist darüber hinaus der Explosionsschutz: Bei der Auslegung und beim Betrieb von Wasserstoffanlagen müssen mögliche explosionsfähige Atmosphären berücksichtigt werden. Für darin eingesetzte Geräte und Schutzsysteme ist die ATEX-Richtlinie relevant.
Die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) und – sofern die entsprechenden Mengenschwellen erreicht werden – die Störfall-Verordnung (12. BImSchV) ergänzen den rechtlichen Rahmen.
Sind unsere bestehenden Anlagen, Komponenten und Werkstoffe für Wasserstoff geeignet?
Prof. Arnulf Hörtnagl: Diese Frage lässt sich nicht pauschal beantworten. In der chemischen Industrie, aber auch in der regionalen Gasversorgung, besteht ein umfangreicher Erfahrungsschatz im Umgang mit Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Gasgemischen. Untersuchungen und Studien zu Gasnetzen zeigen, dass ein Großteil der bestehenden Infrastruktur bis hin zu den lokalen Verteilnetzen grundsätzlich für Wasserstoffanwendungen geeignet ist. Auch bei bestehenden Anlagen und Komponenten kann eine Eignung vorliegen, die jedoch im Einzelfall geprüft werden muss.
Entscheidend sind dabei nicht nur die verwendeten Werkstoffe, sondern auch der Betriebsdruck, die Temperatur und die Häufigkeit von Druckwechseln. Rohrleitungen, Schweißnähte und Armaturen müssen den mechanischen Belastungen standhalten; bei Dichtungen und Ventilen ist zusätzlich zu prüfen, ob sie im Betrieb ausreichend dicht bleiben. Je nach Ergebnis können Wartungs- und Prüfintervalle anzupassen oder einzelne Komponenten auszutauschen sein. Eine Umstellung sollte daher immer auf einer dokumentierten Bewertung der gesamten Anlage beruhen.
Wie führe ich eine Risikoanalyse und Gefährdungsbeurteilung für Wasserstoffanlagen korrekt durch?
Prof. Arnulf Hörtnagl: Die methodische Vorgehensweise bei einer Risikoanalyse und Gefährdungsbeurteilung für Wasserstoffanlagen unterscheidet sich grundsätzlich nicht von der Bewertung anderer technischer Anlagen. Wie bereits erwähnt, müssen den durchführenden Personen jedoch die spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff, seine Wechselwirkungen mit Werkstoffen und mögliche Schädigungsmechanismen bekannt sein.
Beginnen Sie hierzu mit einem möglichst vollständigen Bild der Anlage und beschreiben Sie alle Betriebszustände, einschließlich des An- und Abfahrens sowie möglicher Störungen und Wartungsarbeiten. Bewerten Sie anschließend die Prozesse, mögliche Freisetzungen und Gasansammlungen, Zündquellen, Druckfolgen und das mögliche Versagen von Schutzfunktionen. Für komplexere Anlagen bietet sich hierfür eine systematische Gefahrenanalyse, beispielsweise nach der HAZOP- beziehungsweise PAAG-Methode, an.
Welche Explosions- und Brandgefahren bestehen bei Wasserstoff – und wie kann ich mich wirksam davor schützen?
Neben dem sehr breiten Bereich, in dem Wasserstoff mit Luft ein zündfähiges Gemisch bilden kann (UEG: ca. 4 Vol.-%; OEG: ca. 75 Vol.-% Wasserstoff), stellt insbesondere die geringe Mindestzündenergie eine Gefahr dar. Sie liegt für ein geeignet zusammengesetztes Wasserstoff-Luft-Gemisch bei etwa 0,02 mJ. Die Vermeidung wirksamer Zündquellen ist deshalb besonders wichtig; ein Augenmerk gilt dabei auch elektrostatischen Aufladungen.
Zudem ist bei der Auslegung zu berücksichtigen, dass eine Deflagration unter bestimmten Bedingungen in eine Detonation übergehen kann. Dieser als DDT (Deflagration-to-Detonation Transition) bezeichnete Vorgang wird beispielsweise durch lange Rohrleitungen oder Hindernisse begünstigt, an denen sich die Flamme beschleunigt. Die entstehenden Druckbelastungen können erhebliche Schäden verursachen. Ob und welche Maßnahmen – etwa geeignete Detonationssperren oder eine Explosionsdruckentlastung – erforderlich und wirksam sind, muss für die jeweilige Anlage bewertet und ausgelegt werden.
Welche Auswirkungen hat Wasserstoff auf Werkstoffe, Bauteile und Anlagenkomponenten?
Prof. Arnulf Hörtnagl: Wasserstoff wirkt sich je nach Werkstoff, angewendeter Fertigungstechnik, Druck, Temperatur sowie mechanischen oder thermischen Lastwechseln unterschiedlich aus. Entscheidend ist deshalb, die Betriebsbedingungen und bei Anlagen auch die Belastungen beim An- und Abfahren zu berücksichtigen.
Bei metallischen Werkstoffen besteht die Gefahr, dass sich Wasserstoff negativ auf die Duktilität beziehungsweise Zähigkeit auswirkt und Risse unter wechselnden Belastungen dadurch schneller wachsen können. Je nach Auslegung der Anlage können deshalb regelmäßige zerstörungsfreie Prüfungen oder beispielsweise eine genaue Dokumentation der aufgetretenen Lastwechsel erforderlich sein.
Bei Polymeren kann Wasserstoff aufgrund ihrer molekularen Struktur auch in molekularer Form hindurchdiffundieren. Kommt es zu einer schnellen Druckentlastung, besteht zudem je nach Werkstoff die Gefahr von Blasenbildung.
Wie erkenne und verhindere ich Leckagen, um Schäden und Sicherheitsrisiken frühzeitig zu vermeiden? Bzw. Welche Messtechnik hilft mir, Schäden und Sicherheitsrisiken in Wasserstoffanlagen frühzeitig zu erkennen?
Prof. Arnulf Hörtnagl: Kombinieren Sie wiederkehrende Dichtheitsprüfungen an Verbindungen mit einer stationären H₂-Gaswarnung. Die Position der Sensoren sollte sich aus der Analyse möglicher Freisetzungen und der Lüftungsverhältnisse ergeben. Ergänzend zur Konzentrationsmessung können Ultraschalldetektoren unter Druck austretendes Gas früh erkennen. Ob sie auch kleinere Leckagen erfassen, hängt jedoch vom Betriebsdruck und den Umgebungsbedingungen ab.
Mobile H₂-Lecksuchgeräte helfen bei regelmäßigen Kontrollen und nach Arbeiten an der Anlage. Nach Umbauten sollten die betroffenen Verbindungen und Systeme nach den geltenden Vorgaben auf Dichtheit geprüft werden, etwa mit Stickstoff oder mittels Helium-Lecksuche. Für den Betrieb sind Sensoren zu wählen, die für Wasserstoff und die jeweilige Umgebung geeignet sind. Wichtig ist außerdem, Alarm-, Abschalt-, Kalibrier- und Prüfabläufe festzulegen und die gesamte Wirkkette vom Sensor bis zur Abschaltung regelmäßig zu testen.
