„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“
Wasserstoff: Mit neuer Energie in die Zukunft
Das oben stehende Zitat ist kein Ausspruch eines heutigen Wissenschaftlers. Der französische Autor Jules Verne hat ihn in seinem Buch „Die geheimnisvolle Insel“ bereits im Jahr 1874 niedergeschrieben. Vor also fast 150 Jahren hatte man bereits den Gedanken, Wasserstoff als Energieträger zu nutzen. Seit einiger Zeit wird aus der Idee zunehmend Realität. Aber warum erst jetzt? Vielleicht weil in der Vergangenheit Wasserstoff teuer war und fossile Energieträger wie Erdöl und Erdgas günstig. Daher fehlte die Motivation, in die Wasserstofftechnik zu investieren.1 Vielleicht lag es auch am Respekt vor dem explosiven Gas.
Im neuen Bewusstsein von Klimawandel, Energiewende und Ökonomie hat es der Wasserstoff ins Bundeskanzleramt geschafft. Nachdem im Juni 2020 die Nationale Wasserstoffstrategie von der Bundesregierung veröffentlicht wurde, übergab im Juli 2021 der Nationale Wasserstoffrat (NWR) der Bundesregierung den „Wasserstoff Aktionsplan Deutschland 2021-2025“. Darin festgelegt sind Rahmenbedingungen für die Erzeugung, Anwendung und Infrastruktur von Wasserstoff sowie deren Erforschung. Der Aktionsplan ist zeitlich priorisiert. Ein Beispiel: Die Rahmenbedingung „Aufbau der Zulieferindustrie für Wasserstoffleitmärkte im Mobilitätsbereich (EU)“ soll bis Ende 2022 umgesetzt werden, ebenso die Bedingung „Über technische Regelwerke Standards für die Nutzung definieren (International)“. Darin und in vielen anderen solcher Rahmenbedingungen kann sich der DVS mit seiner Expertise und seinem Netzwerk einbringen.
DVS-Studie zeigt die Rolle der Fügetechnik
Doch nicht erst seit diesem Aktionsplan ist der DVS zum Thema „Wasserstoff“ aktiv. Die Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS, kurz: DVS Forschung, stellt sich schon seit geraumer Zeit die Frage nach der Rolle der Fügetechnik im neuen Wasserstoffzeitalter. Daher hat sie im vergangenen Jahr eine Studie bei Professor Dr.-Ing. Michael Rhode und Professor Dr.-Ing. Thomas Kannengießer, beide von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), in Auftrag gegeben. Sie sollte die Bedeutung der Fügetechnik für die Umsetzung von technischen Komponenten für die Nutzung von Wasserstoff untersuchen. Im September 2021 konnte die DVS Forschung das Ergebnis vorstellen:
Die DVS-Studie „Fügetechnik für die neue Wasserstoffökonomie“ geht Fragen nach wie „Welche Anforderungen werden an die Fügetechnik im Zusammenhang mit der Erzeugung, der Speicherung, dem Transport und der Nutzung von Wasserstoff gestellt?“ oder „Welche spezifischen Werkstoffe und Schweißtechnologien sind relevant?“ Ebenso sind mögliche Auswirkungen der neuen Herausforderungen auf Bereiche der schweißtechnischen Aus- und Weiterbildung sowie der Normung und Standardisierung wesentliche Fragestellungen. Ein eigenes Kapitel widmet sich auch der Frage nach der Rolle der Additiven Fertigung.
„Die Studie zeigt, dass es noch viel für eine großflächige und sichere Nutzung von Wasserstoff zu tun gibt“, meint Dipl.-Ing. Jens Jerzembeck, Geschäftsführer der DVS Forschung, und stellt weiter fest: „Der Forschungsbedarf ist in vielen Gebieten da und auch bestehende Regelwerke müssen jetzt angepasst werden. Wir werden da nicht warten.“ Die Anpassung von bestehenden oder die Erarbeitung neuer Regelwerke wird in den Arbeitsgruppen des Ausschusses für Technik im DVS angegangen. In DIN/DVS-Gemeinschaftsausschüssen ist dabei auch das Deutsche Institut für Normung e. V. (DIN) direkt eingebunden. In der DVS Forschung wird der Bedarf von Unternehmen ermittelt bzw. aufgegriffen und die benötigten Ergebnisse über praxisnahe Forschungsprojekte erarbeitet.
Laut Studie spielt die Fügetechnik vor allem bei der Bereitstellung von sicheren Transportwegen (wie Pipelines) und der Speicherung (wie Druck- und Flüssiggasspeicher) des Wasserstoffs eine bedeutende Rolle. Aber auch ihr Einsatz bei der Massenproduktion von Komponenten für die Wasserstoffnutzung, wie Bipolarplatten für Brennstoffzellen, ist gefragt.
Die Fügetechnik ist jedoch nicht erst bei Fragen nach geeigneten Werkstoffen oder geeigneten Schweißprozessen relevant, sondern erfüllt bereits vorher ihre Aufgabe. „Wir benötigen für weniger CO2-Ausstoß den sogenannten grünen Wasserstoff, der mithilfe von regenerativen Stromerzeugern wie Solar- oder Windkraftanlagen gewonnen wird“, erläutert Jens Jerzembeck. „Und hier kommt die Fügetechnik zum Einsatz.“ Beispielsweise werden für die Stahlkonstruktionen der Offshore-Windparks in Nord- und Ostsee hocheffiziente Schweißverfahren benötigt. Erst die „saubere“ Art der Stromgewinnung macht den gewünschten „grünen“ Wasserstoff aus.
„Die Studie zeigt, dass es noch viel für eine großflächige und sichere Nutzung von Wasserstoff zu tun gibt“, meint Dipl.-Ing. Jens Jerzembeck, Geschäftsführer der DVS Forschung.
Wasserstoff für alle
Aber was macht man mit dem hochgelobten Element? Wo soll es eingesetzt werden?
Wasserstoff soll und wird bereits überall dort eingesetzt, wo der CO2-Ausstoß vermieden werden kann. Als erstes fällt einem sicherlich die Automobilindustrie ein. Hier haben Toyota und Hyundai schon vor einigen Jahren Fahrzeuge geschaffen, die mit einer Brennstoffzelle statt mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sind. Sie produzieren heute Autos in Serie, die über 750 km pro Tankfüllung fahren können.2 Auch andere Firmen wie Mercedes und BMW nehmen sich der Technik an. Ein Problem ist noch die eher geringe Anzahl an Tankstellen. In Deutschland gibt es nach Angaben des ADAC zurzeit circa 100 Wasserstoff-Stationen. In dem Zusammenhang hat die DVS-Studie festgestellt, dass an Tankstellen „momentan die Insellösung in Form der dezentralen Speicherung von Flüssig- oder Druckwasserstoff existiert. Dies kann sich in Zukunft hinsichtlich eines Anschlusses zum Gasverteilernetz hin verändern oder komplementär zur ‚konventionellen‘ Lieferung durch Tankwagen (als mobile Speicherform für den Transport) hin entwickeln. Die Lagerung des Wasserstoffs vor Ort bildet dabei die wesentlichen Betriebsbedingungen.“
Denkt man bei der möglichen Nutzung von Wasserstoff etwas größer, dann kommt man auf die Stahlindustrie. Auf dem diesjährigen DVS CONGRESS berichtete Dipl.-Ing. Silvio Freese in seinem Vortrag „Zukunft der Stahlproduktion – Was sind Wege zum ‚grünen‘ Stahl?“: „Je Tonne Rohstahl werden in heutigen konventionellen Stahlproduktionen rund 1,7 Tonnen an CO2-Emissionen je produzierter Tonne Stahl erzeugt. Die CO2-Emissionen in der Stahlerzeugung zählen somit zu den größten ‚Erzeugern‘ – in Deutschland ca. 67 Millionen Tonnen CO2 im Jahr 2007.“ Hier besteht enormer Handlungsbedarf, was bedeutet: Dekarbonisierung, also weg von der Kohle.
In einigen Werken wird bereits versuchsweise Koks im Hochofenprozess durch Wasserstoff aber auch Erdgas ersetzt. Dieses Verfahren wird jedoch durch die Schüttungsbedürfnisse der Hochöfen stark begrenzt. Deshalb ist der Hybridbetrieb von Hochöfen lediglich eine Zwischentechnologie auf dem Weg zu einer Direktreduktion von Roheisen. Nach Freese wird „die Installation von Elektrolyseuren bei solchen Anlagenkonfigurationen entscheidend sein, um Wasserstoff in ausreichender Menge erzeugen zu können. Von herausragender Bedeutung wird jedoch hierfür der Ausbau der Infrastruktur für die dann zwingend benötigten erheblichen Mengen an elektrischer Energie sein, die natürlich vorzugsweise regenerativ erzeugt wurde“.
In vielen anderen Bereichen wie Raum- und Luftfahrt oder auch als Wärmelieferant für Zuhause kann Wasserstoff genutzt werden. Doch bis das nachgefragte Gas flächendeckend eingesetzt wird, sind einige Hürden zu meistern. „Die Studie hat gezeigt, dass es noch einiges zu erforschen und zu regeln gibt, aber die Politik ist hier gefragt, das ‚Projekt‘ Wasserstoffökonomie zu unterstützen und voranzutreiben“, meint Jerzembeck. Und er verweist auch darauf, dass es sich nicht nur um ein nationales Projekt handelt, sondern global gedacht und gehandelt werden muss. Der Geschäftsführer der DVS Forschung weist darauf hin: „Wir brauchen Partner weltweit, um überhaupt flächendeckend regenerative Energie zu bekommen. Beispielsweise reichen unsere Windkraftanlagen in Deutschland für die Erstellung von grünem Wasserstoff nicht aus.“ Das ist ebenfalls der Gedanke des NWR in seinem „Wasserstoff Aktionsplan Deutschland 2021-2025“. Deutschland soll zwar Vorreiter in der Nutzung von Wasserstoff werden, aber durchaus mit anderen Ländern kooperieren. Dort steht genau: „Die Wasserstoffwirtschaft ist ein globales Ziel, und die Ambitionen und Abhängigkeiten Deutschlands gehen über die Landesgrenzen hinaus. Daher sind zahlreiche Rahmenbedingungen auch international zu setzen.“
Der DVS wartet hier nicht. Die DVS-Studie „Fügetechnik für die neue Wasserstoffökonomie“ war der Auftakt. Das Ziel, Fördermittel zu gewinnen, um die Anforderungen an die Fügetechnik im Bereich Wasserstoffökonomie umsetzen zu können, verfolgt der DVS konsequent weiter.
Ihr Weg zur Studie
Für Mitglieder der DVS Forschung steht die Studie „Fügetechnik für die Wasserstoffökonomie – Werkstoffe, Schweißtechnologien, Perspektiven“ kostenlos zum Download zur Verfügung.
Die Studie ist auch als E-Book über die DVS Media GmbH erhältlich:
DVS-Berichte, Band 373, 29,00 Euro, ISBN: 978-3-96144-158-7
vertrieb@dvs-media.info
Autoren:
Dipl.-Ing. Jens Jerzembeck und Barbara Stöckmann