Hydrogen Safety (Wasserstoff) – H2 SYSTEME & SICHERHEIT (2025)

Eines ist sicher, der Wasserstoff wird als Energieträger das 21. Jahrhundert signifikant beeinflussen. Die Politik treibt die Entwicklung in der EU und China im Sinne einer Transformation der Energiesysteme voran. Damit diese Entwicklung nicht in einer Katastrophe endet, muss der Markthochlauf ausreichend sicher erfolgen. Dieser Artikel behandelt die Hydrogen Safety im Hinblick auf die Funktionale Sicherheit.

Merkmale dieser Technologie

Wasserstoff (Hydrogen, H2) ist farblos, geruchlos, ungiftig und leicht entzündlich aber nicht selbstentzündlich. Weiterhin ist zu bedenken, dass Wasserstoff in hohen Konzentrationen beim Einatmen den Sauerstoff verdrängen kann. Daher droht neben den üblichen Erscheinungen bei Sauerstoffmangel (z.B. Bewusstlosigkeit) letzendlich der Tod durch Erstickung. Wasserstoff ist ein Gefahrgut und nicht gefährlicher als andere Energieträger wie Erdgas oder Erdöl. Die Brandgefahr mit Wasserstoff im Freien ist insgesamt geringer als beim Benzin. Beispielsweise strahlt eine Wasserstoffflamme weniger Wärme ab als Benzin.

Die Energiedichte auf die Masse bezogen ist fast um Faktor 2 bis 2,8 höher als herkömmliche Energieträger. Der Siedepunkt liegt bei -252,9°C und der Schmelzpunkt bei -259,1°C. Wasserstoff ist umweltfreundlich im Hinblick auf die Verbrennung in Brennstoffzellen. Dabei verbrennt Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff beispielsweise aus der Umgebungsluft. Das Reaktionsprodukt ist demineralisiertes Wasser (H2O). Bei der Verbrennung in Motoren entstehen insbesondere bei hohen Temperaturen schädliche Stickoxide.

Die Umweltfreundlichkeit dieser Technologie hängt von der gesamten Brennstoffkette ab, welche von der Primärenergie bis hin zur Endanwendung betrachtet werden muss. Die Kerngefahren dieser Technologie sind Explosion und insbesondere Druckgefahren durch Materialversagen (Wasserstoffversprödung). Es liegt ausreichend Erfahrung mit Wasserstoff im Bereich der Petrochemie vor.

Sicherheit in der Anwendung durch Normen und Standards

Der richtige Umgang mit Wasserstoff (Hydrogen, H2) während des Hochlaufs dieser Technologie ist eine der Kernherausforderungen. Daher ist es Aufgabe der Normungsgremien, diesen Hochlauf sicher und mit Interkompatibilität zu lenken. Die Sicherheitslast liegt verteilt auf der inhärent sicheren Konstruktion der Komponenten, den Sicherheitsfunktionen und den Betreibern. Die Normungslandschaft in diesen 3 Teilbereichen ist bereits gut ausgebildet und es liegen bereits ausreichend Erfahrungen aus dem Feldbetrieb bei Systemherstellern vor.

Auf ISO-Ebene sind u.a. die Arbeitskreise wie ISO TC 197 „Hydrogen Technologies“ oder ISO TC 58 „Gas Cylinders“ zuständig. In Europa finden sich beispielsweise Arbeitskreise wie IEC TC 105 „Fuel Cells“ oder auch CEN TC 23 „Transportable Gas Cylinders“. Je nach System und Anwendung ist entweder die Maschinenrichtlinie (2006/42/EG, s. auch Nachfolger M-VO) oder die Niederspannungsrichtlinie (2014/35/EU) in Kombination mit der Druckgeräterichtlinie (2014/68/EU) bzw. die Richtlinie für einfache Druckbehälter (2014/29/EU) relevant.

Wasserstoff erfordert im Umgang stets Expertise. Dafür wird Fachpersonal bei Herstellern, Betreibern und Wartungsfirmen benötigt. Für Betreiber von Anlagen mit Wasserstoff finden sich eine Reihe von Technischen Reglen, welche über die EU Arbeitsmittelrichtlinie (2009/104/EG) sowie die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) in Deutschland verpflichtend anzuwenden sind. Wegen der Explosionsgefahren ist auch der Explosionsschutz nach ATEX (2014/35/EU) relevant.

Explosionsschutz

Es kann erst zur Explosion kommen, wenn ein Oxidator (z.B. Sauerstoff, Chlor) im richtigen Gemischverhältniss vorliegt und eine Zündquelle vorhanden ist. Ab einer Konzentration von 4% in Luft fängt dieses Gemisch an, zu brennen, wenn man es zündet. Ab 18% bis ca. 75% besteht Explosionsgefahr. Daher ist es erforderlich, dass Zündquellen vermieden werden und Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladung (ESD) umgesetzt werden. Die Behälter sollten an einem gut gelüfteten Ort aufbewahrt werden. Da Wasserstoff fast um den Faktor 14 leichter ist als Luft und eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit hat, ist die Explosionsgefahr in belüfteten Bereichen wegen dieser Eigenschaften überschaubar.

Materialverträglichkeit (Wasserstoffversprödung)

Eine der Hauptgefahren im Umgang mit Wasserstoff ist die Wasserstoffversprödung, auch als wasserstoffinduzierte Korrosion bezeichnet. Dabei kommt es zu Rissbildung und Materialversagen mit der Folge einhergehender Druck- und Explosionsrisiken. Ursächlich ist das Eindringen von ionisierten Wasserstoff in das Gefüge des Materials im Spannungszustand.

Im Sinne einer inhärenten sicheren Konstruktion, müssen die Materialien passend ausgewählt und mit einem Sicherheitsfaktor im Sinne einer Überdimensionierung ausgelegt werden. Das Material ist in der Regel ein Metall, welches in seiner Kristallform, Oberflächengüte und Belastung passend ausgewählt werden muss. Edelstahl hat diesbezüglich gute Eigenschaften. Bei Systemen mit Rohrverbindungen, Ventilen und Behältern sind katalytische Flächen zu vermeiden, da an diesen Oberflächen Wasserstoffionen (H+) entstehen können. Für dieses Thema ist beispielsweise die DIN EN ISO 11114-4 (Link siehe Linkliste oben) von Relevanz. Weiterhin ist die „Reinheit“ des Wasserstoffs in diesem Kontext von Bedeutung.

Verbrennung in der Brennstoffzelle (Hydrogen Safety Cell Level)

Eine kontrollierte Verbrennung von Wasserstoff in einer Zelle mit dem Ziel, elektrische Energie zu erzeugen, ist keine Neuheit. Die Herausforderung liegt jedoch in der Qualität dieses Prozesses und den Risiken durch Prozessabweichungen.

Um dauerhaft gute Wirkungsgrade zu errreichen und lange Haltbarkeit zu gewährleisten, könnten bei spezifischen Brennstoffzelltypen von Zeit zu Zeit auch Spülungen der Membran erforderlich sein. Dabei würde es kurzzeitig zu erhöhten Konzentrationen von unverbrannten Wasserstoff kommen. Diese und weitere Zustände müssen im System ausreichend sicher behandelt werden. Daher ist es erforderlich, das „System Brennstoffzelle“ mit seinen Zuständen und Schnittstellen zur Umgebung genauer zu analysieren. Hier lohnt sich beispielsweise ein Blick in die DIN EN IEC 62282-4-100.

Die technologische Komplexität ist keine „Rocket Science“ aber auch nicht trivial, wenn man Details betrachtet. Beispielsweise findet sich im Aufbereitungssystem ein Verdichter (Kompressor), welcher im Fehlerfall einen kritischen Systemzustand auslösen kann. Daher ist neben dem Top-Down Ansatz über die Risikobeurteilung in Verbindung mit den spezifischen Normen zu den Brennstoffzellen stets auch eine umfangreiche FMEA erforderlich. Darin sind die folgenden Baugruppen zu analysieren:

• Wasserstoff-Subsystem (Anodensystem)
  • Wasserstofftank
  • Druckregler
  • Durchflussmesser
  • Sicherheitsventil
• Oxidator-Subsystem (Kathodensystem)
  • Luftfilter
  • Kompressor
  • Durchflussmesser
• Zellsystem (hier PEMFC)
  • Anode
  • Kathode
  • Protonenaustauschmembran
• Kühlkreislauf
  • Kühlmittelpumpe
  • Wärmetauscher
  • Thermomanagement (Temperatursensoren)
• Stromkreis
  • Spannungsregler (DC/DC)
  • Wechselrichter
  • Batterie (Zwischenspeicher, je nach Use-Case)
• Abgasnachbehandlung
  • Wasserabscheider
  • Abgasventil

Es gibt mehrere Typen von Brennstoffzellen, welche sich konstruktiv im Elektrolyt unterscheiden und unterschiedliche Gefahren im Betrieb aufweisen:

• Protonenaustauschmembran (PEM)
• Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)
• Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
• Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Jeder Typ hat seine Vor- und Nachteile. Weit verbreitet sind die PEM Brennstoffzellen (PEMFC) wegen ihrer niedrigen Betriebstemperatur (60-80°C bei hoher Leistungsdichte mit schnellen Startverhalten). In dieser Zelle wird Wasserstoff auf der Anodenseite (Minuspol) durch ein Katalysator (z.B. Platin) in Protonen (H+) und Elektronen (e-) aufgespalten. Die Protonen (H+) „wandern“ durch die Membran auf die Kathodenseite (Pluspol). Dort reagieren die Protonen (4H+) und Elektronen (4e-) mit dem Sauerstoff (02) zu demineralisierten Wasser (H2O). Die Elektronen (e-), welche zuvor auf der Anodenseite freigesetzt wurden, finden ihren Weg über den Stomkreis zur Kathodenseite.

Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von chemischer zu elektrischer Energie liegt im Bereich von 40-60%. Der kombinierte Wirkungsgrad (elektrisch + thermisch) kann bis zu 85% erreichen.

Wenn man diesen Prozess genauer untersucht, so erkennt man, dass viele Prozessparameter (Anodendruck, Kathodendruck, Konzentrationen, Stromstärke, Temperatur) relevant sind. Insbesondere kann durch schlechte Prozessführung die Membran schnell altern und zerstört werden. Dies kann zu gefährlichen Zuständen mit Explosionsgefahr im System führen und muss sicher behandelt werden. Studieren Sie daher vollständig das Safety Manual der Brennstoffzelle.

Erzeugung, Lagerung, Transport (Hydrogen Safety System Level)

Bei der Erzeugung von grünen Wasserstoff ist das Verfahren der Elektrolyse mit Primärenergie aus erneuerbaren Quellen weit verbreitet. Weitere Verfahren (Erdgasreformierung, Biogas oder industrielle Nebenprodukte) welche vorwiegend grauen oder blauen Wasserstoff erzeugen, sollen hier nicht im Detail weiter betrachtet werden.

Es gibt u.a. die folgenden Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff im Elektrolyseverfahren:

• alkalischer Elektrolyseur
• Protonenaustausch-Membran (PEM) Elektrolyseur
• Festoxid-Elektrolyseur (SOEC)

Im industriellen Umfeld trifft man den robusten und langlebigen alkalischen Elektrolyseur häufig an. Bei diesen Typ wird in großtechnischen Anlagen als Elektrolyt eine alkalische Lösung wie Natriumhydroxid (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH) eingesetzt. Derzeit finden sich vermehrt PEM-Elektrolyseure am Markt.

PEM-Elektrolyseure bieten mehrere Vorteile gegenüber anderen Elektrolyse-Technologien:

• schnelle Reaktionszeit (notwendig in Verbindung mit erneuerbaren Energien)
• hohe Reinheit des Wasserstoffs (erzeugte Wasserstoff kann in der Brennstoffzelle direkt genutzt werden)
• kompakte Bauweise (für mobile, dezentrale Anwendungen)
• hohe Effizienz (niedrige Betriebstemperaturen möglich)
• schneller Kaltstart (ideal, wenn Stromquelle nicht konstant verfügbar)

Für jede „Funktion“ entlang dieser Brennstoffkette sind daher spezifische Sicherheitskonzepte zu erarbeiten und umzusetzen. Wegen der besonderen Eigenschaften von Wasserstoff, ist es eine technische Herausforderung, diesen sicher zu erzeugen, zu transportieren und zu speichern oder abzugeben. Hierzu ist insbesondere das „Tanksystem“ nahe dem Endanwender ein kritisches Subsystem. Hier müssen alle Gefahrenpotenziale, von Verunreinigungen im Fluid oder in den Kopplungsstellen bis zur falschen Interaktion an der „Zapfsäule“ analysiert werden. Tankstellen gelten als überwachungsbedürftige Anlagen im Sinne der BetrSichV. Größere Anlagen können zusätzlich unter das Emmisionsschutzgesetz fallen.

Die Speicherung und der von Wasserstoff erfolgt in:

• zertifizierten Druckbehältern (Typ IV, V, gasförmig komprimiert bei 350 – 700 bar),
• in speziellen kryogenen Speichertankanlagen (Flüssigwasserstoff bei -253°C) oder
• in Metallhybridspeichern (Wasserstoff gebunden in Metallen wie Lithium oder Magnesium bei niedrigen Druck).

In einer globalen grünen Wasserstoffwertschöpfungskette bietet es sich an, für die „Transportfunktion“ den Wasserstoff anderweitig zu binden, um diesen dann unter günstigeren Bedingungen in größeren Mengen einfacher transportieren zu können. Ein Ansatz ist die Nutzung von Systemen in der Amoniak-Wertschöpfungskette. Amoniak ist weltweit als Grundstoff für Dünger in großen Mengen im Umlauf. Die Anforderungen an den Transport sind gering (gekühlt (-33°C) oder bei 8-10 bar in Umgenbungstemperatur). Die Herstellung erfolgt in den bereits vorhandenen Systemen der Ammoniaksynthese (Stickstoff + Wasserstoff). Der Transport erfolgt als Flüssigkeit in bewährten Behältern.

Daher könnte aus erneuerbaren Energien auf anderen Kontinenten mit optimalen Standortbedingungen ein „Green-Ammoniak-Business-Case“ die Versorgung mit Wasserstoff in Europa sicherstellen. Die technologischen Herausforderungen liegen im Aufspalten („cracking“) und Aufbereiten am Bestimmungsort sowie im Umgang mit dieser Chemikalie. Ammoniak ist giftig für Mensch, Tier und Umwelt.

Alternativen wie flüssige organische Wasserstoffträger (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC) oder reiner Wasserstoff (liquid hydrogen, LH2) in kryogenen Anlagen im großen Maßstab werden hier nicht weiter untersucht, weil sie sehr energieintensiv sind.

Technische Schutzmaßnahmen (Hydrogen Safety Functions)

Fehlfunktionen der Steuerung oder Versagen von einzelnen Komponenten im Brennstoffzellensystem oder Erzeugungs- bzw. Wasserstoffspeichersystem müssen sicherheitstechnisch beherrscht werden. Neben der inhärent sicheren Konstruktion der Teilsysteme sind zwei Gruppen von Sicherheitsfunktionen notwendig.

Zum Einen ist ein Gaswarnsystem erforderlich, welches in der Regel im Low Demand Mode ausgelegt und betrieben wird. Diese Systeme sind kosten- und wartungsintensiv. Es finden sich im Anlagenbereich 3 typische Technologien:

• katalytische Sensoren (Austritt)
• akustische Sensoren (Austritt)
• visuelle Sensoren (Flammdetektion)

Zum Anderen werden eine Reihe von systemspezifischen Sicherheitsfunktionen umgesetzt, welche im High bzw. Continuous Demand Mode die Teilprozesse überwachen und bei Prozessabweichungen die Anlage in den sicheren Zustand überführen. Hier sind insbesondere Druckregelprozesse oder Zustandsüberwachungen von Baugruppen der Belüftung oder Zellmembranen zu nennen.

Fazit zu dieser Technologie im Markthochlauf

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass diese Technologie bei mittlerer Komplexität und interdisziplinären Dimension nur mit hohen Aufwand sicher Anwendung finden kann. Der Business-Case für die Kernfunktion in der Transformation der Energienetze „el. Energie zwischenspeichern (bereitstellen) und abgeben“ ist durch sehr günstige Batteriespeichersysteme eher unattraktiv. Auch wenn Batteriesysteme stark temperaturabhängig ihre Nennleistung erbringen können, so ist letzendlich ihre einfache Dimension bei fallenden Preisen von herausragendem strategischen Vorteil gegenüber der interdisziplinären Komplexität von Wasserstoffsystemen. Die Produktion von grünen Wasserstoff wird politisch getrieben weiter hochgefahren. Die Wirtschaftlichkeit wird noch stark von den Maßnahmen auf staatlicher und EU Ebene beeinflusst. Hier insbesondere über das Konzept der CO2 Bepreisung in der Dekarbonisierungstrategie.

Angesichts des schlechten Wirkungsgrades in der Brennstoffkette geht ein Großteil der Energie bei der Herstellung von „grünen Wasserstoff“ verloren. Daher kann nur bei einem Überangebot von grüner Primärenergie wirtschaftlich sinnvolle Teilfunktionen im Sinne der Dekarbonisierung zur Anwendung kommen (z.B. Direktreduktion in der Stahlherstellung). Lesenswert sind die Kritiken von Paul Martin in einem Paper zum Thema Pipelines oder seine LinkedIn-Artikel. Ein Paper zur Ökobilanz zu PKW Flotten finden Sie hier.

Viele Baugruppen scheinen gerade marktreif zu werden (s. Marktplatz für H2 Komponenten). Die noch nicht ausgereifte Haltbarkeit einiger Materialien und/oder die fehlende Erfahrung zur Langzeitstabilität wird auf den Hochlauf dieser Technologie negativ wirken. Große Systemlieferanten aus China liefern bereits Systeme für Nutzfahrzeuge mit bis zu 40.000h (Maintanace-Cycle). Mit dem Stromhandel in Kombination mit H2-Energiespeicherlösungen und Wärmekopplung bei hohen System-Wirkungsgraden lassen sich vermutlich ausreichend Renditen im industriellen Umfeld erwirtschaften und die Transformation weiter vorantreiben. Gerade im Winter kann diese Technologie ihren Vorteil gegenüber Batteriespeichersystemen ausspielen. Neben den Anwendungen in stationären Anlagen wird neben den Nutzfahrzeugbereich insbesondere in der Industrie mehr „grüner Wasserstoff“ Verwendung finden im Hinblick auf das Ziel der Dekarbonisierung. Die „Brennstoffketten“ in vielen Branchen sind noch nicht ausgebildet. Das Wasserstoffkernnetz ist noch nicht ausgebaut, nimmt aber Gestalt an.

Wegen der vielen neuen Anwendungsbereiche kann mit einer höheren Anforderungsrate an die Gaswarnsysteme gerechnet werden. Primäre Schutzziele im Sinne der Hydrogen Safety sind die Vermeidung von explosiven Atmosphären durch technische oder funktionale Undichtigkeiten. Insbesondere letzer Punkt erfordert eine Integration von zustandsabhängigen Prozessüberwachungsfunktionen.