Wasserstoff hat ein enormes Potenzial als saubere und reichlich vorhandene Energiequelle. Es ist jedoch nicht einfach, es mithilfe herkömmlicher Technologien und Techniken in großem Maßstab nutzbar zu machen. Jon Davison, Produktmanager Temperatur und Druck von ABB, erklärt, wie die jüngsten Entwicklungen in der Messtechnik dazu beitragen können, einige der damit verbundenen Herausforderungen zu meistern und möglicherweise eine neue Wasserstoffrevolution herbeizuführen.

Wasserstoff ist die am häufigsten vorkommende chemische Substanz im Universum und macht etwa 75 Prozent aller normalen Materie aus. Es ist farblos, geruchlos, geschmacklos, ungiftig und leicht brennbar. All diese Faktoren zusammen machen Wasserstoff zu einem potenziellen Game-Changer bei der Produktion sauberer Energie, wenn er sicher und nachhaltig produziert werden kann.

Der Übergang von einer Wirtschaft mit fossilen Brennstoffen zu einer Wirtschaft mit erneuerbaren Energien bringt zweifellos Herausforderungen mit sich. Darüber hinaus gibt es kein Allheilmittel, das über Nacht zu einer CO2-freien Gesellschaft führen kann. Durch die Nutzung bereits heute etablierter Technologien könnte Wasserstoff jedoch schnelle Fortschritte auf dem Weg in eine nachhaltigere Zukunft ermöglichen.

Was treibt die Umstellung auf Wasserstoff voran?
Wenn die Gesellschaft innerhalb des im Pariser Abkommen festgelegten Zeitrahmens den Netto-Nullpunkt erreichen soll, ist eine tiefgreifende Änderung in der Art und Weise, wie wir unsere Energie erzeugen, erforderlich. Erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne sind ein wichtiger Bestandteil jedes zukünftigen Energiemixes, allerdings sind diese Quellen von Natur aus intermittierend. Obwohl dies bis zu einem gewissen Grad durch ein ausgefeiltes Netzdesign und angemessene Redundanz abgemildert werden kann, ist es dennoch ratsam, auf konstante Energiequellen zurückzugreifen. Traditionell waren damit Kohle, Kernkraft und Erdgas gemeint. Allerdings werden alle drei davon im Kontext von Netto-Null zumindest teilweise als problematisch angesehen.

Wasserstoff hingegen ist reichlich vorhanden und relativ zugänglich, in einigen Fällen wird die vorhandene Infrastruktur genutzt. Da die Auswirkungen des Klimawandels immer sichtbarer und schädlicher werden, werden zunehmend neue Lösungen benötigt, um den Übergang zu sauberer und kohlenstoffarmer Energie zu beschleunigen. Energiesicherheit ist auch ein wichtiger Faktor für den Übergang zu nachhaltigeren Energien, da viele Länder angesichts steigender Energiepreise und geopolitischer Volatilität versuchen, zunehmend autark zu werden.

Wasserstoff als Element ist selbst unsichtbar. Wenn es jedoch als Energiequelle dient, wird es nach seiner Herstellungsmethode klassifiziert und jede hat ihre eigene Farbe. Während die Namenskonventionen von Region zu Region unterschiedlich sind, kann Wasserstoff je nach Herstellungsart grau, blau, grün, schwarz, braun, rosa, gelb oder türkis sein.

Am unteren Ende der Skala liegen schwarzer und brauner Wasserstoff, die am umweltschädlichsten sind. Bei diesen Prozessen entsteht das CO₂ und Kohlenmonoxid, die während des Wasserstoffproduktionsprozesses entstehen, werden nicht zurückgewonnen. Grauer Wasserstoff ist derzeit die häufigste Form von Wasserstoff und wird durch einen Prozess namens Dampfreformierung aus Erdgas oder Methan erzeugt.

Blauer Wasserstoff geht noch einen Schritt weiter, indem er den beim Dampfreformierungsprozess erzeugten Kohlenstoff einfängt und ihn in einem Prozess unter der Erde speichert, der allgemein als Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) bekannt ist. Diese Methode stellt im Hinblick auf die Umweltauswirkungen eine enorme Verbesserung gegenüber schwarzem, braunem und grauem Wasserstoff dar. Allerdings kann es nicht als völlig kohlenstofffreie Kraftstoffquelle betrachtet werden, da nicht der gesamte während des Prozesses erzeugte Kohlenstoff abgeschieden werden kann. Darüber hinaus ist die Speicherung von Kohlenstoff im Boden grundsätzlich nicht nachhaltig.

Grüner Wasserstoff ist der heilige Gral der Wasserstoffproduktion. Hier wird Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der Strom wird aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt und erzeugt kaum oder gar keine CO2-Emissionen. Grüner Wasserstoff ist ein sauber verbrennender Brennstoff und erzeugt als Nebenprodukt nur Wasser. Während grüner Wasserstoff in kleinem Maßstab nachgewiesen wurde, sind die Technologie und Prozesse noch nicht so weit entwickelt, dass er seine Produktion in größerem Maßstab ermöglichen könnte.

Sprungbrett-Ansatz
Bis wir über die Technologie und Infrastruktur für eine großflächige Produktion von grünem Wasserstoff verfügen, ist blauer Wasserstoff das nächstbeste Mittel. Zu diesem Zweck ist blauer Wasserstoff zwar an und für sich eine unvollkommene Lösung, aber er ist eine wichtige Technologie oder ein Sprungbrett auf dem Weg zu kohlenstofffreier Energie. Der technologische Fortschritt in der Moderne vollzieht sich eher in Schritten als in Paradigmenwechseln, und es wird allgemein davon ausgegangen, dass die Produktion von grünem Wasserstoff in großem Maßstab nicht erreicht werden kann, ohne zunächst die Produktion von blauem Wasserstoff zu beherrschen.

CCS ist daher auch ein wichtiger Teil auf dem Weg zur emissionsfreien Energieerzeugung. CCS wird von manchen als kontrovers angesehen, es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass es keine Lösung über Nacht für Netto-Null ist und auch nicht als solche betrachtet werden sollte. Vielmehr ist es ein Sprungbrett für den umfassenderen Übergang zu grünem Wasserstoff und emissionsfreier Energieerzeugung. In einer idealen Welt würden wir sofort zu einer kohlenstofffreien Existenz übergehen, doch dies ist ohne erhebliche gesellschaftliche Störungen einfach nicht realistisch. Volkswirtschaften brauchen Zeit, um sich anzupassen, Technologien brauchen Zeit, um sich weiterzuentwickeln, und Infrastrukturprojekte brauchen Zeit und Investitionen, bevor sie zum Leben erweckt werden können. Blauer Wasserstoff und damit auch CCS können den Weg für eine kostengünstige und schnelle Ausweitung der Produktion von grünem Wasserstoff in der Zukunft ebnen.

Genaue Messung bei der Wasserstoffproduktion
Die Produktion von sowohl blauem als auch grünem Wasserstoff, insbesondere im großen Maßstab, ist nicht ohne Herausforderungen. Prozesse müssen mit einem hohen Maß an Präzision gesteuert werden, um einen effektiven und sicheren Betrieb zu gewährleisten und gleichzeitig maximale Produktivität, Effizienz und Reinheit des Wasserstoffgas-Endprodukts zu erreichen. Eine effektive Kontrolle dieser Variablen erfordert eine effektive Messung.

Wenn Sie eine Menge Wasserstoff von einem Ort an einen anderen transportieren, müssen Sie nicht zuletzt aus Abrechnungs- und Steuergründen genau wissen, wie viel Produkt an der Übertragung beteiligt ist. Dies wird typischerweise durch Durchflussmessung erreicht. Die Druckmessung ist auch wichtig, um sicherzustellen, dass Rohre und andere Infrastruktur nicht platzen oder die Integrität des Prozesses auf andere Weise beeinträchtigen.

Das Komprimieren oder Dekomprimieren von Wasserstoffgas führt dazu, dass es Wärme erzeugt oder verliert. Wenn zu viel davon erzeugt wird, kann es zu einer übermäßigen Entzündung kommen. Daher muss aus Sicherheitsgründen auch die Temperatur gemessen werden. Auch Qualität ist wichtig. Der meiste auf dem Markt verkaufte Wasserstoff ist nicht zu 100 Prozent reiner Wasserstoff, da Zusatzstoffe wie Stickstoff in geringen Mengen hinzugefügt werden können. Sowohl Käufer als auch Verkäufer müssen daher wissen, wie das Verhältnis von reinem Wasserstoff zu Zusatzstoffen ist, um den Preis zu bestimmen und Transparenz für den breiteren Markt zu schaffen.

Die Messung von Wasserstoff kann ihre ganz eigenen Herausforderungen mit sich bringen. Beispielsweise ist Permeation ein spezifisches Problem bei Druckmessgeräten. Diese verfügen im Inneren über eine dünne Membran, durch die Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten eindringen können. Im Laufe der Zeit führt dies schließlich zu einer Kalibrierungsverschiebung, die ein ernstes Problem darstellen kann, wenn dadurch die Gefahr besteht, dass kritische Messungen gestört werden. Die Wahl der richtigen Messtechnik für die richtige Anwendung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Prozesse jederzeit effektiv und sicher bleiben.

Entscheidend ist, dass zwar einige Messungen in bestimmten Phasen wichtiger sind als andere, die Messung von Durchfluss, Druck, Temperatur und Qualität jedoch zumindest in gewissem Umfang erforderlich ist. Auf diese Weise können sich Unternehmen einen vollständigen Überblick über die Vorgänge in der gesamten Produktions-, Vertriebs- und Transportphase verschaffen.

Um Netto-Null zu erreichen, ist zwangsläufig eine erhebliche Reduzierung der Öl- und Gasexploration und -aktivitäten auf der ganzen Welt erforderlich. Öl und Gas sind jedoch eine sehr ausgereifte Industrie, und viele Volkswirtschaften sind in Bezug auf Einkommen, Handel und Energiesicherheit weiterhin stark davon abhängig. Dies kann daher ein großes Hindernis für Fortschritte bei den Klimazielen darstellen.

Wasserstoff kann hier möglicherweise dazu beitragen, den Übergang zu erleichtern. Neben dem Ersatz herkömmlicher fossiler Brennstoffe als handelbares Gut wurde ein Großteil der Infrastruktur, Technologie und des Fachwissens, die für die Wasserstoffproduktion im großen Maßstab erforderlich sind, bereits für die Öl- und Gasindustrie entwickelt und perfektioniert. CCS ist ein Beispiel für eine Technik, die kurzfristig Vorteile für Öl- und Gasprozesse bieten kann, indem Kohlenstoff in bestehende Bohrlöcher injiziert wird, um eine höhere Ausbeute zu erzielen.

Die nächsten Schritte in Richtung einer Wasserstoffzukunft gehen
Da es sich bei der Wasserstoffproduktion im Vergleich zur Öl- und Gasindustrie um einen relativ neuen Industriezweig handelt, sind die damit verbundenen regulatorischen Rahmenbedingungen bei weitem nicht so ausgefeilt. Bei der Ausweitung dieses Rahmenwerks sind schnelle Fortschritte erforderlich, um sicherzustellen, dass es mit dem gleichzeitigen Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur Schritt halten kann. Beispielsweise gelten viele Standards, die für Gaszähler, Umrechnungsgeräte und Software in Öl- und Gasanwendungen gelten, nicht für Wasserstoff. Dies muss sich ändern, und die wichtigsten Interessengruppen in der gesamten Wasserstofflandschaft müssen zusammenkommen, um praktikable Standards für die gesamte Branche festzulegen und zu harmonisieren.

ABB ist ein bedeutender Anbieter von Messlösungen sowohl für fossile Brennstoffe als auch für die Produktion erneuerbarer Energien und beteiligt sich derzeit aktiv an diesen Diskussionen. Darüber hinaus hat das Unternehmen eine Reihe neuer Lösungen entwickelt, die speziell auf die Wasserstoffindustrie zugeschnitten sind. Dazu gehört das „H-Shield“, das bei Produkten zur Druck-, Füllstands- und Durchflussmessung als überlegene und kostengünstigere Alternative zur herkömmlichen Vergoldung eingesetzt wird und eine extrem hohe Beständigkeit gegen Wasserstoffpermeation bietet.

ABB hat außerdem eine Reihe nicht-invasiver Lösungen als Alternative zu herkömmlichen Schutzrohren entwickelt und baut dabei auf der umfassenden Erfahrung des Unternehmens in der Öl- und Gasmesstechnik auf. Digitale Tools können Betreiber dabei unterstützen, sicherzustellen, dass ihre Geräte jederzeit präzise und fehlerfrei sind, und den Übergang zu vorausschauender Wartung und Fernbedienung erleichtern.

Weitere Informationen zum Measurement & Analytics-Wasserstoffportfolio von ABB finden Sie unter: https://new.abb.com/products/measurement-products/hydrogen

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• Quelle: https://envirotecmagazine.com/2024/02/09/why-hydrogen-is-the-key-to-a-low-carbon-future/