Wasserstoff makes the world go round
Wasserstoff [H2] ist ein Thema, das viel Aufmerksamkeit erfährt. Auch für die Dichtungstechnik hat Wasserstoff eine hohe Bedeutung. Als IDT waren wir Teil des Förderprojekts Hzwo:Frame und sind Mitglied im HZwo e.V., dem Kompetenz Zentrum für Wasserstoff in Sachsen. Unser Ziel ist es, die Entwicklung dieser Zukunftstechnologie von Anfang an zu begleiten, neue Absatzmärkte für unsere Produkte zu erschließen und unsere Kunden auf dem Weg in die Energiewende zu unterstützen. Dazu haben wir bereits ein beachtliches Netzwerk und fundierte Expertise aufgebaut. Um zu verstehen, welche Potenziale die Wasserstofftechnologie bereithält, ist es jedoch hilfreich die drei Bereiche Wasserstofferzeugung, Wasserstofftransport und -speicherung sowie Wasserstoffnutzung zu unterscheiden.
Wasserstofferzeugung
Wasserstoff entsteht durch die Elektrolyse von Wasser, das in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt wird. Von grünem Wasserstoff spricht man, wenn bei der Herstellung Strom aus erneuerbaren Energien verwendet wird. Diese Art der Herstellung ist CO2-frei, weshalb viele Fachleute grünen Wasserstoff als eine Energiequelle der Zukunft sehen: für die Industrie, bei der Wärmeversorgung und für die Mobilität.
Wasserstofftransport und -speicherung
Für den Transport und die Speicherung von Wasserstoff sind u.a. Erdgasnetz und -speicher oder flüssige organische Wasserstoffspeicher [Liquid Organic Hydrogen Carrier: LOHC] interessant. Für die Anwendung im Fahrzeugbau werden Druckspeicher zwischen 300 und 700 bar erprobt und für die Luft- und Raumfahrt tief-kalte [kryogene] Systeme bis zu -253°C entwickelt. Für die Dichtungstechnik ist dieser Bereich relevant, da Dichtungen überall dort eingesetzt werden, wo das Austreten von Stoffen verhindert und/oder Undichtigkeiten minimiert werden müssen—also bei Transport und Speicherung nahezu aller Stoffe und Chemikalien.
Wasserstoff, ein Leichtgewicht unter den chemischen Elementen, ist auf den ersten Blick ein unspektakuläres farb-, geschmacks- und geruchsloses Gas, das aus H2-Molekülen besteht und sich aus einem einzigen Proton und einem Elektron zusammensetzt. Hinsichtlich der chemischen Beständigkeit ist Wasserstoff zunächst als unkritisches Medium einzustufen, sodass aus der Bandbreite der am Markt verfügbaren Dichtungsmaterialien nahezu frei gewählt werden kann. Aufgrund seines geringen „Gewichts“ [Dichte 0,0888 kg/m³] wäre anzunehmen, dass sich Wasserstoff flüchtiger als Helium verhält [Dichte 0,1785 kg/m³], was wiederum Auswirkungen auf die Leckageraten für bestehende Flanschverbindungen haben würde. Diese Vermutung konnten jedoch widerlegen.
Flanschverbindungen an Rohrleitungen, Wärmetauschern, Behältern etc. werden während Ihrer Ausle-gung bestenfalls einem rechnerischen Festigkeits- und Dichtheitsnachweis, beispielsweise nach DIN EN 1591-1, unterzogen. In diesem Zusammenhang werden wiederum Dichtungskennwerte nach DIN EN 13555 benötigt, die sich hinsichtlich der Leckage auf die Masse beziehen. Basierend auf dem molekularen Strömungsmodell ist in der Abbildung der Effekt der betrachteten Einheit der Leckagerate aufgeführt. Als Bezugspunkt diente dabei eine fiktive Heliumleckage von 10E-4 mbar * l / s.
Der theoretische Vergleich zeigt, dass Wasserstoff bei Annahme molekularer Strömungsverhältnisse zwar einen höheren Volumen-, dafür aber einen geringeren Masseverlust aufweist als Helium. Zur Überprüfung dieser Zusammenhänge wurden praktische Leckagemessungen an einer kleberfreien Wellringdichtung mit metallischer Inneneinfassung und Graphitauflagen durchgeführt.
Aktuell liegen allerdings lediglich Einzelprüfungen mit Wasserstoff vor, aus denen sich noch keine flächendeckenden Schlussfolgerungen ziehen lassen. Es ist jedoch davon auszugehen, dass Helium weiterhin als Medium für Leckageprüfungen genutzt werden wird und die Auslegungskriterien für dichte Flanschverbindungen, z.B. nach TA Luft 2021, auch zukünftig Bestand haben werden.
Wasserstoffnutzung
Als Energieträger kann Wasserstoff vielfältig genutzt werden. Er ist Kraftstoff für Fahrzeuge, die mit Brennstoffzellen angetrieben werden, ins Erdgasnetz eingespeist kann er zur Strom- bzw. Wärmeerzeugung dienen, als Rohstoff in der chemischen Industrie genutzt oder als eFuel zukünftig wie Rohöl und Erdgas weltweit gehandelt werden. Für die Dichtungstechnik ist auch dieser Bereich relevant.