Wasserstoff in Erdgas: Eine sicherheitskritische Anwendung

Warum die Umstellung auf eine 20-prozentige Wasserstoffbeimischung einen noch stärkeren Fokus auf Sicherheit erfordert 

Wasserstoff ist für das Erreichen der Netto-Null-Emissionen von entscheidender Bedeutung, da er bis 2050 80 Gigatonnen CO2 einsparen kann." Das geht aus dem Bericht ‚Hydrogen for Net Zero‘ des Hydrogen Council hervor.

Der Hydrogen Council ist nicht die einzige Organisation, die eine rasche Verbreitung der Wasserstoffnutzung anstrebt. Regierungen, Umweltschützer, Nichtregierungsorganisationen und die Industrie arbeiten gleichermaßen daran, unseren Verbrauch fossiler Brennstoffe durch Wasserstoff als grüne Alternative zu ersetzen.

Derzeit wird ein erheblicher Teil des von uns produzierten Wasserstoffs aus Erdgas mittels Dampfreformierung gewonnen. Dabei entsteht sogenannter "grauer Wasserstoff". Wenn die bei diesem Prozess entstehenden Kohlendioxid-Nebenprodukte abgeschieden und sicher gespeichert werden, gilt der Wasserstoff als klimaneutral und das Endprodukt wird als "blauer Wasserstoff" bezeichnet. Echter "grüner Wasserstoff" muss aus erneuerbaren Energiequellen und mittels Elektrolyse hergestellt werden.

Verständlicherweise liegt der Schwerpunkt vor allem darauf, wie wir Wasserstoff in großem Maßstab erzeugen und verteilen können und welche Anwendungen das größte Potenzial bieten. Dabei wird jedoch ein weiterer, ebenso wichtiger Aspekt außer Acht gelassen: die Notwendigkeit, die Nutzung von Wasserstoff effizienter und rentabler zu gestalten und gleichzeitig die Sicherheitsstandards aufrechtzuerhalten oder besser noch zu verbessern.

Flüchtigkeit von Wasserstoff

Obwohl Wasserstoff seit vielen Jahren als industrielles Prozessgas verwendet wird, ist seine Nutzung als Kraftstoff für den Verkehr, zur Stromerzeugung und als Haushaltsgas relativ neu. Insbesondere wenn er in das Erdgasnetz eingespeist wird, kann er mehrere potenzielle Probleme verursachen. Dazu gehören:

ExplosionsgefahrWasserstoff ist ein flüchtiges Gas, geruchlos und farblos, sodass er ohne spezielle Instrumente nur schwer zu erkennen ist.

Versprödung von Metalloberflächen in Rohrleitungen, Kompressoren usw. Das Gas kann die Zugfestigkeit einiger Metalle verringern, was zu Spannungsrissen und damit zu Undichtigkeiten führen kann.

Durchdringung von Elastomerdichtungen Wasserstoff ist ein kleines Molekül, das die in Rohrleitungsanlagen häufig verwendeten Elastomerdichtungen durchdringen kann. Bei Druckentlastung können sich die Wasserstoffmoleküle ausdehnen und das Risiko von Gasleckagen erhöhen.

Prozess-Effizienz Eine falsche Mischung von Wasserstoff und Erdgas kann die Verbrennungseffizienz von Gasturbinen beeinträchtigen, was zu höheren Kosten und potenziellen Sicherheitsrisiken führt.

Die gute Nachricht ist, dass all diese Probleme bekannt sind und mit den entsprechenden Materialien und Managementtechnologien gelöst werden können. Insbesondere die Inline-Überwachung der Prozessbedingungen während der Produktion, Verteilung und Verbrennung ist von entscheidender Bedeutung. Dazu gehört eine Reihe von Parametern, wobei die Messung von Spurenfeuchte einer der wichtigsten ist. Sie spielt eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Gasqualität, der Gewährleistung der Systemeffizienz und -sicherheit sowie der Einhaltung kommerzieller Anforderungen und gesetzlicher Vorschriften.

Taupunktanalysatoren für die Wasserstoffüberwachung 

Es gibt verschiedene Technologien zur Messung des Kohlenwasserstoff- und Wassertaupunkts, von denen einige seit vielen Jahren in unterschiedlicher Form eingesetzt werden. Allerdings sind nicht alle Taupunktanalysatoren für die Überwachung der Wasserstoffinjektion in Erdgas geeignet, insbesondere im Hinblick auf die Zertifizierung der elektrischen Sicherheit.

Im Vergleich zu Erdgas hat Wasserstoff in Verbindung mit Luft einen größeren Entflammbarkeitsbereich. Außerdem benötigt er deutlich weniger Energie für die Verbrennung – nur 0,02 Milli-Joule (mJ), was weniger als 10 % der Energie ist, die zur Entzündung von Erdgas benötigt wird (0,29 mJ). Unter bestimmten Umständen kann sogar eine statische Entladung ausreichen, um ein Wasserstoff-Luft-Gemisch zu entzünden.  Im Gegensatz zum herkömmlichen Betrieb mit Erdgas ist es von entscheidender Bedeutung, dass alle elektrischen Geräte, die in einer Umgebung eingesetzt werden, in der Wasserstoff vorhanden sein kann, über einen hohen Explosionsschutz verfügen. Nicht alle elektrischen Geräte – einschließlich Analysesysteme –, die derzeit an Erdgasstandorten installiert sind, entsprechen den Explosionsschutzanforderungen (Ex) für Wasserstoff. 

Eine sorgfältige Auswahl der Geräte ist daher wichtig. Unsere neuesten Kohlenwasserstoff-Taupunktanalysatoren von Michell Instruments sind beispielsweise für den Einsatz in Wasserstoffumgebungen ohne Modifikationen Ex-zertifiziert; dazu gehören Erdgasanwendungen mit einem Wasserstoffgehalt von mindestens 20 %. Sie liefern äußerst genaue, wiederholbare und konsistente Ergebnisse und sind nach den Normen ATEX, IECEx, UKEX und NEC505 zertifiziert.

Das Sortiment umfasst: