DVS_Bericht_373LP

2021
DVS-BERICHTE
DVS Studie
Fügetechnik für die neue
Wasserstoffökonomie
– Werkstoffe, Schweißtechnologien,
Perspektiven –

DVS Studie
Fügetechnik für die neue
Wasserstoffökonomie
– Werkstoffe, Schweißtechnologien,
Perspektiven –
Erstellt von Prof. Dr.-Ing. habil Thomas Kannengießer
und Jun.-Prof. Dr.-Ing. Michael Rhode
Studie im Auftrag der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS

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DVS-Berichte Band 373
ISBN: 978-3-96144-157-0 (Print)
ISBN: 978-3-96144-158-7 (E-Book)
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© DVS Media GmbH, Düsseldorf 2021
Druck/Printing: WIRmachenDRUCK GmbH, Backnang

Vorwort
Fügetechnik für die neue Wasserstoffökonomie –
Werkstoffe, Schweißtechnologien, Perspektiven
Die Begrenzung der globalen Erderwärmung ist eine der großen Herausforderungen der
internationalen Staatengemeinschaft in den nächsten Jahrzehnten. Vor diesem
Hintergrund kommt der Defossilisierung und der verstärkten Nutzung von Wasserstoff
als Speichermedium und Energieträger eine herausragende Rolle zu.
Deutschland hat sich verpflichtet, eingegangene Klimaschutzvereinbarungen einzuhalten.
Diese können nur durch grundlegend neue Verhaltensweisen und Maßnahmen erreicht
werden. Neue Technologien leisten einen wesentlichen Beitrag dazu. Deutschland, als
eine der führenden Industrienationen, ist darüber hinaus im Rahmen der Energiewende
stetig herausgefordert, seine internationale Wettbewerbsfähigkeit hinsichtlich
Klimaschutztechnologien zu steigern und auch künftig als bedeutender Treiber und
Impulsgeber zu fungieren. Ambition der Bundesregierung ist dabei, Deutschland als einen
der weltweit führenden Anbieter von Technologien zur Gewinnung, Speicherung,
Weiterleitung und Nutzung von Wasserstoff zu etablieren. Mit gezielten Maßnahmen
sollen dabei die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen in diesem
zukunftsträchtigen Technologiefeld gestärkt werden. Eine verstärkte Nutzung von
Wasserstofftechnologien wird maßgeblich dazu beitragen, künftig Wertschöpfung,
Beschäftigung, Steueraufkommen und damit Wohlstand und gesellschaftliche Entwicklung
zu sichern.
Entsprechend der von der Bundesregierung formulierten „Nationalen
Wasserstoffstrategie“ sollen ökologische und ökonomische Ziele zugleich verfolgt werden.
Diese sind nur mit entsprechender Unterstützung von Forschung, Entwicklung, Innovation
und Qualifizierung zu realisieren.
Hierbei kommt der Fügetechnik eine Schlüsselrolle zu. Gelingt es zum Beispiel, mit ihrer
Hilfe eine sichere und funktionsfähige Infrastruktur für die Speicherung und den Transport
von Wasserstoff zu schaffen oder eine massentaugliche Produktion von Brennstoffzellen
sicherzustellen, werden die Anforderungen an die Fügetechnik in diesem Bereich
kontinuierlich steigen.
Einen umfassenden Überblick über den aktuellen Forschungsbedarf zum Thema
„Fügetechnik für die neue Wasserstoffökonomie“ bietet die vorliegende Studie. Sie wurde
von der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS in
Auftrag gegeben, um die Bedeutung der Fügetechnik und ihrer Perspektiven für dieses
Geschäftsfeld zu ermitteln. Sie stellt dar, inwiefern spezifische Werkstoffe und
Schweißtechnologien in der Erzeugung, Speicherung, im Transport und in der Nutzung
von Wasserstoff relevant sind.
Dipl.-Ing. Jens Jerzembeck
Geschäftsführer
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS

Zusammenfassung
Die Studie gibt einen Überblick über die Aspekte der Fügetechnik und ihrer Bedeutung in
Wasserstofftechnologien. Dazu werden die Grundlagen der Technologiefelder Wasserstofferzeugung,
-speicherung, -transport und -nutzung vorgestellt und der Stand der Technik
der fügetechnischen Fertigung von Komponenten in Wasserstofftechnologien zusammengefasst.
Dabei werden nicht nur exklusiv Metalle betrachtet. Anhand repräsentativer
Beispiele aus der Praxis, Forschung und Entwicklung wird die Bedeutung der Fügetechnik
in Wasserstofftechnologien klar herausgestellt und mögliche Perspektiven für die Zukunft
abgeleitet. Hier ist ersichtlich, dass Fügetechnologien wesentliche Bedeutung für die erfolgreiche
Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien haben,
von der Erzeugung bis zur Anwendung. Aus gesamtwirtschaftlicher Sicht umfassen
die Schwerpunkte bzw. Trends der Fügetechnik dabei: die Erstellung neuer Infrastruktur
für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie die sichere Umnutzung der bestehenden
Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstoffanwendung wird die effiziente massentaugliche
Produktion von Brennstoffzellen immer wichtiger. Es ist zudem klar ersichtlich, dass die
additive Fertigung bereits jetzt ein hohes Potential für Komponenten von Wasserstofftechnologien
besitzen und dieses wachsen wird. Aus den perspektivischen Anwendungen ergeben
sich zudem Herausforderungen und Forschungsbedarfe für die notwendigen nationalen
und internationalen Regelwerke und technischen Normen. Schwerpunktmäßig sind
hierbei die bereits bestehenden Empfehlungen und kodifizierten Regeln vollständig zu
adaptieren und in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal einzubetten.
Abstract
This study provides an overview of aspects of the importance of joining processes in hydrogen
technologies. For this purpose, the fundamentals of the technology fields of hydrogen
generation, storage, transport, and utilization are briefly presented. On this basis, the
state of the art in joining technology for the production of components for hydrogen technologies
is summarized. Not only exclusive metals are considered. On the basis of representative
examples from industrial practice, research and development, the importance of
joining technology for hydrogen technologies is clearly highlighted and possible perspectives
are derived. It is evident that joining technologies are of essential importance for the
successful implementation of technical components in hydrogen technologies, from generation
to application. The focal points or trends of joining technologies include: the erection
of new infrastructure for hydrogen storage and transport, and the repurposing of existing
natural gas infrastructure. In hydrogen applications, the efficient mass production of
fuel cells is becoming increasingly important. It is also clear that additive manufacturing
already has a high potential for hydrogen technology components and that this potential
will grow. The perspective applications also pose challenges for the necessary national
and international regulations and technical standards. In the case of already existing recommendations
and codified rules, these must be almost completely adapted, and the training
and further education of joining technology personnel must be considered.
II

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Vorwort und Zusammenfassung
1 Einleitung ................................................................................................... 1
2 Wasserstoff - Erzeugung, Transport, Speicherung, Nutzung ............... 3
2.1 Wasserstofferzeugung / Power-to-Gas ...................................................... 3
2.2 Speicherung ................................................................................................. 5
2.3 Wasserstofftransport .................................................................................. 7
2.4 Wasserstoffnutzung .................................................................................... 9
3 Fügetechnik in Wasserstofftechnologien ............................................. 12
3.1 Fügetechnik in der Wasserstofferzeugung ............................................. 12
3.1.1 Elektrolyseure ...............................................................................................12
3.1.2 Zusammenfassung - Trends in der Wasserstofferzeugung .......................13
3.2 Fügetechnik in der Wasserstoffspeicherung .......................................... 14
3.2.1 Druckspeicher ...............................................................................................14
3.2.2 Flüssiggas-Speicher und -leitungen............................................................16
3.2.3 Kavernenspeicher und Peripheriekomponenten ........................................19
3.2.4 Zusammenfassung - Trends in der Wasserstoffspeicherung ....................20
3.3 Fügetechnik im Wasserstofftransport (Schwerpunkt) ........................... 21
3.3.1 Rohrleitungen und Prüfung ..........................................................................21
3.3.2 Schweißen von höherfesten Güten für Wasserstoffpipelines....................23
3.3.3 Rohr-Rohr-Schweißverbindungen für Wasserstoffpipelines .....................24
3.3.4 Rohrstähle in H 2-Erdgasmischungen ..........................................................28
3.3.5 Kunststoffrohre .............................................................................................30
3.3.6 Zusammenfassung - Trends im Wasserstofftransport ...............................31
3.4 Fügetechnik in der Wasserstoffnutzung (Schwerpunkt) ....................... 33
3.4.1 Laserstrahlbasierte Fertigungsprozesse für Brennstoffzellen ..................33
3.4.2 Technologien für die Serienfertigung von Brennstoffzellen ......................36
3.4.3 Endverbrauchsgeräte ...................................................................................36
3.4.4 Zusammenfassung........................................................................................37
3.5 Additive Fertigung für Wasserstoff-Technologien ................................. 37
III

Inhaltsverzeichnis
3.5.1 Beispiele ........................................................................................................37
3.5.2 Zusammenfassung........................................................................................40
3.6 Regelwerke / Normen / Aus- und Weiterbildung ..................................... 40
4 Zusammenfassung und Fazit ................................................................. 44
5 Verzeichnisse ........................................................................................... 48
5.1 Abbildungen .............................................................................................. 48
5.2 Tabellen ...................................................................................................... 48
5.3 Abkürzungen ............................................................................................. 48
5.4 Zitierte Institutionen und Verbände ......................................................... 49
5.5 Literatur ...................................................................................................... 51
IV

Einleitung
1 Einleitung
„Grüner Wasserstoff ist damit der dringend benötigte Baustein für die sogenannte
Sektorenkopplung und den Aufbau eines nachhaltigen, globalen Energiesystems auf
Grundlage der Erneuerbaren.“
„Die Nationale Wasserstoffstrategie verzahnt Klima-, Energie-, Industrie- und Innovationspolitik.
Ziel ist es, Deutschland international zu einem Vorreiter bei grünem
Wasserstoff zu machen und langfristig die Weltmarktführerschaft bei Wasserstofftechnologien
zu erlangen und zu sichern.“
Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien
Aus den obigen Zitaten (siehe [1]) ist ersichtlich, dass Wasserstoff als Zukunftstechnologie
deutlich gesetzt ist. Damit Wasserstoff seine Funktion in der Sektorenkopplung übernehmen
kann, muss er klimaneutral hergestellt, über eine geeignete Infrastruktur transportiert
und in Speichern gelagert werden, bevor die finale Nutzung/Anwendung erfolgt, siehe Abbildung
1. Diese Einteilung wird im Weiteren zur besseren Strukturierung der Wasserstofftechnologien
und der jeweiligen Bedeutung der Fügetechnik beibehalten.
Abbildung 1:
Schema einer auf Wasserstoff als Primärenergieträger bzw. „Power-to-Gas“ basierenden Wirtschaft,
die ausschließlich „grünen“ Strom verwendet
Die genannten vier Technologiefelder erfordern technische Systeme, Bauteile und Anlagen,
die sicher und zuverlässig funktionieren. Zur grundlegenden Herstellung der Systeme
und Anlagen leisten Fügetechnologien unverzichtbare Beiträge. Beispiele sind hier die neu
errichteten und geschweißten Pipelines und Rohrleitungen zum geplanten Wasserstofftransport
als auch die Verwendung des Erdgasnetzes. Aber auch CFK-Hochdruckspeicher
für mobile Anwendungen werden durch Fügetechnologien (wie das Wickeln) erst
möglich. Für die Wasserstoffnutzung als Energiequelle der Zukunft werden
1

Einleitung
Brennstoffzellen massiv an Zahl und Bedeutung gewinnen. Damit verbunden sind notwendige
effiziente Fügetechnologien, die bereits teilweise als technische Lösungen (Laserstrahlschweißen)
verfügbar sind. Eine Studie des VDMA [2], prognostiziert für 2040 einen
höheren Marktanteil von PKW mit Brennstoffzelle und eine Schlüsselrolle für schwere
Nutzfahrzeuge und Schiffsanwendungen. Zudem werden pulver- oder drahtbasierte additive
Fertigungsverfahren wichtig für die effiziente Gestaltung komplexer Bauteile mit optimierter
Geometrie für höchste Beanspruchungen, z.B. Brenner für Gasturbinen, die überhaupt
erst die Umstellung der Turbine von Erd- auf Wasserstoffgas ermöglicht.
Inhalte, Ziele und Methodik der Studie
Kapitel 2 liefert einen Überblick der Technologiefelder einer Wasserstoffökonomie: Erzeugung,
Speicherung, Transport und Nutzung. Dazu werden jeweils Hauptkomponenten vorgestellt,
wie Druckspeicher für die Speicherung oder Brennstoffzellen für die Anwendung,
bei denen Fügetechnologien wesentlich für die Herstellung sind.
Kapitel 3 beschreibt den Stand der Technik bei der fügetechnischen Fertigung von Komponenten
für Wasserstofftechnologien anhand repräsentativer Beispiele aus der Praxis,
Forschung und Entwicklung. Dabei werden nicht nur exklusiv Metalle, sondern auch die
für mobile Speicher und Gasverteilnetze wichtigen Kunststoffe / Komposit-Werkstoffe mit
betrachtet. Auf Basis dieser Betrachtungen werden dann Schwerpunkte abgeleitet bzw.
Trends und Perspektiven der Fügetechnik. Diese umfassen die Erstellung neuer Infrastruktur
auf Wasserstoff als auch die Umwidmung der bestehenden Erdgasinfrastruktur
auf Transport und Speicherung zunächst auf wasserstoffhaltige Gasmischungen. Bei der
Wasserstoffanwendung/ -nutzung ist insbesondere die effiziente massentaugliche Produktion
von Brennstoffzellen oder der Strukturierung und Oberflächenbeschichtung von Elektroden
(auch für die Elektrolyse). Zusätzlich wird auch auf dadurch bedingte Herausforderungen
für die notwendigen Regelwerke und die Aus- und Weiterbildung eingegangen.
Kapitel 4 fasst die Inhalte und Aussagen der Studie zusammen und stellt die abgeleiteten
Schlussfolgerungen vor. Hier ist eindeutig ersichtlich, dass Fügetechnologien eine wesentliche
Bedeutung für die erfolgreiche Umsetzung von technischen Komponenten für Wasserstofftechnologien
haben: von der Erzeugung bis zur Nutzung.
Die vorliegende Studie erbringt substanzielle Aussagen zur Anwendung und zu Perspektiven
der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien. Aussagen zu verwandten Beschichtungstechnologien
wurden aufgrund der Komplexität nur bis zu einem bestimmten Grad
berücksichtigt, z.B. für die Herstellung, Beschichtung und Strukturierung von Elektroden
für Elektrolyseure und Brennstoffzellen.
2

Wasserstoffökonomie
2 Wasserstoff - Erzeugung, Transport, Speicherung,
Nutzung
Eine wasserstoffbasierte Energiewirtschaft, soll hauptsächlich oder ausschließlich
Wasserstoff als Energieträger verwenden, ist bisher jedoch in keinem Land realisiert
worden. Als Energieträger kann Wasserstoff dann z.B. in Brennstoffzellen wieder in
Elektrizität umgewandelt werden oder als Energieträger für nachhaltige Mobilität dienen.
Naturgemäß kommen der Speicherung und dem Transport wesentliche Bedeutung
für die Wasserstoffinfrastruktur zu. Die Wasserstoffnutzung/-anwendung ist bereits
vielfältig möglich z.B. in der Mobilität oder Rückverstromung (durch Brennstoffzellen).
Zukünftig wird hier aber auch die industrielle Anwendung wesentlich zunehmen.
2.1 Wasserstofferzeugung / Power-to-Gas
Wasserstoff kann durch die Spaltung von Wasser, aus Biomasse oder aus Kohlenwasserstoffen
(z.B. aus fossilen Energieträgern) gewonnen werden. Zu besseren Unterscheidung
der „Herkunft“ werden diese mit Farben kodifiziert, die angeben aus: (a) welcher Quelle
der Wasserstoff stammt bzw. (b) welche Energieform zur Erzeugung eingesetzt wird [3].
Die erste Form des „grünen Wasserstoffs“ soll dabei für Deutschland in Zukunft die primäre
Bedeutung besitzen. Weiterhin können drei Nebenformen unterschieden [4].
Tabelle 1: Formen des erzeugten Wasserstoffs [3,4]
Farbcode
Grün
Blau
Charakterisierende Eigenschaft der Wasserstofferzeugung
• Herstellung durch Elektrolyse von Wasser
• CO2-frei, wenn Strom aus regenerativen Energien
• Herstellung aus fossilen Energieträgern
• CO2-Abscheidung durch Carbon Capture Storage (CCS) oder Usage (CCU)
Grau
Türkis
• Herstellung aus fossilen Energieträgern 10 t CO2 pro 1 t H2
• Hauptsächlich aus Methanumwandlung in H2 und CO2 durch Dampfreformierung
• Pyrolyse von Methan
• CO2-Neutralität bei Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren
Energien
Weiß • H als Nebenprodukt (z.B. aus Chlor-Alkali-Elektrolyse in chem. Industrie 1 )
Gelb
Pink / Rot
• Strom zur Wasserelektrolyse aus Energie-Mix (Fossil, Nuklear, Erneuerbar)
• Strom zur Wasserelektrolyse aus Kernkraftwerken
Derzeit geschieht die Gewinnung von Wasserstoff primär auf Basis fossiler Stoffe (z.B.
Dampfreformierung von Methan als „grauer“ Wasserstoff bzw. als „weißer“ Wasserstoff in
1
Chlor-Alkali-Elektrolyse ist derzeit in der chemischen Industrie ein wichtiges Verfahren zur Erzeugung der
Grundstoffen Chlor und Wasserstoff aus der Umsetzung von Wasser und Natriumchlorid
3

Wasserstoffökonomie
der chemischen Industrie über die „Chor-Alkali-Elektrolyse“. „Roter Wasserstoff“ spielt in
Deutschland aufgrund des Atomausstieges bis 2022 keine Rolle mehr, kann aber argumentativ
beim Import aus dem Ausland eine Rolle spielen hinsichtlich der Nachhaltigkeitsfrage
2 . Zukünftige Konzepte für Deutschland sehen die Gewinnung CO 2-freien, „grünen“
Wasserstoffs über Wasserelektrolyse aus erneuerbaren Energien zwingend
vor [5]. Die gebräuchlichsten Elektrolyseur-Typen sind in Tabelle 2 dargestellt. Eine Studie
zum Stand der Elektrolyse findet sich in [6].
Tabelle 2: Elektrolyseur-Typen, nach [6]
Bezeichnung
Abkürzung
Betriebstemp.
[°C]
Alkalischer Elektrolyseur A-EL 50 bis 80
PEM 3 -Elektrolyseur PEM-EL 20 bis 100
Hochtemperatur (bzw.
Festoxid-)elektrolyseur
HT-EL 700 bis 1000
Elektrolyt
Membran
KOH-
Perforierte
Lauge
Bleche
Festpolymer-Membran,
wird von Wasser umspült
ZrO2-Membran trennt Anode und
Kathode, Nutzung Wasserdampf
Nach [7] haben europäische Hersteller die technologische Führerschaft bei Techniken wie
PEM- und HT-EL, nicht jedoch bei der konventionellen A-EL (nach Anzahl der weltweiten
Veröffentlichungen und Patente). Der Grundaufbau eines Elektrolyseurs folgt dabei immer
dem Schema: zwei Halbzellen (Anodenraum zur Sauerstoff- und Kathodenraum zur Wasserstoffproduktion),
die durch physische ionenselektive Barrieren (Diaphragma) oder leitfähige
Membranen (mit Funktion des „Elektrolyten“) getrennt sind.
Power-to-Gas
Der Anteil erneuerbarer Energien in der Stromerzeugung wird deutlich zunehmen. Problematisch
ist hier die Verfügbarkeit bzw. die volatile Schwankung von Stromangebot und -
nachfrage. Hier wird Wasserstoff als chemischer Energiespeicher eine zentrale Rolle spielen
[8]. Mit dem Power-to-Gas (PtG) 4 steht bereits heute ein technisches Konzept bzw.
Kopplungselement zwischen Stromerzeugung und H 2-Speicherkapazität zur Verfügung.
Wasserstoff wird dazu mittels Wasserelektrolyse und Strom aus erneuerbaren Energien
bereitgestellt und in Speichern gelagert oder direkt ins Gasnetz eingespeist. Der Wasserstoff
kann dann am selben oder anderen Orten genutzt bzw. (in Brennstoffzellen) rückverstromt
werden.
Momentane PtG-Schwerpunktthemen sind hier die Einspeisung von Wasserstoff in das
Erdgasnetz. Dies wirft Fragestellungen hinsichtlich der Werkstoffkompatibilität und der Sicherheit
der Gastransportnetze auf. Dies gilt sowohl für Bestandswerkstoffe in
2
Atomkraftwerke werden als Stromquelle für „grünen Wasserstoff“ auch in Europa diskutiert, siehe:
https://www.energate-messenger.de/news/209754/visegrad-staaten-werben-fuer-nuklearen-wasserstoff)
3
PEM - Proton oder Polymer Exchange Membrane, Protonen- oder Polymeraustauschmembran
4
Das PtG-Konzept basiert auf Power-to-X (PtX), wobei das X für weitere Kopplungselemente steht, bspw. PtC
(Chemicals Erzeugung von Grundchemikalien), PtL (Liquids Erzeugung synth. Kraftstoffe
4

Wasserstoffökonomie
Verteilernetzen als auch für Neueinrichtungen von Pipelines aus Großrohren für die Fernleitungsnetze,
die ausschließlich geschweißt werden, siehe Kapitel 3.3.
2.2 Speicherung
Wasserstoff kann auf vielfältige Arten gespeichert und gelagert werden. Die gängigsten
Techniken sind physikalisch basiert, wie: (1) Druckspeicherung bei Umgebungstemperatur
als verdichtetes Gas, (2) Flüssigspeicherung als tiefkaltes verflüssigtes Gas oder als (3)
kryokomprimierte Speicherung als tiefkaltes Druckgas. Neben physikalisch basierten
Wasserstoffspeicherung kann Wasserstoff in chemisch gebundener Form transportiert
werden: (1) Überführung von CO/CO 2 in Methan (CH 4), (2) Überführung in NH4 / Ammoniak
als leichter zu transportierendes Material, z.B. für die Verwendung in der chemischen
Grundstoffindustrie 5 . Weitere Speichermöglichkeiten befinden sich derzeit in der Grundlagenforschung
bzw. in der technischen Erprobung wie Metal Organic Frameworks
(MOFs). Diese werden als eine der vielversprechendsten Speichertechnologien angesehen.
Einen Überblick über Wasserstoffspeichertechnologien ist in [11] dargestellt.
Wasserstoff diffundiert (als Molekül bzw. in Metallen in dissoziierter atomarer Form) relativ
gut. Dabei hängt die Rate des diffundierenden Wasserstoffs von den Bedingungen der
Wasserstoffabsorption ab, wie hohe Temperaturen und hoher Innendruck. Bei metallischen
Werkstoffen kann es dann zur bekannten Degradation der Werkstoffeigenschaften
(„Versprödung“, Duktilitätsabnahme) etc. kommen. Die Bewertung dieser komplexen Prozesse
bildet eine generelle Herausforderung im Sinne der Kompatibilität der Materialien
für Wasserstoffanwendungen, siehe dazu auch Kapitel 3.4.
Bauformen von Druckgasspeichern für stationäre und mobile Anwendungen
Begründet durch die zugrundeliegende Verteilung der mechanischen Spannungen (aufgrund
der Druckgasbeanspruchung) haben serienmäßige Druckbehälter zumeist zylindrisch
Form [11]. Der Grund ist die Auslegung nach „Kesselformel“, d.h. Berechnung der
zulässigen Lastspannungen z.B. nach DIN EN 13445, Teil 3 [9]. Allerdings sind auch hier
FuE-Aktivitäten bekannt z.B. für alternative Kugelspeicher, die halbierte minimale Wandungsstärken
ermöglichen würden, z.B. im Rahmen des Projektes „KuWaTa“ 6 siehe [10].
Der Grund liegt im Fehlen der in Zylindern zu berücksichtigen Tangentialspannungen. In
der Vergangenheit hat sich die Typologisierung der Speicher in vier Typen (I bis IV) etabliert
[11]. Diese unterscheiden sich von der Entwicklungshistorie sowie von den eingesetzten
Materialien. Tabelle 3 gibt einen Überblick über die gängigen Druckspeichertypen.
Tabelle 3: Bauformen von Druckgas-Wasserstoffspeichern [11]
Typ Aufbau Applikationen
5
H-Bindung in Form von Ammoniak bildet einen wichtigen Teil der australischen Wasserstoffstrategie
6
Kugelförmige Druckbehälter zur Wasserstoffspeicherung
5

Wasserstoffökonomie
I
• Metallische Wandung,
• meist Stahl
II • Metallische Wandung
• Ummantelung aus harzgetränkter
GFK oder CFK, Wicklung im zylindrischen
Bereich
III • Metallische Wandung (meist Aluminium),
gewickelte CFK-Ummantelung
um den gesamten Behälter
IV • Kunststoffwandung (Polyamid/ Polyethylen),
gewickelte CFK-Ummantelung
um den gesamten Behälter
• 200 bis 300 bar für Industriegase
• Standard-Transportbehälter
• Stationäre Anwendungen
• Höhere Nenndrücke bis 1000 bar bei ähnlichem
Gewicht
• Speicherbehälter an H2-Tankstellen
• Speicher in Fahrzeugen f. 350 od. 700 bar
• Auch für stationäre Anwendung, aber höhere
Kosten als Typ I und II
• Druckbeständigkeit wie Typ III
• Gewichtsvorteil gegenüber Typ I - III
• Transport- oder Speicherbehälter für Mobilität
Für die mobile Speicherung in Fahrzeugen, werden Druckbehälter aus Metall-Faserverbundwerkstoff-Systemen
(Typ 3 und 4), reine metallische Speicher (Typ 1) verwendet.
Darüber hinaus können zukünftig auch feste Speichermedien (z.B. Metallhydridspeicher)
zum Einsatz kommen. Eine wichtige Norm für die Druckgasspeicher in Fahrzeugen ist z.B.
die ISO 15869. Die Gründe sind insbesondere der hohe möglichen Druck, entfallende Isolierungsprobleme
wie bei der Kryospeicherung und nicht zuletzt das reine Speicherleergewicht.
Die Druckbehälter müssen so ausgelegt werden, dass sie die vielfältigen Belastungen,
die in ihrem Betriebsleben auftreten können, sicher überstehen (z.B. mechanische
Beanspruchung im Crashfall).
Kryospeicher
Flüssige Wasserstoffspeicherung bietet Vorteile in der erreichbaren Speicherdichte, d.h.
der aufgenommenen Gasmenge bei Umgebungsbedingungen. Im Gegensatz zu Druckspeichern
müssen die Flüssigspeicher aber aufwändig isoliert werden, da sonst die Verlustrate
durch die Tankwandung zu groß wäre. Daher haben Kryospeicher einen inneren
Lager- und einen äußeren Isolationsbehälter, erweitert um Komponenten wie elektrische
Zusatzheizer zur Gastemperierung bei Entnahme sowie einer Heizeinheit direkt im Flüssiggas
[11]. Trotz der guten Speicherdichte hat sich die Kryospeicherung aufgrund der
aufwändigen Verflüssigung bzw. der systembedingten Verluste beim Speichern in der Mobillösung,
wie oben angeführt, nicht durchgesetzt. Kryospeicher finden in erster Linie für
den Transport von Wasserstoff per LKW oder als stationärer dezentraler Speicher z.B. an
Tankstellen oder für die Industrie Verwendung [11,12].
Großtechnische Lagerung in Kavernenspeichern
Eine Sonderform von Wasserstoffspeichern sind unterirdische Großspeicher wie ausgespülte
Kavernen in Wirtsgesteinen wie Salzstöcken. Solche Kavernenspeicher werden in
Deutschland bereits seit Jahren umfassend als Erdgaspuffer bzw. strategische Reserve
genutzt. Dazu sind in Deutschland über 50 Untergrundspeicher mit bis zu 24 Milliarden
Kubikmeter Speicherkapazität vorhanden [13]. Naturgemäß werden diese Speicher derzeit
auch hinsichtlich der Verwendbarkeit für Wasserstoff getestet. Dazu wurde in Rüdersdorf
bei Berlin ein Pilotprojekt begonnen. Der Betrieb soll 2022 aufgenommen werden [14].
6

Wasserstoffökonomie
In diesem Projekt 7 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt/EWE GmbH sollen
u.a. Fragen beantwortet werden, welche Reinheit rückgefordertes H-Gas aus Salzstöcken
hat.
Diese Fragestellungen betreffen wiederum die eingesetzten Werkstoffe für die Fördersonden
und Bohrlochauskleidungen. Auch hier sind spezielle Fragestellungen der Fügetechnik
zu fokussieren, z.B. das zyklische Betriebsverhalten geschweißter Verrohrungen oder
Mischverbindungen mit Armaturen und Ventilen (wenn nicht geflanscht).
2.3 Wasserstofftransport
Der Wasserstofftransport bildet das zentrale Element neben der Speicherung. Die Gründe
liegen auf Deutschland bezogen z.B. in der geographischen Trennung der Wasserstofferzeugung
(vornehmlich in der Nähe von Offshore-Windenergieanlagen) und den großen
Abnehmerzentren im Süden.
Fernleitungsnetze
Nach [15] eignen sich für den großtechnischen Transport von Wasserstoff nur „Pipelines
für große Volumina“ bzw. wird aus der FNB Gas-Studie 8 [16,17] deutlich, Wasserstoffpipelines
mit einer Länge von 5.900 km allein in Deutschland betreiben zu müssen, um
die geplanten Erzeugungszentren im Norden mit den großen Abnehmerzentren im Süden
zu verbinden. Allerdings sollen ca. 90 % dieser Fernleitungsnetze auf dem bestehenden
Erdgasnetz basieren [18], d.h. aber immer noch das ca.600 km Neubauleitungen notwendig
sind. Diese Fernleitungsnetze bestehen bisher ausschließlich aus sogenannten Großrohren
aus Stählen mit entsprechenden Festigkeiten. Die Herstellung der Großrohre im
Werk erfolgt zumeist durch das Verschweißen kreisförmig gebogener oder ausgewalzter
Platten durch Längs- oder Spiralnahtschweißen eines abgewickelten Coils.
Beide Rohrherstellungsarten haben spezifische Vor- und Nachteile. Prinzipiell haben
beide Herstellungsarten eine ähnliche Fertigungsabfolge, jedoch sind Spiralnahtrohre weniger
komplex in der Herstellung (Abhaspeln des Coils, Richten, Biegen des Bandes, Kantenfräsen,
Heften, Schweißen) und es erlaubt die Fertigung von beliebigen Rohrlängen.
Das Längsnahtverfahren ist komplexer und anspruchsvoller. Die Schritte bestehen hier
z.B. aus: Vorbiegen der Blechtafeln, Biegen einer U-Schale, Fertig-Rundbiegen, Kantenfräsen,
Heften, Schweißen [19]. Der Vorteil des Längsnahtschweißens ist, dass z.B. auch
plattierte Werkstoffe zu Rohren verarbeitet werden können, nachteilig ist die begrenzte
Länge. Für beide Rohrformen (nach DIN EN 10217) in Frage kommende Schweißprozesse
sind das (Mehrdraht-)-Unter-Pulver-Schweißen [20,21]) oder konduktives/induktives
Hoch-Frequenzschweißen ([22,23] bzw. „HFI“ nach [19]).
Verteilernetze (bzw. Ortsnetze)
7
Hydrogen in Caverns for Mobility
8
Vereinigung der Fernleitungsnetzbetreiber Gas
7

Wasserstoffökonomie
Sie dienen der Verteilung eines Gases auf regionaler bzw. lokaler Ebene und haben dementsprechend
kleinere Durchmesser und Betriebsdrücke. Deswegen werden hier in bestimmten
Bereichen auch alternative Werkstoffe wie Polymere (Polyethylen/PE usw.) eingesetzt.
Für Stahlrohre kommen hier prinzipiell neben den o.g. Techniken auch MSG-Prozesse
in Betracht, da die Wandstärken hier meist geringer sind. Die Rohrleitungen aus
Polyethylen (PE, Thermoplast mit guter chemischer, abrasiver und UV-Beständigkeit) sind
sowohl für ober- und unterirdische Verlegung (Tiefbau) geeignet. Dabei sind die unterschiedlichen
Diffusionseigenschaften von Wasserstoff gegenüber Methan / Erdgas durch
die Rohrwandungen zusätzlich zu beachten (siehe Kapitel 3.3.5.) Für PE-Rohre sind etablierte
Schweißprozesse verfügbar mit sog. Heizwendelschweißgeräten. Diese verschweißen
die Rohre entweder direkt (unter zusätzlichem Zusammenpressen der Fügestelle)
oder durch das Verschweißen der Rohre Hüllmuffen.
Zukünftiger Wasserstofftransport in Großrohren / Pipelines
Im europäischen Bereich existieren bereits empfehlende Grundsätze für den Betrieb und
die Errichtung von Gasnetzen, wie die EIGA 9 - Richtlinie 121/14 „Hydrogen Pipeline Systems“
[24] oder die ASME (American Society of Mechanical Engineers) B31.12 „Hydrogen
Piping and Pipelines“ überarbeitet [25]. Beide Regelwerke enthalten praktische Empfehlungen
zur Werkstoffauswahl, Schweißverarbeitung, usw. Nach der EIGA-Richtlinie sind
Rohrleitungsstähle bis zu einer Streckgrenze von 360 MPa (d.h. Rohrleitungsstähle bis
L360 oder X52 nach API 10 Spec 5L [26]) für Pipelines zugelassen. Höherfeste Güten
würden dabei einen wesentlich ökonomischeren Materialeinsatz ermöglichen aufgrund der
geringeren Wandungsstärke bei gleichem Druck oder höheren Drücken bei gleicher
Wandstärke. Weltweit sind bereits diverse Wasserstoff-Leitungsnetze teilweise seit mehreren
Jahrzehnten im Einsatz [27,28], z.B. Air Liquide in F, B, und NL [27,28,29] oder die
Linde AG im Industriegebiet Leuna-Bitterfeld-Wolfen [30]. Wichtige Kenngrößen für zukünftige
Pipelines allgemein sind der Transportdruck und der Durchmesser der Röhren.
Als Zielparameter für Wasserstoffpipelines wurden dafür in [31] definiert: 48 Zoll
(1.220 mm) Durchmesser, Abgabedruck 67 bis 80 bar, Eingangsdruck 30 bis 40 bar und
einer Kapazität von 13 GW 11 .
Forschungsbedarf zur Materialkompatibilität unter Druckwasserstoff, sprich möglicher Degradation
und Rissbildung, teilweise noch offen. Dies betrifft bei geschweißten Großrohren
insbesondere die Härteverteilung und mögliche -spitzen in der Schweißnaht. Herausforderungen
für die fügetechnische Verarbeitung von Rohren sind detailliert im Kapitel 3.3.2
und 3.3.3 dargestellt.
Wasserstofftransport über das bestehende Erdgasnetz
Ein wesentlicher Bestandteil der Umstellung der deutschen Wirtschaft auf eine wasserstoffbasierte
Energieversorgung inkludiert die Nutzung bzw. Umwidmung des bestehenden
und sehr gut ausgebauten deutsches Erdgasnetzes. Zudem liegen in Ortsnetzen
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EIGA - European Industrial Gases Association
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API - American Petroleum Institute
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Leistungsäquivalent der transportierten Gasmenge
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Wasserstoffökonomie
Erfahrungen aus der Vergangenheit mit wasserstoffhaltigen Gas-Mischungen 12 vor. Jedoch
ergeben sich durch die geplante Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas und langfristig
auch bei der Umstellung auf reinen Wasserstofftransport die bereits genannten Fragestellungen
zur generellen Materialkompatibilität der bereits eingesetzten Werkstoffe.
Dazu laufen bereits einige Forschungsprojekte, um die bestehende Erdgasinfrastruktur für
Wasserstoff umzunutzen. Eine weitere Größe beim Wasserstofftransport ist die unterschiedliche
Energiedichte zu Erdgas, d.h. abhängig vom Mischungsverhältnis bis hin zu
reinem Wasserstoff sind höhere Transportdrücke notwendig, um die gleiche Energiemenge
(z.B. die postulierten 13 GW aus [31]) zu gewährleisten. Das Verbundvorhaben
H2-PIMS 13 beschäftigt sich dazu mit der Weiterentwicklung der Erdgasinfrastruktur [32].
Ziele sind hier u.a. die Entwicklung von Konzepten für die Instandhaltung, die Erweiterung
von bestehenden Regelwerken für den Betrieb umgewidmeter Infrastrukturen oder (wo
notwendig) die Empfehlung neuer Standards.
Allerdings sind hier Fragestellungen der Kompatibilität in der Bestandsinfrastruktur bereits
eingesetzter Werkstoffe teilweise offen (mögliche Eigenschaftsdegradation oder Rissbildung
unter veränderter Gaszusammensetzung, aber auch der Wirkung von Verunreinigungen
im ppm-Bereich). Dies betrifft insbesondere die gefertigten Schweißverbindungen.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass in Verteilernetzen neben metallischen Werkstoffen
auch die genannten Kunststoffrohre (z.B. aus PE-Basis) eingesetzt werden. Sich ergebende
Herausforderungen für die Fügetechnologie, siehe Kapitel 3.3.4.
2.4 Wasserstoffnutzung
Wasserstoff ist das zentrale Element einer treibhausgas-neutralen Energiewirtschaft und
Industrie. Wasserstoff kann für zahlreiche Anwendungen genutzt werden. Dazu werden
einige Beispiele angeführt.
Substitution fossiler Brennstoffe in der Prozessindustrie (insb. für Prozesswärme):
• Chemische Industrie: Wasserstoff als Reduktionsmittel bzw. Ausgangsstoff für chemische
Reaktionen und insbesondere als Energieträger.
• Stahlindustrie: Wasserstoff als Reduktionsmittel des Eisenerzes, u.v.m.
Brennstoffzellen:
Die Brennstoffzelle (BZ) als effizienter Energiewandler bildet naturgemäß in den Wasserstoff-Technologien
einen zentralen Schwerpunkt der Aktivitäten hinsichtlich Materialauswahl,
Verarbeitung und effizienter Produktion für den großmaßstäblichen Einsatz. Eine BZ
besteht im Allgemeinen aus den Elektroden, die durch einen Elektrolyten (ionenleitfähiges
Material) voneinander getrennt sind. Der Elektrolyt kann aus einer semipermeablen
12
So wurde bis vor ca. 25 Jahren Wasserstoff als Bestandteil des Stadtgases (Anteil 50 Vol.-%) erzeugt und
bereits durch bestehende Verteilnetze geleitet.
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Pipeline-Integrity Management System
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Wasserstoffökonomie
Membran bestehen, die nur für eine Ionensorte, z. B. Protonen, durchlässig ist. Die Elektrodenplatten,
die sogenannten „Bipolarplatten“ bestehen meist aus einem Metall oder
Kohlenstoff. Sie sind zusätzlich mit einem Katalysator versehen (Beschichtung), welche
zumeist aus chemisch weitgehend inerten Edelmetallen wie Platin oder Palladium bestehen.
Die Energieerzeugung basiert auf der Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff,
kann aber auch auf H-haltigen Verbindungen wie Methan (CH 4) oder Methanol (CH 3OH)
basieren. Eine Zusammenfassung zum Stand der Technik ist unter [33] abrufbar. Eine
Zusammenstellung der BZ-Typen findet sich in Tabelle 4.
Tabelle 4: Typen von Brennstoffzellen (BZ) [33]
Bezeichnung
(Saure) Polymer-Membran-Elektrolyt-BZ
(Alkalische)
Elektrolyt-BZ
Phosphorsäure-BZ
Schmelzcarbonat-BZ
Festoxid-
BZ
Ab-kürzung
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Betriebstemp.
[°C]
Elektrolyt
Brennstoff
Einsatzgebiet
PEMFC 75 Festpolymer H2 Mobilität
AFC 90 KOH H2 Raumfahrt
PAFC 200 - 250 H3PO4 Erdgas Heizkraftwerke
MCFC 650
SOFC 1000
Li- oder
KaCO3
Festoxid:
ZrO2 / Y2O3
Erdgas,
Biogas
Erdgas,
Biogas
(Heiz-)
Kraftwerke
(Heiz-)
Kraftwerke
Die PEMFC hat momentan das breiteste Anwendungsspektrum, SOFC sind ein Schwerpunkt
der Forschung und Entwicklung. Nach [33] ist der Entwicklungsstand der Brennstoffzellen
gekennzeichnet durch hohe Wirkungsgrade, gute Leistungserweiterung durch modularen
Aufbau und hohes Entwicklungspotenzial. Nachteile sind noch die hohen Investitionskosten,
geringe Betriebserfahrungen und beschränkte Lebensdauer. Es wird erwartet,
dass diese Nachteile durch die BZ-Weiterentwicklung abnehmen und die Investitionskosten
durch hohe erwartete Stückzahlen sinken (z.B. Mobilitätsanwendungen) [2].
Forschungs- u. Entwicklungsprojekte beschäftigen sich daher derzeit unabhängig vom BZ-
Typ mit der Verbesserung der Langzeitstabilität der Materialien und vor allem der Massentauglichkeit
der Komponenten. Ein wesentlicher Punkt für die Fügetechnik bildet hier die
effiziente Bipolarplatten- und Stack-Fertigung durch Laserstrahlschweißen. Anwendungsbeispiele
sind dazu in Kapitel 3.4.1 dargestellt.
Wasserstofftankstellen als Schnittstelle zwischen Speicherung und Nutzung:
Das deutsche Wasserstoff-Tankstellennetz umfasst derzeit 92 Stationen (Stand
19.04.2021, Live-Monitoring in [34]) und soll weiter steigen. Allein in Bayern ist der Zubau
von weiteren 100 Wasserstofftankstellen bis 2023 geplant [35]. Der stetige Ausbau der
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PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell, AFC - Alkaline Fuel Cell, PAFC - Phosporic Acid Fuel Cell, MCFC - Molten
Carbonate Fuel Cell, SOFC - Solid Oxide Fuel Cell
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Wasserstoffökonomie
Tankstellen (inkl. der Systemkomponenten wie Speicher, Förderrohre, Pumpen und Kompressoren)
bedingt daher dementsprechenden Einsatz von Fertigungstechnologien. An
einer (momentan noch dezentralen) Wasserstofftankstelle wird Wasserstoff in flüssiger
oder komprimierter Form in Lagertanks bereitgehalten. Dazu gelten als maßgebliche Betriebsbedingungen:
• Flüssiger Wasserstoff (LH2) bei −253 °C und max. 16,5 bar bzw. als
• Gasförmiger Wasserstoff (GH2) bei 20 °C und 250 / 350 bar bzw. −40 °C bei 700 bar.
Für größere Mengen werden zumeist LH2-Speicher eingesetzt, aufgrund der begrenzten
Speicherfähigkeit von Druckspeichern. Der Druck stellt dabei für Kryotanks i.A. kein Problem
dar. Großer Aufwand muss jedoch bei der Wärmedämmung des Tanks und der Leitungen
betrieben werden [11].
Wasserstoff in Verbrennungsmotoren bzw. Wärmekraftmaschinen:
Wasserstoffmotoren bieten eine Alternative für Antriebsanwendungen zum Beispiel für
PKW [36], insbesondere LKW [37] und Blockheizkraftwerke [38]. Existierende (Diesel-)
Motoren sind beispielsweise auf Wasserstoff umrüstbar. Allerdings sind hier andere spezielle
Probleme zu lösen, wie die hohe notwendige Verdichtungsendtemperatur im Brennraum.
Zudem würden weiterhin Stickoxide ausgestoßen werden (angesaugte Luft) und
Spuren von CO 2 durch Schmierölverbrauch.
Diese Probleme erscheinen aber durch geeignete Fahrweisen des Motors („Magerbetrieb“)
mittlerweile beherrschbar [39]. Wichtige weitere Themen wie die Hydrierung des
Schmieröls sind technisch nur sehr aufwändig durch z.B. Keramikbeschichtungen beherrschbar.
Allerdings wird Wasserstoff als direktes Brenngas für bestehende Erdgasturbinen
(siehe Kapitel 3.5) als Fragestellung wichtig. Es ist zum aktuellen Redaktionsstand
schwierig zu beurteilen, ob dies ein fügetechnologischer Schwerpunkt sein wird.
Endverbrauchergeräte (Thermen):
Ein weiteres Thema bilden Endverbrauchergeräte, z.B. Brennwertthermen zur Warmwassererzeugung
und Heizung im privaten Heimsektor. Problematisch könnten hier viele Gasthermen
älterer Bauart werden, wenn perspektivisch bis zu 100 % Wasserstoff in die Leitungsnetze
gegeben werden. Jedoch können die in vielen Brennwertthermen installierten
Gasbrenner schon heute mit Wasserstoffanteilen von 10 % bis 20 % betrieben werden.
Mögliche Probleme resultieren aber in erster Linie aus der Brennertechnik und möglichen
Dichtungsproblemen. Einige Hersteller bieten bereits Brenner an, die nur mit Wasserstoff
betrieben werden können oder von Erdgas auf 100 % Wasserstoffbetrieb schrittweise umrüstbar
sind. Beispiele sind hier Viessmann („Wasserstoff-Hybrid-Heizung“) oder Bosch
Thermotechnik („H2-Ready-Heizkessel“).
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