In Zukunft soll Wasserstoff ein wichtiger Bestandteil für ein nachhaltigeres Deutschland werden. Bis zu 10 GW Elektrolysekapazität sollen bis Ende des Jahrzehnts in Deutschland aufgebaut werden. Mit dem Wasserstoffkernnetz soll das Gas zu einem flächendeckenden Energieträger werden. Gleichzeitig testet die Industrie die Nutzung von Wasserstoff zur Produktion. Ein mögliches Anwendungsfeld: grüner Stahl, bei dem Wasserstoff die Rolle des Reaktanten einnimmt. Die Grundlage für eine Wasserstoffwirtschaft und die angedachten Anwendungen legen Forschung und Entwicklung neuer und innovativer Methoden zur Gewinnung, zum Transport und zur Verarbeitung des Gases.

Wasserstoff zeigt grundsätzlich großes Potenzial und kann als Reak­tant und als Energieträger fungieren. Anwendung kann Wasserstoff (H₂) perspektivisch in der Industrie, im Verkehr und der Energieversorgung finden. So bietet Wasserstoff etwa der Stahlindustrie eine große Chance, grüner zu werden und auf Kohle zu verzichten. Insbesondere für die Primärstahlerzeugung könnten die Erzeuger einen großen Teil an CO₂-Emmissionen einsparen. Sie könnte so eine Pilotindustrie für die Anwendung von grünem Wasserstoff werden. Während H₂ für die Stahlproduzenten als Reaktant fungiert, kann das Gas als Energieträger auch die Versorgung nachhaltiger gestalten: Mit dem Wasserstoffkernnetz soll das Gas zu einem wichtigen Teil einer grünen Energieinfrastruktur in Deutschland werden.

Wasserstoff in der Anwendung – Potenziale und Herausforderungen
Um diese Potenziale für Industrie und Versorgung zu heben, ist es essenziell, dass Angebot und Nachfrage weiter steigen. Auf Angebotsseite müssen wir weiter auf eine Serienfertigung von Elektrolyseuren hinarbeiten. Gleichzeitig müssen die Nachfrage steigen und Wasserstoffanwendungen weiter skaliert werden, sodass umgekehrt das Angebot kommerziell nachhaltig weiter zunehmen kann. Für diesen gegenseitigen Anstieg sind Impulse wichtig: Das Wasserstoffkernnetz kann einen solchen Impuls für eine größere Nachfrage für H₂ als Energieträger geben, wenn bereits kommendes Jahr erste Abschnitte betrieben werden sollen.

Grundlage für eine Wasserstoffwirtschaft: polymere Materialien

So unterschiedlich Wasserstoff genutzt werden kann, so unterschiedlich sind auch die dahinterliegenden Prozesse und so vielfältig sind auch die Materialien, die für eine Anwendung benötigt werden. Aus materialwissenschaftlicher Sicht sind es vor allem drei Kriterien, die entscheidend sind: Sind Materialien für die Wasserstoffspezifika, die Anwendungen und die Verarbeitung in hoher Skalierung kompatibel?

Zunächst müssen Materialien mit H₂ und seinen Spezifikationen selbst zusammenpassen. Wichtig ist eine möglichst geringe Permeation. Es sollte also möglichst wenig Wasserstoff durch den Festkörper diffundieren. Bei Silikonen ist die Wasserstoffpermeation dabei materialbedingt höher als z B. bei Epoxiden. Eine weitere wichtige wasserstoffspezifische Eigenschaft von Materialien ist die Verhinderung des Blistering: Durch Änderungen des Drucks können Blasen entstehen. Diese können zu H₂-induzierten Rissen führen, die das unpassende Material beschädigen können. Zuletzt ist noch zu beachten, dass Bestandteile der Polymerwerkstoffe nicht die Prozesse – etwa durch Vergiftung der Katalysatoren – negativ beeinflussen.

Wasserstoff soll vielfältig zur Anwendung kommen. Dadurch sind auch die Kriterien für die Materialien sehr unterschiedlich. Je nachdem ob H₂ z.B. in einer Druckgasflasche mit 700 bar oder einer Niedrigtemperaturbrennstoffzelle zum Einsatz kommt, müssen die benötigten Materialien sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Grundsätzlich sollten bei der Anwendung die folgenden drei Kriterien berücksichtigtet werden: der pH-Wert der Lösung, der Druck und die Temperatur, mit der die Stoffe in der Anwendung in Kontakt kommen. So kann z.B. der pH-Wert bei der alkalischen Wasserelektrolyse in einer konzentrierten Kaliumhydroxidlösung stark im basischen Bereich liegen, während im Betrieb einer Proton-Exchange-Elektrolysezelle stark saure Bedingungen vorliegen.

Essenziell für eine Wasserstoffwirtschaft ist die Skalierung. Daher müssen sich die Materialien für die Verarbeitung in Serienfertigung eignen. Sie müssen also in ihrer Beschaffenheit in einer hohen Frequenz verarbeitet werden können. Da Wasserstoff in Zukunft sowohl in der Energieversorgung als auch in der Produktion zum Einsatz kommen soll, ist die Skalierung in der Produktion von Elektrolyseuren und weiteren Produktionsanlagen besonders relevant.

Partner für die Anwendung von Wasserstoff

Wasserstoff zeigt großes Potenzial für die Wirtschaft und Infrastruktur der Zukunft. Wichtig ist nun, weiter skalierbare Anwendungen zu finden und eine Serienfertigung zu erreichen. Gleichzeitig können die Verarbeitung und Anwendung von H₂ einige Herausforderungen bergen, die individuell adressiert werden müssen. Hier kann ein Partner wie 3M mit Erfahrung in der Materialwissenschaft wichtige Impulse geben und Unterstützung leisten – z.B. bei der Lagerung von Wasserstoff: H₂ wird normalerweise unterhalb seines Siedepunkts (d.h. -253 °C für flüssigen Wasserstoff) in doppelwandigen Tanks und einem ringförmigen Raum, der mit Isoliermaterial gefüllt ist, gelagert. In diesem Zwischenraum kommen Glashohlkugeln von 3M zum Einsatz. Sie verbessern die thermische Isolation der Tanks durch das Blockieren der Wärmestrahlung und reduzieren damit das Verdunsten des Wasserstoffs. Eine einzelne Kugel ist dabei deutlich kleiner als die Spitze eines Streichholzes. Die Kugeln weisen eine konstruierte sphärische Glasform auf und verfügen über eine geringe Wärmeleitfähigkeit und ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte. So reduzieren sie Verdampfungsemissionen aus Flüssigwasserstofflagertanks.

Der übergreifende Bereich Klimatechnologie und Wasserstoff im Speziellen sind wichtige Fokusthemen für 3M. Mit dem Ziel, individuelle Lösungen im Bereich Wasserstoff zu finden, betrachtet der Multitechnologiekonzern das benötigte Design und die Einsatzbedingungen und wählt auf der Basis des Verarbeitungsprozesses die passenden Werkstoffe aus. So unterstützt 3M den Weg hin zu einer Wasserstoffwirtschaft und einer nachhaltigen Zukunft.

Autor: Jens Eichler, Hydrogen Technology and Business Architect, 3M, Neuss

„Wasserstoff zeigt großes Potenzial und kann als Reaktant und als Energieträger fungieren.”