Wasserstoff im Rohr

Eine Analyse verrät, wo Wasserstoff gebraucht wird, wo er hergestellt wird und wie sich diese Ort miteinander verbinden lassen. Das Ergebnis der Untersuchung zeigt zudem, welche Leitungen weiterhin Erdgas führen werden und welche nicht mehr – oder wo Leitungen für Wasserstoff frei oder neu verlegt werden müssen. Aus logistischen Gründen ließe sich auch mal eine neue Erdgasleitung verlegen.

Diese praktische Vorgehensweise hat einen Grund: Die Wasserstoff-Versprödung wird eher dann zum Problem, wenn es schon einen Anfangsriss gibt und einige hohe Druckwechsel zum Beispiel von 0 auf 80 Bar stattfinden, dann wächst der Riss signifikant weiter. Also überwachen die Betreiber mögliche Drucklastwechsel und berechnen, wie ein theoretischer Anfangsriss rechnerisch wachsen würde, um auf der sicheren Seite zu sein. Neue Leitungen würden auch nicht grundsätzlich anders aussehen. Entscheidend ist nur, dass der Nutzung für die geforderte Lebensdauer von wenigstens 55 Jahren standhalten. Auch wenn sich die Materialien für die Rohrleitungen wohl nicht ändern, ist im Umgang mit Wasserstoff im Netz einiges mehr zu beachten. Einige Fernnetzbetreiber schulen daher ihr Betriebspersonal an Trainingsstrecken.

Jahrelange Vorbereitungen

Thyssengas, ein Fernnetzbetreiber mit Sitz in Dortmund und einem Leitungsnetz von 4.400 Kilometer Länge, bereitet sich ebenfalls seit einigen Jahren auf wasserstofftaugliche Leitungen vor. Um sicherzugehen, hatten Mitarbeiter des Unternehmens Ende 2022 die unterirdische Pipeline zwischen dem niederländischen Ort Amelo und der niedersächsischen Grenzstadt Nordhorn zum Anschluss an die Gasspeicher nahe der niederländischen Grenze für eine Inspektion auf Fehlstellen freigelegt.

Unterstützung erhalten die Netzbetreiber aus der Wissenschaft. Zwar galt bislang: Im deutschen Erdgasnetz ist nur eine maximale Beimischung von 10 bis 20 Prozent Wasserstoff erlaubt. Doch jetzt kommt Entwarnung von wissenschaftlicher Seite. So haben praktische Tests durch ein Forscherteam um Martin Bonnet, dem Technischen Direktor des Instituts für Werkstoffanwendungen an der Technischen Hochschule Köln, ergeben, dass selbst mit reinem Wasserstoff betriebene Rohrleitungen in Industrieanlagen unter Belastung auch bei hohen Temperaturen weniger als befürchtet geschädigt werden. Die Folgerung der Kölner Forscher: Eine Umrüstung auf Wasserstoff-Beimischung lässt sich ohne negative Effekte für metallische Werkstoffe realisieren. Der Transport von Wasserstoff über bestehende Erdgasleitungen sollte also in den meisten Fällen unbedenklich sein. Das bestätigt auch eine Studie des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGM) von 2023, die den Erdgasleitungen grundsätzlich eine Eignung für reinen Wasserstoff bescheinigt.

Allerdings gibt es auch Einschränkungen. Grundsätzlich bestätigen Bonnet und sein Team den Rohrleitungen zwar die Tauglichkeit, um reinen Wasserstoff zu transportieren. Doch auch viele andere Teile müssen Wasserstoff aushalten: Verdichter, Armaturen, Dichtungen, Wassertöpfe, Muffen, Gaszähler, Regler oder Filter. Experten am DBI-Gastechnologischen Institut im sächsischen Freiberg haben bereits zahlreiche Nicht-Rohrleitungsteile als „Nicht H2-ready“, also nicht wasserstofftauglich, identifiziert und aufgelistet. Diese Bauteile müssen wahrscheinlich ausgetauscht werden.

Den meisten der Nicht-Rohrleitungsteile bescheinigen die Freiberger Technologen jedoch eine Eignung. Trotzdem: Die verwendeten Materialien sind sehr vielfältig. Daher, so empfehlen die Gutachter aus Freiberg, sollten weitere Prüfungen stattfinden.

Oft mangelt es an Dokumentation

Eine deckungsgleiche Umstellung wäre hier also nicht sinnvoll. Einige Teile müssen ausgetauscht werden. Auch wenn die Fernnetzbetreiber jedes Schräubchen im Archiv gelistet haben, ist das in späteren und nachfolgenden umzustellenden Verteilnetzen, die das Gas zu einzelnen Haushalten bringen, deutlich schwieriger als bei den Hochdrucknetzen. Mal gibt es nur eine von Hand erstellte Skizze dessen, was ans örtliche Gasnetz angeschlossen ist. Und nicht immer sei alles detailliert dokumentiert – und eine vollständige Digitalisierung steht noch bevor. Die regionalen Verteilnetzbetreiber müssen zwar dokumentieren, wo die Leitung verläuft und aus welchen Bauteilen sie besteht, dennoch lässt sich daraus kein exakter Rückschluss auf die Hersteller der Komponenten ziehen. Es wartet also deutlich mehr und kleinteiligere Arbeit für die regionalen Netzbetreiber.

Einer davon ist Westnetz in Dortmund. Das Unternehmen ist ein Verteilnetzbetreiber für Strom und Gas und besitzt nach eigener Darstellung das größte Gasverteilnetz in Deutschland mit insgesamt 24.000 Kilometer Länge. Dietmar Ewering, Teilprojektleiter Infrastruktur bei Westnetz berichtet von auch mal aufgefundenen Komponenten wie alten Hanfdichtungen. Mitarbeiter hatten sie im Rahmen eines Projektes gefunden. An zwei Referenznetzen in Bad Bentheim und Salzbergen haben sie exemplarisch sämtliche Netzkomponenten überprüft, ebenso wie die Möglichkeit, den Betrieb auf Wasserstoff umzustellen. Doch es blieb zunächst die Frage offen: Klappt das auch, wenn tatsächlich Wasserstoff durch die örtlichen Rohrleitungen fließt?

Holzwickede ist einer von zwei Standorten in Deutschland, in denen das – wenn auch in sehr kleinem Maßstab – seit einigen Jahren getestet wird. Auf dem Testgelände in der westfälischen Gemeinde dröhnen im Hintergrund startende Flugzeuge vom nahegelegenen Dortmunder Flugplatz. Auf einer kleinen, umzäunten Wiese liegt ein weißer Tank mit 18 Meter Länge und 2,80 Meter Höhe. Sein Fassungsvermögen beträgt 360 Kilogramm Wasserstoff bei einem Druck von 45 Bar. Hier testet Westnetz im Pilotprojekt „H2HoWi“ seit Oktober 2022 die ersten komplett auf Wasserstoff-Betrieb umgestellten Erdgasleitungen in einem Ortsnetz. Zudem erhalten drei Gewerbeverbraucher und das Verwaltungsgebäude von Westnetz „grünen“ Wasserstoff, der mit Strom aus erneuerbaren Quellen hergestellt wurde. Alle Abnehmer nutzen das Gas, um ihre Räume zu heizen. Die Brennwertheizungen, in denen der Wasserstoff verbrannt wird, sind für bis zu 100 Prozent Wasserstoff geeignet.

Fauliger Geruch verrät Gaslecks

Es ist nicht nur laut auf dem Testgelände in Holzwickede. Ab und zu stinkt es auch nach Kerosin vom nahegelegenen Flugplatz. Allerdings: Es riecht noch etwas anderes sehr unangenehm, wenn auch wesentlich schwächer. Hinter dem liegenden Wasserstofftank auf der Wiese ist an einem kleinen Gebäude, in dem der Gasdruck geregelt und gemessen wird, eine sogenannte Odorierungsanlage angebracht. Darin wird dem Gas das stark unangenehm riechende Tetrahydrothiophen (THT) beimischt. Zwar verflüchtigt sich Wasserstoff, wenn er unerwünscht im Freien austritt, schnell in der Luft, doch in geschlossenen Räumen könnten sich entzündungsfähige Gemische besonders an den Decken bilden. Deshalb erhält das Netz den leicht nach verfaulten Eiern riechenden Stoff, der sich leicht und schnell wahrnehmen lässt. Der Geruchsstoff ist der gleiche, der auch beim Transport von Erdgas vor Leckagen warnen soll.

Bislang lässt sich austretender Wasserstoff bei Leckagen in großen Fernleitungen bloß mit Kameras und Handgeräten aufspüren. Die Dichtheit, um austretendes Erdgas zu detektieren, wird aus der Luft per Helikopter durchgeführt und ist so genau, dass die Kühe auf der Weide pupsen gesehen werden. Für Wasserstoff wird so ein System momentan erst noch entwickelt. Und das ist wichtig. Denn Wasserstoff wirkt indirekt als Klimagas, da es den Abbau von Methan in der Atmosphäre hemmt. Die Forscher des Ökoinstituts halten die Größenordnung der Freisetzungen dabei für relevant. Sie betrachten in einer 2024 erstellten Übersicht die gesamte Wasserstoff-Kette und kommen zu dem Fazit, das dennoch die positive Klimawirkung von grünem Wasserstoff überwiegt.

Die Empfehlung: mehrlagige Rohre

Auch wenn Stahl grundsätzlich kein Problem für die Leitungen darstellt, gibt es dennoch Einschränkungen. Zwar wollen die Ferngasbetreiber darauf achten, dass Druckgaswechsel so gering wie möglich stattfinden, da die sich auf den Rissfortschritt auswirken. Probleme gibt es aber, wenn die Rohrleitungen als Speicher verwendet werden. So sieht ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz Handlungsbedarf, denn dann wären die bisher existierenden Pipelines eben doch nicht dauerhaft haltbar.

Wenn die Leitungen für die Gasspeicherung unter einem wechselnden Druck stehen, drohe die Gefahr von Ermüdungsrissen durch Wasserstoffversprödung. Eine zyklische Belastung, im Fachjargon auch Atmung genannt, würde die Ausbreitung von Ermüdungsrissen vor allem an Schweißnähten fördern, wenn der Betriebsdruck zwischen 30 und 100 Bar schwankt. Die Chemnitzer Fraunhofer-Forscher schlagen als Lösung in diesem Fall mehrlagige Leitungsrohre vor.

Bald also gibt es neuen Wasserstoff in alten Netzen. Einige der ersten Leitungen sollen 2025 und 2026 in die planerische Inbetriebnahme gehen: bei Leuna, Lubmin, im Emsland und Bitterfeld, um die Industrieprozesse von Eisen und Stahl, der Chemie mit der Ammoniaksynthese und der Glasindustrie zu dekarbonisieren. Später sollen auch private Haushalte, ganze Straßenzüge das Gas Wasserstoff zum Heizen erhalten. Dietmar Ewering von Westnetz jedenfalls ist schon auf dem Sprung in das nächste und größere Testprojekt HydroNet. Das Ziel des Pionierprojektes ist es, bis 2029 in der Region Arnsberg im Sauerland fossile Energieträger durch Wasserstoff zu ersetzen. Da wird dann etwas mehr als ein einziger Wasserstofftank erforderlich sein. ■

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