Wir bringen die Wasserstofftechnologie im Nahverkehr voran – mit Sicherheit

Experte für Anlagensicherheit und Arbeitsschutz Garrit Förster / Infraserv Höchst

Interview mit Garrit Förster, Experte für Anlagensicherheit und Arbeitsschutz

Wir sprachen mit Garrit Förster, Fachreferent für Anlagensicherheit und Arbeitsschutz, über die Errichtung einer Wasserstofftankstelle für Bahntriebwagen. Ins Zuständigkeitsfeld des Spezialisten fällt auch das Risikomanagement im Umgang mit Wasserstoff. Im Team der Infraserv-Experten kümmert sich Garrit Förster darum, dass künftig sogar Züge im Industriepark Höchst sicher mit dem Energieträger der Zukunft betankt werden können.

Den einen gilt Wasserstoff als Treibstoff der Zukunft, andere wiederum halten den Wasserstoffantrieb für eine im wahrsten Sinne des Wortes brandgefährliche Technologie. Woher diese Angst?

Garrit Förster: Die Angst ist eigentlich unbegründet. Auch unsere herkömmliche Tankstellenlogistik ist ja nicht ohne, aber im Allgemeinen doch gut beherrschbar. Wasserstoff ist ein Energieträger, und wie bei jedem Energieträger kann es zu unkontrollierter Energiefreisetzung kommen, also zu einem Brand oder gar einer Explosion. Unser besonderer Respekt vor Wasserstoff kommt möglicherweise daher, dass uns noch die sogenannte Hindenburg-Katastrophe im kollektiven Gedächtnis herumspukt.

Die ist lange her. Können Sie die Jüngeren unter unseren Lesern noch einmal kurz ins Boot holen?

Garrit Förster: Die Hindenburg war ein deutscher Zeppelin, einer der beiden größten jemals gebauten der Welt. 1937 ging er bei der Landung in Lakehurst, New Jersey, in Flammen auf. Dabei kamen 35 Menschen ums Leben. In Ermangelung von Helium wurden deutsche Luftschiffe seinerzeit mit Wasserstoff als Auftriebsgas befüllt. Das galt eigentlich als unbedenklich: Wasserstoff ist ca. zehn Mal leichter als Luft, und kleinere Leckagen aus dem Schiffskörper bewegen sich nach oben und nicht in die darunterliegende Passagierkabine, wo in jener Zeit fleißig geraucht wurde. Das galt damals noch nicht als verwerflich und auch aus sicherheitstechnischer Sicht als akzeptabel. Die Motoren, als eine mögliche Zündquelle für den Wasserstoff, waren ebenfalls unterhalb des Schiffkörpers montiert. Bis heute ist nicht endgültig geklärt, was während der Landung zu der Katastrophe führte. Das Unglück setzte jedenfalls der Verkehrsluftschifffahrt ein vorläufiges Ende.

Wasserstoff wird also schon lange technisch genutzt.

Garrit Förster: Entdeckt bzw. erstmals bei chemischen Experimenten erzeugt wurde das Gas schon 1766. Seit dem frühen 20. Jahrhundert wird Wasserstoff technisch genutzt, unter anderem wie beschrieben als Auftriebsgas für Luftschiffe. Aber auch die Brennstoffzellen-Technologie ist seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt.

Aber erst jetzt in jüngerer Vergangenheit erlebt die Brennstoffzelle ein Revival als Antriebstechnologie. Warum hat das so lange gedauert?

Garrit Förster: So jung ist diese Entwicklung nun auch wieder nicht. So sind schon einige Projekte im öffentlichen Nahverkehr erfolgreich in der Erprobung bzw. in der Umsetzung. Bereits in den 90ern gab es in Berlin einige wasserstoffgetriebene Busse. Und bei uns im Industriepark Höchst wurde zu Beginn der Jahrtausendwende die Möglichkeit geschaffen, Fahrzeuge vor dem Tor Süd mit Wasserstoff zu betanken. Dass der Brennstoffzellen-Antrieb erst jetzt stärker ins öffentliche Bewusstsein rückt, hat aus meiner Sicht mehrere Gründe:

  • Zum Ersten ist die Herstellung von reinem Wasserstoff relativ teuer, jedenfalls derzeit noch teurer als andere Antriebsenergien. Wir hier im Industriepark haben den Vorteil, dass Wasserstoff als Nebenprodukt aus der Chemie in größeren Mengen anfällt und im Wasserstoffzentrum der Infraserv Höchst sowohl hoch verdichtet als auch drucklos gespeichert werden kann.
  • Zum Zweiten ist noch keine flächendeckende Infrastruktur für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge in Sicht. Eine solche wird sich auch zunächst nur punktuell entwickeln, und hier können wir eine bedeutende Vorreiterrolle einnehmen.

Wie sieht diese aus und wo stehen wir jetzt?

Garrit Förster: Neben unseren betriebseigenen Wasserstoffbussen, die unser Betriebsgelände bedienen sowie der auch für externe Nutzer offenen Wasserstofftankstelle vor dem Tor Süd, ist es das jüngste Projekt der Infraserv, auch Züge des ÖPNV mit Wasserstoff zu betanken. Es ist ja schließlich nur die logische Konsequenz, die Wasserstofftechnologie für dieses Anwendungsgebiet in der Breite nutzbar zu machen.

So entstand die Idee, auf dem Gelände des Industrieparks Höchst eine Wasserstofftankstelle für Bahntriebwagen zu errichten.

Dazu haben wir schon vor Projektbeginn alle beteiligten externen Partnerfirmen sowie die Fachabteilungen der Infraserv und der ÖPNV-Kunden schnittstellenbezogen und zielorientiert optimal miteinander vernetzt. Dabei ist vor allem die Einbindung der Fachabteilung Arbeitsschutz und Anlagensicherheit positiv hervorzuheben. Diese wurde konsequent von Beginn an und in regelmäßiger Folge in die Projektroutinen mit eingebunden. Insofern war sie stets ein integraler Bestandteil des Gesamtprojektes.

Erstes Fahrzeug der größten Wasserstoffzug-Flotte der Welt in Frankfurt

So wie Sie das betonen, scheinen sicherheitsrelevante Erwägungen doch eine besondere Rolle zu spielen?

Garrit Förster: Selbstverständlich. Wie ich schon eingangs bemerkte, sind die Risiken der Wasserstofftechnologie absolut beherrschbar. Aber man muss sie eben auch beherrschen. Wasserstoff hat sehr eigene thermodynamische, physikalische und chemische Eigenschaften, die unter Sicherheitsaspekten bei der Anwendung zu beachten sind. Das sind einerseits die weithin bekannte hohe Entzündlichkeit und Explosionsfähigkeit, andererseits aber auch Merkmale, die zwar nicht unmittelbar als „sicherheitstechnisch bedeutsam“ erkennbar, aber dennoch zu berücksichtigen sind.

Wie sind Sie dabei vorgegangen?

Garrit Förster: Zunächst galt es, das vorhandene Wissen aus vorangegangenen und ähnlichen Projekten zu mobilisieren und das vorhandene einschlägige Regelwerk auszuwerten und heranzuziehen. Schließlich hatten wir bei Infraserv schon umfangreiche Erfahrungen im Umgang mit Wasserstoff, z. B. hinsichtlich der Lagerung, der Verdichtung und der Befüllung von Trailern für den öffentlichen Straßentransport.

Darüber hinaus mussten wir die Auswirkungen auf den genehmigungsrechtlichen Status des Projektes für den späteren Betreiber innerhalb der Infraserv analysieren. Infraserv selbst ist störfallrechtlich ein Betrieb der oberen Klasse. Insofern hat das Projekt auf den gesamten Betriebsbereich in dieser Hinsicht keine zusätzlichen Auswirkungen.

Für den Betreiber der Tankstelle und deren peripheren Einrichtungen jedoch sehr wohl. Denn Letztere sind aufgrund der Überschreitung der Mengenschwelle IV der 12. BImSchV sicherheitsrelevante Teile des Betriebsbereiches mit den dazu erforderlichen dokumentarischen Pflichten.

Welche Aspekte mussten Sie besonders berücksichtigen?

Garrit Förster: Bei unseren interdisziplinären Sicherheitsgesprächen standen vier Sicherheitsaspekte im Fokus, die speziell dem Verhalten von Wasserstoff geschuldet sind.

  1. Das Speichermaterial: Aufgrund der geringen Dichte und des hohen Diffusionskoeffizienten diffundiert Wasserstoff gern durch Materialien (z. B. Eisen und auch Platin).
  2. Der negative Joule-Thomson-Effekt: Bei Abnahme des Drucks steigt die Temperatur an.
  3. Gasförmiger Wasserstoff hat aufgrund seiner geringen Dichte eine geringe Energiedichte. Um dem zu begegnen, bedarf es hoher Speicherdrücke – gängig sind 350, 700 oder 1.000 bar.
  4. Explosionsgefahr: Wasserstoff bildet mit Luft zündfähige Atmosphäre.

Die Auswahl der einzusetzenden Materialien stellte sich als wenig problematisch heraus, da diesbezüglich schon langjährige Erfahrungen vorlagen. Auch die Sicherstellung der Anforderungen an die technische Dichtheit der wasserstoffführenden Anlagenteile durch den Einsatz geeigneter Rohrverbindungen und Armaturen war keine besondere Herausforderung.

Worin bestand dann die eigentliche Herausforderung?

Garrit Förster: Nun, es hört sich zwar sehr einfach an, Wasserstoff von einem Druckspeicher in den Tank eines wasserstoffgetriebenen Fahrzeugs zu füllen. Aber hier gilt es, die berechtigten Vorgaben der Kunden mit den erforderlichen sicherheitstechnischen Aspekten zu vereinen: Der Betankungsvorgang ist in einer vorgegebenen Zeit mit einem effektiv optimierten Füllungsgrad des Tanks zu realisieren. Sind die Füllparameter nicht optimiert, führt das im günstigsten Fall dazu, dass das Füllvolumen nicht vollständig ausgenutzt wird. Schlimmstenfalls kommt es zum Verlust der Integrität des Tanks. Hier kommt der negative Joule-Thomson-Effekt ins Spiel: Aufgrund der guten Wärmeleitung lassen sich Stahltanks problemlos befüllen. Komposit-Tanks, wie sie aus Gewichtsgründen in den zu betankenden Fahrzeugen zum Einsatz kommen, bieten aber eine schlechte Wärmeleitung. Und das ist der limitierende Faktor. Der Wasserstoff erwärmt sich bei der Entspannung und damit ist ein Temperaturanstieg verbunden. Da Temperatur und der Druck in thermodynamischen Systemen korrelieren, hängt es letztlich davon ab, ob der Designdruck des Fahrzeugtanks bei der Betankung überschritten werden kann oder, bei Einrechnung zu vieler Sicherheitsfaktoren, der gewünschte Füllungsgrad und die vorgesehene Betankungszeit nicht realisiert werden können.

Um all das abzusichern, bedurfte es einer Vielzahl von Experimenten. Dabei wurden unter Variation der Umgebungstemperatur, des Anfangsdrucks (Restdruck im Tank des zu betankenden Fahrzeugs), der Druckstufe des Wasserstoffspeichers, der zeitlichen Temperaturerhöhung und der avisierten Füllzeit sogenannte Füllkurven ermittelt und im Leitsystem der Betankungsanlagen hinterlegt.

Das Ziel war es, aus sicherheitstechnischer Sicht reproduzierbare Bedingungen zu ermitteln, die nicht zu einer Überschreitung der Designvorgaben der Fahrzeugtanks hinsichtlich Druck und Temperatur führen würden.

Auch wird der Wasserstoff, wie eingangs erwähnt, in den Speichern in unterschiedlichen Druckstufen vorgehalten. Diese dürfen bei Befüllung und Entnahme keinesfalls verwechselt werden. Wir konnten das mit integrierten Plausibilitätsabfragen im Leitsystem und mit entsprechenden „Hardware“-Lösungen wie druckstufenabhängigen Adaptern sicherstellen.

Gab es noch weitere Herausforderungen?

Garrit Förster: Absolut! Es ist natürlich unverzichtbar, eine hohe Versorgungssicherheit mit Wasserstoff zu gewährleisten. Hier im Industriepark Höchst haben wir derzeit den Standortvorteil, dass Wasserstoff produktionsbedingt anfällt. Für eine flächendeckende Infrastruktur zur standortunabhängigen Bereitstellung von Wasserstoff reicht das aber lange nicht. Deshalb testen wir im Industriepark Höchst auch diverse alternative und komplementäre Erzeugungs- und Bereitstellungsmöglichkeiten von Wasserstoff im Verbund. Das sind derzeit:

  • Die drucklose Eigenerzeugung und Speicherung von Wasserstoff
  • Verdichtung und Abfüllung in Trailerfahrzeuge
  • Vorhaltung in Druckspeichern in unterschiedlichen Druckstufen
  • Das Elektrolyse-Verfahren (PEM) zur Herstellung von Wasserstoff in Fertigmodulen
  • Bereitstellung einer Ausweichtankstelle an der Bahnlinie außerhalb des Industriepark Höchst

Bei dem PEM-Verfahren – PEM steht für Proton Exchange Membrane – wird Wasserstoff per Elektrolyse aus Wasser hergestellt. Dieses Verfahren in vormontierten Fertigmodulen bietet erhebliches Potenzial, Wasserstoff an Stellen verfügbar zu machen, an denen dies bislang aus logistischen oder energetischen Gründen nicht möglich war. So lässt sich die Voraussetzung für eine dezentrale Bereitstellung von Wasserstoff erfüllen. In Verbindung mit erneuerbaren Energien könnte auf diese Weise „grüner Wasserstoff“ in einer flächendeckenden Infrastruktur zu Verfügung gestellt werden.

Ihr persönliches Fazit?

Garrit Förster: Mit unserem Projekt „Wasserstoffzug“ sind wir einige wichtige Schritte weitergekommen, unsere Erfahrungen bei der Herstellung, Speicherung und Verteilung von Wasserstoff zukunftssicher im erforderlichen Maßstab in die Praxis zu übertragen. Perspektivisch trägt das entscheidend dazu bei, die flächendeckende Nutzung von Wasserstoff als Energieträger im Verkehrssektor ökonomisch und ökologisch nachhaltig zu gestalten und damit eine interessante Alternative zu fossilen Brennstoffen zu entwickeln.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird die Infraserv Höchst auch künftig als kompetenter Impulsgeber für die weitere Entwicklung der Wasserstofftechnologie unterwegs sein.

Herr Förster, wir bedanken uns herzlich für dieses informative Gespräch!

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