Sichere Nutzung von Wasserstoff ist machbar

Forschungszentrum Karlsruhe forscht zu Risiken der Wasserstofftechnologie

Explodierende Garagen, schwere Explosionen nach Unfällen in Tunnels oder Handys, die in die Luft fliegen – so sehen Horrorszenarien aus, wenn künftig Wasserstofftechnologien flächendeckend in unseren Alltag Einzug halten. Um Wasserstoff als akzeptierten Energieträger in Arbeits- und Wohnumgebungen einsetzen zu können, sind sichere Produkte gefragt. Tatsächlich sind die potenziellen Gefahren oft mit überschaubarem Aufwand beherrschbar. Das ist das Ergebnis von Experimenten und Modellrechnungen im Forschungszentrum Karlsruhe.

Die Sicherheitseigenschaften von Wasserstoff unterscheiden sich von denen anderer gasförmiger Energieträger, beispielsweise Erdgas, Propan oder Benzindämpfen, erheblich:

o Wasserstoff ist leichter als Luft, breitet sich also bevorzugt nach oben aus.

o Wasserstoff verteilt sich wegen seiner hohen Diffusivität schneller.

o Wasserstoff hat eine extrem kleine Zündenergie, die eine spontane Zündung des Gemischs begünstigt.

o Wasserstoff ist über einen sehr großen Konzentrationsbereich brennbar, der Ausbrand einer Wasserstoff-Luft-Mischung ist deshalb beinahe vollständig.

o Wasserstoff hat eine hohe Brenngeschwindigkeit, durch die sich das Schadenspotenzial erhöhen kann.

Diese Unterschiede erfordern spezielle Sicherheitskonzepte, weil Unfälle mit Wasserstoff völlig anders ablaufen können als Unfälle mit konventionellen Brenngasen. Die Ermittlung der andersartigen Gefahrenpotenziale und deren Beherrschung setzt umfangreiche Untersuchungen mit dem künftigen Energieträger Wasserstoff voraus.

„Unser Ziel ist, grundlegende experimentelle Daten und verifizierte theoretische Rechenmodelle zu entwickeln, um fundierte Sicherheitsregeln und Standards für den alltäglichen Umgang mit Wasserstoff als Energieträger ableiten zu können“, erläutert Dr. Wolfgang Breitung, Leiter der Abteilung Strömung und Verbrennung im Institut für Kern- und Energietechnik des Forschungszentrums Karlsruhe. „Wir wollen damit den Endverbraucher von sicherheitstechnischen Einschränkungen entlasten.“

So führte eine Arbeitsgruppe Modelluntersuchungen zur Ausbreitung von Wasserstoff aus undichten Tanks in Garagen durch. Die Berechnungen ergaben, dass bei geringen Leckagen (bis rund 0.3 g Wasserstoff pro Sekunde, was der Freisetzung von rund 3 Litern Gas pro Sekunde entspricht) praktisch kein brennbares Gemisch entsteht. Derartige Leckraten wären also ungefährlich. Zur Beherrschung höherer Leckraten sind passive oder aktive Sicherheitsmaßnahmen erforderlich und mit einfachen Mitteln realisierbar. So könnte der Wasserstoff durch Abluftkanäle in der Decke ins Freie geleitet, durch Katalysatoren gezielt abgebaut oder durch Ventilatoren besser verteilt und abgeführt werden.

Andere Modellrechnungen untersuchten die Freisetzung von Wasserstoff nach einem Unfall im Tunnel: Die Ergebnisse zeigen, dass nur ein kurzzeitiges Potenzial (< 1 Minute) für Explosionen besteht, sonst ist nur eine langsame Deflagration zu erwarten. Das Gesamtrisiko eines solchen Unfalls mit Wasserstoff wäre damit nicht größer als bei einem benzinbetriebenen Fahrzeug. Teilergebnisse der Modellrechnungen wurden im Wasserstofftechnikum des Forschungszentrums Karlsruhe überprüft. Das Wasserstofftechnikum wurde mit Unterstützung der deutschen Industrie im Forschungszentrum aufgebaut und ging im Herbst 2004 in Betrieb. Die bisher erzielten experimentellen Ergebnisse zeigen generell eine sehr gute Übereinstimmung mit Modellrechnungen. Analoge numerische Simulationen werden auch für die Ausbreitung und Verbrennung von Wasserstoff in industriellen Großanlagen, beispielsweise Kernkraftwerken oder künftigen Fusionskraftwerken (ITER) durchgeführt. Die Arbeiten sind eingebunden in die „HyTech-Group“ des Forschungszentrums Karlsruhe. Hier sind die Aktivitäten verschiedener Arbeitsgruppen im Bereich Wasserstofftechnologie gebündelt. Neben der Wasserstoffsicherheit arbeitet das Forschungszentrum intensiv an den Themen stationäre und mobile Wasserstofferzeugung, Wasserstoffspeicherung sowie der Technologiebewertung. Die „HyTech-Group“ ist Teil des EU-weiten Network of Excellence „HySafe“, das vom Forschungszentrum Karlsruhe koordiniert wird. Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.