16.09.2020

In diesem Kompetenzfeld bewertet die BAM ganzheitlich den sicheren Betrieb von Wasserstoffanlagen sowie die Sicherheit von Prozessen zur Herstellung- und Umwandlung von Wasserstoff. Dies umfasst neben der sicherheitstechnischen Beurteilung von gasförmigem, flüssigem und “gebundenem” Wasserstoff sowie von Wasserstoffgemischen auch die Untersuchung ihrer sicherheitstechnischen Eigenschaften und ihre sichere Prozessführung. Aus der Kombination experimenteller Ergebnisse mit validierten System-Modellen werden Anlagensicherheitskonzepte entwickelt und zuverlässige Auswirkungsbetrachtungen bei verschiedenen und komplexen Szenarien in Anlagen und Systemen erzielt, so dass unerwünschte Ereignisse vermieden bzw. ihre Folgen begrenzt werden können.

Nachfolgend sind ausgewählte Beispiele unserer Arbeit beschrieben. Detaillierte Informationen dazu finden Sie in unserer Broschüre "Wasserstoff: Unser Beitrag zur Sicherheit" (PDF) .

Die vielen Aspekte einer Wasserstofftankstelle

Die Bundesregierung fördert den Aufbau eines Tankstellennetzes als wichtigen Bestandteil einer zu schaffenden Versorgungsinfrastruktur für Wasserstoff. Denn ein dichtes, verlässliches Netz ist essenziell für eine breite Akzeptanz der Nutzung von Wasserstofffahrzeugen. Die Wasserstofftankstelle ist dabei zentraler Baustein eines Gesamtsystems, in welchem mehrere technische Komponenten zusammenwirken, vom Elektrolyseur über die Kompressoren bis zu den Hochdruck-Pufferspeichern. All diese Komponenten müssen sicher sein – im Transport, bei Annahme und Speicherung in Lagertanks oder an der Schnittstelle zum Fahrzeug. Nicht zu vernachlässigen ist auch die Qualität des Wasserstoffs, um Schäden z. B. an der Brennstoffzelle auszuschließen.

Die in der BAM vereinten Disziplinen decken nahezu alle sicherheitstechnischen Fragestellungen ab: Die BAM führt Zulassungsprüfungen durch und ermittelt die Lebensdauer von Wasserstoffspeichern zur Vermeidung von Gasaustritt, sie bietet zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Überwachung von Bauteilen an, hilft im Explosionsschutz mit H2-Sensoren unerwünschte Reaktionen zu vermeiden und überprüft das sichere Zusammenspiel der Komponenten für belastbare Sicherheitskonzepte. In ihrer Arbeit setzt die BAM auf eine umfassende Digitalisierung. Dies gilt insbesondere für die Online-Überwachung der Anlagen, um deren Lebensdauer zu maximieren. Aber auch die Qualitätsinfrastruktur (QI), die auf dem Zusammenspiel von Normung und Standardisierung, Metrologie, Akkreditierung, Konformitätsbewertung und Marktüberwachung basiert, muss unter dem Aspekt der Digitalisierung neu gedacht werden.

Wasserstofferzeugung — Trennung der Wassermoleküle durch Elektrolyse

Eine Möglichkeit, in großem Maßstab Wasserstoff zu erzeugen, liegt in der Elektrolyse. Bei der Elektrolyse von Wasser werden durch elektrische Energie Wassermoleküle (H2O) zu molekularem Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten (Power-to-Gas). Dabei wird ein großer Teil der benötigten elektrischen Energie in chemische Energie umgewandelt. Der erzeugte Wasserstoff lässt sich speichern oder bis zu einem gewissen Umfang in das bestehende Erdgasnetz einspeisen. Mit dieser Methode lässt sich Energie leicht (zwischen-)speichern und transportieren. Über Brennstoffzellen ist dann eine Rückumwandlung der chemischen Energie in elektrische Energie jederzeit möglich.

Die BAM befasst sich bei der Entwicklung neuer Technologien zur Wasserelektrolyse vorrangig mit dem sicheren Betrieb der Elektrolyseure. Die Entwicklung zu energetisch günstigen Hochdrucksystemen erfordert die genaue Kenntnis der Druck- und Temperaturabhängigkeit von Explosionsgrenzen des Wasserstoff-Sauerstoff-Systems sowie Kenntnisse über Permeations- und Leckraten. Die Betriebsparameter der Elektrolyseure müssen sich stets im sicheren Bereich befinden, um z. B. gefährliche Verunreinigungen des Wasserstoffs durch Sauerstoff zu vermeiden.

Wie Energie aus regenerativen Quellen zwischengespeichert werden kann

Ein besonderes Problem beim Einsatz der erneuerbaren Energien ist ihre Speicherung im großen Maßstab. Viele der bekannten Speicher, wie z. B. Batterien, können nur vergleichsweise wenig Energie speichern. Andere Anlagen, wie etwa Pumpspeicherwerke, stehen nur begrenzt zur Verfügung.

Eine technisch realisierbare Lösung mit nahezu unbegrenzter Speicherkapazität ist das Power-to-Gas-Verfahren mit anschließender Einspeisung von Wasserstoff ins Erdgasnetz. Dabei wird elektrische Energie aus Wind- oder Solarstrom zur Elektrolyse von Wasser genutzt und dadurch Wasserstoff gewonnen. Damit lässt sich Energie aus regenerativen Quellen immer dann speichern, wenn mehr produziert als aktuell benötigt wird. Der so gewonnene Wasserstoff kann bei Bedarf rückverstromt werden.

Explosionsschutz — Die BAM macht die Nutzung von Gasgemischen sicher

Der sichere Umgang mit Wasserstoff setzt geeignete Maßnahmen für den Explosionsschutz voraus. Dazu müssen sicherheitstechnische Kenngrößen, wie z. B. Explosionsgrenzen, Zündtemperaturen oder Explosionsdrücke bekannt sein.

Deshalb untersucht die BAM sicherheitstechnische Eigenschaften von wasserstoffhaltigen Gasgemischen unter prozessnahen Bedingungen auch bei hohen Drücken und Temperaturen experimentell und entwickelt Prüfmethoden weiter. Für die Abschätzung von sicherheitstechnischen Kenngrößen setzt die BAM auch Berechnungsmethoden ein und entwickelt sie ebenfalls weiter. Die BAM unterstützt Anwender mit sicherheitstechnischen Beurteilungen der Gasgemische und bringt ihre Erfahrungen u. a. bei der Erarbeitung von Normen und technischen Regelwerken ein.

Risikoanalyse/Konsequenz-Betrachtung

„Sicherheit“ ist im Sinne der technischen Bedeutung ein Ja-/Nein-Zustand, der die Abwesenheit von Gefahr beschreibt. Genau genommen bedeutet der Zustand der Sicherheit bzw. die Abwesenheit von Gefahr ein mit der Anwendung von Technik verbundenes Risiko, das geringer ist als der akzeptierte Risiko-Grenzwert. Den Zustand der „hundertprozentigen Sicherheit“ bzw. des „Nullrisikos“ gibt es nicht; er käme einem Technikverbot gleich. Im Gegensatz zur „Sicherheit“ ist „Risiko“ quantifizierbar und kombiniert die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses mit der Konsequenz des Ereignisses. Dem „Risiko“ einer technischen Anwendung steht die „Chance“ gegenüber, die z. B. für die Volkswirtschaft entsteht. Entsprechend geht es in der Sicherheitsdefinition immer darum, die Chance eines Produkts gegen das zugehörige Risiko abzuwägen.

Mit der Kombination aus Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses und seiner Konsequenz lässt sich aus dem Risikogrenzwert und der Konsequenz eines Ereignisses eine maximal akzeptierte Eintrittswahrscheinlichkeit für dieses Ereignis ableiten. Die Betrachtung dieser Eintrittswahrscheinlichkeiten als Maßstab für Sicherheit erlaubt es, für die Sicherheitsbewertung von Wasserstoffspeichern neue Wege zu gehen, die auch neue Gestaltungsspielräume in der Auslegung und in den Prüfanforderungen eröffnen. Diese Zusammenhänge macht sich die BAM unter Einbeziehung verschiedener Methoden zur Konsequenzbeschreibung zunutze, wenn es z. B. darum geht, den Alterungsprozess von Composite-Druckbehältern zu bewerten oder die Fristen für deren wiederkehrende Prüfung festzulegen. Außerdem besitzt die BAM die notwendige Infrastruktur, um sicherheitstechnische Konzepte von Anlagen und/oder Systemen im Realmaßstab zu überprüfen und ggf. Schutzmaßnahmen abzuleiten und zu testen.