Wasserstoff wird häufig als Energieträger der Zukunft bezeichnet. Aus logistischer Sicht ist er jedoch besonders anspruchsvoll: Er hat eine sehr geringe Dichte, benötigt zur Verflüssigung extrem tiefe Temperaturen, kann durch kleinste Undichtigkeiten entweichen und bildet mit Luft über einen großen Konzentrationsbereich entzündbare Gemische. Diese Eigenschaften bestimmen die Speichertechnik, die Transportwege und die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen.

Eine besondere Herausforderung sind Übergangsvorgänge. Vor dem Befüllen werden Behälter, Leitungen und Schläuche gegebenenfalls mit Stickstoff gespült, um Luft zu entfernen. Vor Wartungsarbeiten und nach dem Entleeren wird verbliebener Wasserstoff durch eine geeignete Spülung entfernt. Dabei muss bekannt sein, wie viel Wasserstoff noch im Gas enthalten ist. Für die kontinuierliche Messung des Wasserstoffanteils in Stickstoff kann ein Wasserstoffanalysator in der Spülleitung oder am Behälterausgang eingesetzt werden.

Im Folgenden geht es um die Eigenschaften, die für Speicherung und Transport entscheidend sind, um die daraus folgenden Speicherverfahren und um Sicherheit sowie die Erhaltung der Gasqualität auf dem Weg zum Verbraucher.

Wichtige Eigenschaften von Wasserstoff für die Logistik

Eigenschaft	Wert	Bedeutung für die Logistik
Gasdichte bei 0 °C und 1,013 bar	ca. 0,09 kg/m³	Sehr großes Volumen pro Masseneinheit; Speicherung erfordert Verdichtung oder Verflüssigung
Unterer Heizwert	ca. 120 MJ/kg (33,3 kWh/kg)	Hoher Energieinhalt pro Kilogramm, aber geringer pro Kubikmeter
Siedetemperatur	ca. −253 °C (20 K)	Verflüssigung erfordert aufwendige Kryotechnik und Energie
Dichte von Flüssigwasserstoff	ca. 71 kg/m³	Auch in flüssiger Form wesentlich leichter als Wasser oder Benzin
Entzündbarkeitsgrenzen in Luft	ca. 4–75 Vol.-%	Entzündbare Gemische in einem sehr breiten Konzentrationsbereich
Minimale Zündenergie	ca. 0,02 mJ	Entzündung durch sehr schwache Zündquellen möglich
Molekülgröße	Eines der kleinsten Moleküle	Leckage und Permeation durch bestimmte Materialien möglich

Geringe Dichte: die größte Herausforderung der Logistik

Ein Kilogramm Wasserstoff enthält bezogen auf den unteren Heizwert fast dreimal so viel Energie wie ein Kilogramm Benzin oder Diesel. Unter Normalbedingungen nimmt dieses Kilogramm jedoch etwa 11 m³ ein. Die zentrale logistische Frage lautet daher: Wie lässt sich möglichst viel Wasserstoff auf begrenztem Raum unterbringen?

Abbildung 2. Ungefähre Wasserstoffmenge pro Kubikmeter bei unterschiedlichen Speicherformen. Für Druckgas gelten die Richtwerte bei etwa 15 °C; bei Ammoniak und LOHC ist der chemisch gebundene Wasserstoff gemeint.

Dafür stehen mehrere Verfahren zur Verfügung. Sie unterscheiden sich in ihrer Speicherdichte und den Anforderungen an die Infrastruktur.

Druckgas

Das Speichern als Druckgas ist weit verbreitet. Für den Transport in Röhrenaufliegern und Flaschenbündeln wird Wasserstoff häufig auf etwa 200–500 bar verdichtet; Fahrzeugtanks arbeiten typischerweise mit 350 oder 700 bar. Bei 700 bar enthält ein Kubikmeter etwa 40 kg Wasserstoff. Die Verdichtung benötigt Energie, und die Behälter müssen sowohl dem hohen Druck als auch den werkstofftechnischen Anforderungen durch Wasserstoff standhalten.

Eine Besonderheit beim Betanken ist das thermische Verhalten: Wasserstoff weist bei Raumtemperatur einen negativen Joule-Thomson-Koeffizienten auf und kann sich bei der Drosselung erwärmen. Wesentlich für den Temperaturanstieg im Tank ist zudem die schnelle Befüllung mit komprimiertem Gas. Deshalb wird Wasserstoff bei 700-bar-Betankungen häufig auf etwa −40 °C vorgekühlt.

Flüssiger Wasserstoff

Bei rund −253 °C wird Wasserstoff flüssig; seine Dichte steigt auf etwa 71 kg/m³. So lässt sich pro Tankwagen deutlich mehr Wasserstoff transportieren. Die Verflüssigung benötigt jedoch viel Energie. Als Größenordnung werden häufig etwa 30 % des unteren Heizwerts des Wasserstoffs genannt, abhängig von Anlage und Verfahren. Zudem verdampft Flüssigwasserstoff infolge unvermeidlicher Wärmeeinträge allmählich. Dieses Boil-off-Gas muss kontrolliert abgeführt, genutzt oder zurückgewonnen werden.

Chemische Wasserstoffträger

Wasserstoff kann auch chemisch gebunden transportiert werden. Ammoniak enthält rund 17,6 Masse-% Wasserstoff und lässt sich bei moderatem Druck oder bei etwa −33 °C verflüssigen; es eignet sich deshalb für den Schiffstransport. Flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) lassen sich häufig unter Umgebungsbedingungen handhaben. Soll am Zielort wieder reiner Wasserstoff bereitstehen, sind allerdings energieaufwendige Freisetzungs- und Reinigungsverfahren nötig.

Pipelines

Für große Mengen an Land können Pipelines besonders effizient sein. In Deutschland entsteht ein Wasserstoff-Kernnetz, das zu einem erheblichen Teil aus umgestellten Erdgasleitungen bestehen soll. Entscheidend sind dabei die Wasserstoffverträglichkeit der Werkstoffe und die Gasqualität.

Wie Wasserstoff mit Werkstoffen wechselwirkt

Atomarer Wasserstoff kann in Metalle eindringen und unter bestimmten Bedingungen deren Duktilität und Bruchverhalten verschlechtern. Dieses Phänomen wird als Wasserstoffversprödung bezeichnet. Besonders kritisch kann es für hochfeste Stähle unter mechanischer Beanspruchung sein. Für Druckbehälter, Leitungen, Armaturen und Dichtungen werden daher wasserstoffgeeignete Werkstoffe ausgewählt; Hochdrucktanks sind häufig als Verbundbehälter mit Innenliner ausgeführt.

Wasserstoff kann durch sehr kleine Leckstellen entweichen und je nach Werkstoff auch durch polymere Materialien permeieren. Die Dichtheitsanforderungen und die Materialauswahl müssen deshalb speziell für die jeweiligen Wasserstoff-Betriebsbedingungen ausgelegt werden.

Sicherheit: breiter Entzündbarkeitsbereich und hoher Auftrieb

Abbildung 3. Entzündbarkeitsgrenzen von Wasserstoff in Luft im Vergleich zu Methan und Propan unter atmosphärischen Bedingungen. Wasserstoff bildet in einem besonders breiten Konzentrationsbereich entzündbare Gemische.

Wasserstoff bildet mit Luft bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck etwa zwischen 4 und 75 Vol.-% entzündbare Gemische. Auch die erforderliche Zündenergie kann sehr gering sein. Deshalb sind Leckagevermeidung, geeignete Lüftung, Erdung und – wo erforderlich – explosionsgeschützte Betriebsmittel besonders wichtig.

Wasserstoff ist rund 14-mal leichter als Luft und steigt bei einer Freisetzung in offenen Bereichen rasch auf. In geschlossenen Räumen oder unter Überdachungen kann er sich jedoch in hohen Bereichen ansammeln. Gasdetektoren und Lüftungsöffnungen werden deshalb unter Berücksichtigung der Raumgeometrie und möglicher Ansammlungsstellen angeordnet.

Spülen und Inertisieren: Warum die Gaszusammensetzung gemessen werden muss

Ein mit Luft gefüllter Behälter darf nicht einfach unkontrolliert mit Wasserstoff beaufschlagt werden, da sich entzündbare Gemische bilden können. Bei Inbetriebnahme, Wartung und Gaswechsel werden daher geeignete Spül- und Inertisierungsverfahren eingesetzt, häufig mit Stickstoff.

1. Vor dem Befüllen. Der Behälter oder die Leitung wird mit Stickstoff gespült, bis der Sauerstoffgehalt ausreichend niedrig ist. Anschließend wird der Stickstoff durch Wasserstoff verdrängt.
2. Vor Wartung oder Öffnung. Wasserstoff wird mit Stickstoff verdrängt, bis der zulässige Restgehalt erreicht ist. Erst danach erfolgen weitere Freigabeschritte gemäß dem Sicherheitsverfahren.
3. Beim An- und Abkuppeln. Anschlussleitungen und Schläuche werden nach einem festgelegten Verfahren gespült, damit keine Luft in das Wasserstoffsystem gelangt.

Der Übergang zum nächsten Schritt sollte anhand der tatsächlichen Gaszusammensetzung und der vorgegebenen Grenzwerte erfolgen. Eine bloße Zeitvorgabe oder eine feste Anzahl von Spülzyklen kann zu früh enden oder unnötig viel Stickstoff verbrauchen. Die kontinuierliche Messung zeigt den Wasserstoffanteil am Ausgang der Spülstrecke.

Für die Messung eignet sich unter anderem das Wärmeleitfähigkeitsverfahren. Die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff ist wesentlich höher als die von Stickstoff. Bei bekannter binärer Gaszusammensetzung lässt sich aus der Wärmeabfuhr eines Sensors die Wasserstoffkonzentration bestimmen. Je nach Sensorausführung und Kalibrierung können unterschiedliche Messbereiche bis hin zu hohen Wasserstoffanteilen abgedeckt werden. Enthält das Gas nennenswerte Mengen Luft oder andere Komponenten, ist die Mischung nicht mehr binär; dies muss bei der Messung berücksichtigt werden. Auch Druckeinflüsse sind zu stabilisieren oder zu kompensieren.

Wasserstoff als Gefahrgut

Wasserstoff gehört beim Transport zu den Gefahrgütern der Klasse 2. Verdichteter Wasserstoff wird unter UN 1049 geführt, tiefgekühlt verflüssigter Wasserstoff unter UN 1966. Für den Straßentransport in Europa gilt das ADR, für die Schiene das RID und für den Seeverkehr der IMDG-Code.

Daraus ergeben sich praktische Anforderungen:

• Schulung von Fahrern und Personal. Für betroffene Transporte sind die vorgeschriebenen Gefahrgutqualifikationen und betriebliche Unterweisungen erforderlich.
• Kennzeichnung und Dokumente. Fahrzeuge und Behälter müssen entsprechend den Vorschriften gekennzeichnet werden; die Beförderungspapiere enthalten die zutreffende UN-Nummer.
• Anforderungen an Behälter. Gasflaschen, Bündel und Transportbehälter müssen zugelassen sein und die vorgesehenen wiederkehrenden Prüfungen bestehen.
• Routen und Abstellorte. Beispielsweise können für bestimmte Tunnel Einschränkungen gelten. Auch die Regeln für das Abstellen von Fahrzeugen sind zu beachten.

Diese Vorgaben beeinflussen Kosten und Organisation der Wasserstofflogistik ebenso wie die physikalischen Eigenschaften des Gases.

Gasqualität während des Transports erhalten

Auch Wasserstoff, der das Werk spezifikationsgerecht verlässt, kann auf dem Transportweg verunreinigt werden.

• Verdichtung. Je nach Verdichterbauart können Öl oder Partikel in den Gasstrom gelangen.
• An- und Abkuppeln. Bei unzureichender Spülung können Luft und Feuchtigkeit eingetragen werden.
• Rückstände in Behältern. In Flaschen und Transportbehältern können nach vorheriger Nutzung oder unsachgemäßer Lagerung Verunreinigungen verbleiben.
• Umgestellte Pipelines. Rückstände von Erdgasbestandteilen und Feuchtigkeit können die Wasserstoffqualität beeinflussen.

Daher wird die Gasqualität bei der Übernahme geprüft. Für empfindliche Anwendungen wie Brennstoffzellen kommen spezifikationsbezogene Laboranalysen und gegebenenfalls die kontinuierliche Überwachung ausgewählter Parameter hinzu.

Häufig gestellte Fragen

Warum wird Wasserstoff nicht bei niedrigem Druck in gewöhnlichen Gasflaschen transportiert?

Bei niedrigem Druck passt nur eine geringe Wasserstoffmasse in einen Behälter. Für wirtschaftliche Transporte wird er daher meist auf hohe Drücke verdichtet oder verflüssigt.

Warum ist eine Wasserstoffleckage in einem geschlossenen Raum gefährlich?

Wasserstoff kann sich unter der Decke ansammeln und mit Luft ab etwa 4 Vol.-% ein entzündbares Gemisch bilden. Da geringe Zündenergien genügen können, sind geeignete Lüftung und Gasdetektion wichtig.

Warum erwärmt sich Wasserstoff beim Betanken?

Bei Raumtemperatur kann Wasserstoff sich beim Drosseln erwärmen. Der schnelle Eintrag von komprimiertem Gas erhöht außerdem die Temperatur im Fahrzeugtank. Deshalb wird der Wasserstoff bei Hochdruckbetankungen häufig vorgekühlt.

Kann Wasserstoff durch ehemalige Erdgasleitungen transportiert werden?

Ja, nach geeigneter technischer Prüfung und gegebenenfalls Umrüstung. Dabei sind unter anderem Werkstoffverträglichkeit, Armaturen, Dichtungen und die Gasqualität zu berücksichtigen.

Woran erkennt man, dass die Stickstoffspülung abgeschlossen ist?

An der gemessenen Gaszusammensetzung und den festgelegten Freigabekriterien. Vor dem Befüllen mit Wasserstoff ist insbesondere der Sauerstoffgehalt entscheidend; vor dem Öffnen einer Anlage wird unter anderem der verbleibende Wasserstoffanteil kontrolliert.

Welche Unterlagen sind für den Straßentransport von Wasserstoff erforderlich?

Der Transport unterliegt dem ADR. Erforderlich sind unter anderem die zutreffenden Beförderungspapiere, Kennzeichnungen und – soweit vorgeschrieben – die Gefahrgutausbildung des Fahrers.

Fazit

Die Logistik von Wasserstoff wird von seinen physikalischen Eigenschaften geprägt. Die geringe Dichte macht Verdichtung, Verflüssigung oder chemische Träger notwendig. Wasserstoffversprödung und Gaspermeation stellen besondere Anforderungen an Werkstoffe und Dichtungen. Der breite Entzündbarkeitsbereich und die geringe Zündenergie bestimmen die Sicherheitsmaßnahmen; der starke Auftrieb beeinflusst die Anordnung von Detektoren und Lüftung. Bei Spül- und Inertisierungsvorgängen ist die tatsächliche Gaszusammensetzung entscheidend. Für die kontinuierliche Messung von Wasserstoff in Stickstoff ist das Wärmeleitfähigkeitsverfahren besonders geeignet, sofern zusätzliche Gaskomponenten und Druckeinflüsse berücksichtigt werden.