Diese Umstellung auf Wasserstoff bringt Herausforderungen mit sich, wie Anpassung bestehender Infrastrukturen, Einflüsse auf Prozess, Abgas und die Sicherstellung der Prozesssicherheit. Ein Weg ist die Nutzung moderner Gasmischanlagen zur Beimischung von Wasserstoff. So wird Industriebetrieben eine schrittweise langsame Umstellung und Flexibilität ermöglicht. Hier werden Anwendungsfelder für Gasmischanlagen, deren Aufbau, Eigenschaften und Regelungsstrategien sowie besondere Aspekte für die Beschaffung beleuchtet.

Bild 1: Gasmischanlage für 400 Nm³/h Erdgas/H2 im offenen Rahmen zur Innenaufstellung (© LT GASETECHNIK)

Industrielle Nutzung von grünem H2

Die Nutzung von Wasserstoff als Brennstoff wird kontrovers diskutiert. Trotz des hohen Energiegehalts pro Kilogramm ist die volumenbezogene Energiedichte geringer als bei konventionellen Brennstoffen. Der Energiegehalt von 1 kg Wasserstoff entspricht dem von ca. 3 l Benzin. Die volumenbezogene Energiedichte von Wasserstoff beträgt jedoch nur etwa ein Viertel derjenigen von Benzin und etwa ein Drittel von Erdgas.

Kritikpunkte umfassen weiterhin den Gesamtwirkungsgrad [1] bei der Herstellung von grünem Wasserstoff sowie den Ressourcenverbrauch [2]. Es werden Effizienz und Effektivität der Energiewende mit Wasserstoff kritisiert. Dem entgegen steht zum Beispiel eine Lösung mit lokaler Elektrolyse auf dem Gelände des industriellen Endverbrauchers als umweltfreundliche Lösung [3]. Dennoch bietet Wasserstoff trotz aller Kontroversen eine vielversprechende Alternative zur Reduzierung von Emissionen. Denn Wasserstoff gibt die enthaltene Energie ohne Entstehung von Kohlenstoffdioxid ab, ist aber als Brennstoff bislang zu wertvoll.

Preis-Aspekte

Der Emissionshandel macht die Nutzung fossiler Brennstoffe zunehmend teurer. Nach Einführung der Emissionszertifikate (EUA) im Januar 2021 mit 25 Euro pro Tonne CO₂, werden ab 2026 Preise zwischen 55 und 65 Euro pro Tonne CO₂ erwartet. Ab 2027 ist eine freie Preisbildung möglich, was die Kosten für fossile Brennstoffe weiter steigern könnte (Quelle: BMWK).
Andererseits sinken die Preise für Wasserstoff stetig:

• Ab 2027: 4,50 Euro pro Kilogramm (H2Global-Ausschreibung)
• USA aktuell: 2,60 bis 3,75 US-Dollar pro Kilogramm (nicht subventioniert) [4]
• Prognose USA 2030: 1,44 bis 2,25 US-Dollar pro Kilogramm

Der DVGW erwartet bis 2045 sogar ein Preisniveau vergleichbar mit Erdgas für die Wärmeversorgung [5].
Industrieunternehmen wenden sich daher Wasserstoff als Erdgasergänzung zur Prozesswärme-Erzeugung zu. Dies ist besonders relevant, da Prozesswärme etwa zwei Drittel des industriellen Energieverbrauchs ausmacht und somit einen bedeutenden Hebel zur Erreichung der Klimaneutralität darstellt.
Diese Kombination aus steigenden Erdgaskosten durch den Emissionshandel und der erwarteten Preisreduktion sowie erhöhten Verfügbarkeit von Wasserstoff macht diesen Energieträger für die Industrie zunehmend attraktiv.

Bild 2: Gasmischanlage für 500 Nm³/h H2 in Erdgas mit 50 mbarg zur rezeptgesteuerten Herstellung von Erdgas-Substituten (© LT GASETECHNIK)

Energie-Flexibilisierung durch Gasmischanlagen

Gasmischanlagen ermöglichen eine flexible Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas oder synthetisch erzeugtem Erdgas (SNG). In den meisten Fällen können bestehende Installationen und Thermoprozessanlagen problemlos Gasgemische mit bis zu 20 % H₂-Anteil verarbeiten, in einigen Fällen sogar bis zu 30 %.
Die Integration von Wasserstoff in die Energieversorgung bietet Industriebetrieben mehrere Vorteile:

• Gesteigerte Flexibilität
• Erhöhte Versorgungssicherheit
• Möglichkeiten zur Kostenoptimierung bei unveränderter Anlagentechnik

Besonders vorteilhaft ist die Option, zwischen verschiedenen Energieträgern wie Wasserstoff, Erdgas und Propan flexibel wählen zu können. Dies erlaubt eine optimale Anpassung der Energieversorgung an aktuelle Marktbedingungen und unterstützt Unternehmen dabei, sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Ziele zu erreichen.

Herausforderungen für Industriebetriebe

Die Verwendung von Wasserstoff als zusätzlicher Energieträger wird durch Beimischung in bestehende Erdgassysteme erprobt. Teilweise mit dem Ziel auf 100 % Wasserstoff umzusteigen. Diese Zumischung von Wasserstoff nimmt Einfluss auf das werksinterne Gasversorgungsnetz (H₂-Korrosion, Dichtungswerkstoffe, Zählereinrichtungen, etc.), Prozessanlagen, Brennergrenzen und Flammen (-formen) aufgrund der geänderten verbrennungstechnischen Kenngrößen der Brenngasmischungen. Um ähnliche verbrennungstechnische Eigenschaften wie die von Erdgas zu erhalten, kann gegebenenfalls auch ein Gasgemisch aus Propan / Wasserstoff und Luft erzeugt werden. Dabei muss das Sicherheitskonzept im Rahmen einer HAZOP / PAAG betrachtet werden, da bei Mischung von Brenngasen mit Luft, die Explosionsrisiken separat betrachtet werden.

Dies führt also zu einigen Herausforderungen und Fragestellungen für Industriebetriebe in Bezug auf Prozess, Sicherheit, Ex-Schutz, Arbeitsschutz, Lagerung und Genehmigungsverfahren:

• H₂-Quelle: Eigene Elektrolyse, Anschluss an Kernnetz. Wie ist Wasserstoff herzustellen, zu lagern und zu verwenden? Führt die eigene Lagerung zur Einordnung als Störfallbetrieb?
• Anlagen-Eignung: Eignung vorhandener Rohrleitungen und Armaturen; Einbindung der neuen Anlagentechnik in bestehendes Erdgas-Werksnetz; Umschaltung von Erdgas auf Erdgas-H₂-Gasgemische
• Beimischungs-Umfang: Kompletter Erdgasersatz oder Beimischung von Wasserstoff? Aktuelle und künftige Lastgänge benötigen welche H₂-Mengen?
• Brennereignung: Sind vorhandene Brenner für Wasserstoff geeignet – bis zu welchem Prozentsatz?
• Prozess: Auswirkungen von Flammenform und Wärmeeintrag auf den Prozess?
• Abgas: Änderung der Abgaszusammensetzung, Einfluss auf die Abgasnachbehandlung?

Wasserstoff hat grundlegend andere physikalische und chemische Eigenschaften als Erdgas, mit erheblichen Folgen für Sicherheit und den Prozess.

Bild 3: Vollautomatischer Gasmischer 20…60 kW mit Wobbe-Index-Regelung (© LT GASETECHNIK)

Verwendung von H2 als Erdgas-Ersatz im Brenner

Ursache dieser Herausforderungen sind auch die Unterschiede von Wasserstoff zu Methan (CH₄) bei der Verwendung als Brennstoff [6]:

• Reaktivität: Wasserstoff ist schwieriger zu lagern und reagiert leichter mit einigen Materialien (H₂-Eignung)
• Entflammbarkeit: Wasserstoff hat breitere Entflammbarkeitsgrenzen (4-75 % für H₂ im Vergleich zu 5,3-15 % für CH₄) und eine niedrigere Zündenergie, mit erhöhtem Risiko für unkontrollierte Zündung.
• Flammeneigenschaften: Im Vergleich zu CH4-Flammen haben H₂-Flammen
  • eine höhere laminare Flammengeschwindigkeit (etwa achtmal so hoch) → Flammenstabilität wird beeinflusst
  • weniger sichtbares Licht → Erschwerte visuelle Flammenwahrnehmung
  • höhere adiabatische Flammentemperatur → Potenzial zur Erzeugung von Stickoxiden (NOx) mit höherer Belastung der Rauchgasentstickung. Das DBI (Deutsches Brennstoff Institut – Freiberg) hat im August 2024 über Untersuchungen berichtet, bei der mit einer Gasmischanlage die H₂-Tauglichkeit von industriellen Gasbrennern mit Erdgas-H₂-Gemischen sowie die thermische NOX-Bildung untersucht wurde
• Energiedichte: Wasserstoff hat eine höhere Energiedichte in der Masse, jedoch nur ein Drittel der volumetrischen Energiedichte von Erdgas. Die Gasbeschaffenheit verändert sich in Abhängigkeit der H₂-Konzentration in Wobbe-Index bis zu 50 %, Brennwert bis zu 30 % und relative Dichte bis zu 15 % [7].
• Begrenzte Beimischung: Für viele Industriebrenner liegt der maximale Anteil von Wasserstoff bei 10…20 Vol.%. Mit der DVGW G 260:2020-09 und Zusammenführung mit DVGW G 262 (A) wurden die Grundlagen für die Einspeisung von Wasserstoff bis 20 Vol.-% fortgeschrieben. Wird aber der zulässige Anteil Wasserstoff am Brenner dauerhaft überschritten, kann es zu Brenner-Schäden und zur Beeinträchtigung von Brenner-Effizienz und Sicherheit kommen. Manche Brenner können umgebaut werden mit Änderungen am Brennerregime, Sicherheitseinrichtungen und Zertifizierungsaufwand. Andere Brenner sind für den 100 % H₂-Betrieb marktverfügbar. Neben höheren Anschaffungskosten für neue Brenner fallen in beiden Fällen Kosten für Umrüstung und Anlagenstillstand an.

Die Nutzung einer Gasmischanlage bietet eine vielversprechende Lösung, um einige dieser Herausforderungen bei der Integration von Wasserstoff als Brennstoff erfolgreich zu meistern.

Beimischung von Wasserstoff

Innovative Industrieunternehmen setzen bereits heute Gasmischsysteme ein, um die Integration von Wasserstoff in ihre Prozesse zu erproben und zu optimieren. Diese Systeme ermöglichen es, verschiedene Szenarien zu testen:

• Erhöhte H₂-Konzentrationen im bestehenden Erdgas-Werksnetz
• Beimischung von Wasserstoff aus eigener Produktion
• Nutzung von Wasserstoff aus dem zukünftigen Kernnetz

Gasmischanlagen bieten die Flexibilität, Wasserstoff mit verschiedenen Gasen wie Erdgas, Methan, Propan oder CO₂ zu kombinieren.

Damit werden unterschiedliche Gasgemische und deren Auswirkungen auf Anlagen und Prozesse erprobt.

Beispiele aus Anwendungsfeldern

Anwendungsfelder für die Wasserstoff-Beimischung sind vielfältig. Einige Beispiele aus der aktuellen betrieblichen Praxis:

• Großverbraucher: Typische Großverbraucher kommen aus der Stahl-, Glas- und Keramikindustrie. Diese nutzen Wasserstoff, oft aus eigener Erzeugung, als Beimischung zu Erdgas. Ggfs. auch als Backup für den Erdgasersatz in Kombination mit Propan/Luft. Wichtiges Kriterium ist dabei die schnelle Anpassung an wechselnde Brennstoffanforderungen. Typische Gasgemisch-Volumenströme sind 100…10.000 Nm³/h, oder bis zu 100 MW. [Bild 1]
• Brenner-Institute und Hersteller von Gasgeräten: Unterschiedliche Erdgas-Qualitäten und variable H₂-Anteile werden für die Entwicklung, Prüfung und Zertifizierung gemäß der Verordnung (EU) 2016/426 über Gasgeräte genutzt. Kriterium ist die Präzision der Gasgemische. [Bild 2]
• Industrieöfen: Bei Industrieöfen wird ein steigender H₂-Anteil in den Brenngas-Gemischen getestet. Dabei ist häufig die Kenntnis über den aktuell erzeugten Wobbe-Index relevant. [Bild 3]
• Motoren und Turbinen: Für Entwicklung und Test von Motoren und Turbinen mit Gasmischungen aus Erdgas, Wasserstoff und Kohlendioxid und weiteren Gasen ist das wichtige Kriterium die Analyse aktueller spezifischer Wärmekapazität und Dichte. [Bild 4]
• Brennstoffzellen: Bei Brennstoffzellen werden Tests und Prüfungen mit unterschiedlichen Gasgemischen durchgeführt, um die Leistung, Effizienz und Versagenstoleranz von Brennstoffzellen zu bewerten.
• Ölförderung: Gasmischanlagen werden genutzt für den Einsatz zur Wasserstoff-Beimischung zu Bohrlochgas.
• Backup: Bei einem Erdgasmangel bieten Gasmischanlagen für Propan, Luft und Wasserstoff, Backup- und Redundanzlösungen sowie Einsparungsmöglichkeiten. [Bild 5]

Diese vielfältigen Anwendungsbeispiele aus der Praxis der Wasserstoff-Beimischung zeigen die entscheidende Rolle von Gasmischanlagen beim Test von Brennern, Industrieöfen, thermischen Prozessgeräten und Gasmotoren mit variablen Gasgemischen.

Bild 5: Anlage zur Mischung von Propan/Luft mit max. 65 MWh/h als Erdgas-Ersatz, H2-Ready (© LT GASETECHNIK)

Aufbau einer sicheren und modernen Gasmischanlage

Gasmischsysteme sind in verschiedenen Größenklassen und in verschiedenen alternativen Konzeptionen erhältlich:

• Statisch mit manuellem Regeleingriff (keine Automatik, oder Wobbe-Regelung)
• Manuelles oder Stellmotor-angetriebenes Proportionalventil (veraltet, ungenau, langsam)
• Dynamisch mit automatischem Regeleingriff, H₂-Anteil und/oder Wobbe-Regelung

In jedem Fall sollte ein vollständiges und sicheres Gasmischsystem aus den folgenden Komponenten bestehen:

• Absperrung, am Eingang und Ausgang
• Gasfilter in jeder Gasstrecke
• Eingangsdruck-Messung in jeder Gasstrecke, um den Eingangsdruck des Gases zu messen und die Gasversorgung überwachen zu können sowie Differenzdrücke zu überwachen
• Gasrücktrittsicherungen in jeder Gasstrecke
• Druckregler, ggfs. mit SAV, um den Eingangsdruck der Gase zu regeln
• Manuelle oder automatisierte Armaturen, um den Gasdurchfluss zu messen und zu regeln – ggfs. temperatur- und druckkompensiert
• Möglichkeit zur Ausgangsdruck-Überwachung und -Regelung
• Automatisiertes Absperrventil im Gasmischer-Ausgang
• Gasanalyse für Wasserstoff, Wobbe-Index, Brennwert
• Für automatisierte Anlagen: Industrie-Steuerung zur Regelung von Ventilen im geschlossenen Regelkreis und lokaler Anzeige aller Messwerte, Alarme und Statusmeldungen sowie Möglichkeit zur Kopplung an übergeordnete Prozessleitsysteme.

Typische Eigenschaften einer modernen Gasmischanlage

Eine dynamische und sichere Gasmischanlage nach dem aktuellen Stand der Technik hat mit diesem Aufbau die folgenden typischen Eigenschaften:

• Hochgenaue Gasmischung: Typische Garantiewerte sind besser als ± 0,5 Vol.% vom Endwert, meist ± 0,2 Vol.%, in Sonderfällen ± 0,1 Vol.%
• Verhinderung der Rückmischung: Um das unerwünschte Vermischen (Umfüllen) zu verhindern, sodass kein Gas in die jeweils andere Leitung eindringt, gibt es Standard-Vorkehrungen: Bei größeren Anlagen ≥ 400 Nm³/h sind Rückschlagklappen enthalten. Bei kleineren Anlagen Rücktrittsicherung und der Schließdruck der Druckregler liegt unter dem Mindestvordruck der Versorgung.
• Vollautomatische Einstellung: Je nach Optionen, kann vollautomatisch auf einen Soll-Wert (z. B. H₂-Anteil, Druck, Wobbe, Sauerstoff etc.) geregelt werden. Damit wird im geschlossenen Regelkreis das gewünschte Ergebnis erreicht.
• Schnelle Anpassung: Bei wechselndem Brennerbetrieb eine schnelle Regelung der Volumenströme.
• Sichere Ausführung: Eine Gefährdungsbeurteilung (HAZOP) geht der geforderten Sicherheitsstufe (SIL) üblicherweise voraus. Bei besonders sicherer Ausführung von Gasmischanlagen mit H2 Beimischung ist ggfs. der Einsatz von SIL-Komponenten mit entsprechendem SIL-Kreis-Nachweis mit SIL Auswertung gem. EN IEC 61508 Bestandteil.

Regelung auf H₂-Anteil, Brennwert, Wobbe-Index

Anlagen, die mit einem Gasanalysator zur H2-Analyse, Wobbe-Indexbestimmung oder Brennwertanalyse ausgestattet sind, zeigen Istwert und zugehörigen Gasvolumenstrom. Dieser Analysator-Istwert wird in die Anlagensteuerung integriert. So kann die Steuerung das Gasgemisch regeln und damit einen eingestellten Sollwert automatisch ansteuern. Das Mischungsverhältnis wird entsprechend automatisiert eingestellt und angepasst.
Bei der Regelung nach Wobbe-Index wird aufgrund der Verzögerung, mit konstanter Regelabweichung gerechnet. Ein modernes Reglungskonzept steuert daher zunächst das errechnete Verhältnis und dann auf den Wobbe-Index.

Investitionssumme

Investitionssummen für Gasmischanlagen hängen von verschiedenen Faktoren ab:

• Größe der Anlage, bestimmt durch Volumenstrom und Gasdruck
• Eingangsdrücke
• Anzahl der Gasmisch-Stränge
• Ausgangsdruck oder -drücke (mehrere Druckstufen können bedient werden)
• Sicherheitsstufe (SIL)
• Gasgemisch-Analyse(n) (H2, Brennwert, Wobbe etc.)
• Aufstellung (innen/außen)
• Eichfähigkeit
• Anbindung an übergeordnete Systeme

Aspekte für die Beschaffung von Gasmischanlagen

Bei Beschaffung einer Gasmischanlage sind spezifische Aspekte zu Anforderungen und Sicherheitsstandards zu berücksichtigen:

• Elektrische Betriebsmittel: Ex-Ausführung zum sicheren Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen
• Verriegelung und Gaswarnung: Verriegelungskonzept und zuverlässiges Gaswarnsystem
• Anlagenredundanz: Durch Redundanz insbesondere in Gasmischstrang, Gasanalyse und Steuerung, wird erhöhte Verfügbarkeit erreicht.
• Kommunikation: Integration von Sollwerten, Messwerten, Alarm- und Statusmeldungen uni- oder bidirektional in ein übergeordnetes Leitsystem.
• Regelung: Manuelle oder automatische (dynamische) Regelungen des Mischungsverhältnisses sowie Volumenstroms und/oder Ausgangsdrucks
• Materialwahl: Rohrleitungen aus Kupfer oder geeignetem Edelstahl sowie H2-geeignete Armaturen und Elastomere
• Präzision der Gasgemische: Die Gasgemisch-Präzision als Abnahmekriterium bedarf der Kaskadenaufschaltungen mit Analysenmesswerten
• Analyseparameter: Zur Gasanalyse werden oft H2-Anteil im Gasgemisch und/oder im Erdgas, Brennwert, Wobbe-Index, ggfs. Dichteberechnungen vorgesehen.

Fazit

Eine Integration von grünem H2 in industrielle Energiesysteme bietet eine vielversprechende Möglichkeit, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren und CO2-Emissionen zu senken. Durch die Beimischung von H2 in bestehende Gasversorgungen können Unternehmen ihre Energieversorgung flexibler und zukunftssicher gestalten.

Trotz der Herausforderungen, die mit der Umstellung auf H2 einhergehen, wie etwa die Anpassung der Infrastruktur und Prozesssicherheit, bietet die Beimischung erhebliche Vorteile in Bezug auf eigene Geschwindigkeit bei der Umstellung, Umweltschutz und voraussichtlich langfristige Kosteneinsparungen. Der Einsatz moderner Anlagen für die Beimischung spielt bei einer schrittweisen Umstellung eine entscheidende Rolle. Unternehmen, die frühzeitig in diese Technologie investieren, können nicht nur von den ökologischen Vorteilen profitieren, sondern auch ihre Wettbewerbsfähigkeit in einem zunehmend nachhaltigkeitsorientierten Markt stärken.

Literatur

[1] Steffen Bukold, Fabian Huneke, Michael Claußner: Grün oder Blau? Wege in die H2-Wirtschaft 2020–2040. (PDF) Greenpeace Energy, Dezember 2020
[2] Klimaneutralität: Schattenseite des Hoffnungsträgers: Produktion von H2 könnte Ressourcen gefährden.
[3] Frank Merten, Alexander Scholz: Metaanalyse zu H2kosten und -bedarfen für die CO2-neutrale Transformation. Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie, 42 S.
[4] GTAI, US-Regierung fördert massiv Wasserstoffvorhaben
[5] DVGW, Was kostet H2 in der Zukunft, Stand Oktober 2023
[6] Paul Martin et al, A review of challenges with using the natural gas system for hydrogen, 2024, Energy Science & Engineering
[7] DVGW F&E Abschlussbericht G 01-07-10

(Quelle: Prozesswärme 6/24/Alexander C. Hanf/2024)