Sicheres Fördern von Wasserstoffderivaten

Die Energieversorgung zu dekarbonisieren, ist politisch beschlossen und technisch alternativlos. Da Wind- und Sonnenenergie stark schwanken, entstehen zunehmend Differenzen zwischen Erzeugung und Bedarf. An sonnigen oder windreichen Tagen übersteigt das Angebot die Nachfrage, bei Dunkelflaute drohen Engpässe. Bereits jetzt werden Anlagen zeitweise abgeregelt, um die Stromnetze zu entlasten. Speicher lösen dieses Problem, indem Sie Überschüsse aufnehmen und dadurch Abregelungen verhindern.

Wasserstoff gilt als Schlüsselelement für die Langzeitspeicherung erneuerbarer Energien. Per Elektrolyse wird überschüssiger Strom chemisch gebunden und flexibel nutzbar gemacht. Jedoch machen unter anderem die geringe Temperatur, bei der das Gas flüssig wird, seine Flüchtigkeit und materialversprödende Eigenschaft den Transport von Wasserstoff zur Herausforderung, weswegen nach alternativen Möglichkeiten gesucht wird, den Energieträger einfacher speicher- und transportierbar zu machen.

Wann sind Materialien wasserstofftauglich?

Wasserstoff wird als Energieträger und Reaktant der Zukunft gehandelt – doch welche Materialien eignen sich im Umgang mit dem Gas? Drei Kriterien sollten Anwender bei Werkstoffen beachten, die sie beim Lagern und Verarbeiten von Wasserstoff einsetzen.

Eine vielversprechende Lösung besteht darin, Wasserstoff chemisch an andere Moleküle zu binden und dadurch lager- und transportfähig zu machen. Unter den verschiedenen Optionen werden derzeit insbesondere Ammoniak und Methanol intensiv diskutiert. Beide Stoffe sind bereits heute weltweit etablierte Handelsgüter mit vorhandenen Produktionsstandorten, Speicheranlagen, Tankterminals, Schiffen und Logistiknetzwerken, wenn auch nicht unbedingt im Kontext als Energieträger.

Etablierter Wasserstoffträger mit hoher Energiedichte

Ammoniak (NH₃) gehört zu den aussichtsreichsten Wasserstoffderivaten. Das Molekül enthält keinen Kohlenstoff und weist eine hohe Wasserstoffdichte auf. Dadurch eignet sich Ammoniak sowohl als Wasserstoffträger als auch als potenzieller Energieträger für Anwendungen in Industrie, Energieversorgung und Schifffahrt. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass Ammoniak bereits heute in sehr großen Mengen produziert, gelagert und transportiert wird. Die globale Infrastruktur für Produktion, Transport und Umschlag existiert bereits.

Gleichzeitig steht grüner Ammoniak noch am Anfang seiner industriellen Skalierung. Die weltweite Ammoniakproduktion basiert noch überwiegend auf fossilen Rohstoffen, insbesondere auf Erdgas und Kohlevergasung. Emissionsarme Herstellungsverfahren machen bislang nur einen sehr kleinen Anteil der globalen Produktion aus. Gerade deshalb gewinnt grüner Ammoniak als Derivat und Speicher- beziehungsweise Transportlösung für grünen Wasserstoff strategisch an Bedeutung.

Sicherheitsmaßnahmen für den Energieträger Ammoniak

In der Energiewende und der Wasserstoffwirtschaft wird Ammoniak derzeit als möglicher Wasserstoffträger viel diskutiert. Das Gas hat einige Vorteile für den Transport, erfordert jedoch auch eine Reihe von speziellen Sicherheitsmaßnahmen.

Ammoniak ist bei Raumtemperatur gasförmig und wird üblicherweise unter Druck oder bei Temperaturen unter seinem atmosphärischen Siedepunkt von etwa -33 °C verflüssigt. Tritt flüssiger Ammoniak aus einer Anlage oder Leitung aus, verdampft er innerhalb kürzester Zeit. Dabei entstehen große Mengen toxischer Gase, gleichzeitig kann das schnelle Verdampfen zu starkem örtlichem Abkühlen führen.

Darüber hinaus ist Ammoniak hochgiftig und stark ätzend, weswegen seine Freisetzung Menschen, Anlagen und Umwelt gefährden kann. Im Konzentrationsbereich von etwa 14 bis 32 Vol.-% in Luft entstehen außerdem brennbare Gemische; für den sicheren Umgang mit Ammoniak ist es daher unerlässlich, selbst kleinste Leckagen zu vermeiden.

Flüssiger Energieträger mit bestehender Infrastruktur

Neben Ammoniak zählt Methanol (CH₃OH) zu den interessantesten Wasserstoffderivaten. Methanol ist bereits heute eine der wichtigsten Basischemikalien der Welt. Es wird unter anderem zum Herstellen von Formaldehyd, Essigsäure, MTBE, DME, Pharmaprodukten und zahlreichen weiteren Chemikalien eingesetzt. Gleichzeitig spielt es als Lösungsmittel, Frostschutzmittel und Energieträger eine Rolle. Im Gegensatz zu Ammoniak liegt Methanol bei Umgebungstemperatur als Flüssigkeit vor. Dadurch kann es ähnlich wie heutige Kraftstoffe gelagert, transportiert und umgeschlagen werden.

Insbesondere sogenanntes E-Methanol gewinnt für die Wasserstoffwirtschaft an Bedeutung. Es wird aus erneuerbarem Wasserstoff und biogenem beziehungsweise abgeschiedenem CO₂ hergestellt. Dadurch lässt sich erneuerbare Energie in einem einfach handhabbaren flüssigen Energieträger speichern. Am Zielort kann Methanol entweder direkt genutzt oder durch Reformierungsverfahren wieder in Wasserstoff umgewandelt werden.

Auch Methanol stellt jedoch Anforderungen an die Anlagentechnik. Der Stoff ist giftig, hochentzündlich und bildet mit Luft bereits bei Konzentrationen zwischen etwa 6 und 36,5 Vol.-% explosionsfähige Gemische. Hinzu kommen seine niedrige Viskosität sowie spezielle Anforderungen an Werkstoffe und besonders an Dichtsysteme.

Der Erfolg von Ammoniak- und Methanolkonzepten hängt nicht nur von ihrer Produktion ab. Während Ammoniak aus grünem Wasserstoff und nahezu unbegrenzt verfügbarem Luftstickstoff hergestellt werden kann, benötigt Methanol zusätzlich eine nachhaltige Kohlenstoffquelle. Für E-Methanol kommen insbesondere biogenes CO₂, abgeschiedenes Industrie-CO₂ oder CO₂ aus der Luft in Frage. Damit ist nicht der Kohlenstoff an sich knapp, wohl aber die nachhaltige, konzentrierte und wirtschaftlich verfügbare CO₂-Quelle.

Sichere Förderung als zentrale Voraussetzung

Für beide Ansätze ist vor allem das sichere Lagern, Verladen und Fördern der Medien entlang der gesamten Wertschöpfungskette entscheidend. Pumpen übernehmen dabei eine zentrale Rolle. Sie fördern die Medien vom Produktionsstandort über Tanklager und Terminals bis hin zu Schiffen, Pipelines, Crackern, Reformern und Verbrauchern.

Typische Förderaufgaben entstehen entlang der gesamten Prozesskette. Dazu gehört, Tanks zu befüllen und zu entleeren, Schiffe zu be- und entladen, der Transfer in Pipeline-Stationen sowie der Betrieb von Verladeeinrichtungen, Hafen- und Terminalanlagen. Ebenso wichtig ist, Reformierungs- und Crackinganlagen zuverlässig zu versorgen sowie das Zwischenlagern und die Rezirkulation in Power-to-X-Anlagen. Ein Ausfall oder eine Leckage kann dabei weitreichende Folgen haben und die Sicherheit, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage beeinträchtigen.

Besondere Anforderungen an Pumpen

Die Eigenschaften von Ammoniak und Methanol stellen hohe Anforderungen an Pumpen, Werkstoffe und Dichtungssysteme. Entscheidend ist nicht allein die hydraulische Auslegung, sondern vor allem, die jeweiligen Stoffeigenschaften im realen Anlagenbetrieb sicher zu beherrschen.

Bei Ammoniak ergeben sich besondere Herausforderungen aus dem hohen Dampfdruck, dem niedrigen Siedepunkt und der hohen Toxizität. Bereits geringe Druck- oder Temperaturänderungen können Flashing und Kavitation begünstigen. Gleichzeitig dürfen selbst kleinste Leckagen nicht in die Umgebung gelangen, da austretender Ammoniak schnell verdampft und gefährliche Gaskonzentrationen bilden kann.

Methanol stellt andere, aber ebenfalls anspruchsvolle Anforderungen. Aufgrund der niedrigen Viskosität sind ein zuverlässiges Schmieren, stabiles Lagern und geeignete Dichtsysteme besonders wichtig. Hinzu kommen die hohe Entzündlichkeit, mögliche explosionsfähige Atmosphären sowie die Notwendigkeit, Werkstoffe und Elastomere konsequent auf die Medienbeständigkeit abzustimmen.

Für beide Medien gilt daher: Die Pumpe muss dauerhaft dicht, werkstoffseitig geeignet und betriebssicher ausgelegt sein. Dichtheit, Explosionsschutz, Temperaturführung, NPSH-Betrachtung (positive Saughöhe), Überwachung und Wartungsfreundlichkeit werden damit zu zentralen Kriterien, um Ammoniak und Methanol sicher zu fördern.

Zuverlässige Pumpen für anspruchsvolle Energiespeicher

Die Energiewende kann nicht ohne zukunftsfähige Energiespeicher gelingen. Technologien wie Salzschmelze-Speicher und Redox-Flow-Batterien sind jedoch auf enorm widerstandsfähige und zuverlässige Pumpen angewiesen.

Weniger potenzielle Leckpfade

Vor diesem Hintergrund gewinnen hermetisch dichte Pumpenkonzepte zunehmend an Bedeutung. Bei Magnetkupplungspumpen erfolgt die Drehmomentübertragung berührungslos über eine Magnetkupplung. Der Produktraum wird durch einen hermetisch geschlossenen Spalttopf vollständig von der Umgebung getrennt. Im Gegensatz zu Pumpen mit Gleitringdichtung existiert keine dynamische Wellenabdichtung als potenzieller Leckpfad. Dadurch lassen sich Freisetzungen toxischer, entzündlicher oder umweltkritischer Medien deutlich reduzieren.

Für Betreiber ergeben sich daraus zusätzliche Vorteile: Hermetisch dichte Pumpen erhöhen die Anlagensicherheit, reduzieren Emissionen und senken den Wartungsaufwand. Gleichzeitig tragen sie zu einer höheren Anlagenverfügbarkeit bei und unterstützen ESG- sowie Nachhaltigkeitsziele. Über den gesamten Lebenszyklus betrachtet können dadurch auch die Betriebskosten reduziert werden.

Die Energiewende erfordert nicht nur, erneuerbare Energie zu erzeugen, sondern auch leistungsfähige Lösungen für Speicherung, Transport und globale Verfügbarkeit. Hermetisch dichte Magnetkupplungspumpen leisten hierzu einen wichtigen Beitrag. Sie unterstützen Betreiber dabei, Leckagen, Emissionen und Sicherheitsrisiken beim Umgang mit Methanol und Ammoniak zu minimieren und schaffen damit eine wesentliche Voraussetzung für den erfolgreichen Aufbau einer Wasserstoff- und Power-to-X-Infrastruktur.