Fit für Wasserstoff: Was der Mittelstand heute schon tun kann

Antworten darauf gibt Dr.-Ing. Anne Giese, Leiterin der Abteilung Industrie- und Feuerungstechnik am Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. (GWI). Die promovierte Ingenieurin forscht und arbeitet seit über 20 Jahren an Lösungen für eine sichere und effiziente Energieversorgung. Neben ihrer Tätigkeit am GWI engagiert sie sich in Fachgremien des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW), ist Mitglied im Vorstand der Deutschen Vereinigung für Verbrennungsforschung e.V. (DVV) und als Gutachterin in der Industriellen Gemeinschaftsforschung aktiv.

Dr. Anne Giese: Wer von Erdgas auf Wasserstoff als Energieträger umsteigen will, muss sich bewusst machen: Die Eigenschaften des neuen Energieträgers unterscheiden sich deutlich. Wasserstoff liefert pro Volumen nur etwa ein Drittel des Energiegehalts von Erdgas. Das heißt: Damit im Ofen die gleiche Wärmeleistung entsteht, muss ungefähr die dreifache Gasmenge durch die Leitungen fließen. Schon daran wird deutlich, dass bestehende Infrastrukturen, von Rohrleitungen über Armaturen bis hin zu Gebläsen und Luftvorwärmern, genau geprüft und gegebenenfalls angepasst werden müssen.

Hinzu kommt: Wasserstoff ist ein besonders kleines und leichtes Molekül. Selbst winzige Undichtigkeiten können dazu führen, dass Gas entweicht. Deshalb ist es wichtig, auf absolut dichte Systeme zu achten. Auch die Mess-, Regel- und Steuerungstechnik muss an die neuen Rahmenbedingungen angepasst werden, damit der Betrieb zuverlässig und sicher bleibt. In manchen Fällen gilt das auch für die Brenner selbst: Da sich durch die veränderten Gas- und Luftvolumenströme die Flammenform verändern kann, muss die Brennergeometrie überprüft und gegebenenfalls angepasst werden.

Dr. Anne Giese: Der Einsatz von Wasserstoff kann sich meist indirekt über den erhöhten Wasserdampfanteil im Abgas auf die Auskleidung von Öfen, deren Lebensdauer oder sogar auf das Endprodukt selbst auswirken. In Branchen wie Glas, Porzellan oder Aluminium wurden bereits Effekte festgestellt, die eine Anpassung der Rohstoffe oder Prozesse erforderlich machen. Pauschale Aussagen lassen sich hier nicht treffen. Jede Anlage muss individuell betrachtet werden.

Dr. Anne Giese: Ein weiterer Punkt betrifft die Abgasnachbehandlung. Wasserstoff verbrennt heißer als Erdgas, wodurch mehr Stickoxide (NOx) entstehen können. Das sind Luftschadstoffe, deren Werte reguliert sind. Mit bekannten und angepassten Maßnahmen lassen sich die Grenzwerte jedoch sicher einhalten. Außerdem entsteht beim Einsatz von Wasserstoff mehr Wasserdampf im Abgas. Da die Grenzwerte in der Regel für „trockene Abgase“ gelten, sind die Messwerte nur bedingt mit denen einer Erdgasverbrennung vergleichbar und sollten auf ein anderes Bezugssystem umgerechnet werden. Das GWI hat hierzu gemeinsam mit Partnern Vorschläge für praxistaugliche Lösungen entwickelt.

Der Umstieg auf Wasserstoff ist bei vielen Industrieöfen technisch machbar, oft sogar einfacher als bei Gasturbinen in Kraftwerken. Trotzdem sollten Unternehmen nichts dem Zufall überlassen, sondern die eigene Situation gründlich prüfen. Gerade für kleine und mittlere Unternehmen gibt es viele Experten an Forschungsinstituten, Universitäten und Ingenieurbüros, die sie dabei unterstützen können.

Dr. Anne Giese: Sowohl bei der Elektrifizierung als auch beim Einsatz von Wasserstoff gibt es zwei wichtige Fragen. Welcher Energieträger ist für einen gegebenen Prozess am besten geeignet und gibt es die passende Infrastruktur, um die Energie zuverlässig zur Verfügung zu stellen? Die Dimensionen sind enorm – allein die industrielle Prozesswärme in Deutschland macht etwa 500 Terawattstunden aus. Das entspricht in etwa dem gesamten heutigen Stromverbrauch. Würden wir all diese Wärmeprozesse elektrifizieren, müsste das Stromnetz massiv ausgebaut werden. Das Gasnetz dagegen existiert schon und kann vergleichsweise schnell auch für Wasserstoff genutzt werden.

Ein weiteres Argument: Viele Industrieanlagen laufen ununterbrochen, Tag und Nacht, oft über Jahrzehnte. Ein Abschalten oder Herunterfahren ist schlicht nicht möglich, ohne Produktionsausfälle oder sogar Schäden zu riskieren. Eine sichere Versorgung allein mit Strom aus erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne ist heute noch nicht realistisch. Hinzu kommt: Die CO2-Bilanz hängt immer davon ab, wie der Strom erzeugt wird. Wenn er in einem Gaskraftwerk entsteht, ist es oft klimaschädlicher, den Strom zu nutzen, als das Gas direkt im Ofen zu verbrennen.

Dr. Anne Giese: Elektrisch erzeugte Wärme erreicht nicht immer die nötige Temperatur oder Wärmeflussdichte, also die Wärmemenge pro Fläche und Zeit, die für bestimmte Prozesse erforderlich ist. Bei Hochtemperaturprozessen kann das bedeuten, dass Anlagen viel größer dimensioniert werden müssten oder weniger produzieren können. Gleichzeitig laufen in vielen Öfen zusätzliche chemische Reaktionen ab, die die Produkteigenschaften beeinflussen: etwa Farbveränderungen bei Glas, Härteunterschiede bei Metallen oder die Feuchtigkeitsaufnahme von Lebensmitteln. Solche Prozesse hängen oft von der Ofenatmosphäre ab und lassen sich elektrisch nicht ohne Weiteres nachbilden.

Hinzu kommt: Nicht alle Materialien reagieren gut auf elektrische Beheizung. Keramische Werkstoffe und Schüttgüter lassen sich nur schwer gleichmäßig erwärmen. Und auch beim Aluminium ist das Bild differenziert: Reine Schrotte lassen sich elektrisch einschmelzen, bei verunreinigtem Material, etwa mit Lack- oder Ölspuren, ist dagegen eine Gasflamme unverzichtbar, um Qualität und Ausbeute zu sichern.

Für niedrige Temperaturen bis etwa 300 °C kann die Elektrifizierung, zum Beispiel mit Wärmepumpen, sehr effizient sein. Bei höheren Temperaturen hingegen bleibt Wasserstoff – allein oder in Kombination mit Strom – oft die robustere und flexiblere Lösung. Am Ende muss immer individuell geprüft werden, welche Technologie zum jeweiligen Prozess und Standort passt.

Dr. Anne Giese: Der Umstieg auf Wasserstoff ist kein Alles-oder-Nichts-Projekt. Viele Schritte können schon heute vorbereitet werden, damit die eigentliche Umstellung später reibungslos läuft. Zahlreiche Anlagenbauer und Zulieferer haben ihre Produkte inzwischen „H2-ready“ gemacht, und erste Industrieöfen dieser Art sind bereits im Einsatz.

Für Unternehmen bedeutet das vor allem vier Dinge:

Zunächst sollten bestehende Anlagen überprüft werden: Welche Komponenten sind wasserstofftauglich, wo sind Umbauten nötig? Wer in neue Technik investiert, sollte darauf achten, dass sie für den Betrieb mit Wasserstoff ausgelegt ist, auch wenn anfangs noch Erdgas eingesetzt wird. Genauso wichtig ist der Austausch mit dem örtlichen Energieversorger: Wann wird Wasserstoff vor Ort verfügbar sein, und gibt es Alternativen wie eine eigene Elektrolyseanlage? Schließlich lohnt es sich, auch die Genehmigungsbehörden frühzeitig einzubinden, um mögliche Fragen zu Emissionen oder Grenzwerten früh zu klären.

Kurzum: Unternehmen, die jetzt handeln, schaffen die Grundlage, um im richtigen Moment schnell und ohne Umwege auf Wasserstoff umzusteigen.

Dr. Anne Giese: Eine allgemeingültige Empfehlung gibt es nicht. Zu unterschiedlich sind die Prozesse, Produkte, Standorte und Investitionsspielräume der Unternehmen. Wichtig ist, die Optionen offen zu betrachten. Neben Elektrifizierung und Wasserstoff können auch andere Energieträger wie Biomasse oder Biogas eine interessante und oftmals schnell umsetzbare Lösung sein, gerade in ländlichen Regionen. Auch hybride Systeme gewinnen an Bedeutung. Sie können flexibel zwischen Strom und Gas beziehungsweise Wasserstoff wechseln. Das macht sie technisch anspruchsvoller und oft auch teurer, eröffnet aber neue Geschäftsmodelle, etwa das sogenannte „Demand Side Management“. Dabei wird der Energieverbrauch flexibel an Preis und Verfügbarkeit angepasst.