Wasserstoff, mithilfe erneuerbarer Energien „grün“ erzeugt, gilt als der Energieträger der Zukunft. Er soll fossile Brennstoffe ablösen und so eine Wirtschaft ohne Treibhausgase ermöglichen. Die Expertinnen und Experten der Anlagensicherheitsteams in der Business Unit Industry der TÜV NORD GROUP unterstützen Industrieunternehmen bei der Energiewende.
„Wasserstoff ist in der Industrie und für unsere Sachverständigen kein neues Thema“, schickt Dana Nowak voraus. Im 17-köpfigen Team der Leiterin Anlagensicherheit Nord von TÜV NORD arbeiten neben Expert:innen für Explosionsschutz auch persönlich bekanntgegebene Sachverständige nach § 29b Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG). Sie sind besonders gefragt, wenn der Energieträger in Industrieanlagen verwendet wird, zum Beispiel bei der Entschwefelung von Kraftstoffen, bei der Härtung von Pflanzenöl zu Margarine oder der Metallproduktion.
Hoffnungsträger Wasserstoff
Seit dem frühen 20. Jahrhundert nutzt die Industrie Wasserstoff, damals noch aus Kohle gewonnen. Als Folge der Ölkrise der 1970er-Jahre entstehen erste Konzepte, die ganze Wirtschaft auf das Gas als Energieträger umzustellen. Solarstrom soll Elektrolyseure antreiben, die Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spalten. Fünfzig Jahre später wird diese Vision Realität, die Treiber haben sich in dieser Zeit jedoch verändert: Heute ist Wasserstoff attraktiv, weil er beim Verbrennen Wasser statt Kohlendioxyd freisetzt, das zur Erderwärmung beiträgt. Deutschland will bis 2045 klimaneutral werden und die Nationale Wasserstoffstrategie ist zentraler Bestandteil der Energiewende. Überall im Land entstehen Anlagen, in denen Wasserstoff produziert, gelagert und genutzt werden soll – das bedeutet jede Menge Arbeit für die Anlagensicherheitsteams von TÜV NORD.
„Die Kunden sprechen uns frühzeitig an, vor allem wenn es um Genehmigungsverfahren geht“, sagt Nowak. Werden Industrieanlagen umgebaut, um künftig zusätzlich oder ausschließlich Wasserstoff einzusetzen, sind immer Behörden involviert. Diese verlangen beispielsweise Abstandsgutachten, in denen die Auswirkungen eines Störfalls auf die Umgebung ermittelt werden.
Neben der gutachterlichen Arbeit tritt TÜV NORD auch als Vermittler zwischen Behörden und Anlagenbetreibern auf. Die Sachverständigen mit Bekanntgabe nach § 29b Bundesimmissionsschutzgesetz tragen dabei eine besondere Verantwortung. Sie haben sich durch Zusatzausbildungen herausragende Fachkenntnisse in ihrem Spezialgebiet angeeignet und sind durch die öffentliche Bestellung unabhängig und überparteilich. Gregor Latzko ist einer von ihnen. Der Verfahrensingenieur erzählt von zwei Projekten, bei denen TÜV NORD die Aurubis AG unterstützt hat. Sie stehen stellvertretend für viele Vorhaben, bei denen die Anlagensicherheitsteams ganz unterschiedliche Unternehmen auf dem Weg zur Energiewende begleiten.
Gießwalzdraht ist das Ausgangsmaterial für Kupferkabel aller Art.
Dana Nowak, Leiterin Anlagensicherheit Nord, und Gregor Latzko, bekanntgegebener Sachverständiger, beide TÜV NORD
Aurubis ist Europas größter Kupferproduzent und gewinnt aus Metallkonzentraten und Recyclingrohstoffen auch andere Metalle wie Gold, Silber, Zinn und Blei. Das Unternehmen produziert jährlich mehr als eine Million Tonnen hochreiner Kupferkathoden, die meist zu Gießwalzdraht weiterverarbeitet werden. Aurubis verfolgt ehrgeizige Nachhaltigkeitsziele und will Erdgas zunehmend durch Wasserstoff ersetzen, sofern dieser zu wettbewerbsfähigen Preisen verfügbar ist. Seit mehreren Jahren sichert sich das Unternehmen die Expertise der Fachleute von TÜV NORD.
Um künftig in der Lage zu sein, weniger Kohlendioxid auszustoßen, tauschte Aurubis im Sommer 2024 zwei Anodenöfen aus, in denen flüssiges Kupfer gereinigt und anschließend zu quadratischen Platten gegossen wird, die hydro-metallurgisch weiterverarbeitet werden. Die zylindrischen Anodenöfen sind fast zehn Meter lang, mit einem Durchmesser von fünf Metern. Latzko umreißt den Prozess, der in der Anlage abläuft: Ist das Kupfer in die Öfen eingefüllt, wird Luft oder Sauerstoff in die Schmelze geblasen. Das treibt Verunreinigungen an die Badoberfläche, die als Schlacke abgezogen und weiterverwendet werden. Anschließend wird Erdgas eingeblasen, um unerwünschte Oxide zu reduzieren. Mit den neuen Öfen ist Aurubis in der Lage, künftig anstatt Erdgas Wasserstoff einzusetzen. Dass das technisch machbar ist, zeigten Pilotversuche im Jahr 2021.
Umbau mit Fokus auf Sicherheit
Die Planungsphase begann ein gutes halbes Jahr vor dem Umbau, erläutert Latzko: „Wir waren von Anfang an eingebunden, haben gemeinsam mit Aurubis die Risiken analysiert und die Genehmigungsprozesse begleitet.“ Die Themen Explosionsschutz und Druck standen dabei neben der funktionalen Sicherheit im Vordergrund. Auch für die neue Wasserstoffzufuhr wurden Ausführungsvorschläge erarbeitet. Sobald die Infrastruktur für den neuen Energieträger steht, hat Aurubis die Möglichkeit, den Prozess von Erdgas auf Wasserstoff umzustellen. Dana Nowak beschreibt die Arbeit ihrer Abteilung genauer: „Wir bewerten aus sicherheitstechnischer Sicht, ob bestimmte Anlagenkomponenten oder Materialien für die Nutzung mit beispielsweise Wasserstoff geeignet sind und welche Maßnahmen mögliche Gefahren minimieren können. Dies hilft dem Betreiber der Anlage bei der Entscheidungsfindung.“
Bevor die Anodenöfen in Betrieb gingen, wurde alles sorgfältig überprüft. Sachverständige mehrerer Fachbereiche verifizierten im Rahmen der gesetzlich geforderten Prüfungen vor Inbetriebnahme zum Beispiel, dass tatsächlich die geplanten Teile verbaut wurden. Sie testeten die Sicherheitsfunktionen und stellten sicher, dass alle Leitungen und Anschlüsse dicht sowie alle erforderlichen Dokumente vollständig und plausibel waren. Latzko betont die objektive und unabhängige Prüfung: „Gewerke, zu denen unsere Abteilung Aurubis sicherheitstechnisch beraten hat, begutachten selbstverständlich Sachverständige anderer operativer Einheiten.“
Flüssiges Kupfer erstarrt in den quadratischen Formen des Gießrades.
Die Technik der neuen Öfen ist effizienter als die bisherige und verbraucht bis zu 30 Prozent weniger Erdgas. Dies entspricht einem Einsparpotenzial von fast 1.200 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr, das bis auf 5.000 Tonnen steigen kann, wenn Wasserstoff als einziger Energieträger genutzt wird.
Vom Kupferbarren zum Draht
Das gereinigte Kupfer fließt 1.200 Grad Celsius heiß aus den Anodenöfen in quadratische Gussformen. Wenn die Platten abgekühlt sind, werden sie elektrolytisch auf einen Kupfergehalt von mindestens 99,99 Prozent raffiniert, um dann in einem anderen Schmelzofen zu landen. Eine Erdgasflamme verflüssigt das Kupfer, das anschließend in den Rinnen der Gießmaschine zu einem endlosen Barren erstarrt. 16 Walzstufen formen diesen Barren zu Draht. Zu sogenannten Coils aufgewickelt, die zwischen drei und acht Tonnen wiegen, ist der Gießwalzdraht bereit zum Versand in alle Welt. Daraus entstehen Kabel für Elektroautos und Windkraftanlagen ebenso wie für die Haushaltssteckdosen.
Ammoniak als Alternative zu Wasserstoff
Aurubis testete mit Unterstützung von Dana Nowaks Team, ob der Schmelzofen mit einer Mischung aus Erdgas und Ammoniak beheizt werden kann. Die Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff verbrennt, ohne Kohlendioxid freizusetzen. In Wasser gelöst, ist das Gas als Salmiakgeist bekannt und als Putzmittel beliebt. In der Wasserstoffwirtschaft dient Ammoniak als Speichermedium, weil es günstiger zu produzieren und leichter zu verflüssigen ist als reiner Wasserstoff.
Reines Ammoniak ist aufgrund seiner Eigenschaften nur unter entsprechenden Arbeitssicherheitsauflagen zu verwenden. Gregor Latzko und seine Kolleg:innen berechneten untern anderem, wie sich das Gas bei einer störungsbedingten Freisetzung ausbreiten würde, und entwarfen ein passendes Sicherheitskonzept. Dana Nowak resümiert: „Als TÜV NORD sind wir H2-ready und begleiten unsere Kunden gern auf dem Weg dorthin.“
Aurubis exportiert Kupfercoils in alle Welt. Das flüssige Kupfer hat eine Temperatur von 1.200 Grad Celsius.