Wie verhalten sich Gasleitungen und ihre Komponenten, wenn künftig Wasserstoff durch sie fließt? Das Forschungsprojekt „H2INFRA – H2-Infrastruktur“ liefert dazu Erkenntnisse. Die Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK Leipzig), das DBI Gas- und Umwelttechnik und die Mitnetz Gas haben dies in einem Langzeitversuch an der Wasserstoff-Testinfrastruktur in Bitterfeld-Wolfen, dem sogenannten Wasserstoff-Dorf, untersucht.
„Wasserstoff gilt als wichtiger Baustein für die Transformation des Energiesystems. Doch bevor er zuverlässig über Leitungen zu Haushalten, Gewerbe und Industrie transportiert werden kann, müssen viele technische und ökologische Fragen geklärt sein. Wie verhalten sich bestehende Gasnetzkomponenten im Dauerbetrieb mit Wasserstoff? Wie lässt sich eine hohe Gasqualität sicherstellen? Und welche Infrastruktur ist langfristig wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll?“, fasst Robert Huhn, Professor für Gas- und Wärmenetze der HTWK Leipzig, das Projektziel zusammen. Im Forschungsprojekt H2INFRA untersuchten die Projektpartner von 2022 bis 2025 gemeinsam den effizienten und sicheren Betrieb von Wasserstoffverteilnetzen. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Die Arbeiten knüpften an das im Jahr 2016 gestartete Projekt „H2-Netz” an.
Langzeit-Beobachtung des Wasserstoffnetzes
Im Mittelpunkt von H2INFRA stand die Untersuchung eines Wasserstoff-Verteilnetzes unter realitätsnahen Betriebsbedingungen. Über die gesamte Projektlaufzeit wurden zentrale Betriebsparameter wie Druck, Temperatur und Volumenstrom kontinuierlich erfasst. Gleichzeitig prüften die Forschenden neue Komponenten aus dem Erdgasbereich sowohl im Labor des DBI als auch an einem eigens dafür auf dem Testfeld eingerichteten Komponentenversuchsstand auf ihre Eignung für Wasserstoff. Im sogenannten Forschungspavillon auf dem Testfeld wurde eine vollständige Hausinstallation mit einer Wasserstofftherme aufgebaut und zwei Jahre lang im Dauerbetrieb getestet. Zusätzlich untersuchten die Forschenden Rohrproben aus dem Netz auf Materialstruktur, Alterung und mechanische Eigenschaften. Sicherheitstechnische Komponenten wie Gasströmungswächter und Gasmangelsicherungen sowie verschiedene Absperrtechnologien wurden ebenfalls erprobt.
„Die Besonderheit unserer Forschung liegt darin, dass wir eine aus verschiedenen Materialien und über mehrere Druckstufen errichtete und damit nahezu komplette Wasserstoff-Infrastruktur über längere Zeiträume unter realitätsnahen Bedingungen untersuchen können. So gewinnen wir Erkenntnisse zum Beispiel zur Betriebsführung und Instandhaltung, die über reine Laborversuche hinausgehen und für den späteren, sicheren Betrieb von Wasserstoffnetzen unmittelbar relevant sind“, sagt Michael Schneider, Leiter des Forschungsprojekts für Mitnetz Gas.
Sicherheit und Gasqualität als zentrale Herausforderungen
Die Untersuchungen zeigen, dass die Umstellung auf Wasserstoff eine sorgfältige Betrachtung von Materialien und Komponenten erfordert. Beispielsweise haben die Prüfungen zur äußeren Dichtheit gezeigt, dass nahezu alle getesteten Komponenten für den Einsatz in Wasserstoffinfrastrukturen geeignet sind. Ein weiterer Schwerpunkt war die Wasserstoffqualität. Gerade sensible Anwendungen wie Brennstoffzellen stellen hohe Anforderungen an die Reinheit des Gases. Dies wurde schwerpunktmäßig durch die Mitarbeiter vom DBI untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass insbesondere für Wasserstoff mit sehr hohen Reinheitsanforderungen die Vermeidung von Verunreinigungen eine Herausforderung für zukünftige Verteilnetze darstellt. Potenzielle Eintragsquellen wurden identifiziert und Materialien sowie Herstellungs- und Verlegeprozesse untersucht. Daraus konnten Maßnahmen zur Minimierung von Störstoffen abgeleitet werden.
Ökobilanz: Nicht nur der Wasserstoff selbst zählt
Neben Sicherheit und technischer Eignung untersuchte H2INFRA auch die ökologischen und wirtschaftlichen Aspekte der Wasserstoffversorgung. Die HTWK Leipzig erstellte eine Ökobilanz der Wasserstoff-Wertschöpfungskette – von der Herstellung über den Transport bis zur Versorgung der Verbraucherinnen und Verbraucher. Ein zentrales Ergebnis ist, dass der für die Elektrolyse eingesetzte Strom entscheidend für die Treibhausgasbilanz der Wasserstoffproduktion ist. Die Herstellung und der Bau der Elektrolyseure tragen dagegen vergleichsweise wenig zum Gesamtergebnis bei. Unter den untersuchten Szenarien führte die Elektrolyse mit Windstrom zu den niedrigsten Treibhausgasemissionen. Gleichzeitig zeigt die Untersuchung, dass auch „grüner“ Wasserstoff nicht automatisch emissionsfrei ist, da entlang der gesamten Wertschöpfungskette weitere Umweltwirkungen entstehen. Auch bei den Leitungen selbst gibt es ökologische Stellschrauben. So beeinflussen Rohrmaterial, Rohrdimension und Verlegeverfahren die Umweltbilanz erheblich.
Von H2-Netz zu H2INFRA – und weiter
Die nunmehr zehnjährige Forschungskooperation zwischen der HTWK Leipzig, dem DBI und Mitnetz Gas begann 2016 mit dem Projekt H2-Netz. In diesem Projekt standen unter anderem die wissenschaftliche Begleitung eines Wasserstoff-Verteilnetzes und die ökologische und ökonomische Bewertung verschiedener Infrastrukturvarianten im Mittelpunkt. Das Projekt H2INFRA führte diese Arbeiten fort und erweiterte sie um Untersuchungen zum Langzeitverhalten von Komponenten, zur Gasqualität, Sicherheit und Ökobilanz. Die Forschung geht weiter: Im Folgeprojekt „SafeH2Supply“ werden seit 2025 unter anderem die sichere Wasserstoffversorgung, die Odorierung, die Gasqualität und die Umweltwirkungen der Infrastruktur untersucht. Das 2026 gestartete Projekt GreenH2Supply beschäftigt sich mit der Umstellung bestehender Erdgasnetze auf den Betrieb mit Wasserstoff sowie mit einer sicheren und effizienten, leitungsgebundenen Versorgung von Kraftwerken, Industrie und Gewerbe. Damit liefert die Forschungspartnerschaft nicht nur Erkenntnisse über einzelne Komponenten, sondern auch eine wissenschaftliche Grundlage für die Frage, wie Wasserstoff-Infrastrukturen künftig sicher, wirtschaftlich und möglichst umweltverträglich geplant und betrieben werden können.
