H₂Mare ist eines von drei Leitprojekten mit Start 2021 zu Grünem Wasserstoff des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Diese bislang größte Forschungsinitiative zum Thema Energiewende des BMBF unterstützt Deutschlands Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft. H₂Mare zielt darauf ab, dass Offshore-Windenergieanlagen in Zukunft mit integrierten Elektrolyseuren Grünen Wasserstoff im Industriemaßstab herstellen. Die direkte Kopplung von Windenergieanlage und Elektrolyseur soll die Kosten der Wasserstoffproduktion minimieren. Denn ohne Anbindung ans Stromnetz können Infrastrukturkosten erheblich gesenkt werden. Zudem bedeutet die Entkopplung von Elektrolyse und Netz eine Entlastung für örtliche Netzstrukturen. Ein weiterer Vorteil der Wasserstoff-Herstellung im Meer: Hier stehen weit größere potenzielle Flächen zur Erzeugung von Windenergie zur Verfügung als an Land. Mehr zum Leitprojekt H₂Mare: https://www.wasserstoff-leitprojekte.de/leitprojekte/h2mare

Im H₂Mare-Projekt H₂Wind wird ein Wasser-Elektrolyseur entwickelt, der trotz rauer Bedingungen auf See effizient und quasi-autark arbeitet. Neben der Langlebigkeit der Anlagen und der Herausforderung der Meerwasseraufbereitung ist die maximale Ausbeute der Windenergie ein Ziel des Projektes. Die Salzgitter Mannesmann Forschung (SZMF) betrachtet zusammen mit dem Partner Siemens Energy und mehreren Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft die Wasserstoffspeicherung in Röhrenspeichern aus Stahlrohren. Ziel ist es, effiziente, aber sichere Speicherlösungen für verschiedene Szenarien zu entwickeln und experimentell abzuprüfen.

Speicher werden an mehreren Stellen benötigt. Erstens innerhalb des Windturms selbst, indem überschüssiger Wasserstoff, der in diesem Turm erzeugt wurde, eingespeichert wird. Gleichzeitig wird dieser wiederum für die Eigenversorgung des Windturms in Flauten eingesetzt. Ein solcher Speicher soll z. B. im Standfuß des Turms oder auf einer Plattform als Containerlösung installiert werden. In eine 15 MW-Windenergieanlage kann aus Kapazitäts- und Platzgründen ein Röhrenspeicher aus „kleinen bis mittleren“ Rohren (ca. DN 300 – DN 500) integriert werden.

Ein weiteres Speicherszenario ist die Onshore-Anlandestelle an der Küste vor einem Windpark. Die Speichermenge an einem solchen Sammelpunkt für einen Windpark mit 1 GW Gesamtleistung ist das 20 – 40-fache dessen, was für einem einzelnen Turm angenommen wird. Je nach möglichen Betriebsdrücken und Häufigkeit der Entleerung des Röhrenspeichers ist ein Feld der Größe eines Fußballplatzes aus Speichersträngen aus Großrohren erforderlich. In ähnlicher Größenordnung läge ein Röhrenspeicher für die Versorgung eines Industrieparks.

Welche Rohrdimensionen für die Auslegung der Röhrenspeicher möglich und erforderlich sind, erarbeitet SZMF in H₂Wind. Sie sind abhängig von einer Vielzahl an Parametern, allen voran die Druckbelastung des Wasserstoffs (Maximaldrücke, Entleerungsdrücke und -zyklen) und die anvisierte Lebensdauer des Speichers. Die Berechnung kann unter Anwendung verschiedener Regelwerke erfolgen und die Unterschiede sollen nachvollzogen werden. Dabei spielen auch Effekte wie die Fertigungsqualität der Rohre oder die Vorgaben für die Rundschweißnähte eine große Rolle.

Die bei der Auslegung mit diversen Ansätzen anzunehmenden Materialkennwerte sind aktuell Gegenstand der Forschung. Daher ist ein großes Versuchsprogramm mit Materialprüfungen unter Druckwasserstoff Teil von H₂Wind. Neben mechanischen Prüfungen und Schwingversuchen werden H₂-Permeationsversuche an unterschiedlichen Oberflächenbeschichtungen erprobt. Daneben werden Rundschweißverfahren für die Wasserstoffeignung getestet.

2023 wird beim Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in Görlitz ein Demonstrator-Röhrenspeicher im Maßstab 1:1 installiert, der unter Druckwasserstoff realistischen Betriebszyklen ausgesetzt wird. Alle Versuchsrohre für die Laborprüfungen und den Demonstrator sind Mannesmann H2Ready®-Rohre der Mannesmann Line Pipe GmbH. In Anlehnung an das Speicher-Szenario 1 (integriert in einen Windturm) wurde DN 300 (323,9 x 16mm), L360NE ausgewählt. An diesen realen Speichersträngen werden das geordnet geplante Risswachstum vorher eingebrachter künstlicher Defekte zerstörungsfrei gemessen, die Rundnähte überwacht und H₂-Permeationsmessungen unterschiedlicher Beschichtungszustände vorgenommen.

Diese Erkenntnisse sind wertvoll und notwendig, um die theoretische Auslegung zu verifizieren und sie für zukünftige Regelwerke noch besser anzupassen – für einen sicheren und gleichzeitig ressourcenschonenden Betrieb.