„Die Kunststoffindustrie ist H2-ready.“

Interview mit Dr.-Ing. Kai Fischer, Wissenschaftlicher Direktor am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen

Dr. Fischer koordiniert am IKV den Bereich Wasserstofftechnologien. 2021 führten er und sein Team eine zwölfmonatige Konsortialstudie durch, die eine mögliche Kooperation zwischen Kunststoffindustrie und Wasserstoffwirtschaft ermitteln sollte. Aus dem dabei geknüpften Netzwerk wurde 2022 das Hydrogen Business und Technology Forum. Heute stehen hier über 20 namhafte Produzenten und Anwender von Wasserstofftechnologien im engen Dialog mit der Kunststoffindustrie. Wieso der Austausch zwischen den Branchen für den Wasserstoffhochlauf essenziell ist, verrät Dr. Fischer im Interview.

gwf: Herr Dr. Fischer sind Kunststoffe wichtig für Wasserstofftechnologien?

Dr. Fischer: Zwei Punkte: Massenproduktion und Anpassungsfähigkeit. Kunststoffe sind prädestinierte Werkstoffe, um technische Anwendungen kostengünstig zu skalieren. Anders gesagt: Wo hohe Stückzahlen und hohe Effizienz gefordert sind, kommt man an Kunststoff nicht vorbei. Das ist in allen technischen Branchen so, etwa in der Automobilindustrie. Zudem lassen sich Kunststoffprodukte sehr gut an verschiedene Anwendungsanforderungen anpassen. Daher sagen wir: Wenn auch die Wasserstoffwirtschaft eines Tages hohe Stückzahlen erfordert, kommt man an Kunststoff nicht vorbei.

gwf: Ist der Austausch zwischen Wasserstoff- und Kunststoffindustrie bislang zu kurz gekommen?

Dr. Fischer: Wir denken schon. Es beginnt bei der Produktion: Der grüne Wasserstoff, der aufgrund seiner positiven Klimabilanz so begehrt ist, entsteht in der Elektrolyse. Heute erfolgen aber nur 4 % der gesamten Wasserstoffproduktion über Elektrolyseure. Ein Grund ist, dass diese viele teure Edelstahlkomponenten enthalten – Rohre, Behälter usw. Dabei wären sie mit Kunststoffkomponenten, insbesondere bei dem notwendigen Upscaling zur Bereitstellung von grünem Wasserstoff, deutlich günstiger. Übrigens gibt es für alle gängigen Kunststoffe – PP, PE, PA und so weiter – Formulierungen, die die Anforderungen von Wasserstoff abdecken.

gwf: Sie sprechen es an: Es gibt nicht „den“ Kunststoff, sondern eine ganze Palette unterschiedlicher Werkstoffe. Und wenn man statt Metall Kunststoff einsetzt, muss man diese kennen und kombinieren können.

Dr. Fischer: Genau! Und das tut die Kunststoffindustrie, allerdings muss sie nun auch die einzelnen Elemente in den Systemen der Wasserstoffwirtschaft verstehen. Das ist unsere Mission: Die Anforderungen der Hersteller von Wasserstoffsystemen bei der Kunststoffindustrie bekannt zu machen, damit diese kunststoffgerechte Lösungen vorschlagen kann, um die Systeme performanter, haltbarer und günstiger zu machen. Verstehen Sie mich nicht falsch – wir wollen und können nicht den gesamten Stahl ersetzen. Aber wir denken, dass Wasserstoffsysteme in Zukunft genauso wesentliche Anteile an Kunststoffkomponenten haben wie andere technische Anwendungen mit hohem Kostendruck.

gwf: Der Haupttreiber für den Ersatz von Metall durch Kunststoff ist also die Kostenreduktion?

Dr. Fischer: Definitiv. Es geht immer um die Kosten, effizient sind die Systeme bereits. Viele enthalten auch schon Kunststoff-Kernkomponenten, etwa die PEM-Membran. Aber in der Peripherie wird noch viel Metall genutzt. Hier kann Kunststoff viele Metallkomponenten ersetzen – und zwar in sehr großen Stückzahlen. Anfang November haben wir ein Projekt gestartet, in dem es darum geht, günstigere Medienleitungssysteme für Elektrolyseure und Brennstoffzellen aus Kunststoff herzustellen. Dabei kooperieren wir mit den Herstellern dieser Anlagen, eben um deren Anforderungen genau zu verstehen. In den Anlagen kommen unterschiedliche Medien wie etwa deionisiertes Wasser mit den technischen Teilen in Kontakt. Wichtig ist, dass die Kunststoffe nicht durch diese Medien geschädigt werden, andererseits aber die Kunststoffe auch keine Kontaminationen übertragen, die die Funktionalität beeinträchtigen würden.

Das Institut für Kunststoffverarbeitung auf dem Campus Melaten in Aachen

gwf: Hat Kunststoff denn auch Schwächen?

Dr. Fischer: Ja, etwa bei der Temperaturbeständigkeit. Wir können keine Komponenten ersetzen, die bei 300-400 °C arbeiten. Aber es gibt sehr viele Komponenten, die in einem Bereich von 100-120 °C operieren – für Kunststoffe bei der richtigen Bauweise und Werkstoffauswahl kein Problem.

gwf: Es gibt in der Öffentlichkeit Diskussionen zur Nachhaltigkeit von Kunststoffen, beispielsweise bei der Wiederverwertung von Kunststoffverpackungen.

Dr. Fischer: Das stimmt, aber die technischen Kunststoffteile für Wasserstoffsysteme sind hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Verwertungsmöglichkeiten klar nachzuverfolgen. Sie lassen sich ohne die Komplexität der Mischfraktionen im Gelben Sack nach ihrer Nutzung sehr gut recyceln, also in die Kreisläufe für ein hochwertiges werkstoffliches Recycling zurückführen. Bei der Nutzungsdauer eines Elektrolyseurs sprechen wir übrigens über eine Betriebsdauer von rund 30 Jahren. Auch Brennstoffzellen, Tanks und andere Komponenten sind auf eine lange Betriebsdauer ausgelegt.

gwf: Wie sieht es mit der CO2-Bilanz aus? Der Einsatz von grünem Wasserstoff fällt unter das Schlagwort „Dekarbonisierung“, Kunststoffe sind erdölbasiert. Kaufen wir uns durch die Nutzung von Kunststoff das Carbon nicht durch die Hintertür wieder ein?

Dr. Fischer: Der Carbon Footprint ist für uns ein wichtiger Aspekt. Es ist wohl jedem klar, dass bei der Herstellung kunststoffbasierter Werkstoffe – wie bei allen Materialien – CO2 emittiert wird. Die Kunststoffindustrie strebt aber eine Defossilisierung an. Eine Methode hierfür ist das Mass Balancing, bei dem Abgase aus der Herstellung in den Produktionskreislauf zurückgeführt werden. Weitere Hebel zur Verbesserung des Carbon Footprint der heutigen Wasserstoffsysteme ist die für technische Kunststoffteile typische Funktionsintegration, bei der viele Einzelteile durch ein einziges Teil ersetzt werden. Das spart Material und damit automatisch CO2-Emissionen. Zudem tragen funktionsintegrierte Teile oft zur Effizienzsteigerung von Systemen bei – auch die Wasserstoffproduktion und Wasserstoffnutzung hat ein ökologisches Preisschild, das durch die Systemeffizienz bestimmt wird.

gwf: Bislang haben wir die Verbindung von Kunststoff und Wasserstoff vor allem mit dem Verteilnetz assoziiert.

Dr. Fischer: Kunststoffrohre sind insbesondere für die heutigen Verteilnetze für Gas und zukünftig auch für Wasserstoff relevant. Es handelt sich heute dabei um sehr heterogene Netze mit unterschiedlichsten Rohren und Komponenten wie Fittings und Dichtungen. Am IKV fokussieren wir uns auf technische Anwendungen, beispielsweise in der Peripherie und den Kernkomponenten von Elektrolyseur- und Brennstoffzellensystemen.

gwf: Tritt bei Kunststoffen eine Wasserstoffversprödung auf, wie es sie beim Stahl gibt?

Dr. Fischer: Wasserstoff wird bei hohen Drücken auch von Kunststoff absorbiert. Allerdings sind uns dadurch keine negativen Langzeitfolgen bekannt. Es kann nur sein, dass Rapid Decompression Ereignisse – schlagartige Druckveränderungen – zu Schädigungen durch den im Bauteil absorbierten Wasserstoff führen. Durch geeignete Werkstoffe und Werkstoffkombinationen lässt sich das aber vermeiden. Daher ist es wichtig, dass Kunststoffexperten die richtige Zusammensetzung und Bauweise empfehlen, damit Hersteller von Wasserstoffsystemen kunststoffgerecht konstruieren können und nicht „irgendwelche“ Kunststoffe nutzen.

gwf: Neben Komponenten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen beschäftigen Sie sich auch mit Druckbehältern aus Kunststoff.

Dr. Fischer: Genau. Diese sogenannten „Typ IV“-Tanks bestehen vollständig aus Kunststoff, genauer gesagt aus Linern, die mit Carbonfasern umwickelt werden. Sie lassen sich bei bis zu 700 bar betreiben. Mehrere Unternehmen produzieren sie bereits. Diese Tanks sind sehr haltbar und deutlich leichter als Metallbehälter, weshalb sie sich gut für mobile Anwendungen eignen. Eine weitere Anwendung ist, die Typ IV-Tanks in Containern mit einer mittleren zweistelligen Anzahl von Behältern zusammenzufassen. Dadurch erhöht sich die Speichermenge, was für große Endverbraucher, Tankstellen oder Zwischenspeicher im Gasnetz interessant ist.

gwf: Worauf beziehen sich Ihre Forschungen auf dem Gebiet?

Dr. Fischer: Wir machen die Produktion der Tanks noch wirtschaftlicher. In einen Behälter werden 20-30 kg carbonfaserverstärker Kunststoff (CFK) verbaut, in große deutlich mehr. Dabei ist CFK ein sehr teurer Werkstoff. Unser Ansatz ist, das mechanische Verhalten zu studieren und die Produktionsverfahren noch zuverlässiger zu machen, um Überdimensionierungen zu vermeiden und so die Kosten zu senken.

gwf: Was ist der typische Use Case für Typ IV-Behälter?

Dr. Fischer: Neben den angesprochenen Containerlösungen die Schwerlastmobilität: Busse, Lkw, Züge, Schiffe. Diese lassen sich nur selten effizient batterieelektrisch betreiben, weshalb Wasserstoff die optimale Alternative für einen klimaneutralen Antrieb darstellt. Und bei Wasserstoff gibt es derzeit wiederum keine Alternative zu den Typ IV-Behältern, da die Fahrzeuge sonst viel zu schwer werden. Im Lkw-Verkehr hat ein Druckbehälter dabei eine Betriebsdauer von rund 100.000 Betriebsstunden. Aus Sicherheitsgründen werden sie extrem streng überprüft und erfüllen höchste Anforderungen.

gwf: Lassen sich die Typ IV-Behälter auch recyceln?

Dr. Fischer: Auf jeden Fall. Carbonfaserrecycling ist ein wichtiges Thema. Es gibt mehrere Ansätze, die Fasern zurückzugewinnen, etwa die Pyrolyse. Aber eigentlich ist das Zurückführen in die Ausgangsprodukte die letzte Wahl, denn ein- und derselbe Druckbehälter lässt sich ja für unterschiedliche Anwendungsbereiche einsetzen. Hält er einen hohen Druck nicht mehr aus, kann er für eine andere Anwendung mit niedrigerem Druck verwendet werden. Dafür muss man nur den Zustand des Behälters genau kennen. Auch daran forschen wir: Wenn man die Funktionsfähigkeit eines Druckbehälters über Structural Health Monitoring kontinuierlich beobachtet, kann man ihn nicht nur möglichst lange in einem Einsatzfeld betreiben, sondern auch abschätzen, für welches er später weiter- oder wieder verwendet werden kann.

gwf: Sehen Sie insgesamt eine Zunahme von Wasserstoffaktivitäten in der Forschung?

Dr. Fischer: Definitiv. An der RWTH Aachen gibt es das Center for Sustainable Hydrogen Systems, das alle Forschungsaktivitäten der Universität zusammenfasst und koordiniert. Allein da gibt es über 100 Wasserstoffprojekte – von der Erzeugung über Bakterien über den Transport in Tanks bis hin zur Anwendung in Fahrzeigen. Das Gleiche sehen wir im internationalen Umfeld. Überall wird davon ausgegangen, dass Wasserstoff ein wichtiges Element einer defossilisierten Energieversorgung darstellt. Aber es gibt auch noch wirklich viel zu tun, weil das Upscaling noch nicht stattgefunden hat.

gwf: Und hier kommt Kunststoff ins Spiel, der damit das entscheidende Puzzleteil für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft wäre?

Dr. Fischer: Davon sind wir und unsere Partner aus der Industrie fest überzeugt. Und die Herausforderungen sind beherrschbar. Aber wir müssen wissen, welche Funktionen in den unterschiedlichen Komponenten und Baugruppen von Wasserstoffsystemen gefordert sind. Dann können kunststoffgerechte Bauweisen mit den heute bereits zur Verfügung stehenden Werkstoffen entwickelt werden. Die Kunststoffindustrie ist H2-ready, jetzt braucht sie den Austausch mit der Wasserstoffwirtschaft sowie die Stückzahlen und Bedarfe. Dann kann sie in kurzer Zeit neue werkstoffgerechte, kostengünstigere und CO2-effizientere Lösungen anbieten.

gwf: Herr Dr. Fischer, vielen Dank für das Interview!