Bis 2032 soll in Deutschland ein Wasserstoff-Kernnetz mit rund 9.700 Kilometern Leitungslänge entstehen. Die ersten Abschnitte gehen bereits 2025 in Betrieb und verbinden Produktionsstätten, Industriezentren und Speicher miteinander. Für die Baubranche bedeutet das: neue Projekte, hohe Investitionsvolumen von knapp 19 Milliarden Euro und vor allem spezifische technische Anforderungen. Denn Wasserstoff ist kein gewöhnliches Gas. Seine besonderen physikalischen Eigenschaften stellen Material und Verlegung von Rohrleitungen vor Herausforderungen, die über die klassische Gasinfrastruktur hinausgehen. Wer im Kanalbau/Tief-Straßenbau tätig ist, sollte sich auf veränderte Materialanforderungen, angepasste Schweißtechniken und strengere Qualitätskontrollen einstellen.
Wasserstoff Pipeline in Deutschland: Der aktuelle Stand
Deutschland verfügt bereits über jahrzehntelange Erfahrungen im Wasserstofftransport. Im Ruhrgebiet existiert seit 1938 die längste dedizierte Wasserstoff Pipeline des Landes mit 240 Kilometern Länge, die von Marl über Castrop-Rauxel bis nach Leverkusen reicht. Im mitteldeutschen Chemiedreieck rund um Bitterfeld, Schkopau und Leuna kommen verschiedene Wasserstoffleitungen auf weitere 150 Kilometer. Diese bestehenden Netze haben sich über Jahrzehnte bewährt und liefern wichtige Erkenntnisse für den geplanten Ausbau.
Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie hat die Bundesregierung den Grundstein für eine deutschlandweite Infrastruktur gelegt. Das Wasserstoff-Kernnetz soll alle Bundesländer erreichen und große Erzeugungs- und Verbrauchsregionen miteinander verbinden. Dabei müssen nicht alle Leitungen neu errichtet werden. Rund 60 Prozent der geplanten Gesamtlänge entfallen auf die Umrüstung bestehender Erdgasleitungen, während 40 Prozent als Neubauprojekte realisiert werden. Für Bauunternehmen ergeben sich damit vielfältige Aufträge zwischen Neubau, Umrüstung und technischer Anpassung vorhandener Infrastruktur.
Die zentrale Herausforderung: Wasserstoffversprödung
Wasserstoffversprödung gilt als zentrale Herausforderung beim Aufbau von Wasserstoffinfrastrukturen. Das Phänomen wurde bereits 1863 wissenschaftlich dokumentiert und beschreibt einen Materialschädigungsmechanismus, bei dem Wasserstoff in Werkstoffe eindringt und deren mechanische Eigenschaften verschlechtert. Als kleinstes Atom im Universum kann sich Wasserstoff in die Zwischengitterplätze der Kristallstruktur von Metallen bewegen. Nach der Adsorption atomaren Wasserstoffs an der Oberfläche diffundiert dieser zu Bereichen hoher Zugspannung wie Kerben oder Materialfehlern.
Die schädigende Wirkung zeigt sich besonders bei Drücken von 200 bis 700 bar, wie sie in Wasserstofftanks oder bei der Verdichtung auftreten. In Pipelines liegt der Betriebsdruck typischerweise zwischen 30 und 100 bar bei dynamischer Belastung oder bei etwa 80 bar im reinen Transportbetrieb. Obwohl Wasserstoff unter Normalbedingungen als molekularer Wasserstoff vorliegt, kann es an Fehlstellen der Innenwand zur Bildung von atomarem Wasserstoff kommen. Dieser atomare Wasserstoff führt zu einer Reduzierung der Bindungsenergie des Metallgitters und kann Ermüdungsrisse verursachen.
Welche Materialien sind besonders betroffen?
Nicht alle Materialien zeigen die gleiche Anfälligkeit. Bei Stählen hängt die Gefährdung stark von ihrer inneren Struktur ab. Besonders problematisch sind ferritische und martensitische Gefügestrukturen sowie hochfeste Stahlsorten mit einer Streckgrenze größer 800 MPa. Diese nehmen Wasserstoff leicht auf und werden dadurch spröde. Schrauben ab der Festigkeitsklasse 10.9 und höher gelten als besonders gefährdet gegenüber wasserstoffbedingten Schädigungen.
Bei Kunststoffen wie Polyethylen tritt keine klassische Versprödung auf, jedoch diffundiert Wasserstoff durch diese Materialien. Das schließt herkömmliche Kunststoffleitungen für den reinen Wasserstofftransport weitgehend aus. Schweißnähte stellen einen weiteren kritischen Bereich dar, insbesondere wenn die Schweißstellen nicht ausreichend von Rost gereinigt wurden oder unzureichende Schweißverfahren zum Einsatz kommen.
Materialanforderungen für Wasserstoff-Pipelines
Die Wahl des richtigen Materials entscheidet maßgeblich über die Langzeitsicherheit einer Wasserstoff Pipeline. Austenitische Stähle, insbesondere CrNi-Stähle, bilden eine Ausnahme bei der Wasserstoffanfälligkeit. Sie sind weitgehend unempfindlich gegen Wasserstoffversprödung und gehören zu den Standardwerkstoffen der Wasserstofftechnik. Der Grund liegt in ihrer besonderen Kristallstruktur, die Wasserstoff deutlich langsamer aufnimmt als ferritische Strukturen.
Für den Transport gasförmigen Wasserstoffs haben sich niedriglegierte Stahlsorten wie X42 und X52 bewährt. Hersteller bieten darüber hinaus optimierte Werkstoffkonzepte für den Festigkeitsbereich bis X70 an. Diese speziell entwickelten Stähle vereinen ausreichende mechanische Festigkeit mit verbesserter Wasserstoffbeständigkeit. Entscheidend ist dabei die gezielte Legierungszusammensetzung.
Nickel macht den Stahl resistenter gegen Wasserstoff. Zur sicheren Verwendung wird häufig ein Mindestnickelgehalt von 10 Prozent eingehalten. Umgekehrt erhöhen Zusätze wie Chrom, Molybdän oder Titan die Versprödungsgefahr. Auch der Kohlenstoffgehalt spielt eine wichtige Rolle. Eine Verringerung des Kohlenstoffanteils im Material verringert die Gefahr der Wasserstoffversprödung und verbessert gleichzeitig die Schweißbarkeit des Rohrwerkstoffes. Ebenso werden Phosphor und Schwefel auf ein Minimum beschränkt, um innere Angriffspunkte für den Wasserstoff zu reduzieren.
Qualitätsmerkmale H2-ready Rohre
H2-ready Rohre müssen spezifische Qualitätsmerkmale erfüllen, die über Standardanforderungen hinausgehen. Die Innenoberfläche wird frei von Oberflächenabsätzen gefertigt, um Fehlstellen zu vermeiden, an denen atomarer Wasserstoff entstehen könnte. Eine homogene Materialstruktur ohne Einschlüsse oder Gefügeunregelmäßigkeiten ist ebenso wichtig wie eine von Riefen und Kerben freie Oberfläche. Diese Oberflächenqualität dient als wesentliche Schutzmaßnahme gegen Wasserstoffversprödung.
Die mechanischen Werte werden optimiert und die Reinheit der verwendeten Stahlwerkstoffe erhöht. Moderne H2-ready Rohre weisen ein abgesenktes Kohlenstoffäquivalent auf, das eine hervorragende Schweißbarkeit gewährleistet. Diese Kombination aus Materialeigenschaften sichert eine lange Lebensdauer der Wasserstoffleitungen auch unter dynamischer Druckbelastung.
Normung und Zertifizierung
Für Prüfungen an Wasserstoff führenden Rohren und Pipelines spielt die ASME B31.12 als führende Norm eine zentrale Rolle. Sie gibt vor, welche mechanischen Prüfverfahren zur Bewertung des Verhaltens von Werkstoffen unter Wasserstoffeinfluss durchzuführen sind. Die European Industrial Gases Association hat mit ihren EIGA-Richtlinien weitere Anforderungen definiert, die wasserstoffkonforme Stahlanalyse, Druckresistenz sowie homogene Struktur umfassen.
Die H2ready-Zertifizierung bestätigt, dass Rohre für den Transport und die Speicherung von Wasserstoff geeignet sind. Umfangreiche Materialuntersuchungen gewährleisten die mechanische Stabilität des Materials gegen Wasserstoffversprödung. Prüfungen erfolgen unter realistischen Bedingungen, beispielsweise bei 100 bar Druck, Raumtemperatur und 100 Prozent reinem gasförmigem Wasserstoff.
Besondere Anforderungen an Verlegung und Bau
Die Verlegung von Wasserstoffleitungen unterscheidet sich in mehreren Punkten von herkömmlichen Gaspipelines. Der Druckbereich liegt im Transportbetrieb typischerweise bei 80 bar, während bei Speichernutzung mit dynamischen Drücken zwischen 30 und 100 bar zu rechnen ist. Diese sogenannte Leitungsatmung stellt höhere Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit der Materialien und Schweißverbindungen.
Schweißarbeiten erfordern besondere Aufmerksamkeit. Unzureichend von Rost gereinigte Schweißstellen können zum Eintrag von Wasserstoff führen, der im Rost enthaltene Wasserstoff wird beim Schweißen freigesetzt und dringt in die Schweißnaht ein. Moderne Verfahren wie das Orbital-Lichtbogenschweißen haben sich als geeignet erwiesen, um qualitativ hochwertige Verbindungen herzustellen. Die Schweißnähte müssen nicht nur dicht sein, sondern auch langfristig der Wasserstoffatmosphäre standhalten.
Innovative Verlegetechnologien
Forschungsarbeiten des Fraunhofer-Instituts haben gezeigt, dass zweilagige Rohre, die im Verfahren der Innenhochdruck-Umformung hergestellt werden, zusätzliche Vorteile bieten können. Die innere Lage besteht aus einem wasserstoffresistenten Material, während die äußere Lage die mechanische Tragfähigkeit sicherstellt. Da kein direkter Kontakt zwischen der tragenden Außenschicht und dem Wasserstoff besteht, spielt die Wasserstoffversprödung des Außenmaterials keine Rolle.
Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass umschließende Werkzeuge nicht benötigt werden. Die Fertigung ist damit auch für sehr lange Rohrsegmente möglich und kann in direkter Nähe von Pipeline-Baustellen erfolgen. Für den Transport von flüssigem Wasserstoff bei kryogenen Temperaturen hat sich die Vakuumisolierung bewährt. Hierbei wird ein Hochvakuum zwischen doppelwandigen Rohrleitungen erzeugt, das eine hervorragende thermische Isolierung bietet und gleichzeitig die Sicherheitsanforderungen erfüllt.
Qualitätssicherung und Inspektion
Ein kontinuierliches Integritätsmanagement der Systeme begegnet etwaigen Risiken durch Wasserstoffversprödung frühzeitig. Die Beobachtung und Analyse der Materialzustände erfolgt durch physische interne und externe Inspektionsgeräte sowie Tests der Pipeline. Ein wesentliches Mittel der Zustandsermittlung und Instandhaltung ist die Molchtechnik. Je nach eingesetzter Prüftechnik erlauben diese Molchungen eine wiederkehrende Überprüfung der Rohrwand auf bereits vorhandene und gegebenenfalls entstehende Anomalien.
Die vorhandenen Instandhaltungskonzepte und Werkzeuge lassen sich mit geringen Anpassungen auf die Anforderungen des Wasserstofftransports umstellen. Regelmäßige Druckprüfungen und Dichtheitsprüfungen ergänzen das Überwachungskonzept. Diese umfassende Qualitätssicherung gewährleistet auch langfristig einen sicheren Betrieb der Wasserstoffinfrastruktur.
Umrüstung bestehender Gasleitungen
Die Nutzung bestehender Gasinfrastruktur ist ein zentraler Baustein der deutschen Wasserstoffstrategie. Eine repräsentative Untersuchung des DVGW aus dem Jahr 2023 hat ergeben, dass die üblicherweise in Erdgasnetzen verwendeten metallischen Rohre bei korrekter Materialauswahl für den Transport von reinem Wasserstoff geeignet sind. Diese Erkenntnis ist für die Wirtschaftlichkeit des Ausbaus entscheidend, da erhebliche Investitionen eingespart werden können.
Allerdings ist eine 1:1-Umwidmung nicht ohne weiteres möglich. Der Austausch von Armaturen oder Änderungen an diesen wird notwendig sein. Verdichter, Dichtungen und Regeleinrichtungen müssen auf Wasserstofftauglichkeit geprüft und gegebenenfalls angepasst werden. Im Energiepark Bad Lauchstädt wird bereits praktische Erfahrung mit der Umrüstung gesammelt. Dort werden bestehende Erdgasleitungen aus den 1970er Jahren umgerüstet, die künftig den Chemiepark Leuna mit grünem Wasserstoff versorgen sollen. Solche Pilotprojekte liefern wertvolle Erkenntnisse für die Umrüstung weiterer Streckenabschnitte im Kernnetz.
Fazit
Der Aufbau einer deutschlandweiten Wasserstoffinfrastruktur stellt die Baubranche vor neue Anforderungen. Wasserstoff Pipeline Projekte erfordern spezifisches Materialwissen, angepasste Schweißtechniken und kontinuierliche Qualitätskontrollen. Die Herausforderung der Wasserstoffversprödung lässt sich durch den Einsatz geeigneter Stahllegierungen, hochwertige Oberflächenqualität und moderne Prüfverfahren beherrschen. Mit rund 9.700 Kilometern Leitungslänge bis 2032 und einem Investitionsvolumen von knapp 19 Milliarden Euro eröffnen sich erhebliche Geschäftsmöglichkeiten für Unternehmen im Rohrleitungsbau.
Die Energiewende macht Wasserstoff unverzichtbar für die Dekarbonisierung der Industrie. Bauunternehmen, die frühzeitig Know-how im Bereich H2-ready Rohrleitungen aufbauen, sichern sich Wettbewerbsvorteile in einem wachsenden Markt. Dabei profitiert die Branche von jahrzehntelangen Erfahrungen im Rohrleitungsbau und kann auf bewährte Verfahren aufbauen, die gezielt an die Besonderheiten des Wasserstoffs angepasst werden.
Sie haben Fragen zur Umsetzung von Wasserstoff-Projekten im Rohrleitungsbau? Das Team der Dalhoff GmbH steht Ihnen mit langjähriger Erfahrung im Leitungs- und Kanalbau zur Seite. Kontaktieren Sie uns für ein unverbindliches Gespräch über Ihre Projekte.
FAQ: Häufige Fragen zu Wasserstoff-Pipelines
Können bestehende Erdgasleitungen für Wasserstoff genutzt werden?
Ja, eine DVGW-Untersuchung aus 2023 hat bestätigt, dass metallische Rohre bei korrekter Materialauswahl für reinen Wasserstofftransport geeignet sind. Etwa 60 Prozent des geplanten Wasserstoff-Kernnetzes entfallen auf umgerüstete Erdgasleitungen. Allerdings müssen Armaturen, Verdichter und Dichtungen angepasst oder ausgetauscht werden.
Was unterscheidet H2-ready Rohre von herkömmlichen Gasleitungen?
H2-ready Rohre verfügen über eine wasserstoffkonforme Stahlanalyse mit angepassten Legierungsbestandteilen, insbesondere einem Mindestnickelgehalt von etwa 10 Prozent. Die Innenoberfläche ist frei von Riefen und Kerben, Phosphor- und Schwefelgehalte sind minimiert. Die homogene Materialstruktur verhindert Angriffspunkte für Wasserstoffversprödung.
Welche Drücke werden in Wasserstoff-Pipelines erreicht?
Im Transportbetrieb liegt der Druck typischerweise bei 80 bar. Bei Nutzung der Pipeline zur Speicherung mit dynamischer Belastung bewegt sich der Betriebsdruck zwischen 30 und 100 bar. Für den containergebundenen Transport wird Wasserstoff auf 300 bis 700 bar komprimiert.
Wie lange dauert die Umrüstung einer Erdgasleitung auf Wasserstoff?
Die Dauer hängt von Länge, Zustand und technischen Gegebenheiten der Leitung ab. Das Wasserstoff-Kernnetz soll zwischen 2025 und 2032 sukzessive in Betrieb gehen. Einzelne Abschnitte werden schrittweise umgerüstet, wobei die Erdgasversorgung während der Umstellungsphase gewährleistet bleiben muss.
Welche Zertifizierungen sind für Wasserstoff-Pipelines erforderlich?
Zentrale Normen sind die ASME B31.12 für Prüfungen an Wasserstoff führenden Rohren sowie die EIGA-Richtlinien der European Industrial Gases Association. Die H2ready-Zertifizierung bestätigt die Eignung von Rohren für Wasserstofftransport und -speicherung. Zusätzlich gelten DIN EN Standards für verschiedene Anwendungsbereiche.