Autogenschneiden mit Wasserstoff = weniger Treibhausgas!

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Institut für Werkstoffkunde
Unterwassertechnikum Hannover (UWTH)

Vortrag von Dr. - Ing. Thomas Hassel am Deutschen Schneidkongress® 26.04.2023

Historie und Übersicht über alle Themen am: Deutschen Schneidkongress® 2023 und Deutschen Brennschneidtag® 2023

CO2-neutrales autogenes Brennschneiden mit Wasserstoff als Weg zur klimafreundlichen Produktionstechnik in der Stahlbearbeitung

© Alle Bilder, Tabellen, Charts: Leibniz Universität Hannover, IW, Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier – Hassel, Hildebrandt, Kramer | 26.04.2023

Grüner Wasserstoff für die Autogentechnik
Grüner Wasserstoff für die Autogentechnik

Nachhaltig erzeugter Wasserstoff kann zukünftig in der Produktionstechnik von Schneidbetrieben eine entscheidende Rolle spielen, wenn es um CO2-freie Schneidprozesse geht.

Ein Eigenschaftsvergleich zwischen den derzeit verwendeten Brenngasen und Wasserstoff

Die althergebrachte Stahlbearbeitung steht vor neuen Herausforderungen: Die Autogentechnik verliert an Image und seit 2023 wird eine Steuer auf Kohlenwasserstoffbrenngase erhoben. Gleichzeitig gewinnen Umwelt- und Arbeitssicherheitsaspekte an Bedeutung. Durch mehr Nachhaltigkeit im Schneidprozess und „green line“-Produkten besteht die Chance, Anwender wiederzugewinnen und zu halten.

Herstellung und Verwendung von Wasserstoff
Herstellung und Verwendung von Wasserstoff | © Leibniz Universität Hannover, IW, Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier – Hassel, Hildebrandt, Kramer

Grüner Wasserstoff

Das Wassermolekül H20 kann wiederholt, unter Aufwendung von z. B. Sonnenenergie, zerlegt und anschließend wieder zusammengesetzt werden. Ca. 90% des heute zur Verfügung stehenden Wasserstoffes (H2) sind Nebenprodukte aus Gasifizierungs- oder Pyrolyseprozessen.

Der „grüne“ Wasserstoff als Basis für die nachhaltige Wasserstoffwirtschaft der Zukunft wird direkt aus Wasser durch Prozesse der Elektrolyse, Thermolyse, Photolyse oder Plasmaanalyse unter Aufwendung erneuerbarer Energie gewonnen. Zukünftig könnte Wasserstoff als Energiespeicher und -träger, Kraftstoff und in Industrieprozessen genutzt werden.

Das Schaubild verdeutlicht diesen Prozess: Die Sonnenenergie wird in elektrischen Strom umgewandelt. Dieser Strom wird in einem „Elektrolyseur“ zur Wasserstoffelektrolyse verwendet, durch den die einzelnen Moleküle H2 und O2 gewonnen werden. Werden die Moleküle wieder „zusammengebracht“, entsteht wieder Wasser und gleichzeitig aber auch die vorher zur Spaltung notwendige Energie als Wärme, die zu autogenen Brennschneiden genutzt werden kann.

Historie der Autogentechnik – wiederentdeckter Wasserstoff?
Historie der Autogentechnik – wiederentdeckter Wasserstoff?

Historie der Autogentechnik

Wasserstoff in der Autogentechnik ist eigentlich keine neue Erfindung und wurde schon Anfang des 19. Jahrhunderts beim autogenen Brennschneiden als Brenngas verwendet. Dabei erfolgte die Erwärmung von Stahl auf Zündtemperatur mittels Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme und anschließend wurde mit Sauerstoff geschnitten. Die bis dato nicht ausreichend entwickelte Technik sorgte zunächst dafür, dass die Flamme an falscher Stelle entstand und es als sehr unsicher galt.

Ernst Wiss entwickelte 1903 den ersten Wasserstoff-Sauerstoff-Schweißbrenner mit Mischkammer.

Heutige Nutzung von Wasserstoff in der Industrie

Wasserstoff findet in vielen Sektoren Verwendung, bspw. für die kalte Verbrennung in Brennstoffzellen oder in riesigen Mengen als Brennstoff in der Raumfahrt. Und nahezu jeder kennt den Wasserstoff aus dem sog. „Knallgasexperiment“ aus dem Chemieunterricht in der Schule (Reaktion Wasserstoff und Sauerstoff), was dem Wasserstoff mitunter zu einem negativen Image verholfen hat.

Doch: Zur Raumfahrt große Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff zusammenzubringen und reagieren zu lassen und dann Vorbehalte und Bedenken gegenüber diesem Vorgang bei einem kleinen Schneidbrenner haben, ist nicht wirklich konsequent?!

Es ist wichtig, den Vorurteilen und Bedenken gegenüber Wasserstoff mit Fakten zu begegnen: Sofern erneuerbare Energie zur Herstellung des Wasserstoffs verwendet wird, handelt es sich um eine klimaneutrale, CO2-freie und beherrschbare Verbrennungsreaktion mit großer Wärmeerzeugung.

Eigenschaften der Heizgase im Vergleich

Wasserstoff zeichnet sich gegenüber den anderen Brenngasen durch eine geringe Dichte aus, was sich in der Stahlbearbeitung als vorteilhaft erweist. Auch liegt bspw. die Selbstentzündungstemperatur im Vergleich deutlich höher.

Zwar schneidet Wasserstoff im Vergleich bei der Verbrennungsenthalpie mit deutlich niedrigeren Werten ab, jedoch bedarf es hier einer Zusammenschau der Befunde: Mit Wasserstoff können deutlich höhere Heiz- und Brennwerte erzielt werden. Im Gesamten also ein riesiges Potential.  

Die Tabelle zeigt Wasserstoff im Vergleich zu Acetylen und Propan:

Eigenschaftsvergleich Wasserstoff & Acetylen
Eigenschaftsvergleich Wasserstoff & Acetylen & Propan

Verbrennung von Wasserstoff und Acetylen mit Sauerstoff

Den Acetylen- und Propan-Sauerstoff-Flammen ist gemein, dass im Vergleich zur Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme deutlich mehr Energie erzeugt wird.

Dies aber mit dem großen Nachteil: Beide Reaktionen setzen CO2 frei, was nun aus Klimaschutzgründen bezahlt werden muss.

Pro Tonne CO2 fallen im Jahr 2023 bereits 35€ an, die Tendenz deutlich steigend (2024: 45€/t CO2, 2025: 55€/t CO2).

Da es bislang keine genauen Emissionsfaktoren zur Berechnung der Brenngase gibt, steht eine Spezifizierung der Preise noch aus. Die Erfahrung lehrt, es wird tendenziell teurer werden.

Durch die Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion werden lediglich reiner Wasserdampf und keine Treibhausgas- oder Rußpartikelemissionen freigesetzt, was einen großen Vorteil darstellt.

Beim Vergleich der Flamme, Abstand zur Brennerdüse und den Zündgeschwindigkeiten liegt der Wasserstoff zwischen Acetylen und Propan.

Verbrennung von Wasserstoff & Acetylen mit Sauerstoff
Verbrennung von Wasserstoff & Acetylen mit Sauerstoff | © Leibniz Universität Hannover, IW, Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier – Hassel, Hildebrandt, Kramer

Vergleich der Partikelemissionen

In einer Untersuchung der Leibniz Universität Hannover wurden die Partikel- und Abgasemissionen von Acetylen, Propan und Wasserstoff beim Brennschneiden gemessen. Dazu wurden die austretenden Gase beim Schneidbrennen in einer sog. Fumebox abgesaugt und über ein Infrarotspektrometer analysiert.

Die Graphik zeigt: Acetylen erzeugt beim Verbrennen einen CO2 Anteil von etwa 3000 ppm, während Propan noch deutlich mehr erzeugt, da es ein größeres Molekül ist und mehr Wasserstoff und Kohlenstoff enthält, zudem die Verbrennungswerte geringer sind und mehr Volumen benötigt wird.
Auch bei der Verbrennung von Wasserstoff konnte CO2 nachgewiesen werden – jedoch im Ausmaß einer normalen Raumluftqualität.

Auch die in der Gefahr nicht zu vernachlässigenden entstehenden Stickoxide (NOx) durch die sekundäre Flammenreaktion, die teilweise den Stickstoff der Luft in die Oxidationsreaktionen einbindet. Diese Gase werden beim Verbrennen von Wasserstoff in deutlich geringerem Maß produziert.

Zum NOx-Gehalt liegen bislang zwar noch keine Grenzwerte vor, wozu es aber durchaus in den nächsten Jahren kommen könnte.

Zum Arbeitsschutz ist eine Einordnung der natürlich und industriell bedingten Partikelemissionen relevant. Dabei gilt, dass bei einem Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von unter 2,5 µm ein Gesundheitsrisiko besteht, da dadurch ein tiefes Eindringen in die Atemwege und eine nachhaltige Schädigung der Gesundheit des Personals möglich ist.

Im oben beschriebenen Versuchsaufbau ist auch eine Analyse der Partikelgrößen und Emissionsraten möglich. Dabei kommen zur Filterung Vlies-Filter und Filterkerzen zum Einsatz.

Der Vergleich zeigt auch hier: Beim Schneiden mit Wasserstoff ist eine Reduktion der Feinstaubbelastung möglich.

CO2- und NOX-Emissionen – Brenngase im Vergleich
CO2- und NOX-Emissionen – Brenngase im Vergleich
Partikelemissionen – relevant für den Arbeitsschutz
Partikelemissionen – relevant für den Arbeitsschutz
Partikelemissionen – Brenngase im Vergleich
Partikelemissionen – Brenngase im Vergleich
Härte von Schneidproben – Brenngase im Vergleich
Härte von Schneidproben – Brenngase im Vergleich

Schnittqualiät beim Brennschneiden mit Wasserstoff

Weiterhin konnten in Versuchen hinsichtlich der Schnittkante, des Schnittwinkels und der Oberflächenhärte von Schneidproben für den Wasserstoff vergleichbare Ergebnisse und Werte erzielt werden. Die große Herausforderung besteht insbesondere für die Schnittkante darin, die richtige Einstellung der Mischungsverhältnisse und des Schneidsauerstoffdrucks zu finden, damit bartfrei, also ohne Anhaftungen an der Schnittkantenunterseite, und senkrecht geschnitten werden kann.

Die Nutzung von Wasserstoff führt zu einer Aufhärtung der Schnittkante des Stahls, da es durch das entstehende Wasser zu einer schnelleren Abkühlung an der Oberfläche kommt. Die Wärmemengen und die Abkühlgeschwindigkeiten an der Schnittkante sind im Vergleich zu Acetylen und Propan ähnlich, sodass es bei der Stahlbearbeitung bisher keine negativen Anzeichen diesbzgl. gibt.

Die Wärmeeinflusszone ist bei Wasserstoff gegenüber Acetylen und Propan nur unwesentlich erhöht, was keinen Nachteil darstellen muss, da tendenziell hohe Härtegradienten für zyklische Festigkeiten „schlimmer“ sind als niedrigere Härtegradienten. Wichtig ist dabei nur, dass Maximalhärte nicht überschritten wird. Durch eine richtige Düseneinstellung kann auch dies noch gesteuert und optimiert werden.

Wärmeeinflusszonen von Schneidproben – Brenngase im Vergleich
Wärmeeinflusszonen von Schneidproben – Brenngase im Vergleich

Die nächsten Schritte

Es bedarf der Entwicklung von Schneidparametern, also die Optimierung und Erstellung von Schneidtabellen.

Das Düsen-/Brennerportfolio muss angepasst werden; es muss überlegt werden, an welchen Stellschrauben gedreht werden kann und sollte.

Weiterhin müssen die Lieferquellen von grünem Wasserstoff ausgebaut werden; eine Umwandlung von Kohlenwasserstoffverbindungen zu Wasserstoff stellt mitnichten eine umweltfreundliche Alternative dar.

Zur Optimierung des Einsatzes von Wasserstoff werden Langzeittests unter Praxisbedingungen benötigt. Da die Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme normalerweise bei starker Strömung nicht sichtbar ist, bedarf es einer umweltfreundlichen Technik (z. B. Visualisierung), um diese sichtbar zu machen.

Dr.-Ing. Thomas Hassel, UWTH Leibniz Universität Hannover
Dr.-Ing. Thomas Hassel, UWTH Leibniz Universität Hannover

Referent

Dr.-Ing. Thomas Hassel

Quellverzeichnis

[1] prozesstechnik.industrie.de/news-chemie/wie-bestimmt-man-den-co2-fussabdruck-eines-unternehmens
[2] Wiss, 1908: Das autogene Schweißen und autogene Schneiden mit Wasserstoff und Sauerstoff
[3] DVS Schweißen und Schneiden, Aichele 2007: Komprimierter Wasserstoff zum Loeten und Schweißen
[4] John Kopasz: 2020 Hydrogen and Fuel Cell Technologies Market Report, Argonne National Laboratory, 2020
[5] www.azocleantech.com/article.aspx?ArticleID=70
[6] www.dlr.de/content/de/bilder/2021/01/die-neue-europaeische-traegerrakete-ariane-6.html
[7] www.entdeckerlab.de/blog/wasserstoff-selber-herstellen
[8] www.elements.envato.com/de
[9] Franz Joos: Technische Verbrennung, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006, ISBN-10 3-540-34333-4
[10] Peter Kurzweil: Chemie, 11. Auflage, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, 2020, ISBN 978-3-658-27502-0
[11] Hermann und Gabel: Der Brennschneider, DVS-Verlag GmbH Düsseldorf, 1998, ISBN 3-87155-538-X
[12] www.vcd.org/artikel/der-co2-preis-im-verkehr-keine-lenkungswirkung-und-sozial-unausgewogen
[13] Bekanntmachung des Umweltbundesamtes: Gesundheitliche Bewertung von Kohlendioxid in der Innenraumluft, 2008
[14] www.testo.com/de-DE/anforderung/whitepaper-partikelmessung
[15] www.solarserver.de/2021/07/08/aurora-energy-research-studie-zu-kosten-fuer-gruenen-wasserstoff
[16] www.kts-stahl.de/schweissnahtvorbereitung

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