Auf dem H-Way der Zukunft
Pionierarbeit hat bei SCHOTT eine lange Tradition. Auch beim ersten großtechnischen Einsatz von Wasserstoff in der laufenden Glasproduktion sind Mut, Neugier und vor allem Leidenschaft gefragt. Die einfachste aller Erfolgsformeln: einfach machen. Eine eingeschworene Gruppe von Wasserstoffexperten sorgt dafür, dass man mit einem wegweisenden Projekt erneut Vorreiter wird.
tl;dr: Der Einsatz von Wasserstoff in der Glasproduktion bringt SCHOTT dem Ziel der Klimaneutralität näher.
- Neben Maßnahmen zur Elektrifizierung von Schmelzwannen führt SCHOTT ein bahnbrechendes Projekt zur Nutzung von Wasserstoff in der Glasproduktion durch.
- SCHOTT ist das erste Glasunternehmen, das Wasserstoff in solch großem Umfang einsetzt.
- Das Projekt "H2 Industries" ist ein wichtiger Meilenstein für das Unternehmen, um bis 2030 klimaneutral zu werden.
Matthias Kaffenberger ist an diesem winterlichen Samstagabend unruhig. Er aktualisiert auf seinem Smartphone regelmäßig eine Website eines Online-Portals und fokussiert gebannt das sich immer wieder neu aufbauende Kurvendiagramm. Was ähnlich aussieht wie die Aufzeichnung seismografischer Messungen, dokumentiert den Füllstatus des Wasserstofftanks im Werk in Mainz.
Die letzte Phase des Forschungsprojekts „H2 Industries“ hat begonnen – und nicht nur Matthias hofft, dass auf der Zielgeraden nichts mehr schiefgeht. Denn auch perfekte Planung stößt manchmal an Grenzen. Dann beispielsweise, wenn das Wetter nicht mitspielt. Oder sich der Lieferverkehr staut. Faktoren, die man nicht selbst beeinflussen kann.
Da die Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas zur Beheizung einer Schmelzwanne kontinuierlich erhöht wurde, muss der Tankwagen inzwischen zweimal am Tag nachfüllen. Der Zickzack-Ausschlag auf dem Chart bestätigt das. Eine Unterbrechung der Versorgung hätte fatale Folgen – für das Experiment, aber auch für die Glasschmelze, die eine bestimmte Temperatur nie unterschreiten darf.
Matthias hält es auf dem Sofa nicht mehr aus, fährt ins Werk – und kann wenig später aufatmen. Der Wasserstoff-Nachschub ist inzwischen da. Rechtzeitig. Wenig später ist der Tank wieder gefüllt und die Kurve in der Smartphone-App zeigt wieder nach oben. Aufatmen. Alles läuft perfekt.
„Die heiße Phase war schon ziemlich aufregend“, sagt Matthias.
Keimzelle des Pioniergeistes
Die Liste der Pioniere bei SCHOTT ist lang. Allen voran Firmengründer Otto Schott als Erfinder von Spezialgläsern und Vorreiter einer ganzen Industrie. Seine optischen und technischen Gläser übertreffen in der Qualität alles bisher Dagewesene. 1884 gründet er mit Ernst Abbe und Carl Zeiss ein Glaslabor, aus dem später SCHOTT hervorgeht. Seit fast 140 Jahren treiben Neugier und Pioniergeist die Mitarbeitenden an. Hinter allen großen Innovationen stecken clevere Köpfe. Rund 700 Forschende arbeiten heute weltweit an zukunftsfähigen Lösungen. Mehr als 3.500 Patente sind von SCHOTT.
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Aktiv gestalten, testen, forschen – statt reagieren
Das Projekt des promovierten Bauingenieurs ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur klimaneutralen Produktion, die SCHOTT bis 2030 sicherstellen möchte. Kaffenberger und sein Team geben dem Pioniergeist ein Gesicht. Denn bislang unbekannte Wege zu finden, ist tief in der Unternehmens-DNA verwurzelt. Das Projekt „H2-Industries“ ist Vorbild für die gesamte Branche. Denn den großtechnischen Einsatz von Wasserstoff in der laufenden Glasproduktion hat bisher keiner gewagt. Neben Know-how, Beharrlichkeit und Visionen ist Mut ein wichtiger Faktor.
„Wir wollten es machen und testen. Wir wollten agieren, nicht reagieren müssen, wenn vielleicht schon bald Erdgas vom Versorger mit Wasserstoff angereichert wird“, erinnert sich Matthias an die Projekt-Anfänge.
Nach Abschluss der Testphase Ende 2022 zeigen sich erste Erfolge. „Dieser Großversuch macht deutlich: Klimafreundliche Technologie in energieintensiven Industrien funktioniert“, so Dr. Jens Schulte, Mitglied des Vorstandes.
Das H-Team: Die wichtigsten Protagonisten im Wasserstoff-Projekt von links nach rechts Klaus Schönberger, Pascal Thomas, Jan-Ulrich Quade, Matthias Kaffenberger, Moritz Wolf, Stefan Schmitt
Matthias bereitete den Erfolg akribisch vor – und außer Verkehr und Wetter nichts dem Zufall überlassen. Die perfekte Planung spiegelt sich in diesem Fall beispielsweise in rund 500 Millionen Punkten wider, die der 3D-Laser-Scanner an verschiedenen Positionen pro Standort im Werk mit Hilfe von 360-Grad-Aufnahmen erfasste. Der Computer generiert daraus ein realistisches Abbild: eine 3D-Karte des gesamten Werks.
Die Visualisierung aller relevanten Projektstationen hilft bei der Entwicklung verschiedener Szenarien und Projektabläufe. Zudem können etwa die Positionen von Tank, Container und Leitungen im Vorfeld simuliert und bestimmt werden. „Wir haben alles exakt und minutiös geplant. Selbst kleinste Komponenten wie Brenner wurden digital erfasst. Und am Ende haben Berechnung und Realität perfekt zusammengepasst“, sagt Matthias.
Vom Labor in die Großanlage
Als Matthias im April 2019 zu SCHOTT kommt, nimmt das Thema Wasserstoff gerade Fahrt auf. Die Basis hat Stefan Schmitt zu diesem Zeitpunkt bereits gelegt. Der Projektverantwortliche gilt als Initiator für den Einsatz von Wasserstoff bei SCHOTT. Zusammen mit der Forschung und Entwicklung wies er im Labor die Machbarkeit nach. Vor zweieinhalb Jahren wird im so genannten "Technikum" erfolgreich eine 90-Liter-Wanne ausschließlich mit Wasserstoff betrieben.
„Wenn es im kleinen Maßstab mit 100 Prozent klappt, war die Wahrscheinlichkeit groß, dass es in der großen Wanne auch mit 35 Prozent funktioniert“, sagt Stefan. „Aber wir haben mehr als 150 verschiedene Gläser im Angebot. Wir mussten im Großversuch testen, wie weit wir mit dem bestehenden System gehen können. Unser Ziel war das Potenzial von Wasserstoff künftig für uns zu nutzen.“
Selbst bei nur einem Drittel Wasserstoff-Anteil und der damit verbundenen Erdgas-Einsparung reduzierte sich der CO2-Ausstoß um 14 Prozent.
Tank mit Symbolkraft
Das Projekt erinnert trotz intensiver Vorbereitung an eine Achterbahnfahrt. Unerwartete Wendungen, rasantes Tempo und jede Menge Emotionen sind ständige Begleiter. Denn wer neue Wege beschreitet, wählt selten den geraden Weg. „Ich bin oft nach Besprechungen ins Büro gekommen und habe gesagt, ‚Okay, dann lassen wir es mit dem Projekt‘“, erinnert sich Matthias.
Christine Kraus, die bei ihm im Büro sitzt, kann das Wechselbad der Gefühle bestätigen und nachvollziehen. Sie hat die 500 Meter Rohrleitungen durchs Werk geplant: Detailarbeit um beispielsweise die Dichtigkeit der Kupferrohre zu gewährleisten. Aber je mehr Hürden auf das Team warten, desto enger schweißt dies alle zusammen.
Ein Meilenstein mit Symbolkraft ist die Installation des Wasserstofftanks Ende September 2022. Der 21 Meter hohe Tank mit einem Durchmesser von 2,80 Meter wird per Lastwagen durchs Werk manövriert und dann per Auslegekran platziert. Ungefüllt wiegt er 47 Tonnen. Er kann mit 500 Kilogramm Wasserstoff betankt werden. „Das Einschweben des Tanks und die punktgenaue Landung war wie eine Inszenierung beim Ballett und perfekt“, schwärmt Matthias.
Als der Tank nach eineinhalb Stunden steht, ist klar: Die eineinhalb Jahre Planung haben sich gelohnt. Auch Jan-Ulrich Quade vergisst diesen Moment nicht – ebenso wenig die Monate davor. Der Leiter der Umweltschutztechnik, zugleich Emissionsschutz- und Störfallbeauftragter, wühlt sich im Vorfeld durch Paragrafen und Experten-Gutachten. „Wir mussten Szenarien für alle Eventualitäten durchspielen und definieren, was passiert, wenn...“, erzählt Jan-Ulrich.
Eine Mammutaufgabe mit engem Zeitfenster. Allgemeine Betreiberpflichten, Alarm- und Gefahrenabwehrpläne, Überwachungssysteme sowie Meldeverfahren und Übergangsvorschriften – nicht ohne Grund sagt Jan-Ulrich: „Ich bin ein Bürotiger.“
Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1. Er ist das kleinste und häufigste Element des Universums. In Verbindung mit Sauerstoff kann es sich leicht selbst entzünden. Das farb- und geruchslose Gas kommt auf der Erde fast ausschließlich in gebundener Form vor: Es steckt in fossilen Rohstoffen wie Erdgas und Erdöl sowie in mehr als der Hälfte aller bekannten Mineralien.
CO2-frei ist Wasserstoff nur, wenn er ausschließlich mit Ökostrom produziert wird. Das ist bei sogenanntem „grünen Wasserstoff“ der Fall. Mit Strom aus regenerativen Quellen wird dabei im Elektrolyseverfahren Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Grüner Wasserstoff aus Ökostrom könnte im Verkehr und in der Industrie eine elementare Rolle für die Energiewende spielen. Aber noch ist Wasserstoff teuer und nicht in ausreichender Menge für den industriellen Einsatz vorhanden.
Als das Projekt startet, steht auch Jan-Ulrich am Tank.
Über einen Zeitraum von vier Wochen werden rund zehn Tonnen Wasserstoff benötigt. Am Anfang fährt der Tankwagen jeden zweiten Tag vor, dann täglich und am Ende sogar zweimal am Tag. Insgesamt werden 27 Lieferungen benötigt. Messer Industriegase GmbH aus Bad Soden am Taunus sorgt dafür, dass der Nachschub unterbrechungsfrei läuft. „Wir konnten uns darauf verlassen, das war super“, sagt Matthias.
Da der Druck im Tankwagen mit 200 bar größer als im aufgestellten Tank ist, läuft der Austausch per Druckausgleich über zwei kleine Schläuche in der Größe eines Gartenschlauchs von allein. Die Betankung dauert jeweils knapp über eine Stunde und ist bald Routine. Über das speziell für das Projekt verlegte Rohrsystem landet der Wasserstoff anschließend im Mischcontainer.
Der Weg zur Klimaneutralität
SCHOTT verfolgt ein ehrgeiziges Ziel. Bis 2030 möchte der Spezialglashersteller klimaneutral sein. Um dies zu erreichen, gibt es einen Aktionsplan aus vier Handlungsfeldern. Mit der Umstellung auf 100 Prozent Grünstrom und einer damit verbundenen Reduzierung der weltweiten CO2-Emissionen um 60 Prozent wurde Ende 2022 ein wichtiges Etappenziel erreicht. Aber da für die Herstellung von Spezialglas auch künftig viel Energie benötigt wird, ist vor allem auch ein Technologiewandel nötig. Daher verfolgt SCHOTT mit zahlreichen Forschungsprojekten zwei Ziele: die Elektrifizierung der Schmelzwanne auf Basis von Grünstrom und den Einsatz von Wasserstoff. Langfristig sollen so fossile Energieträger ersetzt werden.
Das Bundes-Umweltministerium unterstützt mit 4,5 Millionen Euro zwei Leuchtturmprojekte, um Wannen künftig elektrisch zu betreiben. Bei einem Projekt geht es um den Schmelzprozess für Pharmaglas, beim zweiten um den Schmelzprozess für Spezialgläser für technische Anwendungen. Ein weiteres Handlungsfeld ist die kontinuierliche Verbesserung der Energieeffizienz. Verbleibende Emissionen werden durch Zertifikate aus hochwertigen Klimaschutzprojekten kompensiert.
Der Container aus Blech ist acht Meter lang und 2,50 Meter breit. Von außen unscheinbar, von innen unspektakulär. Erdgas- und Wasserstoff-Leitungen kommen an der Stirnseite zusammen und die beiden Gase werden anschließend durch einen statischen Mischer verwirbelt – fertig ist das Gemisch.
Christoph Neeb achtet genau darauf, wer sich dem Container nähert oder ihn betritt. Der Mann von der Mainzer Netze GmbH betreut das Projekt. Mit einem sogenannten „Schnüffelgerät“ überprüft er, ob sich leicht entzündbarer Wasserstoff in der Luft befindet. Erst danach gibt er einen Blick ins Innere frei. „Das ist auch für uns ein bedeutendes und großes Projekt, bei dem wir viel lernen“, erzählt Neeb.
Der Container des Netzbetreibers, der als Partner das Projekt unterstützt, steht mitten im Werk direkt vor dem Backsteingebäude, in dem sich die Wanne befindet.
Ortswechsel. Temperaturwechsel.
Von Temperaturen um den Gefrierpunkt zu 1.700 Grad Celsius im Inneren der Wanne sind es nur zwei Türen, drei Treppen und wenige Meter Fußweg. Wenn das Aufstellen des Tanks ästhetisch wie bei einem Ballett abgelaufen ist, dann ist der erste Wannentest das Finale furioso. Moritz Wolf steht an der Steuerung, während Matthias über das Touch-Display am Mischcontainer die Beimischung startet. Moritz ist seit 2016 bei SCHOTT und hat zusammen mit Georg Demmer als Linienleiter die Voraussetzungen für die Umsetzung des Projekts an der Wanne geschaffen. „Wir haben einige Um- und Einbauten vorgenommen, das war schon eine technische Herausforderung“, erzählt der 36-Jährige.
An der Steuerung der Schmelzwanne laufen die Meldungen von rund 4.000 Messstellen ein. Und Moritz ist der Dirigent an den Reglern und Knöpfen, die Einfluss auf die Brennereinstellung haben. Da Wasserstoff einen geringeren Heizwert im Vergleich zu Erdgas hat – drei Kilowattstunden zu elf Kilowattstunden pro Kubikmeter – ist guter Rat eine Frage von Berechnungen und etwas Einfallsreichtum.
„Bei gleichem Volumenstrom hätten wir also einen geringeren Heizwert bekommen. Wir brauchen aber gleichbleibende Energie“, erinnert sich Moritz an die Tüftelei im Vorfeld. „Wenn wir Wasserstoff beimischen, haben wir mehr Volumen bei gleichem Energieeintrag.“
Daher wurde der Druck hochgefahren, um bei gleicher Klappenstellung mehr Volumen in die Wanne zu bringen. Moritz: „Es hat funktioniert.“
Das Projekt "H2 Industries"
Die Kosten des Forschungsprojekts belaufen sich insgesamt auf mehr als 714.000 Euro. Das rheinland-pfälzische Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie und Mobilität fördert das Projekt mit rund 338.000 Euro aus Mitteln der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE). Projektpartner ist die Mainzer Stadtwerke AG. Für das Versuchsprogramm stellen die Mainzer Stadtwerke SCHOTT eine mobile Beimischstation bereit, in der das Erdgas-Wasserstoff-Gemisch erzeugt wird.
Auch Matthias ist überrascht. Die Detailarbeit im Vorfeld zahlte sich aus. „Wir hatten uns auf Fehlersuchen eingestellt. Aber es gab keine Störungen. Alles lief so, wie berechnet und vorhergesagt“, freut sich der 44-Jährige.
Das Projekt läuft vier Wochen lang wie am Schnürchen. In drei etwa zehntägigen Versuchsphasen wird die Beimischung von Wasserstoff auf 35 Prozent erhöht und gehalten. „Ich bin froh, dass es so gut geklappt hat“, sagt Moritz. Und Matthias ergänzt: „Das war das spannendste Projekt, das ich betreut habe.“
Die Zukunft der Wasserstoffenergie
Und wie geht’s weiter? Der erfolgreiche Versuch bewies, dass eine Beimischung technisch möglich ist. „Wir haben durch unsere Wasserstoffstudie mit Roadmap die Grundlage für Maßnahmen zur Wasserstoffstrategie des Landes und einen wichtigen Beitrag zur Klimaneutralität geschaffen“, sagte Katrin Eder. Die Ministerin für Klimaschutz, Umwelt, Energie und Mobilität des Landes Rheinland-Pfalz informierte sich im Werk über das erfolgreiche Projekt. „Für das Ziel der Landesregierung, bis spätestens 2040 klimaneutral zu sein, ist Wasserstoff ein zentraler Baustein. SCHOTT ist ein Vorreiter und Vorbild für die energieintensive Industrie in Rheinland-Pfalz.“
Aber noch gibt es zu wenig grünen Wasserstoff. Zudem kostet er deutlich mehr als Erdgas. Bis 2025 soll eine konventionelle Schmelzwanne technologisch so weit sein, dass sie dauerhaft mit einem Erdgas-Wasserstoffgemisch beheizt werden kann. Von 2030 an soll 100 Prozent Wasserstoff zum Einsatz kommen können.
Bis dahin muss allerdings noch ein wichtiges Infrastrukturproblem gelöst werden. Die Befüllung über Tankwagen dient nur den Testzwecken. Zur langfristigen Nutzung müssten die Energieversorger die Voraussetzung zum Dauerbetrieb schaffen. „Wasserstoff muss irgendwann so verfügbar sein, wie Erdgas: Er kommt aus der Leitung und ist da“, sagt Matthias.
Wann immer das ist: die H-Team von SCHOTT ist bereit.
