Tieftemperatur-Kältetechnik für den Ausbau der Wasserstoff-Infrastruktur

„Ohne Wasserstoff ist eine klimaneutrale Industrie nicht möglich“. Dieser Satz aus der Einleitung eines aktuellen Impulspapiers des VDI (Verein Deutscher Ingenieure) zeigt die Notwendigkeit, den (endlich) begonnenen Wasserstoffhochlauf konsequent fortzusetzen.

Verkehr: Betankung von Nutzfahrzeugen statt Pkw

Was die Mobilität angeht, müssen die Akteure ihre Strategie anpassen: Das im Aufbau befindliche, von der unternehmerisch handelnden Initiative H₂ Mobility vorangetriebene Netzwerk an Wasserstoff-Tankstellen für Pkw wird zurzeit zurückgebaut und durch leistungsstarke 350 bar-Tankstellen ersetzt, die auf die Betankung von leichten und schweren Nutzfahrzeugen ausgelegt sind. Parallel dazu gibt es zunehmend „On-site“-Tankstellen z. B. bei Logistikunternehmen und Verkehrsbetrieben.

Industrie: Lagerung, Verteilung, Erzeugung und Nutzung werden ausgebaut

Um die Versorgung sicherzustellen, errichten Energieunternehmen Lagerstätten u. a. Kavernen. In der Chemieindustrie entstehen Elektrolyseure zur Gewinnung des Rohstoffs Wasserstoff. Zum Beispiel hat BASF in Ludwigshafen kürzlich einen 54 MW-Elektrolyseur in Betrieb genommen zur Erzeugung von „grünem“ Wasserstoff. Im BMW-Werk Leipzig wird es künftig eine Pipeline-Direktanbindung für die neun Wasserstofftankstellen geben, die mehr als 200 Flurförderzeuge versorgen. Und die Stahlerzeuger – so die mittelfristige Planung – ersetzen im Zuge der Dekarbonisierung zunehmend den Energieträger Kohle durch Wasserstoff. Auch hier ein Beispiel: Saarstahl hat im Oktober 2025 bekanntgegeben, dass die 1,7 Mrd. €-Finanzierung für die wasserstoffbasierte Stahlproduktion des „Power4Steel“-Projektes gesichert ist. Als „Rückgrat“ der bundesweiten Versorgung wird ein Pipeline-Kernnetz gebaut, das bis 2032 rund 9.700 km lang sein soll.

Ein interessantes Aufgabenfeld für die industrielle Kältetechnik

Für Hersteller industrieller Kälteanlagen ist diese Entwicklung spannend, da sowohl bei der Entnahme des Wasserstoffs aus Kavernen und der Einspeisung in Pipelines als auch bei der Betankung von (Nutz-)Fahrzeugen Kälte zugeführt werden muss. Der Grund: Durch die adiabate Verdichtung beim Speichern können unzulässig hohe Temperaturen entstehen. Dem wirkt man durch Kühlung entgegen – und verkürzt gleichzeitig die Betankungszeit. Je kälter der Wasserstoff ist, desto schneller kann getankt werden. Die Ursache dafür liegt in der Thermodynamik des Prozesses: Beim Befüllen erwärmt sich der Wasserstoff durch Kompression und Reibung. Beginnt der Tankvorgang bereits mit einer niedrigeren Ausgangstemperatur, lassen sich die in der Norm SAE J2601 festgelegten Temperaturgrenzwerte einhalten, ohne die Durchflussrate drosseln zu müssen. So verkürzt sich die Betankungszeit deutlich.

Direktverdampfung oder Zwischenkühlung?

L&R Kältetechnik hat in den vergangenen Jahren (Tief-)Kälteanlagen für diverse europäische H₂-Tankstellenprojekte projektiert und gebaut. Grundsätzlich kommen dabei zwei unterschiedliche Konzepte zur Anwendung. Bei öffentlichen H₂-Tankstellen mit größerem und diskontinuierlichem Bedarf bewährt sich das Prinzip der Direktverdampfung bzw. Durchlaufkühlung. Die Kälteanlage – entsprechend groß dimensioniert – kühlt hierbei den Wasserstoff über einen H₂-Wärmeübertrager direkt und bedarfsgerecht.

Wenn die Tankstelle dagegen nur zu bestimmten Zeiten oder unregelmäßig genutzt wird, ist es wirtschaftlicher, die Abkühlung über einen „Energiespeicher“ in Form einer tiefkalten Spezialflüssigkeit vorzunehmen. Dieser Speicher wird während der Tankpausen durch die Kältemaschine aufgeladen. Dazu ist ein Zwischenkreislauf erforderlich. Die Technik ist zwar aufwendiger, ermöglicht jedoch den Einsatz einer Kälteanlage mit kleinerer Leistung und senkt dadurch die Investitionskosten.

Die zentralen Parameter der Betankung – Kraftstofftemperatur, Betankungsgeschwindigkeit, Enddruck – sind in der Norm SAE J2601 festgelegt. Sie definiert sogenannte „Fueling Protocols“, die Temperatur- und Druckverläufe während des Tankvorgangs regeln. Je nach gewählter Temperaturkategorie (-20, -30 oder -40 °C) ergeben sich unterschiedliche maximale Betankungsraten. Diese Standardisierung stellt sicher, dass weltweit einheitliche Sicherheits- und Effizienzanforderungen erfüllt werden.

Selbstverständlich und bewährt: Natürliche Kältemittel

Als Kältemittel setzt L&R Kältetechnik bei diesen Anwendungen auf natürliche Kohlenwasserstoffe mit sehr geringen GWP-Werten: Propan (R290) in den positiven Temperaturstufen und Propen/Propylen (R1270) für tiefere Temperaturen bis -40 °C. Bei Temperaturen unter -40 ^oC kommt auch Ethan/Ethylen (R170) zum Einsatz.

Sämtliche genannten Kältemedien sind PFAS-frei, langfristig regulatorisch unbedenklich und mit ihnen lassen sich effiziente Kältekreisläufe darstellen. Bei einigen von ihnen gilt dasselbe wie beim Wasserstoff selbst: Der Explosionsschutz muss gewährleistet sein – etwa durch kontinuierliche Lüftung, Gaswarnsysteme und teilweise ex-geschützte Komponenten.

Aktuelles Projekt: Energieeffiziente Groß-Kälteanlagen für Kavernenspeicher

Aktuell werden viele Wasserstofftankstellen noch mit H₂-Flaschen oder Tankfahrzeugen beliefert; die Pipeline-Infrastruktur befindet sich im Aufbau. An deren Anfang stehen Elektrolyseure, die in der Nähe von Kavernenspeichern lokalisiert sind. Von dort wird der Wasserstoff bedarfsweise über Pipelines an die Verbraucher abgegeben.

An der Übergabestation von der Kaverne ins Netz – oder in Tankwagen – übernehmen die Kälteanlagen eine andere Aufgabe als bei der Betankung: Sie sind Teil der Aufbereitungstechnik, die den Wasserstoff entfeuchtet, Begleitgase auskondensiert und ihn normengerecht für die Einspeisung bzw. Weiterverarbeitung aufbereitet.

Solche Anlagen für einen Kavernenspeicher im Nordwesten Deutschlands baut L&R Kältetechnik derzeit im Werk Sundern. Je drei Anlagen kühlen das Zwischenmedium zunächst auf +10 °C, anschließend wird ein zweiter Kreis mit einem Zwischenmedium auf -12 °C gekühlt. Alle sechs Anlagen verfügen über mehrere Kältekreisläufe, um die Leistung bedarfsorientiert skalieren zu können. Weil drehzahlgeregelte Verdichter eingesetzt werden, lassen sich selbst kleine Kälteleistungen – bis herab zu 10 % der Nennleistung – mit hoher Effizienz bereitstellen. Die Anlagen sind mit natürlichen Kältemitteln befüllt. In der ersten Kältestufe kommt Propan (R290) zum Einsatz, im Tiefkältebereich Propylen (R1270).

Forschungsprojekt: Kombinierte Nutzung von Wasserstoff und Sauerstoff

Ergänzend zum Ausbau der Wasserstoff-In­frastruktur werden in Forschungsvorhaben neue Möglichkeiten der wirtschaftlichen Erzeugung und Nutzung des Energieträgers untersucht. Auch hier ist L&R Kältetechnik beteiligt – unter anderem im Projekt „PEMO₂dry“ des HySON-Institutes Sonneberg, das die Effizienzsteigerung von Elektrolyseuren durch Sektorenkopplung zum Ziel hat. Das heißt in diesem Fall: Der mit Wasserdampf gesättigte Sauerstoff, der als Nebenstrom der Wasserstofferzeugung anfällt, soll ebenfalls verwertet werden – etwa in Krankenhäusern, wo hoher Bedarf an reinem Sauerstoff besteht.

Im vom BMBF geförderten Verbundvorhaben entwickelt HySON gemeinsam mit L&R Kältetechnik eine Demonstrationsanlage zur Sauerstofftrocknung im mittleren Durchsatzbereich (10-100 m³/h). Während der Wasserstoff vor Ort zur Betankung von Rettungsfahrzeugen genutzt wird, soll der aufbereitete Sauerstoff (Reinheitskategorie 5.0) für medizinische Anwendungen eingesetzt werden.

Sauerstofftrocknung durch Kühlung auf -75 °C

Dieser Zusatznutzen – die gekoppelte Nutzung von Wasserstoff und Sauerstoff – senkt die Wasserstoffgestehungskosten und erhöht die Wirtschaftlichkeit gegenüber fossilen Energieträgern.

Die von L&R Kältetechnik entwickelte Anlage kühlt den Sauerstoff auf bis zu -70 bis -75 °C ab. Dabei werden Feuchteanteile, insbesondere Wasserdampf, ausgefroren und abgeschieden. Der so getrocknete Sauerstoff erfüllt die Anforderungen der Medizintechnik an die höchste Reinheitsklasse.

Fazit: Neues Anwendungsfeld für Industriekälte

Der Ausbau der Wasserstoff-Infrastruktur und die zunehmende Nutzung dieses Energieträgers werden sich aller Voraussicht nach als anspruchsvoller und wachstumsstarker Markt für die industrielle Kältetechnik etablieren. Das gilt für die Wasserstoff-Lagerung und -Betankung, aber auch für neue Anwendungen wie die hier beschriebene gekoppelte Erzeugung von Wasserstoff und medizinischem Sauerstoff.