Die zunehmende Dringlichkeit, den weltweiten CO2-Ausstoß zu reduzieren, fördert neue Technologien zur umweltfreundlichen Energieproduktion. Wasserstoff gilt hierbei als zukunftsweisender Energieträger und spielt eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung von Verkehr und Industrie. Besonders interessant ist die Erzeugung von Wasserstoff durch die Kombination eines Hochtemperaturreaktors (HTR) mit dem bewährten Dampfreformierungsprozess (Steam Methane Reforming, SMR). Diese Verbindung bietet die Möglichkeit, fossile Brennstoffe im Reformierungsprozess signifikant zu reduzieren und gleichzeitig eine zuverlässige, kohlenstoffarme Wasserstoffproduktion zu sichern. Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit dieses innovativen Kombinationssystems zu beurteilen, wird die Methode der Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) eingesetzt, ergänzt durch Fault Tree Analysis (FTA) und detaillierte Simulationen.
In der Praxis basiert die Dampfreformierung darauf, Methan mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen von etwa 900 Grad Celsius zu reagieren. Diese endotherme Reaktion erfordert eine konstante und effektive Wärmezufuhr. Traditionell wird diese Wärme durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt, was jedoch CO2-Emissionen verursacht. Die Integration eines Hochtemperaturreaktors, der Helium als Kühlmittel nutzt, ermöglicht stattdessen eine emissionsfreie Wärmeversorgung. Helium als inerten, chemisch stabilen Gasstrom minimiert Korrosionsrisiken und die Gefahr chemischer Nebenreaktionen, was besonders wichtig für langlebige und sichere Anlagenkomponenten ist.
Der Hochtemperaturreaktor zeichnet sich durch seine innovative Bauweise und Materialien aus, etwa den Einsatz von Graphitmoderatoren und speziell beschichteten Brennelementen (TRISO-Fuel). Dies ermöglicht hohe Sicherheit auch bei Ausfälle der aktiven Kühlsysteme, da der Reaktor eine große thermische Trägheit besitzt und passive Sicherheitssysteme integriert sind. Die Wärmeübertragung von der nuklearen Seite auf den chemischen Prozess erfolgt über den Intermediate Heat Exchanger (IHX), ein hochspezialisierter Wärmetauscher mit komplexem Aufbau. Er trennt primäre und sekundäre Heliumkreisläufe und verhindert die Kontamination des produzierten Wasserstoffs mit radioaktiven Stoffen. Die FMEA-Analyse bewertet sämtliche potenziellen Fehlerquellen und deren Auswirkungen auf den Anlagenbetrieb.
Hierbei wurden in einer 20-jährigen Betriebsprognose vor allem die Komponenten rund um den IHX als kritisch identifiziert. Fehler an Flanschen, Rohren, Schweißnähten sowie mechanische Ausfälle bei Gebläsen und Elektromotoren führten am häufigsten zu Produktionsunterbrechungen. Besonders häufig sind Lecks im Heliumkreislauf, die zwar keine unmittelbare Sicherheitsgefahr darstellen, aber Produktionsstillstände und erhöhten Wartungsaufwand verursachen. Leckagen resultieren primär aus Materialermüdung durch Temperatureinflüsse, Strahlenbelastung und mechanische Spannungen, weshalb die Auswahl moderner Legierungen wie Hastelloy X von hoher Bedeutung ist. Dieses Material bietet hervorragende Resistenz gegen thermisches Kriechen und Korrosion bei Hochtemperaturbetrieb.
Im Zuge der Analyse wurde zudem deutlich, dass einige Ausfälle durch redundante Systeme verhindert werden könnten, insbesondere bei Elektromotoren und wichtigen Gebläsen im sekundären Heliumkreislauf. Redundanz erhöht die Anlagenverfügbarkeit und sichert die Kontinuität der Wasserstoffproduktion, diese Maßnahme erfordert jedoch höhere Investitionskosten und komplexere Steuerungslogik. Eine weiterführende Optimierung des IHX-Designs könnte auch darin bestehen, den eingebetteten Umlaufgebläsemechanismus außerhalb des Hauptwärmetauschers zu positionieren, um Wartungsfreundlichkeit zu erhöhen und Redundanzen einfacher zu realisieren. Die Integration von Wasserstoffproduktion mittels SMR mit nuklearer Wärme schafft einen Brückenschritt in eine kohlenstoffarme Zukunft. Während SMR langfristig durch Technologien wie thermochemische Zyklen oder Hochtemperatur-Elektrolyse ersetzt werden könnte, profitieren diese Verfahren ebenfalls von Fortschritten bei Heat Exchangern und Materialsicherheit.
Die vorgestellte FMEA-Bewertung liefert wichtige Hinweise für die Entwicklung robuster Anlagenlayouts und unterstützende Maßnahmen für vorbeugende Instandhaltung und Ausfallsicherung. Neben den technischen Aspekten zeigt die Analyse, dass der Betrieb eines HTR-basierten Wasserstoffproduktionssystems unter Sicherheitsgesichtspunkten gut beherrschbar ist. Kernreaktorabwürfe (SCRAM) führen in der Regel nur zu temporären Produktionsstopps ohne direkte Gefährdung der Anlage oder Umgebung. Die Sicherheitsschranken sind vielfach redundant und gewährleisten, dass auch im unvorhergesehenen Ausfall des Reaktors eine sichere Abfuhr von Restwärme und Vermeidung radioaktiver Freisetzungen sichergestellt ist. In der kontinuierlichen Weiterentwicklung dieser Technologie ist neben der Verbesserung der Komponentenqualität und Ausfallsicherheit auch die fortlaufende Überwachung der Anlagengesundheit mittels intelligenter Diagnosesysteme sinnvoll.
Predictive Maintenance kann Ausfallzeiten minimieren und die Wirtschaftlichkeit über den gesamten Lebenszyklus steigern. Die Zusammenarbeit von Nukleartechnikern, Verfahrenstechnikern und Materialwissenschaftlern ist dabei ein entscheidender Erfolgsfaktor. Zusammenfassend eröffnet die Kombination von nuklearer High-Tech und bewährter chemischer Reaktionstechnik eine vielversprechende Möglichkeit, den Herausforderungen nachhaltiger und sicherer Wasserstoffproduktion gerecht zu werden. Die FMEA und FTA liefern hierbei wertvolle Einblicke in die komplexe Fehlerstruktur der Gesamtanlage und legen den Grundstein für zuverlässige und umweltfreundliche Energiesysteme von morgen.
