Wasserstoff

DER PROZESS

Das Verfahren der Elektrolyse funktioniert, indem man zwei Elektroden in Wasser taucht und sie an eine Gleichstromquelle anschließt. Durch die Aufspaltung von Wasser entsteht an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff. Für die Effizienz des Prozesses ist es wichtig, dass die Temperatur auf dem gleichen Niveau gehalten wird. Nach Abschluss der Elektrolyse werden der gebildete Wasserstoff und Sauerstoff nachgekühlt und der Elektrolyt wird rekondensiert. Die Abwärme aus diesen Prozessen kann anderweitig genutzt werden.

DIE HERAUSFORDERUNG

Die Prozesseffizienz muss in den kommenden Jahren enorm gesteigert werden, um grünen Wasserstoff zu einer interessanten Alternative zu machen. Eine weitere Herausforderung sehen wir in der fast täglichen Inbetriebnahme von Prozessen, zu Zeiten, in denen nachhaltig erzeugter Strom verfügbar ist. Oftmals bleibt dabei Restwärme übrig, die Kapp stets effektiv nutzen möchte, zum Beispiel für Fernwärme oder in anderen Prozessen. Und nicht zuletzt bergen sowohl die Wasserstoff- als auch die Sauerstoffströme Risiken, so dass die Sicherheit ein zentrales Thema ist.

DIE LÖSUNG

Für die Kühlung des Elektrolyten bei relativ niedrigem Druck eignet sich ein Wärmetauscher mit Platten aus Edelstahl (PEM) oder Nickel (alkalisch) perfekt. Es gibt auch Entwicklungen, bei denen Elektrolyseure bei höheren Drücken arbeiten, z.B. bei der Kühlung von KOH in einem alkalischen Elektrolyseprozess, mit Drücken zwischen 30-50 bar. In diesem Fall ist ein Plate & Shell Wärmetauscher mit Nickelplatten genau die optimale Lösung. Aufgrund ihrer umfangreichen Erfahrung mit ähnlichen Projekten wissen unsere Ingenieure, wie man das richtige Gleichgewicht zwischen Investitionen und Betriebskosten findet. Fragen Sie uns nach Referenzen, um unsere Expertise zu überprüfen. Elektrische Heizer können für das Anfahren und Aufheizen des Mediums verwendet werden und dienen als Frostschutz bei Stillstand. Halbgeschweißte (LWC) Plattenwärmetauscher oder vollgeschweißte Plattenwärmetauscher (geschweißte Plattenwärmetauscher) eignen sich hervorragend zur Kühlung von Wasserstoff- und Sauerstoffströmen und zur Rückkondensation und Rückgewinnung von Wärme aus dem Elektrolyten.

DER PROZESS

Für die Gewinnung von grünem Wasserstoff werden zwischen 30-50% der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. Ein Großteil davon stammt aus dem Elektrolyseur selbst, aber auch bei der Verdichtung, Desoxidation und Trocknung wird Wärme freigesetzt. Im Hinblick auf die nachhaltigen Ambitionen des Wasserstoffsektors halten wir es für erforderlich, diese Wärme wiederzuverwenden

DIE HERAUSFORDERUNG

Die Restwärme kann manchmal an anderer Stelle im Wasserstoffprozess wiederverwendet werden, z.B. für Fernwärme. Aber in den wärmeren Monaten ist der Wärmebedarf in der Regel geringer und die minderwertige Wärme muss trotzdem abgekühlt werden. Die örtlichen Gegebenheiten wie Platz, zulässiger Geräuschpegel, Verfügbarkeit und Kühlwasserqualität müssen bei der Auswahl des Wärmetauschers berücksichtigt werden.

Viele Offshore-Wasserstoffproduktionsanlagen sind auf neuen oder bestehenden Produktionsplattformen geplant und nutzen die bestehende Infrastruktur (Pipelines), die mit nachhaltig erzeugtem Strom aus Offshore-Windparks gespeist wird. Hier ist die Kühlung eine besondere Herausforderung, da das zulässige Gewicht und die Abmessungen der Komponenten sehr begrenzt sind.

DIE LÖSUNG

Nach der Philosophie von Kapp (und nach der von trias energetica) sollte die Restwärme wiederverwendet werden. Wir haben umfangreiche Erfahrung mit Restwärmeprojekten und haben daher immer einen geeigneten Wärmetauscher im Angebot. Bei geringem Wärmebedarf kann die überschüssige Wärme immer noch gekühlt werden. Die Kühlung kann mit Luft, Wasser oder einer Hybridlösung erfolgen. Für Offshore-Installationen sind (Titan-)Plattenwärmetauscher oder spezielle Offshore-Luftkühler sehr gut geeignet, insbesondere wegen ihrer Kompaktheit.

DER PROZESS

Damit Wasserstoff für die Lagerung und den Transport geeignet ist, muss er komprimiert werden, und zwar von etwa 2 bar (alkalisch) oder 20-40 bar (PEM) auf 30-100 bar. Dieser Prozessschritt wird häufig mit einer Desoxidation und Reinigung des Wasserstoffs kombiniert. Nach der Verdichtung findet eine Kondensation statt, bei der dem Wasserstoff bereits viel Wasser entzogen wird. Der gesamte Prozess setzt wiederum viel Wärme frei, die wir nicht verlieren wollen.

DIE HERAUSFORDERUNG

Wasserstoff ist das kleinste Molekül. Deshalb ist ein Leck ein großes Risiko bei konzentriertem Wasserstoff. Die Folgen eines Lecks können katastrophal sein, denn Wasserstoff ist extrem entflammbar. Eine weitere Herausforderung ist die extrem geringe Dichte von Wasserstoff, die ihm bei niedrigem Druck ein riesiges Volumen verleiht. Aufgrund von Elektrolyse und Desoxidation enthält der Wasserstoff viel Wasser, das nach der Komprimierung auskondensiert wird. Dieser Prozess macht einen großen Teil der thermischen Belastung aus.

Bei solchen Prozessen muss man sich regelmäßig mit dem Anfahren der Anlagen beschäftigen. Das bedeutet große Temperaturschwankungen, einen kleinen Ansatz (vor allem bei der Wärmerückgewinnung) und, im Falle der Kondensation, hohe Leistungen, so dass eine große Wärmeaustauschfläche erforderlich ist.

DIE LÖSUNG

Vollverschweißte Plattenwärmetauscher eignen sich gut für die Wasserstoffverdichtung, da sie die Kompaktheit eines Plattenwärmetauschers mit der Stärke eines Rohrbündelwärmetauschers kombinieren. Unser vollverschweißter und dichtungsfreier Wärmetauscher ist auch für die tägliche Inbetriebnahme geeignet. Für Offshore-Anwendungen, bei denen die Kühlung typischerweise mit Meerwasser erfolgt, liefern wir Plattenwärmetauscher aus Titan.

DER PROZESS

Sobald der Wasserstoff aus dem Elektrolyseur kommt, muss er beispielsweise für Brennstoffzellen geeignet gemacht werden. Der Wasserstoff wird durch Abtrennung von Wasser und Sauerstoff auf etwa 99,99% gereinigt. Der erste Schritt findet in der Sauerstoffentfernung statt: Die Sauerstoffentfernung enthält einen Katalysator, der den geringen Sauerstoff, der mit dem Wasserstoff einhergeht, zu Wasser umwandelt. Im Anschluss an die Sauerstoffentfernung wird der Wasserstoff mittels PSA (Druckwechselabsorption) oder TSA (Temperaturwechselabsorption) getrocknet.

DIE HERAUSFORDERUNG

Zu Beginn des Reinigungsprozesses steht keine Restwärme zur Verfügung, so dass eine Wärmezufuhr erforderlich ist, um die Sauerstoffentfernung vorzuheizen. Im nächsten Schritt, dem Trocknungsprozess, kühlen, kondensieren und regenerieren wir. Der komprimierte Wasserstoff weist einen hohen Druck auf und birgt damit die gleichen Risiken wie beim Verdichtungsschritt.

DIE LÖSUNG

Für das Vorheizen und Anfahren der Sauerstoffentfernung bietet sich ein elektrischer Heizer an, und dies ist auch die ideale Technik für die Regeneration des Wasserstoffs. Da die Drücke hier infolge der Kompression immer noch sehr hoch sind, ist ein vollverschweißter Plattenwärmetauscher für diesen Schritt weiterhin erforderlich.

DER PROZESS

Der Wasserstoff wird für den Transport, die Lagerung und die Befüllung der Tanks weiter verdichtet. Hier haben wir es mit extrem hohen Drücken zu tun, in einigen Fällen sogar > 700 bar. Wenn Tanks befüllt werden müssen, geschieht dies bei niedriger Temperatur und es ist eine weitere Kühlung erforderlich. Danach kann der Wasserstoff unter anderem in der Industrie, bei Versorgungsunternehmen, in Haushalten und im Verkehr eingesetzt werden.

DIE HERAUSFORDERUNG

Wasserstoff wiegt wenig und ist ein hochentzündliches Gas. Die Drücke bei diesem Schritt sind extrem hoch, so dass auch das Risiko exponentiell ansteigt. Sicherheit ist zu jeder Zeit oberstes Gebot. Genau wie bei jedem anderen Gas ist es wichtig, dass man bei der Produktion, dem Transport und der Verwendung sorgfältig damit umgeht. Wenn Wasserstoff in bestehenden Gaspipelines eingesetzt wird, ist es wichtig, das ‘Verhalten’ von Wasserstoff in der Praxis weiter zu untersuchen. Wasserstoff ist nämlich leichter als Erdgas und kann leichter an Ventilen und Armaturen entweichen. Beim Befüllen von Tanks ist die Anzahl der Zyklen ebenfalls sehr hoch. Bei der Wahl des falschen Materials kann es zu Materialermüdung kommen, mit allen Risiken, die das mit sich bringt. Die Komponenten der gesamten Anlage müssen daher regelmäßig wechselnden Temperaturen und Drücken standhalten.

DIE LÖSUNG

Für Anwendungen bis zu etwa 100 bar (abhängig von den Temperaturen) ist ein Plate & Shell Wärmetauscher sehr gut geeignet, aber wenn die Drücke noch höher werden, ist diese Technik nicht mehr ausreichend. Für diese extrem hohen Drücke haben wir einen Wärmetauscher mit gedruckter Schaltung im Programm. Dank der Kombination von zwei Technologien, dem chemischen Ätzen und dem Diffusionsschweißen, ist diese Art von Wärmetauscher extrem stark. Die Strömungskanäle werden chemisch auf eine Metallplatte geätzt. Die geätzten Platten werden gestapelt und durch Diffusionsschweißen zu einem einzigen Block geformt.