Waterstof

HET PROCES

Elektrolyse werkt door twee elektrodes in water te dompelen en die te verbinden met een gelijkstroombron. Aan de anode ontstaat door de splitsing van water zuurstof en aan de kathode wordt waterstof geproduceerd. Voor de efficiëntie van het proces is het van belang dat de temperatuur op niveau blijft. Ná electrolyse worden het gevormde waterstof en zuurstofstromen nagekoeld en electrolyt terug gecondenseerd. De restwarmte uit deze processen kan elders ingezet worden.

De uitdaging

Om groene waterstof een interessant alternatief te maken zal de proces-efficiëntie komende jaren enorm moeten toenemen. Daarnaast zien we een uitdaging in het bijna dagelijks opstarten van processen, op de momenten dat duurzaam opgewekte elektriciteit beschikbaar is. Vaak blijft er dan nog restwarmte over, die Kapp altijd ambieert effectief in te zetten voor bijvoorbeeld stadsverwarming of elders in processen. En last but not least, waterstof- en zuurstofstromen kennen beide hun risico’s, veiligheid is dus een belangrijk thema.

De oplossing

Voor het koelen van elektrolyt op relatief lage drukken is een Plate & Frame warmtewisselaar met RVS (PEM) of nikkel platen (Alkaline) een perfect fit. We zien ook ontwikkelingen waarbij electrolysers op hogere drukken werken, bijvoorbeeld bij het koelen van KOH in een alkaline elektrolyseproces, met drukken tussen de 30-50 barg. In dit geval is een Plate & Shell warmtewisselaar met nikkel platen juist de beste match. Onze engineers weten de juiste balans te vinden tussen CAPEX en OPEX door hun ruime ervaring in soortgelijke projecten. Vraag gerust naar referenties om onze expertise te verifiëren. Electric heaters kunnen ingezet worden bij het opstarten en opwarmen van het medium en dienen als vorstbeveiliging bij stilstand. Voor het koelen van waterstof en zuurstofstromen en het terugcondenseren en terugwinnen van warmte uit elektrolyt zijn semi-gelaste (LWC) platenwisselaars of volledige gelaste platenwarmtewisselaars (welded plate type heat exchangers) zeer geschikt.

het proces

Bij de productie van groene waterstof wordt er tussen de 30-50% van de elektrische energie omgezet in warmte. Dit komt voor een groot deel uit de electrolyzer zelf, maar ook bij het comprimeren, deoxideren en drogen komt warmte vrij. Met de duurzame ambities van de waterstofsector is het ons inziens een vereiste om deze warmte te hergebruiken.

De uitdaging

Soms kan restwarmte elders in het waterstofproces hergebruikt worden, het kan ook ingezet worden voor bijvoorbeeld stadsverwarming. Maar in de warmere maanden ligt de warmtevraag doorgaans lager en dient laagwaardige warmte alsnog weggekoeld te worden. Bij de selectie van de warmtewisselaar moet daarbij rekening gehouden worden met lokale beperkingen zoals ruimte, toelaatbare geluidsniveaus, beschikbaarheid en de kwaliteit van het koelwater.

Veel offshore waterstofproductielocaties plant men op nieuwe of bestaande productieplatformen en gebruiken bestaande infrastructuur (pijpleidingen), gevoed door duurzame opgewekte elektriciteit van offshore windmolenparken. Koeling is hier vooral uitdagend omdat toegelaten gewicht en afmetingen van componenten zeer beperkt zijn.

De oplossing

In de filosofie van Kapp (en volgens de trias energetica) hoort restwarmte hergebruikt te worden. We hebben onwijs veel ervaring met restwarmte-projecten en hebben dus altijd een geschikte warmtewisselaar in onze scope. Als de warmtevraag laag is, kan overbodige warmte alsnog weggekoeld worden. Koelen kan met lucht, water of een hybride oplossing. Voor offshore installaties zijn (titanium) platenwarmtewisselaars of speciale offshore aircoolers zeer geschikt, vooral vanwege hun compactheid.

het proces

Om waterstof geschikt te maken voor opslag en transport is compressie vereist, van circa 2 bar (alkaline) of 20-40 bar (PEM) tot 30-100 bar. Deze processtap zien we vaak gecombineerd met het deoxideren en purificeren van het waterstof. Na het comprimeren vindt condensatie plaats, waarbij er al veel water uit het waterstof wordt gehaald. In het gehele proces komt wederom veel warmte vrij, die we niet verloren willen laten gaan.

De uitdaging

Waterstof is het kleinste molecuul. Lekkage vormt dus een groot risico bij geconcentreerd waterstof. Het gevolg van een lek kan funest zijn omdat waterstof extreem brandbaar is. Een andere uitdaging is de extreem lage dichtheid van waterstof, waardoor het bij lage druk een gigantisch volume heeft. Door de electrolyse en de deoxidatie bevat het waterstof veel water, wat er na compressie uitgecondeseerd wordt. Dit proces vormt een groot deel van de thermische belasting.  

In deze processen heb je te maken met start-ups van de installatie op regelmatige basis. Dat brengt grote temperatuurwisselingen, een kleine approach (zeker bij warmteterugwinning) en bij condensatie hoge vermogens met zich mee, dus veel warmtewisselend oppervlak is vereist.

De oplossing

Volledig gelaste platenwarmtewisselaars zijn zeer geschikt voor compressie van waterstof omdat ze de compactheid van een platenwarmtewisselaar combineren met de sterkte van een buizenwarmtewisselaar. Onze volledig gelaste en pakkingvrije warmtewisselaar is daarnaast geschikt voor dagelijks opstart. Voor offshore toepassing, waar er doorgaans met zeewater gekoeld wordt, leveren wij titanium platenwarmtewisselaars.  

het proces

Zodra het waterstof uit de electrolyser komt moet het geschikt gemaakt worden voor bijvoorbeeld brandstofcellen. Het waterstof wordt gepurificeerd tot zo’n 99.99% door het water en zuurstof eruit te scheiden. De eerste stap vindt plaats in de deoxidizer: in de deoxidizer zit een catalysator die dat beetje zuurstof dat meekomt met de waterstof laat reageren tot water. Ná de deoxidizer wordt het waterstof gedroogd, door middel van PSA (pressure swing absorption) of TSA (temperature swing absorption).

De uitdaging

Bij het opstarten van het purificatieproces is er geen restwarmte beschikbaar, dus er is een warmte-input nodig om de deoxidizer voor te verwarmen. In de stap erna, het droogproces, koelen, condenseren en regeneren we. Het gecomprimeerde waterstof heeft een hoge druk en kent daarom dezelfde risico’s als in de compressie-stap.

De oplossing

Voor het voorverwarmen en opstarten van de deoxidizer biedt een electrical heater uitkomst, en ook bij het regeneren van het waterstof is dit de ideale techniek. Omdat drukken hier nog altijd erg hoog zijn door het comprimeren, blijft een volledig gelaste platenwarmtewisselaar een vereiste voor deze stap.

het proces

Voor transport, opslag en vullen van tanks zal het waterstof nog verder gecomprimeerd worden. Daarbij hebben we te maken met extreem hoge drukken, in sommige gevallen zelfs > 700 bar. Als tanks gevuld moeten worden, gebeurt dat op lage temperatuur en is verdere koeling vereist. Hierna is het waterstof geschikt voor gebruik in o.a. industrie, utiliteit, woningen en transport.

De uitdaging

Waterstof weegt weinig en is een licht ontvlambaar gas. De drukken in deze stap liggen extreem hoog, dus het risico neemt daarmee ook exponentieel toe. Veiligheid staat ten alle tijden voorop. Net als bij elk ander gas is het van belang om er bij productie, transport en gebruik voorzichtig mee om te gaan. Als waterstof wordt ingezet in bestaande gasleidingen is het van belang om het ‘gedrag’ van waterstof in de praktijk nader te onderzoeken. Waterstof  is namelijk lichter dan aardgas en kan makkelijker ontsnappen bij kleppen en afsluiters. Bij het vullen van tanks is het aantal cycli daarnaast erg hoog. Bij de verkeerde materiaalkeuze kan materiaalmoeheid opspelen, met alle risico’s van dien. Componenten in de gehele installatie moeten daarom bestand zijn tegen regelmatig wisselende temperaturen en drukken.

De oplossing

Voor toepassingen tot zo’n 100 bar (afhankelijk van temperaturen) is een plate & shell warmtewisselaar zeer geschikt, maar als de drukken nog hoger worden is deze techniek niet meer toereikend. Voor die extreem hoge drukken hebben we een printed circuit warmtewisselaar in ons assortiment. Dit type warmtewisselaar is extreem sterk dankzij de combinatie van twee technologieën; chemisch etsen en diffusielassen. De stroomkanalen worden chemisch geëtst op een metalen plaat. Geëtste platen worden gestapeld en door diffusielassen tot één blok gevormd.