Pumpen für Wasserstoff-Prozesse Dank robuster, zuverlässiger Pumpen schneller zur Dekarbonisierung

Grüner Wasserstoff ist das Ideal auf dem Weg zu CO₂-neutralen Prozessen. Bis dieser jedoch in ausreichender Menge zur Verfügung steht, wird zunächst blauer Wasserstoff dessen Rolle einnehmen. Pumpen und Armaturen von KSB sorgen in diesen Carbon Capture and Storage-Prozessen für einen sicheren und energieeffizienten Betrieb.

Das Ziel – die Dekarbonisierung industrieller Prozesse in Deutschland bis 2045 – ist schnell formuliert. Allerdings wird der Weg dorthin häufig unterschätzt. So steht der dafür nötige grüne Wasserstoff noch nicht in ausreichender Menge zur Verfügung. Für eine Übergangszeit wird daher der vergleichsweise günstige blaue Wasserstoff zum Einsatz kommen. Hierbei wird die herkömmliche Erzeugung des Wasserstoffs mit einer CO₂-Abscheidung und -Einlagerung, auf Englisch Carbon Capture and Storage oder kurz CCS, kombiniert. Der große Vorteil: Die Prozesse zur Erzeugung von Wasserstoff sind bekannt, und die großen Verursacher von Emissionen, wie die Eisen- und Stahlproduktion oder fossil beheizte Kraftwerke sowie die chemische Industrie profitieren davon. Zudem steht bereits bewährtes Anlagenequipment zur Verfügung, wie Beispiele aus der Pumpen- und Armaturenwelt bei KSB zeigen.

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Pumpen und Armaturen für Wasserstoff

Pumpen und Armaturen-Stars für den (Wasser-)Stoff, aus dem grüne Träume sind

Robuste Pumpen für herausfordernde Bedingungen

Entscheidend für den Einsatz in allen Carbon-Capture-Anlagen ist: Die Pumpen müssen ein sehr breites Anwendungsspektrum beherrschen, schnell einsatzbereit sowie für sehr hohe Drücke und hohe Temperaturen geeignet sein. Aber auch das Medium CO₂ selbst sorgt für einige Herausforderungen. Als erster Punkt ist die Flüchtigkeit zu nennen. Kohlenstoffdioxid liegt bei Umgebungsdruck als Gasphase vor. Durch geeignete Abdichtungen muss also gewährleistet sein, dass es zu keinen Leckagen kommt, auch aufgrund der Vereisungsgefahr.

Zudem sind die Stoffdaten nur für reines CO₂ bekannt. In Wasserstoffanwendungen liegt das Gas jedoch meist als Mischung mit weiteren Komponenten vor. Beim Post-Combustion-Prozess sind dies beispielsweise vor allem Stickstoff, Sauerstoff und Argon. Zudem kann der Reinheitsgrad des Gases maßgeblich vom betriebenen technischen Aufwand abhängen und damit schwanken.

Darüber hinaus sind detaillierte Kenntnisse über den Phasenzustand notwendig, um die Leistungsaufnahme und die zulässigen Arbeitsbereiche der Pumpen zu bestimmen. So beeinflussen Beimischungen die Lage und Größe des Zweiphasengebietes. Je nach Beimischung steigen außerdem die notwendige Förderhöhe und das mittlere Fördervolumen. Dies wirkt sich auf die Auswahl der Pumpe, aber auch auf die Lage des Betriebspunktes aus. Überdies muss die erhöhte Leistungsaufnahme der Pumpe bei der Auswahl des Motors berücksichtigt werden. Schlussendlich muss noch die Kompressibilität des CO₂ beachtet werden – je nach Aggregatszustand ist diese unterschiedlich, was wiederum den Pumpen-Volumenstrom verändert.

Pumpen von KSB: bewährt seit Jahrzehnten

Vor allem bei den Konversionsprozessen wie Ammoniak sowie den auf fossilen Brennstoffen basierenden Erzeugungsprozessen für den blauen Wasserstoff kann der Betreiber auf die langjährige KSB-Erfahrung zurückgreifen. Ob in der Methandampfreformierung (SMR), in der autothermen Reformierung (ATR) oder in Partial-Oxidations-Anlagen (POX) – Chemie-Normpumpen, Magnetkupplungs-Pumpen und Hochdruck-Mantelgehäusepumpen sowie Membranventile und doppeltexzentrische Absperrklappen der Frankenthaler erfüllen seit Jahrzehnten vielfältige Aufgaben in diesen Prozessen.

Pumpen und Armaturen von KSB sorgen jedoch nicht nur bei der Erzeugung von Wasserstoff für einen sicheren Betrieb, sondern auch beim Übergang in die CCS-Anlagen. Schließlich muss das CO₂, nachdem es aus dem Kraftwerksprozess abgeschieden wurde, zunächst komprimiert werden. So kann es als superkritische oder flüssige Phase effizient transportiert werden. Anschließend müssen Pumpen den Druck weiter erhöhen, um das CO₂ via Pipeline zu transportieren. Und schlussendlich muss der Druck zum Speichern in die unterirdischen Speicher aufgebracht werden.

Pumpen für kleinere und große CCS-Anlagen

Bereits heute kommen Pumpen von KSB in CCS-Anlagen zum Einsatz. In kleineren CCS-Anlagen, im Bereich von 10.000 bis 100.000 Tonnen CO₂ pro Jahr, sind beispielsweise quergeteilte Chemie-Normpumpen oder wellendichtungslose Spiralgehäuse-Pumpen im Betrieb. Beide Typen bewähren sich seit vielen Jahren in der Gas- und Chemieindustrie und eignen sich für verschiedene Medien, angefangen bei Prozesswasser bis hin zu Aminlösungen – in CCS-Anlagen herrschen ähnliche Bedingungen.

In größeren Anlagen, die etwa in der Größenordnung von 1 Mio. t/a CO₂ liegen, kommen Pumpen nach API 610, Typ OH2 und Typ BB5, zum Einsatz; sie erfüllen die hohen Anforderungen, welche die Öl- und Gasindustrie vorgeben. Hier setzen Anlagenbetreiber von HyCO- und Syngas-Produktionsanlagen unter anderem doppelt exzentrische Absperrklappen mit Plastomer-Sitz, käfiggeführte Einsitz-Regelventile für höchste Beanspruchungen und Membranventile ein. Für den Verflüssigungsprozess nutzen sie metallisch dichtende Absperrklappen aus Edelstahl. Diese Armaturenbaureihen verwenden die Betreiber auch in den angrenzenden Prozessen, wie der CO₂-Abscheidung, in Kühlsystemen oder Gaswaschanlagen.

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Wie gelingt ein stabiler Prozess?

Um die effizienteste Pumpe und den richtigen Betriebsbereich für die jeweiligen Aufgaben im Wasserstoffprozess zu bestimmen, werden bei KSB in Frankenthal seit mehr als zehn Jahren die unterschiedlichsten Einflussfaktoren in einem CO₂-Versuchsstand detailliert untersucht.

Dabei darf die Messtechnik nicht vernachlässigt werden. Denn eine weitere Herausforderung bei der Umwandlung von gasförmigem in flüssiges CO₂ liegt darin, dass der Prozess stabil gehalten werden muss. Diese Prozesskontrolle ist vor allem bei mehrstufigen Prozessen immens wichtig. Daher empfiehlt es sich, die Pumpen mit zusätzlicher Sensorik für Temperatur und Druck auszustatten. Droht sich der Aggregatzustand also von flüssig in gasförmig zu ändern, wird automatisch die Drehzahl verringert und die Dosiermenge erhöht.

Neue Anlagenkonzepte sparen Energie

Mit der Kombination aus bewährten Technologien zur Wasserstofferzeugung und CCS-Anlagen gelingt der Übergang zu CO₂-neutralen Prozessen erheblich schneller und eröffnet neue Chancen. So können auch Anlagenkonzepte neu gedacht werden. Ein Beispiel gefällig? Üblicherweise wird für die Umwandlung von gasförmigem in flüssiges CO₂ nur ein Kompressor eingesetzt. KSB schlägt ein Konzept vor, das aus Kompressor, Kühlung und Pumpe besteht. Dabei wird die letzte Verdichterstufe, in der das CO₂ von der flüssigen in die überkritisch-dichte Phase überführt wird, durch eine Kreiselpumpe ersetzt. So muss eine geringere spezifische Kompressionsarbeit geleistet werden und es ist Betrieb bei niedrigeren Temperaturen möglich. Auch die thermische Belastung der Werkstoffe ist geringer. Besonders interessant ist jedoch das Energiesparpotenzial: So sinkt mit dieser Lösung der Energieverbrauch um bis zu 13 Prozent bezogen auf den Energieverbrauch der reinen Verdichterlösung.

Autor: Renato Schioser Fragnani, Market Development Petro-/Chemicals bei KSB

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