Wärmetauscher für Wasserstoff Energieeffizienz für die Wasserstoffwirtschaft: Wärmetauscher entlang der Wertschöpfungskette

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Alle brauchen Wasserstoff - doch was braucht die H₂-Wirtschaft? Kosteneffiziente Technologien sind gefragt, und das nicht nur bei der Elektrolyse: Besonders beim Heizen und Kühlen geht viel Energie als Wärme verloren - eine optimale Wärmeübertragung ist also das Maß der Dinge in der Wasserstoffwertschöpfungskette.

Moderne Plattenwärmetauscher steigern die Energieeffizienz bei der Elektrolyse, sind essenziell bei der Meerwasserentsalzung und optimieren die Wasserstoffbetankung. Damit spielen die Apparate eine entscheidende Rolle für die Dekarbonisierung, erklären die Apparatebauer Alfa Laval. Gemeinsam mit SSAB haben sie Schweden zu diesem Zweck den weltweit ersten Plattenwärmetauscher aus fossilfreiem Stahl hergestellt.

Für eine Wasserstoffgewinnung unter optimalen Bedingungen ist eine Kühlung der Elektrolyten von hoher Bedeutung. Während des Prozesses werden 20 – 40 Prozent der zugeführten elektrischen Energie als überschüssige Wärme von vergleichsweise niedriger Temperatur freigesetzt. Diese Wärme wird meist abgeführt und als Energieressource nicht weiterverwendet. Der Einsatz von Plattenwärmetauschern ermöglicht die Rückgewinnung von Wärme, die somit an einer anderen Prozessstelle wieder zugeführt werden kann. Alternativ kann die Energie auch für benachbarte industrielle Prozesse genutzt oder in das Fernwärmenetz eingespeist werden.

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Bei der Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM) kommen Alfa Laval Edelstahlplattenwärmetauscher Alfanova zum Einsatz, um eine Kontamination von Eisenionen über Korrosion und eine Wasserstoffversprödung des Plattenmaterials zu verhindern. Für kleinere Anlagen eignen sich kompakte vollverschweißte Wärmetauscher, während gedichtete Modelle für größere Anlagen bestimmt sind. Die Alkalische Elektrolyse (AEL) erfordert Wärmetauscher mit Platten aus korrosionsbeständigem Material wie Nickel, das dem Kaliumhydroxid-Wasser-Gemisch standhält. Hier werden semiverschweißte Plattenwärmetauscher von Alfa Laval verwendet, die zum Schutz vor Leckagen auf der Kaliumhydroxid-führenden Seite verschweißt sind.

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Nutzung von Meerwasser für die Elektrolyse

Die Wasserstoffherstellung erfordert deionisiertes Wasser, dessen Qualitätsanforderungen vergleichbar mit Trinkwasser sind. Zur Schonung der Trinkwasserressourcen ist die Verwendung von aufbereitetem Meerwasser eine nachhaltige Lösung. Nach der Filterung wird das Wasser mithilfe einer Entsalzungsanlage für den Elektrolyseurprozess aufbereitet. Bei der Vakuumverdampfung wird die Abwärme des Elektrolyseurs genutzt, um das Wasser zu demineralisieren.

Alfa Laval Frischwassergeneratoren, wie der neue zweistufige Frischwassergenerator Aqua Blue E2, fungieren hierbei als Verdampfer und Kondensatoren, welche die Salzmoleküle von den Wassermolekülen trennen und das entsalzte Wasser als Kondensat auffangen. Dieses Wasser wird anschließend deionisiert und kann im Elektrolyseurprozess eingesetzt werden. Das Verfahren minimiert zum einen den Chemikalien- und den Stromverbrauch sowie den Wartungs- und den Platzbedarf und steigert zum anderen die Effizienz des Prozesses um bis zu 27 Prozent.

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Wasserstoffbetankung von Fahrzeugen

Wasserstoff muss während der Betankung von Fahrzeugen auf eine Temperatur von circa -40 °C heruntergekühlt werden, um eine Überhitzung des Gases zu verhindern. Dabei sind Wärmetauscher erforderlich, die den Drücken des 350 bar bis 700 bar komprimierten Wasserstoffs standhalten. Ideal geeignet sind diffusionsgeschweißte Wärmetauscher (PCHE – Printed Circuit Heat Exchangers), die ihre Robustheit einer speziellen Schweißtechnologie verdanken. Wasserstofftankstellen, die solche Wärmetauscher nutzen, ermöglichen eine Betankung von Fahrzeugen direkt nacheinander ohne Wartezeiten (Back-to-back-Betankung). Dank ihrer äußerst kompakten Bauweise lassen sich die Wärmetauscher einfach und zu geringen Installationskosten in die Zapfsäulenvorrichtungen integrieren.

Alfa Laval Hybloc ist ein kompakter Vorkühler, der die Betankung von Kraftfahrzeugen mit Wasserstoff beschleunigt. Der Plattenwärmetauscher ist kompakt, modular sowie skalierbar und lässt sich einfach in bestehende Zapfsäulenvorrichtungen integrieren. Der hohe Betriebsdruck des HyBloc ermöglicht eine schnellere Befüllung des Fahrzeugtanks. Robuste, fusionsgebundene Platten sorgen für eine hohe Beständigkeit bei Drücken bis zu 1.250 bar und Betriebstemperaturen bis zu -70 ° C. Damit ist Hybloc eine leistungsstarke Komponente für aktuelle H70-Systeme, die mit 700 bar arbeiten. Seine hohe Leistung erlaubt direkt aufeinander folgende Tankvorgänge, da anders als bei herkömmlichen Plattenwärmetauschern keine Zeit zum erneuten Kühlen benötigt wird.

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Der grüne Wärmetauscher

Alfa Laval und der schwedische Stahlproduzent SSAB haben die Entwicklung des weltweit ersten CO₂-neutralen Plattenwärmetauschers auf Basis der Hybrit-Technologie bekanntgegeben. Dieser soll aus fossilfreiem Stahl sowie recyceltem Material für die Dichtungen bestehen. Nach Verwendungsende können die Apparate ohne Weiteres recycelt werden. Die Produktion des ersten kohlenstoffneutralen Plattenwärmetauschers ist bis 2030 geplant. Bereits 2023 sollen Apparate aus wasserstoffreduziertem Stahl hergestellt werden. Die Zusammenarbeit ist Teil des Alfa Laval Ziels, bis zum Jahr 2030 CO₂-neutral zu werden.

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