gesponsertSchlüsselelemente der Wasserstofferzeugung Pumpen und Armaturen: Erfahrung macht den Wasserstoff-Meister

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KSB bietet seit vielen Jahren sowohl im Pumpen- als auch im Armaturenportfolio ein breites Spektrum an Produkten, die sich für vielfältige Prozesse rund um die Wasserstofferzeugung eignen. Mehr noch: es gibt bereits vielfältige Referenzen und Erfahrungen in den bekannten oder pilotierten Erzeugungstechnologien von Wasserstoff.

Pumpen und Armaturen sorgen bei der Erzeugung von Wasserstoff für einen sicheren und energieeffizienten Betrieb. Gerade weil die Entwicklung erst am Anfang ist, benötigen Anbieter nicht nur ein breites Produktspektrum, um ein weites Anwendungsfeld abzudecken, sondern vor allem auch Detailkenntnis über Anlagentechnik, Fahrweisen, Werkstoffe und Energieeffizienz. Dies gilt umso mehr, weil verschiedene Technologien für die grüne Wasserstofferzeugung bereits zur Verfügung oder in den Startlöchern stehen. Dazu zählen die alkalische Elektrolyse (AEL), die Proton-Exchange-Membran Elektrolyse (PEM), aber auch zukünftige Technologien, wie der Anionen-Exchange-Membran-Elektrolyseur (AEM) oder die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL).

Die Anlagen für die Wasserstofferzeugung mögen neu sein, die dahinterstehenden Prozesse kennt man jedoch aus vielfältigen Anwendungen in der chemischen Industrie bis ins Detail. Seit Jahrzehnten sind KSB-Pumpen und -Armaturen in den dortigen herausfordernden Umgebungen im Einsatz. Vor allem bei den Konversionsprozessen (z. B. Ammoniak) sowie den auf fossilen Brennstoffen basierenden Erzeugungsprozessen für den blauen Wasserstoff (SMR, ATR, CCS) kann der Hersteller auf langjährige Erfahrung zurückgreifen. Gleiches gilt für Armaturen für die Chloralkalielektrolyse, hier setzt die Branche seit langem auf Membranventile oder Klappen von KSB.

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Wie sieht die Zukunft der Wasserstofferzeugung aus?

Dennoch gibt es noch offene Fragen. Details rund um den hydraulischen Abgleich oder die Fahrweise bei Pumpen werden sich letztendlich erst klären lassen, wenn die Entwicklung weiter fortgeschritten ist. Ein anderer offener Punkt betrifft die Anlagengröße. Derzeit werden die Elektrolyseure in der Regel modular aufgebaut. Was ist beispielsweise in Zukunft energetisch sinnvoller? Jeden einzelnen Elektrolyseur mit einem eigenen Kühlsystem auszurüsten? Oder aber mehrere parallele Elektrolyseure mit einem gemeinsamen Kühlsystem zu versehen, was dann eine entsprechend stärkere Pumpe nach sich zieht?

Und überhaupt: Wird man in Zukunft eher auf Containerlösungen oder doch auf großskalige Projekte setzen? Auch dies hat unmittelbare Auswirkungen auf die Pumpen- und Armaturenwahl. Während sich die Fördermengen bei Containerlösungen um 10 m³/h bewegen, können sie bei Großprojekten auch über 800 m³/h liegen. Das Gleiche gilt für den Betriebsdruck, dieser kann zwischen 6 und 40 bar liegen. Größere, modular aufgebaute Anlagen können zudem einen höheren Regelungsbedarf für ein optimales Zusammenspiel der Komponenten erfordern, wofür bei KSB sowohl regelbare Pumpen als auch Regelventile zur Verfügung stehen.

Daher ist es umso wichtiger, dass nicht nur ein breites Pumpen- und Armaturenportfolio zur Verfügung steht, sondern dass auch damit bereits Erfahrungen mit den vielfältigen Prozessen gesammelt werden.

Pumpen in CCS-Anlagen

Dabei gilt zu bedenken: Noch befinden sich Anlagen zur Wasserstofferzeugung erst am Anfang. Und auch grüner Wasserstoff steht – trotz vielversprechender Ideen und erster Projekte – noch nicht ausreichend zur Verfügung. Daher ist es sinnvoll, für diese Übergangszeit zunächst auf den vergleichsweise günstigen blauen Wasserstoff zu setzen. Die Idee dahinter: Die herkömmliche Erzeugung des Wasserstoffs wird mit einer intelligenten CO₂-Abscheidung (Carbon Capture and Storage – CCS) kombiniert.

KSB bietet für diesen Übergang in die CCS-Anlagen schon heute Armaturen und Pumpen an. Diese kommen zum Beispiel an folgenden Stellen zum Einsatz:

• Nachdem das CO₂ aus dem Kraftwerksprozess abgeschieden wurde, wird dieses zunächst komprimiert. So kann es als superkritische oder flüssige Phase effizient transportiert werden.

• Anschließend folgt eine Druckerhöhung, um das Kohlendioxid via Pipeline zu transportieren.

• Schlussendlich muss der Druck zum Speichern des CO₂ in die unterirdischen Speicher aufgebracht werden.

Unabhängig vom Einsatzort: die Pumpen müssen ein sehr breites Anwendungsspektrum beherrschen, schnell einsatzbereit und für sehr hohe Drücke und hohe Temperaturen geeignet sein.

Wo liegt der zulässige Arbeitsbereich?

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. Dieses kann sich so verschieben, dass ein Pumpenbetrieb nicht zulässig ist. Je nach Beimischung steigen zudem die notwendige Förderhöhe und das mittlere Fördervolumen. Dies hat Auswirkungen auf die Auswahl der Pumpe selbst, aber auch auf die Lage des Betriebspunktes. Zudem muss aufgrund der erhöhten Leistungsaufnahme der Pumpe auch die Auswahl des Motors berücksichtigt werden. Schlussendlich muss auch noch die Kompressibilität des CO₂ beachtet werden. Je nach Aggregatszustand liegt eine unterschiedliche Kompressibilität vor, die wiederum den Pumpenvolumenstrom verändert.

CO₂ ist nicht gleich CO₂

Was vielen nicht bewusst ist: Auch das Medium CO₂ sorgt für einige Herausforderungen aus Sicht der Pumpe und der Armatur. 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 wegen der Vereisungsgefahr.

Zudem sollte man sich bewusstmachen, dass die Stoffdaten nur für reines CO₂ bekannt sind. CO₂ ist jedoch nicht gleich CO₂. So kommt es als Nebenprodukt der chemischen Reaktion zwischen Erdgas und Dampf vor sowie in den schweren Rauchgasen, die von den Reformern während des Prozesses ausgestoßen werden. In Wasserstoffanwendungen liegt das Gas 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.

Industriebewährte Pumpen für CSS-Anlagen

Bereits heute kommen Pumpen von KSB in CCS-Anlagen zum Einsatz. In kleineren CCS-Anlagen, im Bereich von 10 k bis 100 k TPA (Tonnen per anno) CO₂, sind zum Beispiel quergeteilte Chemienormpumpen oder wellendichtungslose Spiralgehäusepumpen im Betrieb. Beide Typen sind industriebewährt und seit vielen Jahren in der Gas- und Chemieindustrie sowie für viele Medien im Einsatz, angefangen bei Prozesswasser bis hin zu Aminlösungen. In CCS-Anlagen herrschen ähnliche Bedingungen.

gesponsert Pumpen für Wasserstoff-Prozesse

Dank robuster, zuverlässiger Pumpen schneller zur Dekarbonisierung

In größeren Anlagen, die etwa in der Größenordnung von 1.000 k TPA 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 setzt man in HyCO- und Syngas-Produktionsanlagen unter anderem doppelt exzentrische Absperrklappe mit Plastomer-Sitz, käfiggeführte Einsitz-Regelventile für höchste Beanspruchungen und Membranventile ein. Für den Verflüssigungsprozess kommen metallisch dichtende Absperrklappen aus Edelstahl zur Anwendung. Diese Armaturenbaureihen nutzen die Betreiber auch in den angrenzenden Prozessen, wie der CO₂-Abscheidung, in Kühlsystemen oder Gaswaschanlagen.

Effiziente Fahrweise ist nur mit Detailkenntnis möglich

Wasserstoff gilt als Schlüsselelement auf dem Weg zu CO₂-neutralen Prozessen. Allerdings zeigen die genannten Beispiele, dass es eine Vielzahl an Faktoren bei der Auswahl von Pumpen und Armaturen zu berücksichtigen gilt. Seit mehr als zehn Jahren werden daher vielfältige Einflussfaktoren in einem CO₂-Versuchsstand bei KSB in Frankenthal detailliert untersucht. So lässt sich die effizienteste Pumpe und der richtige Betriebsbereich für die jeweiligen Aufgaben im Wasserstoffprozess bestimmen, und zwar ganz unabhängig, ob grüner oder blauer Wasserstoff zum Einsatz kommt. Pumpen und Armaturen von KSB sorgen in jedem Fall für sichere und stabile Prozesse in der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette.

KSB ist Hydrogen Innovation Partner der ACHEMA 2024. Treffen Sie die Pumpen- und Armaturen-Experten in Halle 8.0, Stand H14.

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