Wasserstoffverdichter Wasserstoff verdichten: Druck machen für die Energiewende

Gesponsert von

Aerzener Maschinenfabrik GmbH

Wasserstoff kommt – doch wie kommt das Gas vom Elektrolyseur zum Verbraucher? Egal ob Erzeuger oder Abfüller, kaum einer kommt ohne Verdichter aus. Doch feuchte Gase und schwankende Prozessparameter werden zur Herausforderung für diese Kraftprotze der Produktion. Ölfrei oder geflutet: Diese Aggregate sorgen für den Druck.

Der Durchbruch des Wasserstoffs als zentraler Baustein der Energie- und Rohstoffwirtschaft des 21. Jahrhunderts ist in vollem Gange: Immer mehr Staaten arbeiten konkret an der Ausgestaltung einer neuen, klimafreundlichen Wasserstoff-Wertschöpfungskette und verabschieden nationale Strategien zur Dekarbonisierung und der damit einhergehenden Sektorenkopplung.

Die Versorgung und Kopplung der Industriesektoren wie Chemie, Petrochemie, Zement und Stahl, aber auch der Kraftstoffherstellung wird den Aufbau von Produktions- und Transportkapazitäten in den 2020er-Jahren massiv vorantreiben, sind sich Experten sicher. Speicherkapazitäten sowie Importstrukturen für gasförmigen, flüssigen oder chemisch gebundenem Wasserstoff sind in der konkreten Planung oder bereits in der Umsetzung. Bestehende Verteilernetze und Pipelines stehen vor dem Ausbau und bringen sowohl länder-, als auch branchenübergreifende Kooperationsprojekte mit sich.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 5 Bildern

Moderne Elektrolyseure zur Wasserstoffproduktion skalieren aktuell aus dem ein- in den zwei- und dreistelligen Megawattbereich. Die Anzahl an Power-to-Gas-Projekten in Deutschland wächst weiter stetig.

Meilenstein Druckluft/Kompressoren

Gase fördern als Passion

Etwa Dreiviertel aller Materie besteht aus Wasserstoffatomen. Als kleinstes und somit leichtestes Molekül nimmt gasförmiger H₂ allerdings auch besonders viel Volumen ein und ist extrem flüchtig. Das brennbare und leicht explosive Gas kann jedoch viel Energie freisetzen, ohne bei der Verbrennung selbst Treibhausgase zu erzeugen. Deshalb ist es im Vergleich zu fossilen Energieträgern so wertvoll. Ein Kilogramm H₂ enthält etwa 2,8 Mal soviel Energie wie ein Kilogramm Benzin.

Wasserstoff-Verdichtung: Vorsprung durch Technik

Erst die effiziente und sichere Verdichtung mithilfe verschiedener Kompressor-Arten ermöglicht es, die erforderlichen Mengen und Drücke für industrielle Anwendungen auf wirtschaftliche Weise bereitzustellen. Neben klassischen Kolben- und Membranverdichtern für Drücke im dreistelligen Bar-Bereich haben hier vor allem die Schraubenverdichter ihre Daseinsberechtigung und wirtschaftlichen Vorteile im Niederdruckbereich, insbesondere mit steigenden Volumenströmen und bei schwankenden Betriebsbedingungen.

Derartige Aggregate bieten Hersteller wie Aerzen sowohl als „ölgeflutete“ wie auch als „ölfreie“ Baureihen für die unterschiedlichsten Prozessgase an. Die Kompressor-Spezialisten unterstützen Anlagenbetreiber und Anwender darüber hinaus bei der Auslegung und Auswahl und bringen die Feld- und Serviceerfahrungen mit beiden Technologien ein. Während die Firma Aerzen quasi synonym für Schraubenverdichter steht, bietet das Unternehmen auch Roots-Gebläse für Prozessgase wie etwa Sauerstoff, Synthese- oder Kohlenwasserstoffe an.

Auch wenn elementarer Wasserstoff auf der Erde kaum vorkommt, stehen uns verschiedene natürliche Quellen zur Verfügung, um das leichte Gas im industriellen Maßstab zu gewinnen. Bislang dominiert die Wasserstofferzeugung per Dampferformierung von Erdgas den Markt, zukünftig jedoch soll der Anteil von Elektrolysewasserstoff aus Wasser stark wachsen. Elektrolyseure spalten die Wassermoleküle mithilfe elektrischer Energie in ihre Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff und liefern pro Megawatt Eingangsleistung rund 200 Nm³/h H₂ (entspricht ca. 18 kg/h) und 100 Nm³/h O₂.

Je nach Elektrolyse-Typ bzw. dessen festem oder flüssigen Elektrolyt, verbleiben rund 0,01 bis 0,5 Volumenprozent des jeweils anderen Moleküls sowie eine temperaturabhängige Wasserbeladung von bis zu 60 Prozent Wasserdampf im gesättigten H₂- bzw. Sauerstoff-Massenstrom. Für die Verdichterhersteller bedeutet dies, dass dieser Wasseranteil entweder mit verdichtet oder zu einem großen Teil durch eine Vortrocknung (wie etwa eine Kältetrocknung) abgeschieden werden muss. Je nach Anwendungsfall des (End-)Verbrauchers werden allerdings auch ganz unterschiedliche Reinheitsgrade des Wasserstoff-Gases benötigt.

Technologieauswahl: Es kommt auf den Einzelfall an

Für höchste Anforderungen, wie etwa für beim Einsatz mit Brennstoffzellen oder in der Lebensmittelindustrie, die eine entsprechend hohe Gasreinheit, etwa die per Datenblatt definierte Qualität 5.0, erfordern, haben sich sogenannte De-Oxo-Trockner bewährt, deren Funktionen in der Minimierung von Sauerstoff und Feuchtigkeit liegen. Nach erfolgter Vorverdichtung können diese De-Oxo-Systeme entsprechend klein und somit kostenoptimiert ausgelegt werden.

Für andere Abnehmer, wie etwa in der Eisenerz-Direktreduktion, bei der Gewinnung von Wasserstoff als Rohstoff für bestimmte Grundchemikalien oder auch bei der Einspeisung in Erdgasnetze sind die Toleranzen und Grenzwerte gegenüber Fremdbestandteilen im H₂-Gas zum Teil deutlich höher, was den Gesamtprozess verfahrenstechnisch vereinfacht und damit kostenmäßig entlastet. Aus wirtschaftlicher wie auch aus betrieblicher Perspektive empfiehlt sich daher stets ein technologieoffenes und anwendungsorientiertes Verfahrenskonzept, in dem sich die Bedarfe und Lieferumfänge der einzelnen Prozessteilnehmer optimal ergänzen lassen.

Rotierende Verdrängerverdichter wie Schraubenkompressoren haben sich seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts in anspruchsvollen Gasanwendungen bewährt. Insbesondere ihre Unanfälligkeit gegenüber schwankenden Betriebsbedingungen und ihre bauartbedingte innere Verdichtung ohne freie Massenkräfte machen die Schrauben zu flexiblen Dauerläufern mit geringster Wartungsintensität und vergleichsweise geringen Betriebskosten sowohl im Voll- wie auch im Teillastbetrieb.

Vielseitig und zuverlässig: Schraubenverdichter für Wasserstoffanwendungen

Das Funktionsprinzip basiert auf einem Haupt- und einem Nebenrotor, die durch Drehung Gasportionen von der Saugseite einschließen und gegen eine kleinere Auslassgeometrie auf der Druckseite ausschieben. Während der Hauptrotor in der Regel den Antrieb übernimmt, sorgt der Nebenrotor für die Kammerbildung und Abdichtung.

Von der Landmaschine zum Turbogebläse

Von der Landmaschine zum Turbogebläse

Bildergalerie mit 8 Bildern

Grundsätzlich sind Schrauben in ölfrei und ölgeflutet verdichtende Maschinentypen zu unterscheiden. Beide kommen in ein- oder mehrstufigen Konzepten in Wasserstoffanwendungen zum Einsatz, jedoch in unterschiedlichen, bauartbedingten Arbeitsbereichen: So drehen die Rotoren in ölgefluteten Verdichtern aufgrund des Öls und des Abwälzens der Rotoren gegeneinander langsamer als die Rotoren ölfreier Verdichter, die sich nicht berühren. Dadurch erzielen ölfreie Aggregate einen höheren Volumendurchsatz, während der geringere Lagerabstand und die Kühlung durch das Öl bei ölgefluteten Verdichtern (bzw. eine Wassereinspritzung) hohe Druckdifferenzen ermöglicht, wie die Gegenüberstellung der Unterschiede und Arbeitsbereiche zeigt.

Ölgeflutet

• gesamter Innenraum unter Öl, dadurch kompakte Bauweise mit geringeren Lagerabständen;

• geringere Umfangsgeschwindigkeit und Volumina;

• angetriebener Hauptrotor wälzt direkt auf den mitlaufenden Nebenrotor ab (Ölfilm darf nicht reißen);

• höchste Differenzdrücke und Lagerbelastung;

• feuchtes Gas muss über dem Taupunkt verdichtet werden (um Wasserkondensation zu vermeiden);

• Vortrocknung sinnvoll bezüglich Betriebskosten und Standzeit des Öls;

• Ausführung mit ölgeschmiertem Steuerzylinder möglich (Regelung des Volumenstroms bei konstanter Drehzahl und konstantem Enddruck; wirkt wie ein interner Bypass und kann ebenso als Anfahrentlastung genutzt werden).

Ölfrei (wassereingespritzt)

• Förderraum 100 Prozent ölfrei; mit Wassereinspritzung zur Kühlung und Spaltabdichtung kann der Wirkungsgrad erhöht werden;

• angetriebener Hauptrotor ohne Kontakt zum Nebenrotor; Synchronisation über Zahnradpaar;

• höhere Umfangsgeschwindigkeit und Volumina;

• Ölräume separiert durch Trenndichtungen und sog. neutrale Räume, dadurch größere Lagerabstände;

• geringere Differenzdrücke und Lagerbelastung;

• feuchtes Gas muss nicht über dem Taupunkt verdichtet werden;

• Vortrocknung, Taupunkte nicht relevant.

Ölfrei (trocken)

• Förderraum 100 Prozent ölfrei, jedoch gelangt Sperrmedium in den Förderraum;

• angetriebener Hauptrotor ohne Kontakt zum Nebenrotor; Synchronisation über Zahnradpaar;

• Differenzdrücke limitiert durch maximale Temperaturentwicklung bzw. Endtemperatur (kein inneres Kühlmedium). Besonders Wasserstoff steigert die Temperatur enorm bei der Verdichtung;

• gas- oder flüssigkeitsgesperrte Dichtungen am Förderraum (auch Eigenmedium als Sperrgas möglich);

• maximale Umfangsgeschwindigkeit und Volumina;

• feuchtes Gas muss nicht über dem Taupunkt verdichtet werden.

Für alle Typen besteht die Möglichkeit, den Volumenstrom über die Drehzahl mithilfe eines Frequenzumformers zu regeln. Die Wahl der Lagerung spielt dabei eine zentrale Rolle und limitiert entweder die Mindestdrehzahl (Gleitlager) oder die kompensierbaren Kräfte (Wälzlager) zuerst. Bei konstantem Drehmoment sind Lastwechsel von etwa einem Hertz über den gesamten Regelbereich Standard. Grundsätzlich erhöhen sich Liefer- und Wirkungsgrade mit der zunehmenden Abdichtung bzw. Minimierung der inneren Spalte zwischen Rotoren, Gehäuse und Lagerung (sowie zwischen Rotoren und Steuerschieber im Falle ölgefluteter Maschinen mit Steuerschieber).

Die Spaltverluste sind umso höher, je höher die Druckdifferenz und umso geringer die Gasdichte ausfällt – ein Effekt, der bei leichten Gasen wie Wasserstoff besonders deutlich zu Tage tritt. Das Einspritzen eines Fluids (wie Öl oder Wasser) dient also nicht ausschließlich der Kühlung, sondern immer auch der Spaltabdichtung.

Exklusiv-Interview: Meilenstein Drucklufttechnik/Kompressoren

„Wir lieben anspruchsvoll“

Tendenziell verlagert sich mit der geringeren Temperaturdifferenz infolge des Einspritzmediums die isentrope hin in Richtung der isothermen Verdichtung, bzw. Zustandsänderung im pv-Diagramm. Die damit verbundene Arbeitsersparnis kommt dem spezifischen Energiebedarf und somit dem Gesamtwirkungsgrad zugute.

Die Qual der Wahl: Welche Verdichtertechnologie hat die Nase vorn?

Die Prozess- und Produktanforderungen unterscheiden sich je nach Anwendung stark hinsichtlich der benötigten Reinheit und Zuverlässigkeit, sowie in der Betriebsweise und Kostensensitivität. Die individuell kritischen Grenzwerte für die Restgehalte von Wasser, Sauerstoff und Öl-Aerosolen haben teilweise großen Einfluss auf die Anschaffungs- und Betriebskosten und bedingen ggf. den Einsatz ölfreier Verdichter oder zusätzlicher Feinstabscheidungen bei ölgefluteten Maschinen.

Je nach Enddruckniveau und zu garantierender Zuverlässigkeit kann die Anzahl benötigter Verdichterstufen als Summe von Schrauben, Kolben- und/oder Membranverdichtern den zweistelligen Bereich erreichen.

Die Vermeidung mehrstufiger Konzepte in der Niederdruckverdichtung hat aufgrund der maximalen Volumenströme überproportional großen Einfluss auf die Gesamtkosten.Gegenüber anderen Verdichtern fördern Schrauben vergleichsweise hohe Volumina bei deutlich kleinerer Aufstellfläche und damit reduzierten Kosten. Betrachtet man auch die damit einhergehende Gebäudetechnik und Fundamentkosten, vergrößert sich dieser Vorteil weiter, insbesondere bei kompakter Schraubentechnologie in sogenannter „Package Unit“-Bauweise, alternativ als Skid (Aggregat auf Grundträger).

(ID:48496039)