Nachricht

Jun 09, 2023

Wasserstoffwirtschaft ist für Dekarbonisierungsbemühungen unerlässlich

Von Keefe Borden, 14. März 2023 Die Wasserstoffwirtschaft ist keine Fantasie

Von Keefe Borden, 14. März 2023

Die Wasserstoffwirtschaft sei keine imaginäre Aussicht auf eine ferne utopische Zukunft, sondern zunehmend Realität, sagte eine Gruppe von Ingenieuren kürzlich in einem Webinar. Als Reaktion darauf verzeichnete die Kompressionsindustrie in den letzten Monaten einen deutlichen Anstieg der Bestellungen für Wasserstoffkompressoren.

„Die Wasserstoffwirtschaft ist keine Zukunftsmusik mehr. Wir erleben sie in diesem Moment“, sagte Lennert Buijs, Projektmanager bei TNO, der kürzlich auf einem Webinar sprach, das vom Europäischen Forum für Kolbenkompressoren organisiert wurde.

Das EFRC hat kürzlich ein Weißbuch mit dem Titel „Wasserstoffkompression: Förderung der Wasserstoffwirtschaft“ veröffentlicht, um das Wachstum der Wasserstoffkompression in Europa zu diskutieren. Das jüngste Webinar wurde abgehalten, um die Hauptinhalte dieses Papiers vorzustellen.

Das EFRC-Papier gab einen Überblick über die Vor- und relativen Nachteile verschiedener Kompressionssysteme, die in der Wasserstoffwirtschaft eingesetzt werden. Die Organisation hebt die bestehende Wasserstoffkompressionstechnologie und die Entwicklungen in Europa hervor, die den Übergang zu einer grünen Wasserstoffwirtschaft unterstützen.

Das Whitepaper und das Seminar skizzierten die verschiedenen Arten von Kompressoren, die für die Wasserstoffkomprimierung zur Verfügung stehen, sowie die jeweiligen Vorteile und Einschränkungen. Die Wasserstoff-Wertschöpfungskette kann in drei Teile unterteilt werden: Wasserstoffproduktion, -transport und -speicherung sowie Wasserstoff-Endverwendung. Komprimierung ist in jedem Abschnitt der Wertschöpfungskette erforderlich.

Sobald der Wasserstoff erzeugt ist, wird er komprimiert und in ein Transportsystem eingespeist. Es kann in eine Pipeline eingespeist werden, was ebenfalls eine Komprimierung erfordern würde, um die Moleküle an einen anderen Ort zu transportieren. Auch der Transport per Anhänger ist möglich, allerdings ist auch hier eine Kompression erforderlich – und zwar in der Regel mit noch höheren Drücken als bei Pipelines.

Die Industrie benötigt Kompression zur Speicherung in Tanks oder in unterirdischen Gasspeichern. In beiden Fällen könne die Speicherung die intermittierende Natur der Wasserstoffproduktion und des Wasserstoffverbrauchs abfedern, heißt es in dem Papier.

Der Wasserstoffverbrauch, das dritte Glied der Wertschöpfungskette, kann je nach Anwendung auch eine Verdichtung erfordern, die bestimmte Kriterien erfüllt. Wasserstoff kann zur Stromerzeugung, als Rohstoff oder als Kraftstoff für Fahrzeuge verwendet werden.

Europa treibt zahlreiche Wasserstoffprojekte voran, die darauf abzielen, die Abhängigkeit von Kohlenwasserstoffen zu verringern. „Wir sehen derzeit viele Projekte in der Entwicklung“, sagte René Peters, einer der Moderatoren des jüngsten Webinars.

Die Europäische Union sieht in ihrem Green Deal Wasserstoff und Strom eine bedeutende Rolle in ihrem zukünftigen Energiesystem. In den Niederlanden beispielsweise gebe es etwa 160 Projekte, die bis 2030 letztendlich 12 GW grünen Wasserstoff produzieren würden, sagte er.

Die Niederlande haben sich außerdem zum Aufbau eines Netzwerks von Wasserstoffpipelines verpflichtet, das mit einem ähnlichen Netzwerk in Deutschland und Belgien sowie mit Offshore-Standorten verbunden werden soll. Im gesamten Pipelinenetz sei eine Komprimierung erforderlich, sagte er.

Europa wird auch Kompression für eine wachsende Zahl von Wasserstofftankstellen benötigen, die hochreinen Wasserstoff mit 350 bis 700 bar zur Betankung von Privatfahrzeugen oder Schwerlastkraftwagen bereitstellen müssen. In Deutschland gibt es 93 Stationen und weitere 50 in der Entwicklung. Auch in den Niederlanden, Belgien, Dänemark, Norwegen und der Schweiz gibt es eine wachsende Zahl von Tankstellen.

„Wir sehen eine große Einführung von Wasserstofftankstellen in Europa“, sagte Buijs. „Wir sehen schnell eine vollständige Abdeckung Nordwesteuropas für Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge und schwere Lastkraftwagen.“

Einige Midstream-Betreiber versuchen, Salzkavernen und erschöpfte Gasfelder für die Speicherung von Wasserstoff in großem Maßstab zu nutzen. In Salzkavernen könnten bis zu 250 GW Wasserstoff gespeichert werden. „Speicherung ist von entscheidender Bedeutung, um einen Markt zu sichern. Kavernen werden benötigt, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten“, sagte er.

Im Papier und im Webinar wurde darauf hingewiesen, dass für Wasserstoff verschiedene Arten von Kompressoren verwendet werden können und einige je nach Anwendung besser geeignet sind als andere. In der Studie wurden verschiedene Arten von Kompressoren hinsichtlich Kapazität, Zuverlässigkeit, Enddruck, Reinheit des Gases, Effizienz, Potenzial für Regelgeschwindigkeiten, Pulsationen, Vibrationen und Lärm verglichen.

Kolbenkompressoren gehören zu den gebräuchlichsten Kompressoren, da sie ein breites Spektrum an Drücken und Kapazitäten liefern können. Sie haben sich nach jahrzehntelangem Einsatz in Raffinerien bewährt. Im Allgemeinen handelt es sich um vielseitige Maschinen, die mit Änderungen der Prozessbedingungen gut umgehen und sich mit großer Effizienz herunterregeln lassen. Kolbenkompressoren können geschmiert oder ungeschmiert sein.

Einer der Nachteile von Kolbenkompressoren besteht darin, dass sie über viele Verschleißteile verfügen, die gewartet und regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Das Druckverhältnis pro Stufe ist etwas begrenzt, was häufig bedeutet, dass mehrere Stufen erforderlich sind, um das Gas auf einen höheren Druck zu bringen. Kolbenkompressoren erzeugen außerdem einen pulsierenden Gasstrom, der zu Vibrationen führen kann, die kontrolliert werden müssen.

Kolbenkompressoren sind die gebräuchlichste Option für den Pipelinetransport von Wasserstoff. Sie werden auch häufig in unterirdischen Wasserstoffspeicheranwendungen eingesetzt, die typischerweise zwischen 200 und 300 bar benötigen. Die Bedingungen für diese Anwendung können variieren und Injektionen und Entnahmen können mehrmals täglich erfolgen.

Membran- und Hydraulikkompressoren sind Verdrängermaschinen, die sich bei Wasserstoffanwendungen bewährt haben. Sie eignen sich besonders gut für Wasserstofftankstellen, da sie eine hohe Reinheit des Gases gewährleisten und größere Druckverhältnisse pro Stufe erreichen können. Sie haben jedoch Einschränkungen: Sie haben im Allgemeinen eine geringere Kapazität als ihre reziproken Cousins. Darüber hinaus erfordern sie einen sorgfältigen Betrieb mit regelmäßiger Wartung, um eine optimale Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Der Austausch einer Membran in einem Membrankompressor ist im Vergleich zum Austausch von Teilen in Hydraulikkompressoren ein relativ zeitaufwändiger Vorgang.

Schraubenkompressoren sind Verdrängermaschinen, die das Gasvolumen durch einen zwischen zwei rotierenden Rotoren aufgebauten Zug reduzieren. Einer der Vorteile besteht darin, dass sie im Allgemeinen eine höhere Laufgeschwindigkeit als ein Kolbenkompressor haben, was zu einer höheren Kapazität bei gleicher Stellfläche führt. Die Schraubenkompressoren haben wenige Verschleißteile, was eine geringere planmäßige Wartung als Kolbenmaschinen bedeutet.

Schraubenkompressoren haben jedoch eine geringere Kapazität als Kolbenkompressoren und sind aufgrund ihres relativ niedrigen Förderdrucks, der normalerweise zwischen 30 und 40 bar liegt, nur begrenzt für Wasserstoff geeignet. Schraubenkompressoren erzeugen auch auf der Auslassseite Pulsationen, oft mit einer höheren Frequenz als Kolbenkompressoren.

Radialkompressoren verwenden ein Laufrad, um Gase zu beschleunigen und zu komprimieren. Sie gelten als ausgereifte Technologie für wasserstoffreiche Anwendungen wie Hydrocracker in Raffinerien. Allerdings seien sie für Anwendungen mit reinem Wasserstoff nicht gut geeignet, heißt es in der Studie.

Radialkompressoren können mit hoher Drehzahl laufen und haben eine hohe Kapazität, oft höher als Kolbenkompressoren gleicher Stellfläche. Sie haben keine Verschleißteile und ihre Pulsationen sind viel geringer als bei Kolbenkompressoren.

Ihr Druckverhältnis pro Stufe ist jedoch sehr niedrig und ihr Wirkungsgrad ist begrenzt. Sie sind für den Einsatz unter bestimmten Umständen konzipiert. Wenn sich diese Umstände ändern, sinkt die Effizienz.

„Zentrifugalkompressoren haben bei reinen Wasserstoffanwendungen bisher nur eine sehr begrenzte Erfolgsbilanz“, sagte er.

Abschließend wurden auch einige innovativere Konzepte zur Wasserstoffkomprimierung diskutiert, die nichtmechanische Prinzipien nutzen. Dazu gehören beispielsweise die elektrochemische Kompression und die Metallhydridkompression. Obwohl sie noch nicht den Reifegrad und die Kapazität herkömmlicher klassischer (mechanischer) Kompressoren erreicht haben, entwickeln sich diese Technologien schnell weiter und sind für bestimmte Wasserstoffanwendungen von klarem Interesse.

Das EFRC hat festgestellt, dass viele OEMs stark in Forschung und Entwicklung für Wasserstoffanwendungen investieren. Beispielsweise besteht ein Trend zur Erhöhung des Ausgangsdrucks, insbesondere bei nicht geschmierten Kompressoren, die für reinen Wasserstoff benötigt werden.

Ein weiterer Forschungstrend ist die Zuverlässigkeit nach intermittierenden Starts und Stopps. Die Hersteller versuchen, die Zuverlässigkeit der Maschinen zu verbessern, die nicht ständig genutzt werden. Wasserstofftankstellen sind ein Paradebeispiel dafür, dass ein Kompressor läuft, während ein Fahrzeug betankt wird, und sich dann abschaltet, wenn es voll ist.

Ein weiteres Forschungsthema ist die Möglichkeit hybrider Kompressionstechniken, die relativen Vorteile der einzelnen Kompressortypen zu kombinieren. Beispielsweise untersuchen einige Branchen die Kombination von Schraubenkompressoren auf niedriger Stufe und einer Kolbenmaschine auf höherer Stufe. In anderen Fällen erforschen sie den Einsatz eines Kolbenkompressors auf einer niedrigen Stufe und dann eines Membrankompressors auf einer höheren Stufe. Diese Kombination von Technologien kann oft auf einer einzigen Welle erreicht werden.

Hersteller erforschen auch, wie die verschiedenen Geräte, die in Wasserstoffsystemen zum Einsatz kommen, miteinander interagieren. Sie wollen zum Beispiel wissen, ob ein Elektrolyseur durch die Pulsationen eines Kolbenkompressors beschädigt werden kann. „Das sind Fragen, die noch nicht klar sind“, sagte Leonard van Lier von TNO Energy Transition.

Am Ende zog die Studie einige Schlussfolgerungen. Wasserstoff ist ein entscheidendes Element des Dekarbonisierungsprozesses. In der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette wird eine effiziente und zuverlässige Komprimierung erforderlich sein.

Als Reaktion auf diesen Nachfrageschub versuchen die Hersteller, ihre Kapazitäten zu verbessern und den Druck zu erhöhen. Darüber hinaus erforschen sie Möglichkeiten, die Ausrüstung bei mehreren Geschwindigkeiten effizient und zuverlässig mit intermittierenden Starts und Stopps zu betreiben.