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Mehrphasenpumpen für Wasserstofftechnologien

In Druckstufen bis 40 bar einsetzbar
Mehrphasenpumpen für Wasserstofftechnologien

Mit Verabschiedung der Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) im Jahr 2020 legte die deutsche Bundesregierung einen wichtigen Grundstein für die Energiewende und den Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft. Eine nicht ganz unerhebliche Rolle bei der Herstellung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff spielt dabei auch die eingesetzte Pumpentechnologie. Der norddeutsche Pumpenhersteller Edur hat für einige Anwendungen bereits passende Lösungen entwickelt.

Die im Juni 2020 von der deutschen Bundesregierung verabschiedete Nationale Wasserstoffstrategie (NWS) hat sich als unverzichtbarer Schritt in Richtung Energiewende erwiesen und birgt ein großes Potenzial für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau, die starke Positionierung „Made in Germany“ global weiterhin hoch zu halten bzw. diese durch die maßgebliche Mitgestaltung der Zukunftstechnologien auszubauen. Grüner Wasserstoff zur sauberen Energieversorgung wird dabei zur zentralen Kernkomponente der Nationalen Wasserstoffstrategie: Dieser wird klimaneutral auf Basis erneuerbarer Energien, hauptsächlich mittels Elektrolyse, gewonnen und kommt dann in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz, z. B. zur Strom- und Wärmeversorgung, zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe oder zur Erzeugung von Roh- und Brennstoffen in der Industrie.

Die rasante Entwicklung moderner Energiesysteme stellt auch neue Anforderungen an die eingesetzte Pumpentechnologie. Bei der Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff bringen Edur-Kreiselpumpen einige entscheidende Produktvorteile mit sich, die einen zuverlässigen und effizienten Betrieb der Anlagen gewährleisten. Hierzu zählen vor allem die Möglichkeit zur Gasanreicherung von Flüssigkeiten sowie die sichere Förderung gasgesättigter Flüssigkeiten mithilfe von Mehrphasenpumpen. Weitere Anwendungen im Bereich Power to Gas wie z. B. Methanisierung nutzen ebenfalls die Vorteile der Mehrphasenpumpen, um unter anderem Wasserstoff in Lösung zu bringen.

Herstellung von Wasserstoff

Zur Erzeugung von Wasserstoff hat sich die Elektrolyse als bewährtes Verfahren etabliert. Sowohl bei der alkalischen als auch bei der PEM-Elektrolyse können Edur-Mehrphasenpumpen zur Gewinnung von Wasserstoff eingesetzt werden.

Die Elektrolyse-Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich durch das auf den Stack geförderte Medium (alkalisches Medium oder Reinstwasser) sowie durch den Systemdruck, in dem die Elektrolyse stattfindet. Beide Systeme haben ihre Berechtigung und bringen Vor- und Nachteile mit sich: Ein hoher Systemdruck von etwa 30 bis 40 bar verringert den Aufwand der weiteren Druckerhöhung des Gases, wenn es zum Beispiel verflüssigt, weiter transportiert oder eingelagert werden soll, während hingegen ein geringerer Systemdruck weniger Anforderungen an die Bauteile stellt und damit in der Herstellung meist kostengünstiger ist. In beiden Systemen ist die Förderaufgabe der Pumpen jedoch ähnlich. Sie fördern das noch gesättigte Medium nach der Gasabscheidung sicher über Wärmetauscher zurück auf den Stack, wo es sich wieder mit freiem Gas belädt und der Kreislauf neu beginnt.

Das Medium im Stack ist durchgehend mit dem erzeugten Gas in Kontakt, somit ist diese Flüssigkeit zu 100 % damit gesättigt. In diesem Gleichgewichtszustand führen kleinste Druckabsenkungen zwangsweise zu Ausgasungen. Diese können entweder durch Einbauteile wie enge Rohrbögen, Filter und Abrisskanten in Behältern oder in engen Rohrabschnitten mit höheren Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Spätestens im Saugmund der Pumpe kommt es zusätzlich zur Ausgasung der gesättigten Lösung. Edur-Pumpen sind meist mit offenen Laufrädern ausgestattet, die Gasanteile im Zusammenspiel mit dem Ringgehäuse sicher beherrschen und durch die starken Scherkräfte der offenen Laufräder die Gasbläschen schnell wieder zerkleinern und einlösen. Die Pumpen kommen seit Jahrzehnten auch in der Flotationstechnik zum Einsatz, wo Gasanteile von bis zu 30 % mitgefördert und eingelöst werden müssen. Edur ist dabei, die besondere Laufradtechnologie auch für größere Durchsätze zu ertüchtigen. Entsprechend dem Systemdruck in der Elektrolyse sind die Pumpen aktuell in Druckstufen bis 40 bar einsetzbar.

Neben den gasmitfördernden Eigenschaften liegen entscheidende Vorteile der Edur-Kreiselpumpen auch in den niedrigen NPSH-Werten und der hohen Energieeffizienz, z. B. durch den Einsatz von verlustfreien Spalttöpfen bei Verwendung von Magnetkupplungen. Die Magnetkupplung selbst ist praktisch wartungsfrei. Während bei der PEM-Elektrolyse der Wunsch nach Wartungsfreiheit und Gasdichtigkeit zur Auswahl von Magnetkupplungen führt, lässt sich die Auswahl bei der alkalischen Elektrolyse auf das Fördermedium zurückführen, das umweltgefährdend ist und eine hermetische Abdichtung erfordert.

Weiterhin überzeugen die Kreiselpumpen mit dem Ausgleich der Radialkräfte durch das eingesetzte Ringgehäuse. Die geringere Belastung hat zusätzlich einen positiven Einfluss auf die Lagerung und den Antriebsmotor. Auf Kundenwunsch werden die Pumpen nach Atex ausgeführt.

Weiterverarbeitung von Wasserstoff

Um Wasserstoff zu speichern und zu transportieren, bieten sich Verbindungen sowohl mit Ammoniak als auch mit Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) an. Mit beiden Medien kann Wasserstoff auch ohne den Einsatz von Hochdrucktanks an gewünschte Zielorte transportiert werden. In einem Kubikmeter LOHC lassen sich bis zu 600 Kubikmeter Wasserstoff einlösen. Zur Förderung von LOHC und Ammoniak können ebenfalls Edur-Mehrphasenpumpen eingesetzt werden. Während sich LOHC gefahrlos transportieren lässt, müssen Pumpen für die Förderung von Ammoniak (NH3) mit einer Magnetkupplung ausgeführt werden. Hier ist es zwingend erforderlich, dass die Pumpen hermetisch abgedichtet sind, da das Fördermedium für den Menschen gesundheitsgefährdend ist.

Auch bei der Methanisierung zur Speicherung von Wasserstoff spielen Edur-Mehrphasenpumpen aufgrund ihrer Fähigkeit zur Mitförderung von Gasanteilen eine bedeutende Rolle. Bei diesem Verfahren wird der gewonnene Wasserstoff in Systeme mit entsprechenden Bakterienstämmen eingebracht. Unter Zugabe von Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid (CO2)und Nährstoffen werden die Gase zu Methan (CH4) umgewandelt. Das synthetisch gewonnene Methan kann dann vollständig ins Erdgasnetz eingespeist werden. Dieses ist deutschland- bzw. europaweit vorhanden und besitzt ausreichend Kapazitäten zur Speicherung des Energieträgers.

Weitere Anwendungen zur Nutzung von grünem Wasserstoff finden sich u. a. in der Stahlindustrie. Dort wird Wasserstoff zur Direktreduktion von Eisenerz eingesetzt. Grüner Wasserstoff kann dabei den Kohle- bzw. Koksbedarf zur Eisenerzreduktion im Hochofen vollständig ersetzen. Dadurch können perspektivisch bis zu 95 % der CO2-Emissionen eingespart werden. Die Herstellung des Wasserstoffs erfolgt vor Ort mittels Elektrolyse. Auch bei der Herstellung von künstlichen Kraftstoffen wie Flugbenzin kommen Edur-Pumpen bereits zum Einsatz.

Namhafte Hersteller von Elektrolyseuren setzen bereits auf die Edur-Pumpentechnik. So kommen die Pumpen aus Norddeutschland beispielsweise in einigen Serienanlagen erfolgreich zum Einsatz. Während einige Elektrolyseure mit weiter steigenden Systemdrücken arbeiten, um die Nachverdichtung des Gases zu verringern, sind andere wiederum völlig drucklos unterwegs. Noch wieder andere bevorzugen den normalen Druckbereich von etwa PN 10. In welche Richtung sich die Technologie zukünftig auch weiterentwickelt: Edur bietet die passende Pumpenlösung für die gewünschten Prozessanforderungen.

Edur-Pumpenfabrik Eduard Redlien GmbH & Co. KG, Kiel


Autorin: Jasmin Rosenberg

Head of Marketing and Communication,

Edur


Autor: Thomas Luley

Sales Manager East
Germany,

Edur

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