Die Herstellung von 1 kg Wasserstoff erfordert rund 15 l deionisiertes Wasser, dessen Qualitätsanforderungen vergleichbar mit denen von Trinkwasser sind. Zur Schonung der Trinkwasserressourcen ist zum Beispiel in Küstenregionen die Verwendung von aufbereitetem Meerwasser eine nachhaltige Lösung. Nach der Filterung wird das Wasser mithilfe einer Entsalzungsanlage für den Elektrolyseurprozess aufbereitet. Effiziente Plattenwärmetauscher fungieren hierbei als Verdampfer und Kondensatoren. Zunächst werden Wassermoleküle aus dem Meerwasser durch Verdampfung abgetrennt und das entsalzte Wasser wird als Kondensat aufgefangen. Sofern erforderlich, wird dieses Wasser anschließend deionisiert und kann im Elektrolyseurprozess eingesetzt werden. Zur Steigerung der Effizienz der Gesamtanlage bietet sich vor allem in Offshore-Anlagen die Nutzung von Abwärme aus der Elektrolyse zur Meerwasserent
salzung an.
Essenziell für die Elektrolytkühlung
Während des Elektrolyseurprozesses entsteht Wärme durch die angelegte Spannung und die chemischen Reaktionen an den Elektroden. Eine Anlage mit einem Wirkungsgrad von 65 % setzt 35 % der zugeführten elektrischen Energie in Form von Wärme frei. Diese Wärme lässt sich durch Plattenwärmetauscher aus dem Prozess abführen, sodass der Wasserstoff unter optimalen Bedingungen ohne Überschreitung der Maximaltemperatur hergestellt werden kann. Der Elektrolyt, also demineralisiertes Wasser im Falle einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (PEM) oder ein Kaliumhydroxid-Wasser-Gemisch bei der Alkalischen Elektrolyse (AEL), wird durch ein kühleres Medium gekühlt. Maximale Effizienz ermöglichen Wärmetauscher mit spezieller Plattenprägung, die in den Kreislauf integriert sind und eine ständige Kühlung der Prozessflüssigkeit sicherstellen. Hierbei ist das Material der Platten entscheidend. Korrosion soll verhindert und die Wasserstoffqualität und Langlebigkeit der Elektrolyseure optimiert werden.
Die Abwärme aus dem Elektrolyseur kann in Fernwärmenetze eingespeist oder dem Prozess an anderer Stelle zugeführt werden, wie beispielsweise der vorgenannten Wasserentsalzungsanlage, was Energiekosten spart.
Einsatz in der PEM-Elektrolyse
Bei der PEM-Elektrolyse kommen Edelstahlplattenwärmetauscher (Alloy 316) zum Einsatz, um eine Wasserstoffversprödung des Plattenmaterials zu verhindern. Für kleinere Anlagen bis zu ungefähr einem Megawatt eignen sich kompakte, vollverschweißte Wärmetauscher, während gedichtete Wärmetauscher in größeren Anlagen Einsatz finden.
Semi- und vollverschweißte Plattenwärmetauscher zeichnen sich durch eine hohe Druckfestigkeit aus und bieten in der Wasserstoffproduktion einige Vorteile. Zum Beispiel können Elektrolyseure mit einem Druck von mehr als 30 bar betrieben werden, was für die Wasserstoffspeicherung günstig ist, da weniger Kompressionsarbeit aufgewendet werden muss und der Wirkungsgrad der Anlage steigt.
Einsatz in der AEL-Elektrolyse
Die AEL-Elektrolyse erfordert Wärmetauscher mit Platten aus korrosionsbeständigem Material wie Nickel, das dem Kaliumhydroxid-Wasser-Gemisch standhält. Hier werden oft semiverschweißte Plattenwärmetauscher verwendet, die zum Schutz
vor Leckagen auf der Kaliumhydroxid-führenden Seite verschweißt sind. Auf der Seite des Kühlmediums sind diese Apparate gedichtet.
Als vergleichsweise neue Technologie ist die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTE) noch in der Entwicklung. Der Prozess der Wasserstoffproduktion findet bei ca. 800 °C statt und diese hohe Temperatur erfordert Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher (GTL). Die Wärmerückgewinnung reduziert die Kosten der HTE. Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher verfügen über Platten mit speziellen Prägungen und einem asymmetrischen Kanalvolumen, was den Druckverlust minimiert. Im Vergleich zu Rohrbündelwärmetauschern bieten sie höhere thermische Effizienz und benötigen bis zu 75 % weniger Aufstellfläche.
Vorteile für die Distribution
Die Gaskühlung von Wasserstoff und Sauerstoff ist für Transportzwecke elementar, da der Wasserstoff bei atmosphärischem Druck und 0 °C eine sehr geringe Dichte von ca. 0,09 g/l aufweist. Durch Kompression und Kühlung des Gases unter Einsatz von Plattenwärmetauschern kann die Dichte erhöht und die transportierte Masse bei einem vorgegebenen Transportvolumen entsprechend vergrößert werden. Zu diesem Zweck eignen sich aufgrund ihrer Druckfestigkeit vorrangig verschweißte Edelstahlplattenwärmetauscher.
Applikationen optimieren
Wasserstoff muss während der Betankung von Fahrzeugen auf eine Temperatur von circa -40 °C heruntergekühlt werden, um eine Überhitzung des Gases zu verhindern. Dabei verlangt der auf 350 bis 700 bar komprimierte Wasserstoff Wärmetauscher, die extremen Drücken standhalten. Ideal geeignet sind Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE), die ihre Robustheit einer speziellen Schweißtechnologie verdanken.
In Brennstoffzellen reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff, wobei Strom und Wärme sowie als Nebenprodukt Wasser erzeugt wird. Während des Umwandlungsprozesses muss eine kontinuierliche Kühlung der Brennstoffzellenstacks gewährleistet sein. Die elektrische Energie aus der Brennstoffzelle ist direkt nutzbar, während die anfallende Abwärme in Form von Wasserdampf durch einen Plattenwärmetauscher über den Kondensationsprozess zum Beispiel für Gebäudeheizungen erschlossen werden kann. Hierfür bieten sich vorwiegend fusionsgeschweißte Gas-Flüssigkeits-Plattenwärmetauscher an. (br)
Alfa Laval Mid Europe, Glinde
Alfa Laval und SSAB entwickeln den weltweit ersten Plattenwärmetauscher aus fossilfreiem StahlBild: Alfa Laval
Concept Zero
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 kohlenstoffreduziertem Stahl hergestellt werden. Die Zusammenarbeit ist Teil des Alfa-Laval-Ziels, bis zum Jahr 2030 CO2-neutral zu werden.
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