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Wasserstofferzeugung
Wasserstofferzeugung Thermoplastische Werkstoffe in der Wasserstoffproduktion: Längere Lebensdauer und größerer Wirkungsgrad Cyrus Ardjomandi Proton Exchange Membrane (PEM) Elektrolyseure verwenden eine Protonenaustauschmembran und einen festen Polymerelektrolyten. Bei Anlegen eines Stroms spaltet sich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf, wobei Wasserstoffprotonen durch die Membran hindurchtreten und auf der Kathodenseite Wasserstoffgas bilden. Der Wirkungsgrad und die Lebensdauer der PEM-Elektrolyse hängen wesentlich mit der Qualität des zugeführten Wassers zusammen. Hochreines Wasser ist entscheidend für eine optimale Leistung. Bild: GF Piping Systems Für die Energieversorgung der Zukunft wird das H 2 -Molekül eine tragende Rolle spielen, denn grüner Wasserstoff kann nicht nur ganze Industriezweige dekarbonisieren, sondern auch als Speicher für überschüssige Energie aus anderen erneuerbaren Quellen dienen. Dieser Umstand spiegelt sich auch in den Wachstumsprognosen der Wasserstoffwirtschaft wider: Schätzungen zufolge wird der Markt für grünen Wasserstoff bis 2050 auf 600 Millionen Tonnen und 1,4 Billionen Dollar Umsatz wachsen, mit einem Einsparpotential von bis zu 85 Gigatonnen CO 2 (Green Hydrogen Studie von Deloitte, 2023). In diesem Zusammenhang sind Rohrleitungssysteme eine wichtige Stellschraube, da sie über die gesamte H 2 -Wertschöpfungskette hinweg zum Einsatz kommen. Insbesondere während der Produktionsphase, wo sie Medien wie Reinstwasser, Gas-Wassergemische und chemische Substanzen transportieren, haben Rohrleitungssysteme einen maßgeblichen Einfluss auf die Lebensdauer der Anlage und Wirtschaftlichkeit. Ein ausschlaggebendes Kriterium ist dabei die korrekte Materialauswahl, wie die jahrzehntelange Erfahrung aus fordernden Bereichen wie der Halbleiterfertigung oder der chemischen Prozessindustrie verdeutlicht. Während in der Wasserstoffproduktion oftmals noch traditionelle Metallrohre zum Einsatz kommen, haben sich in diesen Industrien produktionsbedingt Kunststoffe als leistungsfähige Alternative durchgesetzt. Ziel ist hier zu zeigen, dass Kunststoffrohrleitungssysteme für die Wasserstoffproduktion großes Potential haben und warum sie Metallrohren vor allem in Anwendungen mit Reinstwasser überlegen sind. Reinstwasser als Kernstück der H 2 -Produktion Um konstant Wasserstoff in einer Elektrolysezelle herzustellen, benötigt es Zusatzwasser in Form von Reinstwasser. Die Anforderungen an dieses Zusatzwasser werden vom Hersteller der Anlage gemäß der Norm ISO 22734 für industrielle Elektro lyseure vorgegeben. Hier ergibt sich jedoch eine Herausforderung: Nachdem die Wasseraufbereitung die erforderliche Qualität sichergestellt hat, darf das Reinstwasser auf dem Weg zum Elektrolysestack nicht wieder verunreinigt werden. Denn Degradierungsprozesse durch verunreinigtes Wasser können zu erhöhtem Energiebedarf, hohen Wartungskosten und wartungsbedingten Ausfallzeiten führen. Kritisch sind zum einen gelöste Metallionen, die in die Elektrolysezelle gelangen und dort die Leistung 30 GREENEFFICIENTTECHNOLOGIES 2024
Wasserstofferzeugung der Elektroden beeinträchtigen, und zum anderen der Austrag von organischen Kontaminanten (Total Organic Carbon, TOC), die Mem branen durch Reaktionen mit Nebenprodukten bei der H 2 -Produktion beschädigen können. Die nächste Herausforderung entsteht durch die zu transportierenden Fluide: Manche Elektro lyseure erfordern neben Reinstwasser auch hochkorrosive Medien, welche die Lebensdauer von Werkstoffen beeinträchtigen und somit Rohrleitungssysteme stark beanspruchen. Hinzu kommt, dass den Kreisläufen von Elektrolyseuren mit Flüssigelektrolyten immer wieder Reinstwasser zugeführt und Kreislaufwasser entnommen werden muss, um Verunreinigungen zu entfernen und frisches Wasser für die Generation von H 2 -Ionen zuzuführen. Daraus ergeben sich für die Auswahl des Rohrleitungsmaterials vier zentrale Faktoren: • Ein möglichst geringer Leach-Out, oder Austrag des Werkstoffs, um Verunreinigungen zu verhindern • Eine geringe Oberflächenrauheit der Rohrwandungen, um Ablagerungen vorzubeugen • Das Design der Anlage, da je nach Verfahren unterschiedliche Temperaturen, Drücke und Medien vorherrschen • Die Position innerhalb der Anlage, da auch hier Temperaturen und Drücke schwanken Kunststoffe in Elektrolyseuren Das größte Potential von Rohrleitungssytemen aus Kunststoff liegt im Reinstwassertransport von der Wasseraufbereitung bis zum Eingang in den Elektrolyseur. Um die Vorteile zu verstehen lohnt sich ein Blick auf die Anforderungen verschiedener Produktionsverfahren. • AEL: Bei der alkalischen Elektrolyse wird meist stark konzentrierte Kalilauge (KOH) als Elektrolyt eingesetzt, was sowohl für Metall als auch Kunststoff sehr anspruchsvoll ist. Hier gibt es die Möglichkeit, bestimmte thermoplastische Kunststoffe bei Niederdruck Fahrweise einzusetzen. • PEM: Die Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse setzt direkt Reinstwasser zu Wasserstoff und einem Kondensat aus Sauerstoffübersättigtem Wasser um. Somit sind Kunststoffe mit geringem Leach-Out für den Reinstwassertransport generell gut geeignet, jedoch müssen die hohen Temperaturen und Drücke im Zulauf des Stacks berücksichtigt werden. • AEM: Bei der Elektrolyse mit anionenleitender Membran kommt eine Kombination aus Reinstwasser und leichter Kalilauge mit 1-3 % zum Einsatz, die für Kunststoffe einfach zu handeln sind, so dass hier ähnliche Anforderungen herrschen wie bei der PEM-Elektrolyse. • SOEC: Die Festoxid-Elektrolyse erfordert deutlich höhere Drücke und Temperaturen, die sich außerhalb der Anwendungsgrenzen von Kunststoff bewegen. Somit sind sie hier nicht geeignet. Allerdings wird hier auch Reinstwasser zugegeben, welches später im System verdampft wird und bei diesem Prozess so wenig Ablagerungen wie möglich bilden soll. Kunststoffe überzeugen durch ihre chemische Beständigkeit Grundsätzlich kommen Kunststoff rohrleitungssysteme also für Anwen dungen in der PEM, AEM und in der Niederdruck AEL-Elektrolyse in Frage. Dabei vereinen sie einige wichtige Eigenschaften: Auf der einen Seite sind sie chemikalien- und korrosionsbeständig, was die Lebensdauer verlängert und den Wartungsaufwand Abb. 1: Enapter ist Deutschlands erster Hersteller von AEM-Elektrolyseuren. Diese trennen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wobei Hydroxidionen durch die Membran wandern und auf der Kathodenseite Wasserstoffgas erzeugen. Basierend auf maßgeschneiderten GF-Konstruktionszeichnungen wurden PROGEF PP-H Rohrleitungskomponenten mit Kugelhähnen Typ 542 und elektrisch angetriebenen Kugelhähnen Typ 546 Pro eingebaut. Bild: Enapter GREENEFFICIENTTECHNOLOGIES 2024 31
