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Wasserstofferzeugung

Wasserstofferzeugung minimiert. Auf der anderen Seite ermöglichen Kunststoffe flexible Verbindungstechnologien wie das Infrarotschweißen, welches aufgrund der kleinen Schweiß nähte Vorteile bietet. In Kombination mit ihrem geringen Gewicht sind sie auch einfacher und schneller zu installieren und stellen im Vergleich zu Metall häufig eine wirtschaftlichere Alternative dar. Zudem haben sich Kunststoffrohrleitungssysteme in den unterschiedlichsten Industrien bewiesen. Langjährige positive Erfahrungen gibt es z.B. in der Halbleiterproduktion, wo der Transport von Reinstwasser und eine hohe chemische Beständigkeit von zentraler Bedeutung ist. Diese ist mit Blick auf die Wasserstoffproduktion besonders wichtig in der alkalischen Elektrolyse, bei der sich das Elektrolyt in Form von Kalilauge mit ca. 25 bis 30 % bei ca. 80°C in einem Kreislauf befindet, der die Elektroden überströmt und dabei gasförmigen Sauerstoff und Wasserstoff produziert. Kalilauge kann bei hohen Temperaturen viele Materialien stark chemisch angreifen, was eine Herausforderung für viele Materi alien darstellt. Die Spezifikationen für diese Anwendungen sind äußerst anspruchsvoll, da hohe Temperaturen und die chemische Aggressivität der Kalilauge sowohl Kunststoffe als auch Stahlwerkstoffe stark angreifen. In niedrigen Druckbereichen gibt es jedoch auch hier bestimmte thermoplastische Fluor kunststoffe, die eingesetzt werden können. Aktuell werden weitere Kunststoffe in der AEL-Elektrolyse untersucht. Bei der PEM und AEM-Elektrolyse sind hingegen thermoplastische Fluor kunststoffe oder Polyolefine aufgrund ihrer Material eigenschaften vielseitig einsetzbar. Je nach Elektrolyseur-Typ können aber auch verschiedene Kreisläufe ausgelegt sein, bei denen spezielle Anforderungen gelten. Beispielsweise wird bei der PEM-Elektrolyse aus dem sauerstoffhaltigen Gas-/Wassergemisch im Kondensat-Loop zunächst der übersättigte Sauerstoffanteil getrennt und separiert, danach wird das noch heiße Kondensat wieder mit dem Zusatzwasser dem Stack zugeführt. Gerade in dem Bereich, in dem das Kondensat noch mit Sauerstoff übersättigt ist, entsteht ein stark korrosives Fluid, dass nicht nur Metalle, sondern auch bestimmte Kunststoffe angreifen kann. Auch für diesen Einsatzzweck gibt es in Abhängigkeit Abb. 2: Von der einfachen Absperr armatur zum vollautomatisierten Regelventil, der Kugelhahn 546 Pro ermöglicht einen modularen Aufbau, einfache Bedienung, Flexibilität und hohe Prozesssicherheit. Bild: GF Piping Systems vom Druck Lösungen aus Kunststoff. In Bezug auf die chemische Beständigkeit lässt sich folgern: Kunststoffe haben sich in anderen Industrien als besonders chemikalienbeständige Alternative zu Metallrohren bewiesen, von der auch die H 2 -Produktion profitieren kann. Aufgrund der unterschiedlichen Funktionsprinzipien und Auslegungen bei den Elektro lyseur-Typen müssen bei der Wahl von Kunststoffen immer die Kernfaktoren Fluid, Temperatur und Druck genau berücksichtigt werden, um eine maximale Lebensdauer und Prozesssicherheit zu gewährleisten. Ein geringer Leach-Out Wert für eine effizientere Produktion Das vielleicht wichtigste Argument für Kunststoff in Wasserstoffanwendungen mit Reinstwasser ist der geringe Leach-Out der Materialien. Zwar geben die Hersteller von Elektro lyseuren derzeit keine einheitlichen Grenzwerte vor, jedoch bewegen sie sich für TOC und Metallionen jeweils im unteren ppb-Bereich (ppb=parts per billion; Teile pro Milliarde). In diesem Zusammenhang überzeugt ein Werkstoff wie Polypropylen-Homopolymer (PP-H) nicht nur mit Korrosionsbeständigkeit und Wirtschaftlichkeit, sondern auch mit sehr guten Leach-Out-Werten, die im Vergleich zu Edelstahl deutlich niedriger sind. Welche Folgen ein höherer Leach-Out haben kann, zeigt ein Blick in die Wissenschaft. In einem 2023 veröffentlichten Paper der Royal Society of Chemistry kommen die Autoren zu dem Schluss: „Metallische Verunreinigungen, wie Eisen, Nickel und Kupfer, können durch Korrosion in das Elektrolysewasser gelangen und zu erheblichen Leistungseinbußen führen“ (Becker et al, Impact of Impurities, Sustainable & Energy Fuels, 2023,7,1565.). Ein Beispiel aus der Praxis sind Kondensatleitungen, die traditionell häufig aus Edelstahl gefertigt und durch den hohen Sauerstoffgehalt stark von Korrosion gefährdet sind. Bei Temperaturen von über 60°C in Verbindung mit Reinstwasser und Edelstahlrohren können sich kleinste Eisenoxid-Partikel auf die Wandungen belegen. Dieses als „Rouging“ bezeichnete Phänomen ist aus der Pharmaindustrie bekannt und kann zu kurzen und kostenintensiven Reinigungs intervallen führen. Bei Elektrolyseuren kann es außerdem dazu führen, dass die Standzeit der Harze in der Polisher-Wasseraufbereitung drastisch verkürzt wird. Im Vergleich zu Metallrohren können Kunststoffrohrleitungssysteme hingegen die Kontamination des Reinstwassers und damit auch der Elektrolyse-Stacks mit metallischem und organischem Austrag deutlich verringern. Dies führt voraussichtlich zu einer erhöhten Lebens dauer, sondern auch zu einem höheren Wirkungsgrad, da weniger Strom für dieselbe Menge an Wasserstoff aufgebracht werden muss. Somit ist der Einsatz von Kunststoffen in Elektrolyseuren sowohl wirtschaftlicher als auch ener gieeffizienter – zwei zentrale Faktoren für die Skalierung der grünen Wasserstoffproduktion. Anlagen durch Engineering optimieren Während Planer und Anlagenbetreiber in Bereichen wie der chemischen Prozessindustrie oder Halbleiterproduktion jahrzehntelange Erfahrung mit Kunststoffen haben, kommen sie in der Wasser stoffindustrie nicht im selben Umfang zum Einsatz. 32 GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2024

Im Vergleich zu Metall haben Kunststoffe unterschiedliche Eigen schaften, die bei der Auslegung von Elektro lyseuren berücksichtigt werden müssen. Zudem bewegen sich vor allem die Temperaturen in einigen Anwendungen in den Grenzbereichen der Werkstoffe. Daher ist es ratsam, während der Engineering- Phase basierend auf dem spezifischen Anlagen- und Medienleitungsdesign die einzelnen Materialien zu qualifizieren, um die notwendige Lebens dauer zu gewährleisten. Hier können Experten für den Anlagenbau mit Kunststoff und im besten Fall die Hersteller von Rohrleitungssystemen unterstützen, denn nach einer fachgerechten Prüfung und Bewertung können sogar Spezifikationen freigegeben werden, die über die typischen Temperatur- und Druckgrenzen hinausgehen. Mögliche Dienstleitungen umfassen z.B. den statischen Nachweis des Rohrleitungssystems, der gerade bei einem Wechsel von Metall auf Kunststoff sinnvoll ist, da hier Faktoren wie die Spannung, Biegung, Stauchung und Ausdehnung berechnet werden. Dies liegt u.a. daran, dass sich Temperaturunterschiede zwischen Inbetriebnahme und Betrieb oder innerhalb des Betriebes, wie beim An- und Abfahren der Anlage, bei Kunststoff und Metall unterschiedlich auswirken. Bei der hydraulischen Auslegung werden hingegen die korrekten Dimensionen, der Druckverlust über das System oder den Kreislauf hinweg, der Wärmeverlust oder Pumpen leistungskurven ermittelt. Auch die Berechnung der Spitzenlast ist eine wichtige Komponente der Planung. Nicht zuletzt kann die Inbetriebnahme von Anlagen durch die Vorfertigung optimiert werden. Mit umfangreichen Planungshilfen wie CAD-Bibliotheken können maßgeschneiderte Lösungen konstruiert werden, die auf eine spezifische Anwendung abgestimmt sind. Gerade bei größeren Produktionsanlagen sind die Header, welche das Reinstwasser auf die einzelnen Stacks verteilen, ein Bauteil, das ideal für die Vor fertigung geeignet ist. Da die Schweißungen im Vorfeld durchgeführt werden, müssen die vorgefertigten Komponenten nur noch mechanisch z.B. über Flansche oder Gewinde verbunden werden. Das Ergebnis ist eine schnelle und effiziente Installation. Fazit Insbesondere aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit, einem äußerst geringen Leach-Out und ihrer Flexibilität qualifizieren sich Kunststoffrohrleitungs systeme deutlich vor Metallwerkstoffen für Anwendungen mit Reinstwasser und speziell für Elektrolyseure. Sie minimieren das Risiko von Konta minationen und bieten eine kosten effiziente Lösung für die Herausforderungen der Elektro lyse. Gleich zeitig sind Studien und Materi altests sinnvoll, um ihre Langzeit stabilität und Eignung unter extremen Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Kooperationen mit Forschungsinstituten und kontinuierliche Innovationen werden hierbei eine entscheidende Rolle spielen, um die Vorteile von Kunststoffrohren voll auszuschöpfen. Doch schon heute können sie die Produktion grünen Wasser stoffs wirtschaftlicher und energieeffizienter machen. Autor: Cyrus Ardjomandi Business Development Manager Georg Fischer GmbH Daimlerstraße 6 73095 Albershausen Mehr Informationen: www.gfps.com/wasserstoff 13TH INTERNATIONAL VALVE TRADE FAIR & CONFERENCE MAKE YOUR BUSINESS FLOW Sponsored by: GET TICKETS NOW! valveworldexpo.com