Wasserstoffverdichter: kompletter Leitfaden

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Wasserstoffverdichter sind in zahlreichen Bereichen unverzichtbar – von der Fertigung über grüne Energie bis hin zu verschiedenen Formen der Wasserstoffspeicherung. Die Auswahl des passenden Verdichtertyps kann entscheidend dazu beitragen, die Betriebseffizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit von Wasserstoffanlagen zu verbessern. Dieser Leitfaden behandelt die verschiedenen Arten von Wasserstoffverdichtern und untersucht mehrere Faktoren, darunter ihre besonderen Merkmale, Vorteile und Anwendungsfälle, etwa in der Medizin oder Industrie. Auch bei der Entwicklung oder Modernisierung eines Wasserstoffsystems können diese Verdichter hilfreich sein, denn die verschiedenen Geräte werden hier ausführlich vorgestellt. Sehen wir uns die unterschiedlichen Lösungen und die jeweiligen Merkmale dieser Verdichtertypen an.

Einführung in Wasserstoffverdichter

Wasserstoffverdichter sind unverzichtbare Anlagen zur Wasserstoffaufbereitung und -versorgung. Sie fördern Wasserstoffgas und regeln dabei den Druck, sodass das Gas in Hochdruckbehältern gespeichert werden kann. Wasserstoffverdichter lassen sich in drei Haupttypen einteilen: Hubkolben-, Membran- und Kreiselverdichter. Sie unterscheiden sich in Förderleistung und Betriebsbereich. Hubkolbenverdichter eignen sich für hohe Drücke und geringe Volumenströme, Membranverdichter für Anwendungen, bei denen hochreiner Wasserstoff benötigt wird. Kreiselverdichter werden üblicherweise in Systemen mit hohen Volumenströmen und niedrigem Druck eingesetzt.

Was ist ein Wasserstoffverdichter?

Ein Wasserstoffverdichter ist eine Anlage, die Wasserstoff verdichtet und seinen Druck durch Verringerung des Volumens erhöht. In Branchen wie der Energie- und Chemieindustrie sowie bei der Gasnutzung gelten technische Normen. Wasserstoffverdichter müssen den erforderlichen Verdichtungsdruck erreichen, damit das Gas gespeichert oder transportiert werden kann. Moderne Wasserstoffverdichter bieten energieeffiziente und leistungsfähige Lösungen, die die Qualität des verdichteten Gases auch bei hohen Reinheitsanforderungen bewahren.

Wasserstoffverdichter sind je nach Prozessanforderung für verschiedene Druckbereiche erhältlich – von wenigen bar bis zu mehreren hundert bar, etwa bei der Wasserstoffförderung. Dies beeinflusst auch die Auslegung: Angesichts des geringen Molekulargewichts und der hohen Diffusionsfähigkeit von Wasserstoff muss die Konstruktion auf Energieeffizienz und eine einfache Bedienung ausgerichtet sein.

Bedeutung der Wasserstoffverdichtung für die Wasserstoffwirtschaft

Die Wasserstoffverdichtung ist für die Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft entscheidend, da sie eine wichtige Rolle bei Speicherung, Förderung und Nutzung von Wasserstoff spielt. Eine effiziente Verdichtungstechnologie ermöglicht die Speicherung von Wasserstoffgas mit hoher Dichte. So lassen sich große Mengen über weite Strecken transportieren und Wasserstofftankstellen versorgen. Wasserstoff für Brennstoffzellen-Pkw muss beispielsweise meist auf etwa 350 und 700 bar verdichtet werden. Damit lässt sich das Fahrzeug mit vollem Tank betreiben, während das Tankdesign die Gewichtsnorm weiterhin einhält.

Auch industrielle Anwendungen, insbesondere die Ammoniakproduktion, die Raffination und die chemische Fertigung, sind auf Wasserstoff mit einem definierten Druck angewiesen, um effiziente Betriebsbedingungen sicherzustellen und Schäden in den Prozessströmen zu vermeiden. Neue Verfahren zur Wasserstoffverdichtung befassen sich ebenso mit Problemen wie Energieverlusten und einer nachlassenden Gerüstqualität. Membranverdichter, Verdichter mit ionischer Flüssigkeit und elektrochemische Verdichter mit hoher Auslastung zählen zu den jüngsten technologischen Entwicklungen. Sie arbeiten effizient und können Kosten senken. Diese Fortschritte sind für die Weiterentwicklung von Wasserstoffverdichtungssystemen wichtig und tragen dazu bei, den weltweiten Übergang zu einer nachhaltigen, wasserstoffbasierten Energieinfrastruktur zu ermöglichen.

Anwendungsbereiche von Wasserstoff

Energiespeicherung und Brennstoffzellen Energiespeicher und Brennstoffzellensysteme kommen ohne Wasserstoff nicht aus. In Brennstoffzellen erzeugt Wasserstoff elektrischen Strom; dabei entsteht Wasser, sodass im Betrieb keine schädlichen Gase freigesetzt werden. Die Nachfrage nach Wasserstofftechnologien steigt Jahr für Jahr. Brennstoffzellen kommen beispielsweise im Verkehr und als Notstromversorgung zum Einsatz, darunter Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs). Die Nachfrage nach Wasserstoff und der Aufschwung der Wasserstoffwirtschaft haben dazu beigetragen, dass der Brennstoffzellenmarkt 2022 um 25 % gewachsen ist, wie die Internationale Energieagentur (IEA) berichtet.
Industrielle Prozesse Wasserstoff dient in der Industrie nicht nur als Energieträger. Er gehört zu den bevorzugten Gasen im Haber-Bosch-Verfahren, das für die Ammoniakproduktion eingesetzt wird – einer Grundlage der industriellen Landwirtschaft. Auch in der Erdölraffination ist Wasserstoff besonders wichtig: Er ermöglicht es, Schwefel aus Erdöl zu entfernen und so sauberer verbrennende Mineralölprodukte herzustellen. In diesen Branchen werden jährlich mehr als 70 Millionen Tonnen Wasserstoff in Energiespeichern für den Hausgebrauch und in Brennstoffzellensystemen eingesetzt.
Verkehr Brennstoffzellenfahrzeuge, darunter Busse und Pkw, zeigen, wie umweltverträglicher Verkehr möglich ist. Mit einem Energiegehalt von etwa 120 MJ/kg ermöglicht Wasserstoff Reichweiten von mehreren hundert Kilometern. Außerdem lässt sich ein Fahrzeug sehr schnell betanken – anders als bei batterieelektrischen Fahrzeugen. Dadurch eignen sich solche Lösungen auch für Lkw und andere Fahrzeuge im Fernverkehr.
Stromerzeugung Derzeit wird intensiv an Turbinen und Motoren der nächsten Generation gearbeitet, die Wasserstoff oder Wasserstoff-Erdgas-Gemische verbrennen können. Damit sollen die Emissionen im Stromsektor sinken. In einigen Anlagen wird Wasserstoff bereits mit einem Anteil von 30 % eingesetzt. Für die Zukunft gibt es auch das Ziel, vollständig auf 100 % Wasserstoff umzustellen und so zur weltweiten Dekarbonisierung beizutragen.
Luft- und Raumfahrt Dank seiner hohen Verbrennungsfähigkeit und geringen Molekülmasse eignet sich Wasserstoff für den Antrieb von Düsen- und Raketenantrieben. Flüssigwasserstoff ist ein wesentlicher Bestandteil kryogener Raketentriebwerke, wie die technische Entwicklung der Raumfahrtprojekte und Missionen der NASA seit den 1960er-Jahren zeigt.
Chemische Industrie Wasserstoff wird in großen Mengen für die Ammoniaksynthese verwendet. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist die Kohlenstoffchemie, insbesondere die Methanolsynthese und die anschließende Herstellung von Harzen, Kunststoffen und Lösungsmitteln. Eine bemerkenswerte Anwendung von Wasserstoff ist die Herstellung synthetischer Kohlenwasserstoffe durch die Fischer-Tropsch-Synthese.

Arten von Wasserstoffverdichtern

Hubkolbenverdichter Hubkolbenverdichter nutzen Kolben, um Wasserstoff im Zylinder zu verdichten. Sie eignen sich besonders für hohe Drücke und werden häufig an Wasserstofftankstellen sowie in Industrieanlagen eingesetzt.
Membranverdichter Membranverdichter verdichten Wasserstoff mithilfe einer flexiblen Membran. Dadurch wird das Gas wirksam vor Verunreinigungen geschützt. Diese Verdichter eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen hochreiner Wasserstoff benötigt wird, darunter Brennstoffzellen, Gasverteilung und Laboranwendungen.
Kreiselverdichter Kreiselverdichter nutzen schnell rotierende Laufräder, um Wasserstoffgas zu verdichten. Sie eignen sich für hohe Volumenströme und geringe Druckerhöhungen. Daher kommen sie vor allem in der petrochemischen Industrie zum Einsatz.
Verdichter mit ionischer Flüssigkeit Bei diesem Verdichtertyp wird Wasserstoff mithilfe einer nicht flüchtigen Flüssigkeit verdichtet. Eine Schmierung ist nicht erforderlich, was den Wirkungsgrad erhöht. Dieses alternative Verdichtungsverfahren verringert den Verschleiß und verlängert dadurch die Betriebslebensdauer der Anlage.
Metallhydridverdichter Metallhydridverdichter nehmen Wasserstoff durch reversible chemische Reaktionen in hydridbildenden Legierungen auf. Diese Art von Wasserstoffverdichter ist in bestimmten Situationen besonders hilfreich: Die Anlagen sind kompakt und verdichten das Gas auf Druck.

Arten von Wasserstoffverdichtern im Vergleich

Verdichtertyp	Funktionsprinzip	Vorteile	Nachteile	Ideale Anwendungen
Kolbenverdichter	Gasverdichtung durch Hubbewegung	Hoher Förderdruck	Hoher Instandhaltungsaufwand	Schwerer industrieller Einsatz
Membranverdichter	Flexible Membran verdichtet das Gas	Wasserstoff mit hoher Reinheit am Austritt	Geringer Volumenstrom	Anwendungen mit Bedarf an kontaminationsfreiem Gas
Kreiselverdichter	Rotierende Laufräder erhöhen den Druck	Hohe Volumenströme	Auf geringe Druckerhöhungen beschränkt	Transport großer Wasserstoffmengen
Flüssigkeitsverdichter	Nicht flüchtige Flüssigkeit zur Verdichtung	Geringer Verschleiß, hoher Wirkungsgrad	Komplexe Betriebsauslegung	Nachhaltiger und zuverlässiger Betrieb
Metallhydridverdichter	Hydridlegierungen nehmen Wasserstoff chemisch auf	Kompakte Lösungen für niedrige Drücke	Begrenzte Wasserstoffspeicherkapazität	Kompakte Systeme für den Betrieb bei niedrigem Druck

Verdrängungsverdichter

Das Grundprinzip von Verdrängungsverdichtern besteht darin, eine abgeschlossene Kammer mechanisch zu verkleinern und so das darin eingeschlossene Gas zu verdichten. Zu den gängigen Bauarten zählen Hubkolben- und Drehkolbenverdichter. Bei der ersten Bauart bewegt eine Kurbel den Kolben kontrolliert und im richtigen Takt hin und her, um hohe Druckkräfte zu erzeugen. Drehkolbenverdichter arbeiten dagegen mit rotierenden Bauteilen wie Schrauben, Flügeln oder Drehkolben. Sie verdrängen das Gasvolumen und ermöglichen einen effizienteren Betrieb bei niedrigeren Drücken.

Von Fachleuten geschätzt, werden diese Verdichter zur Wasserstoffverdichtung eingesetzt, weil sie sich präzise auf unterschiedliche Förderleistungen und Drücke einstellen lassen. Ihre Bauweise ist zuverlässig. Zu berücksichtigen sind jedoch der hohe Instandhaltungsaufwand und der mögliche Verschleiß der Anlage im Laufe der Zeit. Fortschritte bei modernen Werkstoffen und innovativen Verdichterkonstruktionen sorgen für Merkmale, die die Betriebslebensdauer dieser Produkte in der Wasserstoffinfrastruktur verlängern – insbesondere dort, wo dauerhaft zuverlässige Hochdruckwerte benötigt werden.

Kreiselverdichter

Eine Kreiselpumpe wird auch als „dynamischer Verdichter“ bezeichnet. Die Anwendungen reichen von der Förderung großer Gasmengen bei relativ niedrigem bis zu hohem Druck. Diese Anlagen zeichnen sich dadurch aus, dass sie den Gasdruck verändern. Durch die Drehung des Laufrads wird Energie in Form von Geschwindigkeit im verdichteten Gas gespeichert. Beim Durchströmen des Diffusors wird das Gas abgebremst und verdichtet; dabei wird die Geschwindigkeit in Druck umgewandelt. Bei kontinuierlichem Gasbedarf, etwa in der Erdgasaufbereitung, Luftzerlegung oder industriellen Kühlung, arbeitet dieses System ruhiger als andere Anlagen.

Fortschritte bei Kreiselverdichtern verbinden Strömungsmechanik und Werkstoffauslegung. Die Entwicklung hat dank numerischer Strömungssimulation (CFD) und Werkstofftechnik deutliche Fortschritte gemacht. Der Einsatz moderner Werkstoffe und optimierter Konstruktionen mit höherer Leistung, geringeren hydraulischen Verlusten und Belastungen, verbesserter Zuverlässigkeit und längerer Betriebslebensdauer ist inzwischen weit verbreitet. Dank dieser Entwicklungen steigen die Leistungskennzahlen, darunter der isentrope Wirkungsgrad und die Druckerhöhung, deutlich über herkömmliche, benutzerfreundliche Datenwerte hinaus.

Membranverdichter

Membranverdichter verdichten Gase sauber und mit möglichst geringer Kontamination. Sie arbeiten mit einer flexiblen Membran, die meist aus hochfesten Polymeren oder metallisierten Werkstoffen besteht. Die Membran trennt das Gas von den mechanischen Bauteilen und verhindert so eine Verunreinigung durch diese Komponenten. Bei toxischen, hochreinen oder explosiven Gasen ist diese Bauweise unverzichtbar, da sie die Reinheit des eingeschlossenen Gases gewährleistet. Verdichter mit der französischen „Faspring Technology“ von Konus erreichen dank kompakter Abmessungen und der vorhandenen volumetrischen Förderleistung Drücke von über 1.000 bar (14.500 psi).

Neuere Entwicklungen konzentrieren sich auf eine längere Lebensdauer der Membran und eine verbesserte Dichtung, um die Betriebslebensdauer des Verdichters zu erhöhen. Diese Fortschritte erleichtern die Instandhaltung der Verdichter, insbesondere bei anspruchsvollen Prozessen mit Druckschwankungen sowie hohem und korrosivem Gas. Moderne Anlagen integrieren Sensoren, die unter anderem Druck, Temperatur und Membranverformung überwachen. Dadurch lässt sich der Verdichter in vielen Fällen seltener zerlegen. Membranverdichter kommen unter anderem bei der Herstellung von Wasserstoff und Spezialgasen sowie in der Öl- und Gasindustrie zum Einsatz, wo hohe Anforderungen an die Produktqualität gelten.

Funktionsprinzipien von Wasserstoffverdichtern

Wasserstoffverdichter erhöhen den Druck des Wasserstoffgases, bis der erforderliche Systemdruck erreicht ist. Dazu wird mechanische Arbeit verrichtet, die den Druck des Gases erhöht und den Betrieb von Hubkolben-, Membran- und Kreiselverdichtern ermöglicht. Bei den meisten Wasserstoffverdichtungsprozessen wird zunächst Wasserstoff mit niedrigem Druck angesaugt, dann über eine Reihe von Strömungswegen oder Membranen verdichtet und schließlich mit höherem Druck abgegeben.

Diese Verdichtung dient vor allem der sicheren Speicherung und dem sicheren Transport von Wasserstoff, der üblicherweise unter hohem Druck eingesetzt wird. Die Systeme erfüllen hohe Leistungsanforderungen: Integrierte Komponenten gewährleisten Reinheit und Sicherheit und ermöglichen den Betrieb mit hohem Druck, wie er in bestimmten Branchen benötigt wird, etwa bei der Wasserstoffversorgung von Brennstoffzellen oder der Energiespeicherung.

Funktionsweise von Verdrängungsverdichtern

Bei diesem Verdichtertyp wird ein bestimmtes Gasvolumen in einer sogenannten Verdichtungskammer eingeschlossen. Die Kammer wird mechanisch verkleinert, wodurch der Druck steigt. Dafür bewegen sich Bauteile wie Kolben, Membranen oder Schrauben im Verdichtergehäuse. Ein Hubkolbenverdichter beispielsweise bewegt Kolben in den Zylindern vor und zurück, während ein Schraubenverdichter ineinandergreifende schraubenförmige Rotoren zur Gasverdichtung nutzt.

Zu den typischen Betriebskennwerten eines Verdrängungsverdichters zählen das interne Volumen und der erzeugte Druck. Beide hängen von den Eintrittsbedingungen der Verdichtung ab, etwa dem Eintrittsdruck, der Temperatur und weiteren gasspezifischen Faktoren. Neue Werkstoffe und verbesserte Dichtungstechnik verringern Leckageverluste und ermöglichen höhere Drehzahlen. Steuerungssysteme gestalten den Betrieb zugleich effizienter und sicherer. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Verdrängungsverdichter besonders für Anwendungen, bei denen hoher Druck und eine präzise Regelung erforderlich sind. Sie werden deshalb häufig in chemischen Prozessen, Stromerzeugungs- und Kälteanlagen sowie in Druckspeichersystemen eingesetzt.

Funktionsprinzip von Kreiselverdichtern

Der wesentliche Vorteil der dynamischen Verdichtung besteht darin, dass ein rotierender Läufer das Fluid beschleunigt. Der Läufer wird über eine Welle von einem Motor oder einer Drossel angetrieben und schleudert das Gas mit hoher Geschwindigkeit nach außen. Dadurch steigt die kinetische Energie des Gases. Im Diffusor wird diese anschließend in Druck umgewandelt. Der Diffusor verlangsamt den Gasstrom und erhöht dadurch den Druck. Diese Bauweise eignet sich für die Verdichtung großer Gasmengen.

Moderne Anlagen sind dank fortschrittlicher Aerodynamik und Kreiselverdichtertechnik sehr effizient und auf hohe Leistung und Zuverlässigkeit ausgelegt. Mithilfe numerischer Strömungssimulationen (CFD) lässt sich die aerodynamische Leistung von Laufrad und Diffusor optimieren, um Turbulenzen zu verringern und die Energieübertragung zu verbessern. Besonders geeignet sind diese Verdichter für Anwendungen mit hohem Volumenstrom, etwa in Öl- und Gasverarbeitungsanlagen, großen Kühlanlagen und Rohrleitungssystemen. Moderne Automatisierungssysteme steuern zudem die Betriebsmerkmale und gewährleisten einen hohen, gleichmäßigen Wirkungsgrad auch bei wechselnden Betriebsbedingungen. Dadurch eignen sich die Verdichter für zahlreiche Branchen.

Funktionsweise von Membranverdichtern

Bei industriellen Anwendungen ist ein Impulsventil mit einer korrosionsbeständigen Gummimembran weit verbreitet. Die im Inneren der Membran entstehende Druckwelle wölbt sie nach außen und öffnet dadurch das Ventil. Deshalb befinden sich Impulsventile meist oberhalb von 30° am Ende des Behälters. So kann die Schwerkraft wirken und Staub nach unten fallen. Beim Abblasen der Druckluft entsteht eine Stoßwelle, die Staub- und Wasserpartikel gemeinsam aus dem Behälter befördert. Dieses Standardverfahren kommt in allen Impulsstrahlsystemen zum Einsatz, damit deren Staubabscheidung nicht an Wirkungsgrad verliert.

Fortschritte bei Membranwerkstoffen wie PTFE (Polytetrafluorethylen) oder Metallverbundwerkstoffen haben die Lebensdauer der Membran deutlich verlängert. Die Werkstoffe sind chemikalienbeständiger, und die Anlage erfüllt ihre Aufgabe insgesamt wirksamer. Strömungswege und Regler lassen sich hochpräzise auslegen, um auch bei schwankenden Drücken eine gleichbleibende Leistung zu ermöglichen. In bestimmten Branchen kann der Druck 10.000 psi überschreiten. Membranverdichter werden für solche Anwendungen eingesetzt, bei denen besonders reine Gase ohne unkontrollierte Leckagen gefördert werden müssen, beispielsweise bei der Halbleiterfertigung, der Versorgung mit medizinischen Gasen und der Einrichtung von Wasserstofftankstellen.

Branchen, in denen Wasserstoffverdichter eingesetzt werden

Wasserstoffverdichter sind in verschiedenen wichtigen Bereichen unverzichtbar. Dazu gehört der Energiesektor, der für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff auf diese Verdichter angewiesen ist, insbesondere bei Projekten zur Nutzung erneuerbarer Energien und bei der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnik. In der chemischen Industrie ermöglichen Wasserstoffverdichter den Umgang mit Wasserstoff, einem wertvollen Rohstoff für zahlreiche Anwendungen wie die Ammoniakherstellung und den Einsatz in Raffinerien. Auch die Automobilindustrie benötigt diese Verdichter, etwa für den Betrieb von Wasserstofftankstellen für Brennstoffzellenfahrzeuge. Darüber hinaus kommen sie in der Medizin zum Einsatz, um Wasserstoff mit extrem hoher Reinheit in präzise dosierten Mengen bereitzustellen.

Brennstoffzellenfahrzeuge

Wasserstoffverdichter sind entscheidend dafür, dass Wasserstofftankstellen effizient betrieben werden können. Das ist besonders wichtig für den Ausbau der Brennstoffzellentechnologie in Fahrzeugen (FCV). Die Verdichter bringen Wasserstoffgas auf sehr hohe Drücke, typischerweise 350 bis 700 bar, damit es gespeichert und in den Fahrzeugtank gefüllt werden kann. Hochdruckwasserstoff ist für den Antrieb der Brennstoffzellen in den neuen FCVs unverzichtbar. Diese Brennstoffzellen erzeugen Strom, indem Wasserstoff und Sauerstoff in elektrochemischen Prozessen miteinander reagieren – und das emissionsfrei.

In den vergangenen Jahren hat die Weiterentwicklung der Wasserstoffverdichtertechnik zu höherer Energieeinsparung und Zuverlässigkeit sowie zu geringeren Investitionskosten geführt. Dadurch wird auch der langfristig tragfähige Ausbau von Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb unterstützt. So konnte beispielsweise durch den Einsatz neuerer Werkstoffe und Dichtungstechniken die Betriebsdauer von Verdichtern verlängert werden. Einige dieser Maschinen müssen deshalb nur nachts gekühlt werden, was Instandhaltungskosten und -aufwand senkt. Das Wachstum in verschiedenen Branchen deutet ebenfalls auf eine steigende Nachfrage nach FCVs hin, insbesondere bei Fahrzeugen des öffentlichen Dienstes, im Gütertransport und bei Pkw.

Lösungen zur Wasserstoffspeicherung

Eine effiziente Energiespeicherung ist entscheidend, um die Wasserstoffwirtschaft zu unterstützen und Energie wirksam zu nutzen. Die Wasserstoffverdichtung ist außerdem unverzichtbar für die Speicherung in großen oder für hohe Drücke ausgelegten Speichertanks, unterirdischen Speicherkavernen oder Gasnetzen. Auch im Energiesektor ist die Wasserstoffspeicherung von zentraler Bedeutung, besonders wenn überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Solarenergie mit Wasserstoff gekoppelt wird, um die Erzeugung und den Verbrauch von Energie zu steuern und auszugleichen, wie es auch bei vielen anderen Energiesystemen der Fall ist.

Anders als der Einzelhandel profitiert auch die Transportbranche, insbesondere bei Netzen für Brennstoffzellenfahrzeuge (FCV), erheblich von der Wasserstoffspeicherung. Der Einsatz von Verdichtern, um Wasserstoff auf die für eine schnelle und effiziente Betankung von FCVs erforderlichen Drücke zu bringen, stellt für die Sicherheit und den normalen Betrieb von Tankstellen keine Herausforderung dar. Dazu gehören auch Fertigungs- und chemische Prozesse, für die große Wasserstoffmengen gespeichert werden müssen, etwa für die Ammoniakherstellung und die Raffination. Auch deshalb sind dauerhafte Speicherlösungen unverzichtbar.

Erdgas-Wasserstoff-Gemische

Viele Marktteilnehmer setzen darauf, Wasserstoff mit Erdgas zu mischen, um CO2-Emissionen in Branchen zu verringern oder ganz zu vermeiden, die bereits über eine Erdgasinfrastruktur verfügen. Wasserstoffverdichter spielen dabei eine wichtige Rolle: Sie sorgen für den erforderlichen Druck und speisen Wasserstoff in Erdgasleitungen ein. Der Wasserstoffanteil dieser Gemische liegt meist zwischen 5 % und 20 % des Volumens. Die Untergrenze von 5 % hängt von den Einschränkungen der Infrastruktur und den Anforderungen am Bestimmungsort ab. So lässt sich konventionelles Erdgas durch Wasserstoff ersetzen, ohne die Kohlendioxidemissionen zu erhöhen, indem grüner Wasserstoff – durch Elektrolyse mit erneuerbarer Energie erzeugter Wasserstoff – dem Erdgas beigemischt wird.

Eine zentrale Herausforderung bei der Beimischung von Wasserstoff zu anderen Brennstoffen wie Erdgas ist, die vorhandenen Leitungssysteme zu erhalten und wirksam zu nutzen, obwohl sie meist nicht für den Wasserstofftransport ausgelegt sind. Wasserstoffverdichter helfen, den gewünschten Druck aufrechtzuerhalten und so das Risiko von Wasserstoffleckagen sowie einer Beeinträchtigung der Werkstoffeigenschaften zu begrenzen. Ursache dafür sind die besonderen Eigenschaften von Wasserstoff, darunter seine geringe Molekülgröße und hohe Diffusionsfähigkeit. Länder in Europa und in jüngerer Zeit auch in Asien haben die Machbarkeit solcher Systeme durch Versuche zur Wasserstoffbeimischung im industriellen Maßstab nachgewiesen und damit überzeugende Belege für ihre breite Einführung geliefert. Diese Fortschritte zeigen, wie wichtig Wasserstoffverdichter sind, um die teils widersprüchlichen Ziele der Energiewende zu erfüllen.

Instandhaltungstipps für Wasserstoffverdichter

Regelmäßige Inspektion und Überwachung Prüfen Sie regelmäßig auf Mängel, Korrosion sowie undichte Dichtungen, Ventile und Leitungen. Werden Probleme rechtzeitig erkannt und behoben, lassen sich Unfälle und Ausfälle im laufenden Betrieb verhindern.
Schmierstoffmanagement Der passende Schmierstoff muss verwendet werden und in ausreichender Menge vorhanden sein. Das verhindert Überhitzung und übermäßigen Verschleiß an Reibflächen. Außerdem sollten ausschließlich wasserstoffverträgliche Schmierstoffe verwendet werden, um Verunreinigungen zu vermeiden.
Druck- und Temperaturregelung Bei der Überwachung der Betriebsbedingungen muss zunächst geprüft werden, ob die Sollwerte für Druck und Temperatur des Verdichters korrekt eingestellt sind. Andernfalls kann das System ineffizient arbeiten.
Austausch von Filtern und Komponenten Filter und andere Teile sollten gemäß den Vorgaben im Handbuch oder nach einer festgelegten Laufleistung des Motors ausgetauscht werden. So wird die Leistung erhalten und der effiziente Betrieb der Prozesse mit Wasserstoff unterstützt.
Herstellervorgaben einhalten Die vom Hersteller empfohlenen Instandhaltungsintervalle und -methoden sollten eingehalten werden, damit der Garantieumfang erhalten bleibt und die Garantie nicht aufgrund fehlerhafter Produkte erlischt.
Sicherheitssysteme kalibrieren Sicherheitssysteme wie Sicherheitsventile und Druckmessgeräte regelmäßig prüfen und kalibrieren, damit sie auch bei extremen Notfall- oder Überlastbedingungen ordnungsgemäß funktionieren.

Regelmäßige Inspektion und Instandhaltung

Damit alle Sicherheits- und Betriebsprotokolle in einer Wasserstoffanlage eingehalten werden, muss das System regelmäßig nach einem festgelegten Inspektions- und Instandhaltungsplan geprüft werden. Dabei sollten kritische Anlagenkomponenten wie Rohrleitungen, Verdichter und Druckbehälter im Mittelpunkt stehen. Moderne zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschallprüfung und Radiografie ermöglichen es, kleinere und größere physische Mängel an Bauteilen zu erkennen, die bei einer Sichtprüfung nicht festgestellt werden können.

Die Überwachung von Betriebsparametern wie Druck, Temperatur und Volumenstrom hilft dabei, ungewöhnliche Entwicklungen zu erkennen, die Risiken für das System mit sich bringen können. Außerdem müssen alle durchgeführten, geplanten und künftigen Inspektionen und Arbeiten dokumentiert werden. Das unterstützt nicht nur die Trendanalyse, sondern auch die langfristige Planung umfangreicher und kostenintensiver Maßnahmen zur Anlagenverwaltung.

Bewährte Maßnahmen für eine lange Lebensdauer von Wasserstoffverdichtern

Für einen ordnungsgemäßen Betrieb und eine lange Lebensdauer von Wasserstoffverdichtern ist die Schmierung entscheidend. Sie hilft, innere Reibung und Verschleiß während des Betriebs zu verringern. Deshalb müssen wasserstoffverträgliche Schmierstoffe verwendet werden, die hohen Drücken standhalten und nur wenig mit Wasserstoff reagieren. Zudem wird dringend empfohlen, die Dichtungen des Wasserstoff-Rückhaltesystems rechtzeitig zu prüfen und auszutauschen. Austretender Wasserstoff stellt ein erhebliches Problem dar: Schon kleine beschädigte oder verschlissene Dichtungen können das System beeinträchtigen und die Betriebssicherheit gefährden. Die entsprechenden Sicherheitsvorgaben müssen eingehalten werden.

Moderne Überwachungssysteme mit Drucksensoren, Modulen zur Schwingungsanalyse und Temperaturmessgeräten können die langfristige Leistung von Wasserstoffverdichtern deutlich verbessern. Mit diesen Funktionen lassen sich betriebliche Anpassungen gezielt vornehmen, insbesondere wenn überhöhter Druck oder erhöhte Temperatur beziehungsweise ungewöhnliche Schwingungen erkannt werden. Mithilfe geeigneter, auf diesen Daten basierender Instandhaltungsalgorithmen können solche Diagnoseverfahren Probleme durch vorausschauende Instandhaltung beheben, bevor sie entstehen.

Quellen

Grüner Wasserstoff in Europa: Wo stehen wir heute? Hier abrufen
Koordination und Planung der Stromerzeugung in einem neuen Stromsystem unter Berücksichtigung der Wasserstoffnachfrage der Industrie Hier die Studie ansehen
Wasserstoffverdichter Zur Quelle

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Was ist ein Wasserstoffverdichter und worin unterscheidet er sich von einem Gasverdichter?

Der Begriff Gasverdichter bezeichnet das Gerät allgemein. Ein Wasserstoffverdichter ist dasselbe Gerät, ausgelegt für die Verdichtung von Wasserstoff zur Speicherung, zum Transport und zum Betanken von Brennstoffzellenfahrzeugen. Im Erdgasbereich und bei der allgemeinen Verdichtung von Luft. Wasserstoffverdichter kommen typischerweise in Wasserstoffproduktionsanlagen und Wasserstofftankstellen zum Einsatz, um den Kraftstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge zu transportieren und unter Druck zu setzen. Die Verdichter sind mit speziellen Werkstoffen und Dichtungen ausgeführt, die hohen Wasserstoffdrücken standhalten und Leckagen verhindern.

Lässt sich die Technik von Luftverdichtern sicher für Wasserstoff einsetzen?

Luftverdichter lassen sich auf verschiedene Weise für den Einsatz mit Wasserstoff auslegen, ohne Einbußen beim Wirkungsgrad hinnehmen zu müssen. Dazu können beispielsweise auch herkömmliche Schraubenverdichter verwendet werden. Allerdings müssen insbesondere Konstruktion und Werkstoffe dieser Verdichter angepasst werden, da molekularer Wasserstoff aufgrund seiner sehr geringen Größe durch herkömmliche Dichtungen entweichen kann und zudem Werkstoffe verspröden lassen kann. Für den Einsatz mit Wasserstoff werden Verdichter mit speziellen Legierungen und Oberflächenschutzbeschichtungen angeboten, um die Sicherheit und lange Lebensdauer von Wasserstoffspeicher- und Betankungssystemen vor Ort zu gewährleisten.

Welche Rolle spielen Erdgasverdichter im Vergleich zu Wasserstoffverdichtern?

Ob Wasserstoffverdichter die vorhandene Erdgasverdichterinfrastruktur nutzen können, lässt sich nicht pauschal beantworten. Die Geräte unterscheiden sich in ihrer Bauart und ihren Anforderungen. Zu den Herausforderungen beim Einsatz von Wasserstoffenergie gehören auch die Verdichter. Ihre Bedeutung zeigt sich im Aufbau des Wasserstoffenergiesystems und bei Prozessschritten wie der Wasserstofferzeugung, -umwandlung und -förderung bis zum Endverbraucher. Es wird außerdem erwartet, dass Teile der Verteilnetzinfrastruktur umgenutzt werden, was möglicherweise Anpassungen erfordert.

Wie wirken sich Gasverdichtungsverfahren auf die Speicherung und Verteilung von Wasserstoff aus?

Für die Speicherung von Wasserstoff unter hohem Druck sind Verfahren zur Druckerhöhung des Gases erforderlich. Sie sind auch wichtig, um den erforderlichen Wirkungsgrad zu erreichen und die Sicherheit zu gewährleisten. Beim Transport und Betanken helfen Verdichter dabei, den Wasserstoff auf den benötigten Druck zu bringen. Die verschiedenen Verdichtertypen unterscheiden sich, und ihre Auswahl wirkt sich auf die Betriebskosten sowie auf den Zeitaufwand für regelmäßige und routinemäßige Instandhaltung und Verwaltung aus.