Auswahlleitfaden für 700-bar-Wasserstoffverdichter

Wasserstoffverdichtung verstehen

Unter Wasserstoffverdichtung versteht man die Erhöhung des Drucks von gasförmigem Wasserstoff, damit er gespeichert, transportiert oder in industriellen Prozessen eingesetzt werden kann. Dazu werden die Abmessungen und damit das Volumen des Gases mechanisch verringert, um den Druckanforderungen der jeweiligen Anwendung gerecht zu werden, etwa an Tankstellen oder in Energiespeichern. Die Hochdruckverdichtung von Wasserstoff dient dazu, das Gas bei hohen Drücken effizient zu speichern, ohne seine sichere Verwendung zu beeinträchtigen. Solche Hochdruckverdichter sollten so ausgelegt sein, dass sie den Energieverbrauch senken, übermäßige Erwärmung verhindern und einen sicheren Betrieb ermöglichen. Dabei sind die besonderen Eigenschaften von Wasserstoff zu berücksichtigen, darunter seine geringe Molekülgröße und die Möglichkeit von Gasverlusten.

Was ist Wasserstoffverdichtung?

Für Lösungen zur Förderung von Wasserstoff muss das Gas verdichtet werden. Damit ist die Verdichtung einer der wichtigsten Prozesse bei der Erzeugung und dem Transport von Wasserstoff in allen Industriezweigen. Sie bringt den Wasserstoff auf einen Druck, bei dem er sich leicht zu den Verbrauchern transportieren lässt, etwa zu Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen, industriellen Anwendungen oder Wasserstoffspeichern. Moderne Wasserstoffverdichter werden bereits für Drücke von mehr als 700 bar ausgelegt, wie sie für Wasserstofftankstellen der neuen Fahrzeuggeneration erforderlich sind.

Um Wirkungsgrad und Betriebssicherheit weiter zu steigern, kommen bei der Verdichterentwicklung fortschrittliche Technologien zum Einsatz. Sie berücksichtigen die Leckagegefahr aufgrund der geringen Molekülgröße von Wasserstoff und dessen schädigender Wirkung auf bestimmte Metalle. Leistungsfähige Werkstoffe, effiziente Dichtungsverfahren und verbesserte Konstruktionsmethoden tragen dazu bei, die Sicherheit und Leistungsfähigkeit von Wasserstoffverdichtungsanlagen auch bei höchsten Anforderungen zu gewährleisten.

Arten von Wasserstoffverdichtern

Druckluft-Schraubenverdichter

In einem Druckluft-Schraubenverdichter greifen zwei schraubenförmige Rotoren in einem Gehäuse ineinander, um Druckluft zu verdichten und effizient zu fördern. Dieser Verdichtertyp eignet sich besonders für Anlagen, die kontinuierlich sehr große Druckluftmengen benötigen. Auch aktuelle Schraubenverdichter verfügen über zusätzliche Funktionen wie Steuerungen, mit denen sich Energieverbrauch und Kosten gezielt senken lassen. Diese Verdichter erbringen auch unter anspruchsvollen Bedingungen eine zuverlässige Leistung, benötigen wenig Instandhaltung und sind leiser als andere Verdichtertypen. Damit eignen sie sich besonders für Branchen wie die Stahlherstellung, die Chemieindustrie und Anlagen für erneuerbare Energien. Zu den jüngsten Entwicklungen in der Verdichterbranche zählen außerdem Innovationen bei Schmierstoffen und Verdichtung. Dank technologischer Fortschritte lassen sich Werkstoffbeständigkeit und Schmierung optimieren, was Wirkungsgrad und Anpassungsfähigkeit in verschiedenen Industriezweigen verbessert.

Technische Daten von Wasserstoffverdichtern für 700 bar

Anforderungen an den Volumenstrom

Das System ist auf einen Volumenstrom von 50 bis 500 m³/h ausgelegt, passend zu den Prozessanforderungen. Dieser Bereich eignet sich für die meisten industriellen Anlagen zur Förderung und Verarbeitung von Fluiden, zum Beispiel in Rohrleitungen. Moderne Maschinen ermöglichen eine präzise Steuerung nahezu aller Aspekte des Fluidstroms. Die Konstruktion soll sicherstellen, dass das System auch bei stark wechselnden Fahrzeuglasten oder anderen Lasten nicht an seine Grenzen gerät. Darüber hinaus begrenzt die intelligente Auslegung der internen Kanäle Turbulenzen und Druckverluste, damit die Anlage bestmöglich arbeitet. Die Ausrüstung erfüllt die Normen ISO 5167 und ASME zur Volumenstrommessung und gewährleistet dabei Rückverfolgbarkeit und Zuverlässigkeit.

Anforderungen an die Verdichterstufen

Die Verdichterstufe soll zuverlässig arbeiten und zugleich durch den Einsatz neuester Konstruktionsmethoden einen maximalen Wirkungsgrad erreichen. Im Verhältnis zum Umgebungsdruck muss außerdem sichergestellt werden, dass die vom Verdichter erzeugte Druckerhöhung innerhalb eines bestimmten Bereichs bleibt. Dieser wird durch die Mindest- und Höchstdrücke festgelegt, bei denen das Prozesssystem betrieben werden muss. Häufig kommen fortschrittliche Werkstoffe zum Einsatz, darunter hochfeste Legierungen und korrosionsbeständige Beschichtungen. Sie schützen unter anspruchsvollen Bedingungen wie den hohen Temperaturen und Drücken, die für industrielle Anwendungen erforderlich sind.

Die Kennzahlen für die Verdichterstufe werden anhand der Anforderungen der API-Norm 617 festgelegt. Diese fordert Genauigkeit bei der Druckverlustangabe und beim Wirkungsgrad. Moderne Verdichter lassen sich direkt antreiben oder mit einem drehzahlvariablen Antrieb (VSD) ausstatten, um den Energieverbrauch zu senken und schwankende Lasten zu berücksichtigen. Besonderes Augenmerk gilt der Leckagekontrolle. Dafür kommen Gleitringdichtungen und trockenlaufende Gasdichtungen zum Einsatz, die Leckagen innerhalb der Umwelt- und Sicherheitsgrenzwerte halten müssen, insbesondere nach ISO 10438.

Moderne Verfahren zur Leistungsüberwachung wichtiger Anlagenkomponenten wie Verdichter nutzen verschiedene Sensoren, um Schwingungen, Temperatur und Druck zu erfassen. Die Daten ermöglichen eine vorbeugende Analyse des Systems, damit Probleme früh erkannt und ungeplante Stillstände vermieden werden können. Insgesamt tragen diese Funktionen zur Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit von Maschinen in sicherheitskritischen Branchen bei.

Druckbereiche und Druckstufen

Moderne Dichtungssysteme und Industriekomponenten sind so ausgelegt, dass sie den jeweiligen Druckbereichen standhalten, insbesondere bei hohem Vakuum und je nach Auslegungsanforderungen bis zu 400 bar. Die Auslegungsdrücke dieser Systeme berücksichtigen Sicherheitsfaktoren und werden nach festgelegten Normen wie ASME B31.3 und API 682 geprüft, um auch extreme Betriebszustände abzudecken. Diese Anforderungen gelten auch für industrielle Hochdruckprodukte aus Metall. Solche Bauteile werden beispielsweise aus nickelbasierten Legierungen oder Duplexstahl gefertigt, wenn sie hohen mechanischen Belastungen und korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind. Die zulässige Höchstspannung und das Sicherheitsniveau des Systems werden bewertet. Die Auslegungsvorschriften, die in der Industrie weit verbreitet sind, gewährleisten einen sicheren Betrieb bei Änderungen der Druckkennlinie.

Sicherheitsnormen für den Umgang mit Wasserstoff unter hohem Druck

Maßnahmen zur Leckagevermeidung

Eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Betriebssicherheit und den Umweltschutz bei gasbetriebenen Systemen ist die Vermeidung von Wasserstoffleckagen. Dichtungen und Verschlüsse sind dabei besonders wichtig, vor allem Metall-Metall- und Elastomerdichtungen, die mögliche Leckagen an Rohrleitungen, Speichertanks und Baugruppen verhindern sollen. Fortschrittliche Überwachungstechnik wie Wasserstoffsensoren und Ultraschall-Lecksuchgeräte hilft außerdem, Leckagen frühzeitig zu erkennen und zu beheben.

Edelstahl und undurchlässige Verbundwerkstoffe, die mit moderner Technologie hergestellt werden, können Wasserstoffversprödung widerstehen und so die Qualität und Zuverlässigkeit von Produkten unter hohem Druck sichern. Diese Werkstoffe müssen jedoch regelmäßig geprüft werden. Zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschall- oder Röntgenprüfungen helfen, kleinste innere Fehler zu erkennen und zu beheben. Solche Maßnahmen können das Risiko gefährlicher Leckagen erheblich senken und dazu beitragen, die Praxis mit den Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften der Industrie in Einklang zu bringen.

Leitlinien zur Zertifizierung und Normenkonformität

Für Organisationen ist die Einhaltung behördlicher Vorgaben entscheidend; Verstöße können schwerwiegende Folgen haben. Dazu gehören unter anderem ISO 9001 für Qualitätsmanagementsysteme und ISO 45001 für Arbeits- und Gesundheitsschutz, die dabei helfen, verschiedene Risiken zu vermeiden und Betriebs- und Sicherheitsrichtlinien festzulegen. Eine ISO-Zertifizierung allein bedeutet jedoch nicht zwingend, dass eine Organisation effizient und sicher arbeitet. Der umfassende Einsatz von Lösungen für Compliance und Audits sowie Verfahrens- und Parameterkontrollen mit automatisierten Werkzeugen zur Einhaltung regulatorischer Vorgaben ermöglicht es außerdem, anschauliche Dokumentationen zusammenzustellen und vorzulegen, die auch anspruchsvollsten Anforderungen gerecht werden.

Dazu gehören datengestützte Situationsanalysen und maßgeschneiderte Berichte, mit denen die Unternehmensleitung ihre Tätigkeiten wirksam und gesetzeskonform steuern kann. Um Akkreditierungen zu erhalten und aufrechtzuerhalten, müssen Unternehmen kontinuierliche Verbesserungsprogramme einführen, regelmäßig interne Audits durchführen und ihre Beschäftigten umfassend zu den geltenden Regeln und Verfahren schulen. Die Umsetzung solcher Verfahren kann erheblich dazu beitragen, ein engagiertes Unternehmen aufzubauen, das sich an Sicherheit, Qualität und Verantwortung im Rahmen der Zertifizierung orientiert.

Sicherer Umgang mit hohem Druck

Zahlreiche Regionen und Branchen nutzen in Bereichen wie Fertigung, Chemie und Energie Hochdruckanlagen, da diese für viele ihrer Tätigkeiten unverzichtbar sind. Bei unsachgemäßem Umgang mit Hochdruckbereichen kann es jedoch zu unerwünschten Folgen kommen, etwa zum Versagen anfälliger Ausrüstung, zu Verletzungen oder zu übermäßiger Umweltverschmutzung. Maßnahmen zur Risikominderung umfassen häufig eine Kombination aus technischen Schutzmaßnahmen, Mitarbeiterschulungen, administrativen Kontrollen und weiteren geeigneten Vorkehrungen.

Jede Hochdruckleitung und jedes Hochdruckgerät muss bestimmte Eigenschaften aufweisen und die geltenden Normen erfüllen, damit es den Anforderungen besser gerecht wird und vor Verschleiß oder Bersten geschützt ist. Regelmäßige Inspektionen und Wartungsarbeiten dienen dazu, Verschleiß, Korrosion und Ermüdung an Komponenten wie Druckbehältern, Decks und Rohrleitungssystemen vorzubeugen. Um eine wirksame Druckentlastung zu ermöglichen und den Anforderungen bei Überdruck gerecht zu werden, etwa einer Verringerung des Hydraulikdrucks und des Druckluftstroms, sollte das System mit geeigneten Einrichtungen zur Druckerhöhung und Druckminderung ausgestattet sein, beispielsweise mit Druckentlastungs- und Bersteinrichtungen.

Organisationen müssen außerdem Verfahren festlegen, die die Sicherheit aller Personen vor Ort gewährleisten. Dazu gehören angemessene Maßnahmen für bestimmte Zeiträume sowie die Berücksichtigung der Gefahrenstufen und der beteiligten Stoffe, Flüssigkeiten oder Gase. Beschäftigte müssen angemessen zu Sicherheitsfragen im Umgang mit hohem Druck geschult werden, um Gefahren einzudämmen. Die Schulungen sollten sichere Arbeitsbedingungen und bewährte Betriebsverfahren behandeln. Außerdem sollten sie vermitteln, wie persönliche Schutzausrüstung (PPE) bei Hochdruckunfällen auszuwählen und zu verwenden ist.

Werkstoffverträglichkeit in Wasserstoffumgebungen unter hohem Druck

Bei der Bewertung der Werkstoffverträglichkeit in Wasserstoffumgebungen unter hohem Druck geht es vor allem darum, ob ein Werkstoff Schäden durch Wasserstoffeinwirkung, etwa Wasserstoffpermeation oder Versprödung, widerstehen kann. Empfohlen werden Metalle wie Edelstahl, bestimmte nichtferritische Legierungen und Aluminium, insbesondere Aluminium, da diese Werkstoffe bei kontrolliertem Einsatz von den genannten Auswirkungen nicht wesentlich betroffen sind.

Schweißbare hochfeste Stähle und einige nickelbasierte Legierungen sind dagegen besonders anfällig. Um eine Schädigung zu verhindern, sind daher besondere Maßnahmen erforderlich, etwa eine Oberflächenbehandlung oder Beschichtungen. Auch bestimmte nichtmetallische Werkstoffe wie Kunststoffe können eingesetzt werden, sofern ihre Druckbeständigkeit und Permeationsgrenzwerte berücksichtigt werden. Werkstoffe dürfen erst ausgewählt werden, nachdem ihre erforderlichen Prüfungen und Zulassungen für den Wasserstoffbetrieb bestätigt wurden, da dies für Sicherheit und Leistungsfähigkeit entscheidend ist.

Aspekte der Korrosionsbeständigkeit

Wasserstoffreiche Umgebungen können den Werkstoffabbau begünstigen, insbesondere im Zusammenhang mit der Überwachung von Wasserstoff. Solche Metalle können unter Wasserstoffeinwirkung sehr schnell korrodieren, vor allem bei erhöhten Temperaturen und Drücken. Edelstahl ist beispielsweise im Allgemeinen erosionsbeständig, weist jedoch bei Korrosion verschiedene Einschränkungen auf, etwa Lochfraß und Spannungsrisskorrosion in Schwefelwasserstoff oder sauren Medien. In anderen Fällen werden thermoreaktive Werkstoffe mit Duplex- und Superduplex-Edelstahlgeweben für eine längere Einsatzdauer verwendet. Feinkörnige Gefüge erzielen dabei eine hohe Schlagzähigkeit. Ihr Einsatz hängt jedoch von den jeweiligen Umgebungsbedingungen ab, etwa vom p H-Wert und der Chloridkonzentration.

Nickelhaltige Legierungen wie Hastelloy oder Inconel sowie fortschrittlichere Werkstoffe werden aufgrund ihrer überlegenen Beständigkeit gegen wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion eingesetzt. Diese Legierungen verfügen zudem über ausreichende mechanische Eigenschaften für korrosive Umgebungen, sind jedoch etwas teurer. Mit der Einführung neuer und innovativer Werkstoffe könnte der Einsatz metallischer Werkstoffe weiter zunehmen. Außerdem deuten jüngste Forschungsergebnisse darauf hin, dass Beschichtungswerkstoffe und -verfahren wie das Aluminieren die Wasserstoffpermeabilität verringern und die Oberflächenfestigkeit verbessern können.

Haltbarkeit und langfristige Zuverlässigkeit

Die Haltbarkeit und lange Lebensdauer von Werkstoffen unter extremen Bedingungen sind für industrielle Innovationen entscheidend. Bei der Auswahl moderner Werkstoffe zählen nicht nur Festigkeit und Zähigkeit, insbesondere bei Hochmodulfasern, sondern auch umfangreiche Oberflächenbehandlungen. So wurde festgestellt, dass sich bei bestimmten Hochtemperaturanwendungen, vor allem in der Energie- und Petrochemiebranche, die Verschleiß- und Wärmebeständigkeit durch Beschichtungen aus Chromcarbid oder Titannitrid deutlich verbessern lässt.

Verfügbare Daten zeigen außerdem, dass eine sehr wirksame Überwachung in Kombination mit Konzepten der vorausschauenden Instandhaltung bei kritischen Komponenten in manchen Fällen eine zusätzliche Lebensdauer von 10 oder sogar mehr Jahren ermöglicht. Dazu werden charakteristische Verschleißspuren rechtzeitig erkannt, bevor sie zu einem umfassenden Komponentenschaden führen. Die Entwicklung neuer Werkstoffe, etwa durch die Auslegung von Legierungen, ermöglicht gemeinsam mit Online-Systemen zur Leistungsüberwachung einen sicheren Betrieb der Bauteile bei Dauerbelastung, in chemisch aggressiven Umgebungen und bei Temperaturschwankungen. So lassen sich ungeplante Stillstände und damit verbundene Risiken für den Ruf und die Sicherheit verringern.

Auswirkungen der Wasserstoffversprödung

Die mechanischen Eigenschaften hochfester Werkstoffe sind stark eingeschränkt, da Wasserstoffversprödung die Duktilität verringert und das Metall, insbesondere Stahl, spröde macht. Ursache ist, dass Wasserstoffatome in den Werkstoff diffundieren. Wenn Wasserstoff mit verschiedenen Gefügebestandteilen wie Versetzungen und Korngrenzen interagiert, kann dies zu erheblicher Versprödung führen. Wasserstoff lässt in den meisten Werkstoffen die atomaren Bindungen versagen. Dadurch sinkt die Zugfestigkeit unmittelbar, und der Werkstoff kann bei einem Bruch weniger Energie aufnehmen.

Studien belegen, dass Wasserstoff das Risswachstum deutlich beschleunigen kann, insbesondere bei wechselnder oder anhaltender Belastung, wie sie beim Einsatz bestimmter Maschinen auftritt oder zum Versagen von Bauwerken führen kann. Das Verständnis der Fraktografie und Mikrofraktografie hilft, viele mögliche Fehler zu vermeiden. Verfahren, bei denen Wasserstoff als Kraftstoff eingesetzt wird, werden bei höheren Drücken zunehmend kostspielig. Studien zufolge ist Wasserstoffversprödung der häufigste und schwerwiegendste Fall hydrophiler Mikrogefüge in Stahl. Besorgniserregend ist, dass Wasserstoff selbst im Bereich plastischer Verformung eine Versprödung verursacht und so zum Gegenteil eines duktilen Bruchs führt.

Wichtige Faktoren bei der Auswahl eines geeigneten Wasserstoffverdichters

Anforderungen an die Instandhaltung

Damit der Wasserstoffverdichter dauerhaft seine Leistung erbringt, muss ein Instandhaltungssystem eingerichtet werden. Die Ausrüstung sollte regelmäßig geprüft werden. Dabei ist besonders auf Verschleiß an wichtigen Komponenten wie Dichtungen, Ventilen und Schmiersystemen zu achten. Auch die Schmierstoffe müssen geprüft und vor Verunreinigungen geschützt werden. Verunreinigungen verringern den Wirkungsgrad des Verdichters und erhöhen dadurch die Betriebskosten. Außerdem müssen die Filter, insbesondere Partikel- und Koaleszenzfilter, in den empfohlenen Intervallen gewechselt werden, um Ablagerungen zu verhindern und die geforderten Reinraumbedingungen einzuhalten.

Schwingungsanalysen und Temperatursensoren liefern Daten zur Instandhaltung der Ausrüstung. Sie ermöglichen die Echtzeitüberwachung des Anlagenzustands und damit eine vorausschauende Instandhaltung. So lassen sich unerwünschte Stillstände aufgrund von Geräteausfällen weitgehend vermeiden. Um die Sicherheitskriterien einzuhalten, sind regelmäßige Druckprüfungen und Leckagekontrollen unerlässlich. Bei stationären Energiespeicheranwendungen ist austretender Wasserstoff gefährlich und beeinträchtigt zumindest geringfügig den Wirkungsgrad. Um den Verschleiß des Verdichters zu verringern und seine grundlegende Funktion zu erhalten, werden Maßnahmen wie eine planmäßige Instandhaltung und eine Hartstoffbeschichtung in den Betriebsplan aufgenommen.

Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit

Eine effiziente Energienutzung bei der Wasserstoffverdichtung in industriellen Prozessen ist entscheidend: Sie senkt Kosten und Umweltauswirkungen und fördert zugleich die technische Weiterentwicklung. Moderne Wasserstoffverdichter sind auf einen geringeren Energieverbrauch ausgelegt. Dazu kommen fortschrittliche Technologien wie Frequenzumrichter (VFDs) zum Einsatz, die die Motordrehzahl an den jeweiligen Lastbedarf anpassen und unnötigen Energieverbrauch vermeiden. Auch die isotherme Verdichtung hat sich im industriellen Maßstab deutlich weiterentwickelt. Durch eine nahezu konstante Temperatur während der Verdichtung lässt sich erhebliche Energie einsparen.

Es ist stets vorteilhaft, einmalig in intelligente Verdichter zu investieren, um Energie zu sparen. Die Einsparungen bei den Stromkosten können die Investition deutlich aufwiegen. Studien zufolge können energieeffiziente Verdichter den Energieverbrauch eines Systems um 30 % senken, wenn der Verdichter im jeweiligen Prozess entsprechend eingesetzt wird. Darüber hinaus lässt sich selbst bei Nutzung anderer Energiequellen wie herkömmlichem Strom durch Energierückgewinnung, etwa aus der Abwärme der Verdichtung, die Förderleistung steigern und der Bedarf an zusätzlicher Energie senken. Der Einsatz erneuerbarer statt nicht erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie anstelle fossiler Brennstoffe verbessert das Ressourcenmanagement und schont die Umwelt.

Geeignet für Tankstellen oder industrielle Prozesse

Zu den Einsatzbereichen zählen Tankstellen und Fertigungsbetriebe. Daher müssen Verdichteraggregate nicht nur effizient sein, sondern auch den anspruchsvollen Betriebsbedingungen und Leistungsanforderungen gerecht werden. An Tankstellen, insbesondere an solchen für Wasserstoff oder komprimiertes Erdgas (CNG), müssen Verdichter zuverlässig arbeiten und Gase schnell verdichten können. Ihre Leistung muss sich an den jeweiligen Druckanforderungen und der Zahl der laufenden Tankvorgänge orientieren. Zudem müssen die Anlagen häufig kompakt ausgeführt sein. Lärm ist heute ein Thema, wenn Grundstücke und dicht besiedelte Wohngebiete in der Nähe liegen.

Industrieanlagen benötigen dagegen häufig leistungsstarke Verdichter, die einen breiten Förderleistungsbereich abdecken und auch unter extremen klimatischen Bedingungen arbeiten. Sie müssen außerdem flexibel unterschiedliche Gase statt Luft fördern und große Änderungen der Betriebsbedingungen bewältigen können. Um Wirkungsgrad und Emissionen zu verbessern, müssen die Betriebsführungssysteme rechtzeitig und effizient Entscheidungen treffen. Andernfalls drohen erhebliche Betriebsverluste im Werk oder in der Fabrik. Bei Kreiselverdichtern für Gase sind außerdem unter anderem arbeitsplatzbezogene Aspekte, die mit den Tätigkeiten des Betriebspersonals zusammenhängen, sowie Umweltauflagen zu berücksichtigen. Das gilt besonders für die petrochemische und pharmazeutische Industrie sowie die Energieerzeugung.

Quellen

Häufig gestellte Fragen (FAQs)