- Warum wird komprimierter Wasserstoff bei der Speicherung gegenüber unkomprimiertem Wasserstoff bevorzugt?
- Welcher Kompressortyp ist für die Wasserstoffverdichtung geeignet?
- Welche Bedeutung hat die H2-Kompression in Wasserstofftankstellen?
- Was sind die Herausforderungen und Vorsichtsmaßnahmen, die bei der Komprimierung von gasförmigem Wasserstoff beachtet werden sollten?
- Welche Probleme treten häufig beim Betrieb von Wasserstoffkompressoren auf?
- Was sind die jüngsten Innovationen in der Wasserstoffverdichtungstechnologie?
- Welche Materialzusammensetzung ist für ein H2-Verdichtungssystem zu bevorzugen?
- Welche Faktoren beeinflussen die Effizienz eines Wasserstoffkompressionssystems?
- Was ist bei der Auswahl von Werkstoffen für Hochdruck-Wasserstoffumgebungen hinsichtlich der Materialverträglichkeit zu beachten?
- Welche Art von Filter eignet sich vor der H2-Verdichtung und wie groß ist die Porosität des Filters?
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Warum wird komprimierter Wasserstoff bei der Speicherung gegenüber unkomprimiertem Wasserstoff bevorzugt?
Die Wasserstoffwirtschaft ist ein entscheidender Bestandteil des Trends zur Dekarbonisierung des Energiesektors. Um die Anforderungen an die Produktion, den Transport, die Speicherung und die Nutzung einer funktionierenden Wasserstoffwirtschaft zu erfüllen, sind umfangreiche Änderungen der Energieinfrastruktur erforderlich. Dazu gehört auch die Notwendigkeit, Kompressoren zu entwickeln, die sich von den derzeit verwendeten Typen unterscheiden. Damit Wasserstoff ein brauchbarer Energieträger ist, müssen Kompressoren effizient und zuverlässig arbeiten. Vor allem aber müssen sie wirtschaftlich tragfähig sein. Da Wasserstoff eine geringe Energiedichte hat (0,089 kg/m3), die 13-mal geringer ist als die von Luft, ist es schwierig, ihn in großen Mengen zu speichern. Wasserstoff muss komprimiert und auf möglichst wirtschaftliche Weise gespeichert werden. Die Verdichtung dieses Gases besteht darin, dass es für die Speicherung unter hohem Druck (zwischen 350 und 900 bar) komprimiert wird. Das Volumen von Wasserstoff ist viel größer als das anderer Kohlenwasserstoffe - fast viermal so groß wie das von Erdgas. Für die praktische Handhabung muss Wasserstoff komprimiert werden, bevor er in Tanks gespeichert werden kann.
Bei der derzeitigen Suche nach alternativen Kraftstoffquellen für die Mobilität anstelle der traditionell verwendeten fossilen Brennstoffe hat sich Wasserstoff als Energiequelle positioniert, die zur Verlangsamung des Klimawandels beitragen kann. Seine Verwendung birgt jedoch einige Herausforderungen in Bezug auf die Speicherung. Wasserstoff hat eine sehr geringe Dichte (13-mal geringer als die von Luft) und nimmt bei Raumtemperatur ein großes Volumen ein, was seine Lagerung etwas kompliziert macht. Die wirtschaftlichste Art, ihn zu verdichten und zu lagern, ist die Komprimierung bei sehr hohem Druck (zwischen 350 und 900 bar), bevor er verwendet wird.
Welcher Kompressortyp ist für die Wasserstoffverdichtung geeignet?
Hubkolben- und Membrankompressoren (Verdrängerkompressoren) werden meist zur Verdichtung von Wasserstoff in der Industrie und für Transportzwecke eingesetzt. Hubkolben- und Membrankompressoren werden derzeit an Wasserstofftankstellen eingesetzt, um Wasserstoff aus Elektrolyseuren (10s of bar) oder Tube Trailern (250 - 500 bar) auf Betankungsdrücke bis zu 700 bar zu verdichten. Der Ionic Compressor (IC90) verwendet ein fünfstufiges Kompressionskonzept, das dem neuesten Betankungsstandard SAE J2601 entspricht und eine kontinuierliche, schnelle und leistungsstarke Betankung von Wasserstofffahrzeugen bei erheblich reduzierten Betriebskosten ermöglicht. Zentrifugalkompressoren haben bei Anwendungen mit hohem Durchsatz und einem Ausgangsdruck von <100 bar, wie sie in Gastransportnetzen zu finden sind, häufig Vorteile in Bezug auf mechanische Konstruktion und Effizienz gegenüber Verdrängerkompressoren. Wasserstoff-Radialkompressoren sind vergleichsweise weniger ausgereift, da derzeit an der Entwicklung und dem Bau von Prototypen gearbeitet wird, die für Anwendungen mit hohem Durchsatz geeignet sind.
Die Auswahl der Kompressoren basiert auf folgenden Kriterien: -
- Volumen
- Massendurchsatz
- Einlass- oder Ansaugdruck und -temperatur
- Auslassdruck und -temperatur
- Spezifisches Gewicht des zu verdichtenden Gases.
Hubkolbenkompressoren: Geringe bis mittlere Volumenströme und hohe Druckverhältnisse. Werden in petrochemischen Anlagen und Ölraffinerien zur Verdichtung von H2 eingesetzt.
Membrankompressor: Niedrige Durchflussraten und Druckverhältnisse sowie hohe Reinheit und einstufiges Verdichtungssystem. Wird an Tankstellen verwendet.
Zentrifugalkompressoren: Hohe Durchflussraten und mäßige Verdichtung, Zentrifugalkompressoren benötigen für H2 etwa die dreifache Geschwindigkeit der Laufradspitze.
Ionenkompressor: Es handelt sich um eine leistungsstarke Lösung, die über ein bewährtes Design verfügt und einfach zu bedienen ist. Er ermöglicht eine schnelle, sichere, hocheffiziente und wirtschaftliche Betankung von Wasserstofffahrzeugen bei 35 oder 70 MPa.
Welche Bedeutung hat die H2-Kompression in Wasserstofftankstellen?
Gegenwärtig und in absehbarer Zukunft gibt es zwei Hauptdrücke, die Fahrzeuge für die Speicherung verwenden: 350 bar und 700 bar. Die 700-bar-Betankungsanwendungen erfordern eine Zapfanlage mit höherem Druck, da diese Fahrzeuge nur einen begrenzten Platz für die Kraftstoffspeicherung haben; je mehr Gas in das bordeigene Speichersystem des Fahrzeugs gefüllt werden kann, desto größer ist die Reichweite des Fahrzeugs. Für schwere Nutzfahrzeuge wie Lkw und Busse werden in der Regel 350 bar Druck verwendet, für leichtere Fahrzeuge 700 bar. Das Gaskompressionselement einer Tankstelle ist ein wesentlicher Bestandteil, um diese höheren Betankungsdrücke erreichen zu können. Die effizienteste Art, Wasserstoff in ein Fahrzeug einzuleiten, ist die so genannte Kaskadierung, bei der das Gas von einem höheren Druck zu einem niedrigeren Druck fließt, bis es den Druckausgleich erreicht. Dies wird am besten dadurch erreicht, dass der Eingangsdruck des Gases auf einen hohen Druck komprimiert wird, der im Speichersystem gehalten wird, das schließlich die Zapfsäule des Fahrzeugs speist. Tankstellen können Gas bei verschiedenen Drücken speichern, um eine möglichst effiziente Nutzung des Gases zu ermöglichen. Eine Standard-Wasserstofftankstelle besteht aus drei Schlüsselelementen: der Verdichtung, der Speicherung und schließlich der Abgabe. Die richtige Kombination dieser drei Elemente ist entscheidend für die Effizienz der Tankstelle.
Derzeit ist eine durchschnittliche Wasserstofftankstelle für die Abgabe von etwa 400-500 kg pro Tag ausgelegt. Mit der Inbetriebnahme von Wasserstoff-LKWs wird sich diese Zahl deutlich erhöhen. Es zeichnet sich ein Trend zu Tankstellen ab, die 1 bis 2 Tonnen pro Tag ausgeben können. Viele gehen davon aus, dass bis 2030 an den wichtigsten Verkehrskorridoren für den Schwerlastverkehr bis zu 6 Tonnen pro Tag getankt werden. Die Herausforderung für die Industrie wird darin bestehen, eine Verdichtungstechnologie zu entwickeln, die den Anforderungen der größeren Tankstellen der Zukunft gerecht wird.
Was sind die Herausforderungen und Vorsichtsmaßnahmen, die bei der Komprimierung von gasförmigem Wasserstoff beachtet werden sollten?
Die Wasserstoffverdichtung birgt besondere Herausforderungen.
- Eines der Probleme ist die Wasserstoffversprödung, bei der Wasserstoff in das Material des Kompressors eindringen und es schwächen kann, wodurch es anfälliger für Risse und Ausfälle wird. Abhilfe schaffen hier Werkstoffe mit geringerer Versprödungsanfälligkeit sowie zusätzliche Edelstahlverkleidungen oder -beschichtungen.
- Ein weiteres Problem ist die Abdichtung des Kompressors aufgrund der geringen Größe der Wasserstoffmoleküle. Sie können leicht durch winzige Lücken entweichen. Die Entwicklung wirksamer Dichtungen mit speziellen Materialien und Techniken ist notwendig, um Leckagen zu verhindern. Die Bewältigung von Wasserstoffversprödung und Dichtungsproblemen ist wichtig für eine sichere und effiziente Wasserstoffverdichtung.
Welche Probleme treten häufig beim Betrieb von Wasserstoffkompressoren auf?
Eines der Hauptprobleme bei der Komprimierung von Wasserstoff ist der erhebliche Energieaufwand, der damit verbunden ist. Die Komprimierung von Wasserstoff auf 35 MPa erfordert 14,5 MJ pro kg, die Komprimierung auf 70 MPa erfordert 18 MJ pro kg. Das bedeutet, dass etwa 15 % der im Wasserstoff enthaltenen Energie für die Kompression aufgewendet wird, wenn er bei 70 MPa gespeichert wird. Trotzdem bleibt komprimierter Wasserstoff die bevorzugte Technologie für die chemische Industrie und die meisten kommerziellen Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge, da er im Vergleich zu anderen Speichermethoden eine gute Energiedichte aufweist. Wasserstoff wird auf höhere Drücke (450 oder 900 bar) komprimiert als jedes andere Gas, um eine für die Speicherung geeignete Dichte zu erreichen. Da es sich bei Wasserstoff um ein sehr leichtes Molekül handelt, ist außerdem mehr Energie pro Kilogramm Gas zur Komprimierung erforderlich als bei anderen Gasen. Die Komprimierung von Wasserstoff auf bis zu 1000 bar erfordert normalerweise
bei einer idealen isothermen Verdichtung etwa 2,6 kWh/kg erforderlich.
Kompressoren sind mit verschiedenen Problemen konfrontiert, darunter Geräusche und Vibrationen, Druckschwankungen, Start- und Stoppschwierigkeiten aufgrund von Flüssigkeiten und die Ansammlung von Fremdkörpern, die Biss und Abrieb verursachen. Diese Probleme wirken sich auf die Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistung des Kompressors aus. Der Wasserstoffkompressor erfordert eine hohe Fertigungsgenauigkeit und Wartung. Er funktioniert durch die schnelle Rotation und Hin- und Herbewegung der Kurbelwelle, die die Kreuzkopfteile antreibt und schließlich den Wasserstoff komprimiert. Diese beweglichen Teile unterliegen jedoch mit der Zeit einem Verschleiß, der die Leistung beeinträchtigen kann. Eine regelmäßige Wartung ist notwendig, um die Sicherheit und Stabilität des Kompressors zu gewährleisten.
- Der Nachteil der derzeitigen mechanischen Kompressoren, die verschiedene physikalische Techniken, darunter die Kolbenmethode, verwenden, ist ihre unvorhersehbare Haltbarkeit und schlechte Effizienz. Es besteht Verbesserungsbedarf, da Geräusche entstehen und Wasserstoff verunreinigt werden kann, z. B. durch die Vermischung der im Verdichtungsprozess verwendeten Schmiermittel.
Was sind die jüngsten Innovationen in der Wasserstoffverdichtungstechnologie?
Ein neuer Wasserstoffkompressor, der am Southwest Research Institute (SwRI) entwickelt wurde, kann die Effizienz und Zuverlässigkeit der Wasserstoffverdichtung bei der Betankung von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEVs) verbessern. Der von SwRI entwickelte lineare, motorgetriebene Kolbenkompressor (LMRC) ist für die Verdichtung von Wasserstoff als Kraftstoffquelle für FCEVs und andere wasserstoffbetriebene Fahrzeuge konzipiert. Im Gegensatz zu den meisten Wasserstoffkompressoren ist der LMRC von SwRI hermetisch abgedichtet und verfügt über ein Linearmotor-Design, das seine Effizienz und Zuverlässigkeit erhöht. „Der LMRC wurde gebaut und entwickelt, um Wasserstoff für die Betankung von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen zu verdichten“. „Um Wasserstofffahrzeuge zu betanken, muss das Gas zunächst auf hohe Drücke komprimiert werden. Deshalb haben wir uns daran gemacht, einen effizienteren, lecksicheren Kompressor zu entwickeln. „Eine der größten Herausforderungen bei der Wasserstoffverdichtung ist die geringe Partikelgröße des Wasserstoffs, die die Gefahr von Leckagen beim Durchströmen des Gases durch die Anlage erhöht. Der LMRC stellt eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Kolbenkompressoren dar, da er die Anzahl der mechanischen Teile minimiert, Leckagepfade reduziert und für eine einfache Installation vor Ort leicht modularisiert werden kann. Wie bereits erwähnt, wird der isentrope Wirkungsgrad durch die LMRC-Konstruktion verbessert und die mechanischen Verluste werden durch die Reduzierung der Sekundärsysteme verringert. Dies führt zu einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrades des Systems. Es kann
das Gas von 20 bar auf 875 bar verdichten.
Der elektrochemische Wasserstoffkompressor (EHC) ist ein neues System, das komprimiertes, gereinigtes H2 aus einem komplexen Gasgemisch erzeugen kann, das keine beweglichen Teile und mechanischen Verluste aufweist und isotherm arbeitet. Das deutsche Forschungsinstitut ZBT (Zentrum für BrennstoffzellenTechnik, GmbH) und der Gasanlagenhersteller Theisen entwickeln und qualifizieren ein neues elektrochemisches Verdichtersystem, um die Effizienz zu steigern und die Kosten für die Speicherung, den Transport und die Lieferung von Wasserstoff zu senken. Ein elektrochemischer Wasserstoffkompressor (EHC) besteht aus einer elektrochemischen Zelle mit einer Anode einer PEM-Brennstoffzelle, einer Membranelektrodeneinheit (MEA) und einer Kathode eines PEM-Elektrolyseurs. Die Verdichtung erfolgt durch isothermische Kompression, was eine höhere Effizienz verspricht. Da es keine beweglichen Teile gibt, werden auch niedrigere Wartungskosten und eine höhere Verfügbarkeit sowie deutlich geringere Geräuschemissionen erwartet. erwartet. Im Rahmen dieses Projektes wird Theisen mit Unterstützung von ZBT ein containerbasiertes Verdichtersystem mit einer Lieferkapazität von 10 kg/d Wasserstoff und realisierbaren Ausgangsdrücken von bis zu 400 bar auf Basis der HyET-Zelltechnologie entwickeln, bauen und in Betrieb nehmen. Die Zertifizierung des Systems ist in Vorbereitung.
Welche Materialzusammensetzung ist für ein H2-Verdichtungssystem zu bevorzugen?
Für niedrige Drücke <25 MPa verwenden wir in Metallhydridkompressoren AB5-Materialien aus Seltenerd-Wasserstoffspeicherlegierungen und für hohe Drücke <25 MPa- 80 MPa Wasserstoffausstoß AB2-Materialien aus Wasserstoffspeicherlegierungen auf Titanbasis. Bei der Wasserstoffverdichtung muss das Kompressormaterial auch der Wasserstoffversprödung oder dem Eindringen von Wasserstoff in ein Bauteil standhalten. Dies kann die Duktilität und Tragfähigkeit des Kompressors verringern und zu Rissen und katastrophalen Sprödbrüchen bei Spannungen unterhalb der Streckgrenze von anfälligen Materialien. Schließlich ergeben sich Schwierigkeiten bei der statischen und dynamischen Abdichtung aufgrund der Größe der Gasmoleküle. Wasserstoffmoleküle sind klein und leicht, so dass sie durch Spalten entweichen und entweichen können, was anderen Prozessgasen nicht möglich ist. Das Risiko der Wasserstoffversprödung sollte durch die Begrenzung der Streckgrenze der verwendeten Materialien und durch das Hinzufügen von Verkleidungen oder Beschichtungen aus rostfreiem Stahl beherrscht werden.
Welche Faktoren beeinflussen die Effizienz eines Wasserstoffkompressionssystems?
EFFIZIENZ: Der Wirkungsgrad eines Wasserstoffkompressors bezieht sich auf die Energiemenge, die zur Verdichtung des Wasserstoffgases benötigt wird. Es ist wichtig, einen Kompressor mit hohem Wirkungsgrad zu wählen, der den Energieverbrauch und die Kosten minimiert. Der Wirkungsgrad eines Wasserstoffkompressors wird in der Regel gemessen, indem die Ausgangsleistung des Kompressors durch die Eingangsleistung des Kompressors geteilt wird. Dieses Verhältnis wird als Prozentsatz ausgedrückt, wobei ein höherer Prozentsatz den höheren Wirkungsgrad anzeigt. Es gibt mehrere Faktoren, die sich auf den Wirkungsgrad eines Wasserstoffkompressors auswirken, darunter die Konstruktion des Kompressors, die Betriebsbedingungen und die Qualität des Wasserstoffgases. Es ist wichtig, diese Faktoren bei der Auswahl und dem Betrieb eines Wasserstoffkompressors sorgfältig zu berücksichtigen, um den Wirkungsgrad zu maximieren.
Was ist bei der Auswahl von Werkstoffen für Hochdruck-Wasserstoffumgebungen hinsichtlich der Materialverträglichkeit zu beachten?
Die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen können durch Wasserstoffeinwirkung beeinträchtigt werden. Faktoren wie Materialtyp, Umgebungsbedingungen und mechanische Belastung bestimmen das Ausmaß der Verschlechterung. Bei der Auswahl und Konstruktion von Werkstoffen sollte die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften durch die Wasserstoffeinwirkung berücksichtigt werden. Metalle, die Wasserstoff ausgesetzt sind, können spröde werden, was zu einer verminderten Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit sowie zu einem beschleunigten Ermüdungsrisswachstum führt. Die Bruchmechanik wird üblicherweise eingesetzt, um druckhaltige Komponenten zu analysieren, damit sie trotz der wasserstoffbedingten Verschlechterung mechanisch belastbar sind. Folgende Werkstoffe werden üblicherweise für den Einsatz mit Wasserstoffgas verwendet:
- Austenitische rostfreie Stähle,
- Aluminium-Legierungen,
- Niedrig legierte ferritische Stähle,
- C-Mn-ferritische Stähle und
- Kupferlegierungen.
Folgende Werkstoffe werden in der Regel bei Wasserstoffanwendungen vermieden:
- Hochfeste ferritische Stähle
- Hochfeste martensitische Stähle
- Gusseisen (einschließlich grauem, verformbarem und duktilem Eisen)
- Nickellegierungen.
- Titan-Legierungen.
Welche Art von Filter eignet sich vor der H2-Verdichtung und wie groß ist die Porosität des Filters?
Hochdruck-Wasserstofffilter tragen dazu bei, den Wasserstoff und die Komponenten Ihres Systems vor Verunreinigungen zu schützen, die Schäden verursachen könnten, und verlängern so die Lebensdauer Ihres Systems. Bei der Wasserstofferzeugung muss der Wasserstoff von den Molekülen getrennt werden, in denen er entsteht.
- Die T-Filter der Serie 51 von Chase Filters sind in Aluminium, Edelstahl 303 und Edelstahl 316 erhältlich. Er kann Durchflussmengen von bis zu 50 GPM oder 4.000 SCFM mit einem Druck von bis zu 6.000 PSI verarbeiten. Dieser Filter bietet eine Vielzahl von Filtermaterialien, wie Zellulose, Edelstahl, Mikroglas und porösen gesinterten Edelstahl. Mit einem Filtrationsbereich von 1 bis 1.000 Mikron ist er ein unglaublich vielseitiger Filter, der sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignet. Die für diesen Filter verfügbaren Anschlussgrößen reichen von 1/4„ bis 1-1/2“ NPT und 1/2„ bis 1-1/2“ FSAE.
- Die Filter bieten den T-Type-Filter der Serie 52N, eine weitere Option für die Wasserstofffiltration. Er ist in 303, 316 Edelstahl und 17-4 PH Edelstahl erhältlich. Durchflussraten bis zu 24 GPM oder 11,5 m3/Std. Wie bei der Serie 51 können Sie aus verschiedenen Mikronwerten wählen. Wir können auch das Filtermedium als Mikroglas, porösen gesinterten Edelstahl, Metallfaserfilz oder typischen Edelstahl für Ihre Elemente auswählen. Die Serie 52N ist ideal für die Entfernung von Verunreinigungen aus Wasserstoff. Anschlussgrößen von 1/4„ bis 3/4“ FNPT und 1/4„ bis 3/4“ MP-Anschluss und HP-Anschlüsse Beide Filter der Serie 51 oder 52N können Verunreinigungen aus Wasserstoff entfernen und Ihre Elemente schützen und die Lebensdauer Ihres Systems verlängern.