Plattenwärmetauscher in der Wasserstoffwirtschaft

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Wie funktioniert ein Plattenwärmetauscher?

Wärmetauscher sind Geräte, die thermische Energie von einem Medienstrom auf einen anderen übertragen. Je nach Anwendungsbereich handelt es sich um Flüssigkeiten, Gase oder Medien in der Übergangsphase zwischen gasförmigem und flüssigem Zustand. Dabei fließt die Wärme immer vom wärmeren zum kälteren Medium, ohne dass die beiden Medien direkt miteinander in Kontakt kommen. Auf diese Weise werden sie entlang der verschiedenen Prozessstufen der Wertschöpfungskette entweder gekühlt oder erwärmt.

Im Kern besteht ein Plattenwärmetauscher aus einem Plattenpaket, das durch die umgekehrte Anordnung von zwei Platten Kanäle bildet. Die beiden Medien fließen durch diese alternierenden Kanäle, ohne sich zu vermischen. Ein spezielles Plattendesign sorgt für eine optimale Verteilung und Strömungsgeschwindigkeit des jeweiligen Mediums und damit für eine maximale Wärmeübertragung.

Bewegt sich ein strömendes Fluid in Form von geordneten Schichten, spricht man von laminarer Strömung. Allerdings sollten laminare Strömungen in Plattenwärmetauschern vermieden werden, da die Wärmeübertragung dann sehr schlecht ist. Die laminare Strömung wirkt sich negativ auf den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten aus. Stattdessen ist eine turbulente Strömung höchst wünschenswert und wird bei der Konstruktion von Wärmetauschern durch eine spezielle Plattenanordnung im Platten- und Rahmenwärmetauscher erreicht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Flüssigkeit auch bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten zu einer turbulenten Strömung verwirbelt wird, was zu einer verbesserten Wärmeübertragung und einer erhöhten Übertragung der Wärmeleistung des Plattenwärmetauschers führt.

Die richtige Wahl des Plattenmaterials ist ebenfalls sehr wichtig, um eine gute Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten. Für spezielle Anwendungen wie hohe Druckanforderungen oder besonders anspruchsvolle Medien müssen Plattenwärmetauscher individuell konfiguriert und mit dem entsprechenden Plattenmaterial ausgestattet werden. Mit einer Reihe von Optionen, wie gedichteten Versionen, gelöteten Plattenwärmetauschern oder flachen Plattenwärmetauschern und geschweißten Apparaten verschiedener Größen, ist immer eine perfekte Lösung für die jeweilige Anwendung verfügbar.

Der Plattenwärmetauscher ist ein wichtiger Baustein der Wasserstoffwirtschaft

Plattenwärmetauscher unterschiedlicher Bauart werden entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Wasserstoffwirtschaft eingesetzt. Sie werden sowohl in Verfahren zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen als auch bei der Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse und bei der dafür teilweise erforderlichen Wasseraufbereitung eingesetzt. Der durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoff wird dann durch Verteilungsnetze transportiert und von den Endverbrauchern als Energiequelle und Rohstoff für weitere Produktionsprozesse genutzt. So ist Wasserstoff ein wesentlicher Bestandteil chemischer Produktionsprozesse und gleichzeitig ein wichtiger Energieträger in den Bereichen Industrie, Gebäude und Mobilität.

Plattenwärmetauscher in der Wasserstoffwirtschaft
Plattenwärmetauscher in der Wasserstoffwirtschaft

Wie wird ein Plattenwärmetauscher bei der Entsalzung von Meerwasser eingesetzt?

Für die Herstellung von 1 Kilogramm Wasserstoff werden etwa 15 Liter deionisiertes Wasser benötigt, dessen Qualitätsanforderungen mit denen von Trinkwasser vergleichbar sind. Um die Trinkwasserressourcen zu schonen, ist die Verwendung von aufbereitetem Meerwasser in Küstenregionen eine nachhaltige Lösung. Nach der Filtration wird das Wasser mit Hilfe einer Entsalzungsanlage für den Elektrolyseurprozess vorbereitet. Bei der Vakuumverdampfung wird die Abwärme des Elektrolyseurs genutzt, um das Wasser zu entsalzen. Süßwassergeneratoren fungieren als Verdampfer und Kondensatoren, die die Salzmoleküle von den Wassermolekülen trennen und das entsalzte Wasser als Kondensat auffangen. Falls erforderlich, wird dieses Wasser in einem weiteren Schritt entionisiert und kann im Elektrolyseurprozess verwendet werden.

Diese Effizienzsteigerung durch die Nutzung der Abwärme aus dem Elektrolyseprozess zur Wasserentsalzung ist besonders bei Offshore-Anwendungen von Vorteil.

Warum sind Wärmetauscher für die Elektrolytkühlung bei der Wasserstofferzeugung unerlässlich?

Bei der Wasserstoff-Elektrolyse wird durch die chemische Reaktion an den Elektroden, die durch den an den Elektroden anliegenden Strom ausgelöst wird, Wärme erzeugt. Ein System mit einem Wirkungsgrad von 65 % setzt 35 % der eingesetzten elektrischen Energie in Form von Wärme frei. Diese Wärme kann durch Plattenwärmetauscher aus dem Prozess abgeführt werden, so dass der Wasserstoff unter optimalen Bedingungen produziert werden kann und die maximal gewünschte Temperatur nicht überschritten wird. Der Elektrolyt, bei der Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM) demineralisiertes Wasser und bei der alkalischen Elektrolyse (AEL) ein Kaliumhydroxid-Wasser-Gemisch, wird durch ein weiteres Kühlmedium gekühlt. Maximale Effizienz wird durch Wärmetauscher mit speziell konstruierten Platten erreicht, die in den Kreislauf integriert sind und eine konstante Kühlung der Prozessflüssigkeit gewährleisten. In diesem Fall ist das Material der Platten entscheidend. Es gilt, Korrosion zu vermeiden und die Wasserstoffqualität und Langlebigkeit der Elektrolyseure zu optimieren.

Die Gesamtenergiekosten können gesenkt werden, wenn die Abwärme aus der Elektrolyse in Fernwärmenetze eingespeist oder an anderer Stelle in den Prozess zurückgeführt werden kann, wie z. B. in der bereits erwähnten Wasserentsalzungsanlage.

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Welche Art von Wärmetauscher sollte in welchem Elektrolyseur-Typ verwendet werden?

1. Wärmetauscher für Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEM):

Plattenwärmetauscher aus Edelstahl (Alloy 316) werden in der PEM-Elektrolyse verwendet, um eine Wasserstoffversprödung des Plattenmaterials zu verhindern. Kompakte vollverschweißte Wärmetauscher eignen sich für kleinere Anlagen bis zu etwa einem Megawatt, während gedichtete Wärmetauscher in größeren Anlagen eingesetzt werden.

Halbgeschweißte und geschweißte Plattenwärmetauscher haben eine hohe Druckbeständigkeit und bieten mehrere Vorteile bei der Wasserstofferzeugung. Elektrolyseure können zum Beispiel mit einem Druck von mehr als 30 bar betrieben werden. Dies ist für die Wasserstoffspeicherung von Vorteil, da anschließend weniger Verdichtungsarbeit geleistet werden muss und der Gesamtwirkungsgrad der Anlage steigt.

2. Wärmetauscher für AEL-Elektrolyseure:

Die AEL-Elektrolyse erfordert Wärmetauscher mit Platten aus korrosionsbeständigem Material wie Nickel, die dem Kaliumhydroxid-Wasser-Gemisch standhalten. Hier werden häufig halbverschweißte Plattenwärmetauscher verwendet, die zum Schutz vor Leckagen auf der kaliumhydroxidführenden Seite verschweißt sind. Auf der Seite des Betriebsmediums werden Dichtungen verwendet.

3. Wärmetauscher für Hochtemperaturelektrolyseure:

Die Hochtemperaturelektrolyse (HTE) ist eine vergleichsweise neue Technologie, die sich noch in der Entwicklung befindet. Der Prozess der Wasserstofferzeugung findet bei etwa 800 °C statt, und diese hohe Temperatur erfordert Gas-zu-Flüssig-Wärmetauscher (GTL). Die Wärmerückgewinnung senkt die Kosten für HTE. Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher zeichnen sich durch speziell entwickelte Platten und ein asymmetrisches Kanalvolumen aus, das den Druckverlust minimiert. Im Vergleich zu Rohrbündelwärmetauschern bieten sie einen höheren thermischen Wirkungsgrad und benötigen bis zu 75 % weniger Stellfläche.

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Wie werden Plattenwärmetauscher in Verteilungsanwendungen eingesetzt?

Die Gaskühlung von Wasserstoff und Sauerstoff ist für den Transport dieser Gase elementar, da beispielsweise Wasserstoff bei normalem atmosphärischem Druck und normaler Temperatur eine sehr geringe Dichte von etwa 0,09 Gramm pro Liter hat. Durch Verdichtung und Kühlung des Gases mit Hilfe von Plattenwärmetauschern kann die Dichte erhöht und die transportierte Masse bei gegebenem Transportvolumen entsprechend gesteigert werden. Geschweißte Plattenwärmetauscher aus rostfreiem Stahl sind aufgrund ihrer Druckbeständigkeit für diesen Zweck am besten geeignet.

Warum optimieren Wärmetauscher die Wasserstoffbetankung?

Beim Betanken von Fahrzeugen muss der Wasserstoff auf eine Temperatur von etwa -40 °C abgekühlt werden, um eine Überhitzung des Gases zu vermeiden. Dies erfordert Wärmetauscher, die in der Lage sind, Wasserstoff bei extremen Drücken wie 350 bar oder 700 bar zu widerstehen, die typischerweise bei Wasserstoffbetankungsanwendungen auftreten.

Ideal geeignet sind dafür gedruckte Wärmetauscher (Printed Circuit Heat Exchangers, PCHE), die ihre Robustheit einer speziellen Schweißtechnik verdanken. Wasserstofftankstellen, die solche Wärmetauscher verwenden, ermöglichen das Betanken von Fahrzeugen ohne Wartezeiten zwischen den Tankvorgängen (Back-to-Back-Betankung). Dank ihrer äußerst kompakten Bauweise lassen sich diese Wärmetauscher problemlos und mit geringem Installationsaufwand in die Spendergeräte integrieren.

Wozu dient der Plattenwärmetauscher in Verbindung mit Brennstoffzellen?

In Brennstoffzellen reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und erzeugt dabei Strom und Wärme sowie das Nebenprodukt Wasser. Während des Umwandlungsprozesses muss für eine kontinuierliche Kühlung der Brennstoffzellenstapel gesorgt werden, um eine maximale Effizienz der Wasserstoff-Brennstoffzellen zu gewährleisten. Die elektrische Energie der Brennstoffzellenelektroden kann direkt genutzt werden, während die in Form von Wasserdampf entstehende Abwärme über einen Plattenwärmetauscher durch den Kondensationsprozess z.B. für die Beheizung von Gebäuden erschlossen werden kann. Schmelzgeschweißte Gas-Flüssigkeits-Plattenwärmetauscher eignen sich am besten für diesen Zweck.

Traditionelle Kraft-Wärme-Kopplungssysteme mit Verbrennungsmotoren können so in Zukunft durch die neue und umweltfreundliche Brennstoffzellentechnologie ersetzt werden.

Inhaltbeigetragen von Alfa Laval

Alfa Laval ist ein internationales schwedisches Unternehmen, das in den Bereichen Energie, Schifffahrt sowie Lebensmittel und Wasser tätig ist und sein Fachwissen, seine Produkte und seinen Service einer breiten Palette von Branchen in rund 100 Ländern anbietet. Mit unserem breiten Portfolio an thermischen und Trenntechnologien bieten wir Lösungen, die den Übergang zu grünem Wasserstoff ermöglichen. Für die Herstellung von Elektrolyseuren (PEM, Alkaline oder SOEC) bieten wir effiziente Plattenwärmetauscher zur Kühlung von Elektrolyten, Wasserstoff und Sauerstoff. Unser Portfolio an Plattenwärmetauschern umfasst auch Entsalzungstechnologien, die es Ihnen ermöglichen, Meer- oder Flusswasser in Ihrer Produktion zu verwenden, was ideal ist, wenn Sie eine Offshore-Anlage betreiben. Und unsere Wärmeübertragungslösungen ermöglichen die Rückgewinnung und Wiederverwendung der Abwärme aus dem Elektrolyseur zur Wasserentsalzung oder für andere nachhaltige Zwecke wie Fernwärme. Wir sind sowohl in der Produktion als auch in der Lagerung mit einzigartigen Lösungen für die Verdichtung und Kühlung sowie mit innovativen Wärmetauschern in gedruckter Form für Tankstellen vertreten. Alfa Laval entwickelt seit Jahrzehnten hocheffiziente und robuste Technologien für Plattenwärmeübertrager. Von unserer Fusionsbondtechnik, die eine zuverlässige Leistung bei sehr hohen Temperaturen ermöglicht, bis hin zu Gas-Flüssig-Lösungen, die extrem ungleichmäßige Durchflussanforderungen bewältigen können, bieten wir einzigartige Technologien, die sich perfekt für die Entwicklung von Brennstoffzellen eignen.

Letzte Aktualisierung: 15.01.2023

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