Pumpen und Armaturen für den grünen Power-Stoff Wasserstoff

Grüner, also klimaneutral hergestellter Wasserstoff, wird als Energieträger immer wichtiger für die Industrie. Dieser Wasserstoff kann nicht nur zum Antrieb von Fahrzeugen und als Speicher für erneuerbare Energien dienen, auch stoffliche Wertschöpfungsketten lassen sich mit Wasserstoff perspektivisch defossilieren. So könnte zum Beispiel in Raffinerien der bislang genutzte „graue“ Wasserstoff aus der Dampfreformierung von Erdgas, der für die Entschwefelung der Vorprodukte von Benzin und Diesel eingesetzt wird, nach und nach durch sein grünes Pendant ersetzt werden.

Auch bei der Stahlherstellung wird zur Direktreduktion von Eisenerz schon heute grüner Wasserstoff anstelle des treibhausgasintensiven Hochofenprozesses eingesetzt – allerdings bislang nur in Pilotprojekten. 

Voraussetzung für einen solchen Umstieg ist allerdings der Aufbau einer effizienten und gleichzeitig wirtschaftlichen Wasserstoffwirtschaft – inklusive der benötigten Infrastruktur für Produktion, Import, Transport, Speicherung und Umwandlung des Gases. Soweit jedenfalls die Theorie – in der Realität müssen bei der Umsetzung derartiger Strategien noch viele weitere Details beachtet werden.

Als Technologieunternehmen mit Engineering-Kompetenz im Bereich der Verfahrenstechnik und Petrochemie sowie der erneuerbaren Energien beschäftigt sich KSB seit vielen Jahren mit der Wasserstoff-Technologie. Sowohl im Armaturen- als auch im Pumpen-Portfolio befinden sich bereits bereits viele Produkte, die in allen Stufen der Wasserstoffwertschöpfungskette eingesetzt werden können. Mehr noch: Es gibt bereits vielfältige Referenzen und Erfahrungen mit KSB-Produkten in bekannten oder pilotierten Erzeugungstechnologien – sei es nun blauer oder grüner Wasserstoff.

Wasserstoffanwendungen stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten Komponenten. Christof Lindner, zuständig für die Wasserstofftechnologie im KSB-Marktbereich „Allgemeine Industrie“, erläutert die Situation:

Folgerichtig engagiert sich KSB nicht nur bei seinen Kunden mit Forschungs- und Entwicklungskompetenz, sondern wirkt auch in den einschlägigen Arbeitsgruppen von Normierungsorganisationen (zum Beispiel bei CEN in Frankreich oder DIN in Deutschland) mit.

Als Anbieter mit jahrzehntelanger Erfahrung hat KSB den Vorteil, die Prozesse bereits aus den Anwendungen in der chemischen Industrie sehr gut zu kennen. Vor allem bei den Konversionsprozessen (etwa bei der Erzeugung von Ammoniak) sowie den auf fossilen Brennstoffen basierenden Erzeugungsprozessen für grauen Wasserstoff (SMR, ATR, CCS) kann KSB auf seine langjährige Erfahrung bauen. Gleiches gilt für Armaturen, die in der Chloralkalielektrolyse eingesetzt werden: Auch hier setzen viele Akteure seit Jahrzehnten auf die Membranventile und die Klappen von KSB. Dennoch weiß auch Christof Lindner: „Viele Fragen werden sich letztendlich erst klären lassen, wenn die Entwicklung weiter fortgeschritten ist und Erkenntnisse nach unzähligen Betriebsstunden vorliegen.“

Eine der größten Herausforderungen auf dem Weg in eine nachhaltige Wasserstoff-Wirtschaft betrifft die Größe künftiger Anlagen. Im Augenblick werden die Elektrolyseure modular aus kleinen Teilanlagen nach dem Baukastenprinzip aufgebaut. Aber grundsätzlich stellt sich auch die Frage: Werden sich in Zukunft eher modulare Containerlösungen, eher integrierte Großanlagen bzw. Verbundsysteme oder sogar beides durchsetzen?

Das hätte natürlich unmittelbare Auswirkungen auf die Wahl der eingesetzten Pumpen und Armaturen. Während sich die Fördermengen bei Containerlösungen in einer Größenordnung um die 10 m³/h bewegen, könnten sie bei Großanlagen (laut Studien) leicht 800 m³/h erreichen. Das Gleiche gilt für den Betriebsdruck, der zwischen 6 und 40 bar liegen könnte.

Größere modular aufgebaute Anlagen würden zudem einen höheren Regelungsbedarf für ein optimales Zusammenspiel der Komponenten erfordern. Dafür stehen bei KSB sowohl regelbare Pumpen als auch Regelventile zur Verfügung. Bei integrierten Großanlagen könnte die Ausfallsicherheit der einzelnen Komponenten eine größere Rolle spielen. Hier bietet KSB schon jetzt Monitoring-Systeme zur Betriebsüberwachung und frühzeitigen Störungserkennung an.

Christof Lindner, KSB

KSB bedient mit seinen Produkten alle wesentlichen Technologien der grünen Wertschöpfungskette. Dazu gehören auch die verschiedenen Lösungen für die Wasserelektrolyse, sei es nun für die alkalische Elektrolyse (AEL), die Proton-Exchange-Membran-Elektrolyse (PEM) oder aussichtsreiche Zukunftstechnologien, wie der Anionen-Exchange-Membran-Elektrolyseur (AEM) oder die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL).

Um die Prozesse sicherer zu gestalten, kommen hier unter anderem dichtungslose Pumpen sowie Membranventile, etwa die Baureihen der SISTO-16/20 oder Absperrklappen, wie die ISORIA oder die Baureihe KE aus korrosionsbeständigem Material bzw. mit entsprechenden Beschichtungen zum Einsatz. Durch Rückschlagklappen der Baureihe SISTO-RSK/RSKS mit Elastomer-Auskleidungen oder ECTFE Beschichtungen, die extrem kurze Beruhigungsstrecken benötigen und keine rotierenden Bauteile haben, wird die Zuverlässigkeit und Dauereinsatzbarkeit der Systeme noch weiter gesteigert.

Die SISTO-Membranventile haben lediglich zwei Komponenten, die mit dem Fördermedium in Kontakt kommen: das Ventilgehäuse und die Absperrmembrane. Die Membrane dichtet im Durchgang und nach außen ab. Das einzigartige Dichtsystem der SISTO verfügt über eine im Gehäuse gekammerte Membrane, die durch eine metallische Spirale in allen Ventilstellungen unterstützt wird. Je nach Anwendung können Membranventile mit optimal geeigneten Gehäusewerkstoffen und Auskleidungen/Beschichtungen eingesetzt werden. Wichtig ist die richtige Wahl der Membrane! Hier stehen neben Elastomerqualitäten auch Membranen aus TFM mit zusätzlicher PVDF-Sperrfolie und EPDM-Stützmembrane zur Verfügung.

Und sollte man Armaturen im Cryobereich benötigen, zum Beispiel für den sich anschließenden Transport, finden sich diese ebenfalls mit der Baureihe DANAÏS im KSB-Portfolio. Erfahrung mit Armaturen für flüssigen Wasserstoff (-253 °C) haben die Fluidik-Spezialisten von KSB bereits in Testständen zur Optimierung der Ariane-Rakete sammeln können.

Zu den in der alkalischen Elektrolyse bewährten Pumpen gehört die horizontale Spiralgehäusepumpe mit Magnetkupplung Magnochem, die als Blockausführung oder in Prozessbauweise erhältlich ist. „Die wellendichtungslose Pumpe kommt seit vielen Jahren immer dann zum Zug, wenn es um die Förderung toxischer, explosiver oder kostbarer Stoffe in der Industrie geht. Sie ist also ideal für die Wasserstofftechnologie“, erläutert Lindner.

Durch die Magnetkupplung ist die Chemienormpumpe hermetisch dicht, die Gefahr einer Leckage also gebannt. Dies spielt primär bei der alkalischen Elektrolyse, in der Kalilauge gepumpt wird, die in der Umgebung auskristallisiert aber auch gesundheitsschädlich sein kann, eine wichtige Rolle. Mit seiner Bloc-Ausführung ist das Aggregat für den Einsatz in engen Einbauräumen geeignet. Die Pumpe erfüllt mit der ISO 5199 höchste Qualitätsstandards und ist in einer Vielzahl von Materialvarianten verfügbar. So ist bei der Magnochem durch die breite Auswahl an Hydraulikgrößen und Magnetkupplungen eine Vielzahl an Varianten technisch möglich. Damit kann sie an ganz unterschiedlichen Orten in der Wasserstofferzeugung eingesetzt werden, und der Anwender erhält eine Pumpe, die ein Maximum an Sicherheit und Wirtschaftlichkeit bietet.

Ebenfalls geeignet für die Wasserstofferzeugung ist die mehrstufige, vertikale Hochdruck-Kreiselpumpe Movitec. „Diese kommt unter anderem für die Wasseraufbereitung und Druckerzeugung zum Einsatz. Sie lässt sich bis 40 bar einsetzen und ist durch die Stufenzahl und mögliche Drehzahlregelung sehr variabel“, weist Lindner auf ihren Einsatzort hin. Die kompakte Bauweise der Movitec ist sehr gut geeignet für die Installation in engen Räumen, wie sie in den Containerlösungen oder Modulen vorliegen. Selbst bei geringen Fördermengen kann sie hohe Drücke erzeugen. Dank eines durchgängigen Kennlinienrasters lässt sie sich ebenfalls optimal auf die verschiedenen Prozesse abstimmen.

In der Wasserstofftechnologie geht es nicht nur um den eigentlichen Prozess der Erzeugung, sondern auch um die ausreichende Versorgung mit Kühlwasser.

Für die Kühlung der Wärmetauscher passen die Pumpen der Etabloc/Etaline-Reihe und die Armaturen der Reihe ISORIA und SISTO-20 perfekt. Die Pumpen zeichnen sich dank ihres drehzahlregelbaren Antriebs durch maximale Energieeffizienz aus. Durch ihre kompakte Bauweise sind sie flexibel einsetzbar und gut geeignet für die Installation in Containerlösungen.

Aber es gibt natürlich nicht nur die alkalische Elektrolyse: Die PEM-Elektrolyse ist eine deutlich jüngere Technologie, die sich durch das kompakte Systemdesign und hohe Flexibilität beim Lastwechsel auszeichnet. Gegenüber der alkalischen Elektrolyse bietet das Verfahren darüber hinaus noch großes Potenzial für zukünftige technische Entwicklungen und Kosteneinsparungen. Und ein großer Vorteil: Die Technologie benötigt keine bedenklichen Chemikalien.

Das Verfahren wird vor allem dann interessant, wenn die Wasserstoffproduktion aus regenerativem Strom in Zukunft massentauglich werden soll. Und die Pumpen? Mit Ausnahme des giftigen Elektrolyts sind die Einsatzbedingungen bei PEM-Anwendungen mit denen in der Alkalielektrolyse vergleichbar. Schon heute kommen hier in ersten Pilotanlagen Membranventile und Absperrklappen sowie diverse Pumpen von KSB zum Einsatz.

Für die Aufgaben zukünftiger Technologien, wie der Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM) oder der Hochtemperaturelektrolyse (HTEL), sehen sich die Pumpen- und Armaturenspezialisten bei KSB ebenfalls bestens gerüstet. Besondere Herausforderung sehen die Experten bei den hohen Temperaturen – sie stellen besondere Anforderungen an die Werkstoffe. Im Armaturenbereich ist KSB hier an mehreren Forschungsprojekten zur Erprobung von neuen Legierungen und deren Vorteile in Bezug auf die Beanspruchung von Komponenten beteiligt.

Unabhängig davon, welche von den genannten Verfahren in Zukunft zum Einsatz kommen und welche Anlagengröße sich als geeigneter erweist: Das Portfolio von KSB deckt die unterschiedlichsten Anforderungen ab. Mehr noch: Aufgrund der jahrzehntelangen Erfahrung bietet KSB Pumpen und Armaturen, die sich genau auf den Prozess abstimmen lassen, so dass der beste Wirkungsgrad und die höchstmögliche Sicherheit erreicht werden.