Der Wasserstoffgipfel unterstreicht Herausforderungen und Chancen bei der Wasserstoffkompression

Dekarbonisierung – ob durch Gesetzgebung oder durch ESG-Ziele von Unternehmen vorangetrieben – bedeutet, dass die Produktion und der Transport von Wasserstoff ein zunehmend wichtiger Bestandteil der COMPRESSORTech2-Welt werden könnten.

Laut den Referenten des COMPRESSORTech2 Hydrogen Summit gibt es jedoch noch viele offene Fragen zur optimalen Nutzung von Wasserstoff und seinen Auswirkungen auf Bereiche von der Metallurgie bis hin zur Ventilleistung . Die Veranstaltung, die Ende April in Houston stattfand, zog über 140 Teilnehmer aus verschiedenen Unternehmen an, darunter bp, Atlas Copco, Cook Compression, Dover Precision Components und viele weitere.

Gipfelpräsentationen

Hauptvorträge

Jeff Falkiner, Manager für Betriebs- und Instandhaltungstechnik – Übertragungsnetzbetrieb bei Enbridge Gas Inc. (EGI), eröffnete die Konferenz mit einer morgendlichen Keynote-Ansprache, in der er wichtige technische Aspekte bei der Umnutzung von Erdgasressourcen für die Wasserstoffversorgung hervorhob.

Falkiner ist bei EGI für die technische Unterstützung aller Kompressions- und Hilfseinrichtungen im Speicher- und Transportbetrieb verantwortlich, was ein Portfolio von mehr als 800.000 PS umfasst. In seiner jetzigen Funktion ist er maßgeblich an der Bewertung der Auswirkungen von Wasserstoff auf Kompressionsanlagen und deren Eignung beteiligt.

Falkiner sprach über einige der Wasserstoffprojekte von EGI, darunter das Wasserstoffbeimischungsprojekt in Markham, Ontario, Kanada – das erste Projekt dieser Art in Nordamerika.

Das 5,2 Millionen Dollar teure Pilotprojekt ist eine Partnerschaft mit Cummins und wurde 2018 ins Leben gerufen, um das Stromangebot und die Stromnachfrage in Ontario auszugleichen, indem der Stromüberschuss der Provinz als reiner Wasserstoff gespeichert wird, bis er benötigt wird.

Seit Januar 2022 wird Wasserstoff aus der Anlage in einen Teil des bestehenden Erdgasnetzes von Enbridge Gas eingespeist, das rund 3.600 Kunden in Markham versorgt.

Er merkte an, dass das Unternehmen ein spezifisches Betriebs- und Integritätsmanagementprogramm entwickeln müsse, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Netzes zu überwachen und zu quantifizieren. Es entwickelte und führte sogar Schulungsprogramme für Ersthelfer durch, damit diese den Umgang mit Erdgasgemischen erlernen.

Die Nachmittags-Keynote hielt Jacob Saletsky, ein Ingenieur, der die New Energy Ventures-Gruppe von Williams in Tulsa, Oklahoma, unterstützt. Saletsky unterstützt die Entwicklung und Durchführung von Projekten zur Dekarbonisierung bestehender Erdgasgewinnungs-, -verarbeitungs- und -transportanlagen und beschäftigt sich außerdem mit Energiewendetechnologien wie Wasserstoff, Ammoniak, CO₂-Abscheidung, erneuerbarem Erdgas, Abwärmenutzung und Solarenergie im Kraftwerksmaßstab.

Er merkte an, dass wasserstoffbasierte Kraftstoffe wie Ammoniak und Methanol Vorteile gegenüber anderen Methoden zur Kohlenstoffreduzierung wie der Kohlenstoffabscheidung oder der Elektroantriebstechnologie bieten.

Er sprach auch über den kürzlich in Wyoming durchgeführten Feldtest mit einem älteren Cooper 6V-250 Hubkolbenmotor. Dem Kraftstoff wurden verschiedene Wasserstoffanteile – bis zu 30 % – beigemischt, um die Auswirkungen auf die Emissionen von Stickoxiden, Kohlendioxid, Methan, NOx und anderen Schadstoffen zu ermitteln.

Bei maximalem Motordrehmoment reduzierte eine 30%ige Wasserstoffbeimischung die Stickoxidemissionen im Vergleich zu reinem Erdgas um fast 25 % und die Methanemissionen um etwa 12 %. Der einzige Schadstoff, dessen NOx-Wert während der Tests anstieg, war NOx. Laut Saletsky lässt sich der NOx-Gehalt jedoch auch ohne Motoroptimierung durch eine weitere Abmagerung des Kraftstoffgemisches reduzieren, allerdings nur bis zu einem gewissen Punkt.

Die weiteren Redner des Gipfels behandelten ein breites Spektrum an Themen rund um Wasserstoff und seine Auswirkungen auf die Technologien der Gaskompression. Da Wasserstoff voraussichtlich eine entscheidende Rolle im zukünftigen Energiemix spielen wird, ist diese Veranstaltung für alle, die in der Gaskompressionsbranche tätig sind, ein absolutes Muss.

Kompressortypen

Peter Roth, Leiter der PPI-Produktabteilung bei Sundyne, sprach über die Stärken und Schwächen verschiedener Kompressortypen im Hinblick auf Wasserstoff. So eignen sich beispielsweise Zentrifugalkompressoren für sehr hohe Gasdurchflüsse und sind gut für Pipeline-, Rezirkulations- und Trocknungsanwendungen geeignet, weisen aber den Nachteil eines moderaten Druckverhältnisses auf. Membrankompressoren geben keinen Wasserstoff an die Atmosphäre ab , sind jedoch für größere Durchflüsse nicht praktikabel. Kolbenkompressoren können zwar höhere Gasdurchflüsse bewältigen, jedoch besteht die Möglichkeit einer Verunreinigung des Gases durch die ölgeschmierten Kolben.

Neben seiner Tätigkeit bei Sundyne arbeitete er auch für Siemens Energy, Rolls Royce Energy Systems und MAN Turbo & Diesel.

Die Hauptrede am Nachmittag hielt Jacob Saletsky, ein Ingenieur, der die New Energy Ventures-Gruppe von Williams in Tulsa, Oklahoma, unterstützt.

Marybeth McBain, leitende Vertriebsingenieurin der Elliott Group , sprach über die potenziellen Auswirkungen auf die Pipeline- und Tankstelleninfrastruktur, die mit der Produktion, dem Transport und der Speicherung von Wasserstoff einhergehen. Zum einen ist ein höherer Volumenstrom an Wasserstoff erforderlich, um die gleiche Energiemenge wie Erdgas zu gewinnen. Dies kann die Anzahl der benötigten Verdichterstationen oder zumindest den Energieaufwand für den Transport des größeren Gasvolumens beeinflussen.

Im Großen und Ganzen sind die Kompressionsanforderungen für Wasserstoff von der Produktion bis zum Transport ähnlich und erfordern Booster-Einheiten, Pipeline-Transportkompressoren, Speicherkompressoren und gegebenenfalls Pumpen oder Kompressoren an Tankstellen.

In ihrer jetzigen Funktion betreut McBain den Markt für technische Produkte in Nord- und Südamerika, darunter LNG-Kompressoren, Pipeline-Transport, Downstream-/Raffinerie-Kompressoren sowie Wasserstoff- und CO2-Anwendungen .

Burak Bekisli und Paul Modern erörterten die Herausforderungen der Hochdruck-Wasserstoffkompression ohne Schmierung. Bekisli ist Leiter der Werkstoffentwicklung bei Dover Precision Components, Modern leitender Ingenieur für Ventile und Durchflussregler bei Cook Compression. In ihrem Vortrag beleuchteten sie einige der Herausforderungen der Wasserstoffkompression und zeigten anhand von Fallstudien Lösungsansätze auf.

Es hieß, der Wasserstoffmarkt entwickle sich weiter, vor allem getrieben durch die Dekarbonisierungsziele. Viele sehen Wasserstoff als hervorragenden Energieträger und Speichermedium.

Zu den neuen Anwendungsgebieten der Hubkolbenkompression zählen Speicherung und Transport, Betankung und Pipelines. Wasserstoff ist naturgemäß schwer abzudichten; um potenzielle Leckagen zu minimieren, sind Oberflächengüte und Toleranzen von entscheidender Bedeutung.

Sie befassten sich außerdem eingehend mit den Grenzen von PTFE-basierten Werkstoffen in Wasserstoffanwendungen und stellten fest, dass diese bei erhöhten Drücken weniger geeignet sind.

Feldtests

In einer Präsentation von Jordan Smith und Hans Mathews von Cooper Machinery Services wurden die Experimente des Unternehmens zur Verwendung von Wasserstoff in seinen Gasmotoren sowie die Feldtests eines großvolumigen, langsam laufenden Integralmotors hervorgehoben, der mit einer 30%igen Wasserstoff-Kraftstoffmischung betrieben wird.

Sie stellten fest, dass Wasserstoff eine hohe Flammengeschwindigkeit aufweist – etwa das Zehnfache der Flammengeschwindigkeit von Methan –, weshalb eine Zündverzögerung erforderlich ist, um Klopfen zu vermeiden.

Das Unternehmen führte gemeinsam mit dem Gasleitungsunternehmen Southern Star einen Feldtest mit einem Cooper-Bessemer GMVH-12 Integralmotor-Kompressor durch. Die Tests verliefen bisher erfolgreich; der unveränderte großvolumige Zweitaktmotor kann etwa 30 Vol.-% Wasserstoff verarbeiten.

Sie stellten außerdem fest, dass bereits geringe Mengen Wasserstoff im Kraftstoffgemisch zu Emissionsreduzierungen führen können. Wasserstoff wirkt demnach als Hebel im Verhältnis 2:1 auf die CO₂-Reduzierung und im Verhältnis 1,5:1 auf die Methan-Reduzierung. Die Zugabe von Wasserstoff verbesserte zudem den Wärmeverbrauch des Motors und die Verbrennungsqualität.

Nachteilig ist, dass der Anstieg der NOx-Emissionen eine Minderungsstrategie erfordert, da das Verhältnis der Kohlendioxidreduktion zur Kohlenstoffreduktion nicht 1:1 beträgt. Zudem steigt der Kraftstoffverbrauch mit zunehmendem Wasserstoffgehalt.

Mathews begann seine Karriere in der Gaspipeline- und Kompressionsbranche 1991 bei Tenneco, wo er neun Jahre in den Bereichen Engineering, Instandhaltung und Analyse tätig war, bevor er im Jahr 2000 zu Hoerbiger wechselte. Dort wurde er Senior Vice President und General Manager des Engineering Services (HES)-Teams. HES wurde 2020 von Cooper übernommen .

Smith ist Vizepräsident für Nachhaltigkeit und Zukunftstechnologien bei Cooper Machinery Services. Er verfügt über 20 Jahre Erfahrung in der Kompressionsbranche und spezialisierte sich bei Cameron Inc. auf die Entwicklung von Technologien zur Emissionsreduzierung für große Kraftwerke und Gaskompressionsmotoren. Er bekleidete Positionen im Ingenieurwesen und Vertriebsmanagement und ist in Colorado als staatlich geprüfter Ingenieur (PE) zertifiziert.

Joel Sanford, leitender Schlüsselexperte der Technologie- und Innovationsgruppe bei Siemens Energy, sprach mit Steve Chaykosky, leitender Schlüsselexperte der Gruppe für Kolbenkompressoren-Engineering bei Siemens Energy.

Die beiden diskutierten die Ventilleistung, ein Schlüsselelement für die Zuverlässigkeit und Effizienz von Kolbenkompressoren. Sie stellten fest, dass Wasserstoff zwar in einigen Märkten erst jetzt an Bedeutung gewinnt, das Gas aber bereits seit Jahrzehnten in verschiedenen Branchen eingesetzt wird. Die Magnum-Ventile von Siemens wurden 1997 erstmals für Wasserstoffanwendungen verwendet und sind für hohe Differenzdrücke und Förderdrücke ausgelegt. Sie können in allen Kompressionsstufen eingesetzt werden.

Sie präsentierten eine Fallstudie über die Wasserstoffkompressoren einer US-amerikanischen Raffinerie. Zwischen 2000 und 2002 verzeichnete die Raffinerie mit ihren 21 Kompressoren (und 50 Zylindern im Dauerbetrieb) durchschnittlich 16 Ventilausfälle pro Jahr. Um ungeplante Stillstandszeiten zu vermeiden, ließ das Unternehmen die Ventile einfach alle drei bis vier Wochen von einem Mechanikerteam austauschen.

Unter Verwendung der gleichen Verdichterflotte installierte die Raffinerie im Jahr 2003 Magnum-Ventile, wobei die meisten Zylinder bis 2007 mit den Magnum-Ventilen ausgestattet waren. Die Zahl der Ventilausfälle sank auf durchschnittlich zwei pro Jahr.

Auswirkungen von IRA

Im Anschluss an die technischen Präsentationen hörten die Teilnehmer eine Podiumsdiskussion mit dem Titel „Die sich wandelnde Gestalt unserer Energieinfrastruktur“. Teilnehmer waren Noureen Faizee, Direktorin Strategie & Wachstum – Wasserstoff bei Worley; Luiz Soriano, Vertriebs- und Geschäftsentwicklungsmanager bei Siemens Energy; und Patrick McCalley, Vertriebs- und Produktmanager Wasserstoffwirtschaft – Amerika bei der NEA Group.

Die Diskussionsteilnehmer erörterten die Auswirkungen des Inflationsbekämpfungsgesetzes auf Investitionen in alternative Energien und deren mögliche Folgen für die Wasserstoffkompression. Das Inflationsbekämpfungsgesetz sieht eine Steuergutschrift für die Wasserstoffproduktion vor, die sogenannte „45V“-Steuergutschrift, welche entweder Investitionen in die Produktion von sauberem Wasserstoff oder die Wasserstoffproduktion selbst subventioniert. Der Wert der 45V-Gutschrift steigt mit sinkenden Lebenszyklusemissionen der Wasserstoffproduktion.

Kurzfristig könnte die erhöhte Steuergutschrift für CO₂-Abscheidung und -Speicherung (bekannt als „45Q“) ebenfalls einen großen Einfluss auf die Reduzierung der mit der Wasserstoffproduktion verbundenen Emissionen haben. Manche gehen davon aus, dass die Steuergutschriften im IRA bereits ausreichen, um die Wasserstoffproduktion aus Erdgas mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung wettbewerbsfähig gegenüber der derzeitigen Wasserstoffproduktion ohne CO₂-Abscheidung und -Speicherung zu machen.

COMPRESSORTech2 plant, im April 2024 einen weiteren Wasserstoffgipfel abzuhalten, voraussichtlich in der Gegend um Houston.