Wasserstoffwirtschaft unerlässlich für Dekarbonisierungsbemühungen

Die Wasserstoffwirtschaft ist keine Hirngespinst einer fernen, utopischen Zukunft, sondern zunehmend Realität, so ein Expertengremium in einem kürzlich abgehaltenen Webinar. Infolgedessen verzeichnet die Kompressorenindustrie in den letzten Monaten einen deutlichen Anstieg der Bestellungen für Wasserstoffkompressoren.

„Die Wasserstoffwirtschaft ist keine Zukunftsmusik mehr. Wir erleben sie in diesem Moment“, sagte Lennert Buijs, Projektmanager bei TNO, auf einem kürzlich vom Europäischen Forum für Kolbenkompressoren organisierten Webinar.

Die EFRC veröffentlichte kürzlich ein Weißbuch mit dem Titel „Wasserstoffkompression: Stärkung der Wasserstoffwirtschaft“, um das Wachstum der Wasserstoffkompression in Europa zu erörtern. In einem kürzlich abgehaltenen Webinar wurden die wichtigsten Inhalte dieses Papiers vorgestellt.

Das Papier des EFRC bot einen Überblick über die Vor- und Nachteile verschiedener Kompressionssysteme für die Wasserstoffwirtschaft. Die Organisation hob die bestehende Wasserstoffkompressionstechnologie und die Entwicklungen in Europa hervor, die den Übergang zu einer grünen Wasserstoffwirtschaft unterstützen.

Das Whitepaper und das Seminar erläuterten die verschiedenen Kompressortypen für die Wasserstoffkompression sowie deren jeweilige Vor- und Nachteile. Die Wertschöpfungskette für Wasserstoff lässt sich in drei Bereiche unterteilen: Wasserstoffproduktion, Transport und Speicherung sowie Endverbrauch. In jedem Bereich der Wertschöpfungskette ist Kompression erforderlich.

Nach der Herstellung wird der Wasserstoff komprimiert und in ein Transportsystem eingespeist. Er kann in eine Pipeline geleitet werden, was ebenfalls eine Kompression erfordert, um die Moleküle an einen anderen Ort zu transportieren. Der Transport per Lkw ist auch möglich, erfordert aber ebenfalls eine Kompression – in der Regel sogar bei noch höheren Drücken als in Pipelines.

Die Branche benötigt Kompressionsgas zur Speicherung in Tanks oder unterirdischen Gasspeichern. In beiden Fällen kann die Speicherung die schwankende Wasserstoffproduktion und den -verbrauch ausgleichen, heißt es in dem Artikel.

Der Wasserstoffverbrauch, das dritte Glied der Wertschöpfungskette, kann je nach Anwendung eine Kompression erfordern, die spezifischen Kriterien entspricht. Wasserstoff kann zur Stromerzeugung, als Rohstoff oder als Kraftstoff für Fahrzeuge verwendet werden.

Europa treibt zahlreiche Wasserstoffprojekte voran, die die Abhängigkeit von Kohlenwasserstoffen verringern sollen. „Wir sehen derzeit viele Projekte in der Entwicklungsphase“, sagte René Peters, einer der Referenten des kürzlich stattgefundenen Webinars.

Die Europäische Union misst Wasserstoff und Strom in ihrem künftigen Energiesystem im Rahmen ihres Green Deals eine bedeutende Rolle bei. In den Niederlanden beispielsweise gebe es rund 160 Projekte, die bis 2030 letztendlich 12 GW grünen Wasserstoff produzieren sollen, sagte er.

Die Niederlande haben sich außerdem verpflichtet, ein Wasserstoffpipelinenetz aufzubauen, das mit einem ähnlichen Netz in Deutschland und Belgien sowie mit Offshore-Standorten verbunden werden soll. Eine Kompression sei im gesamten Pipelinenetz erforderlich, sagte er.

Europa wird zudem Kompressionsanlagen für die wachsende Zahl von Wasserstofftankstellen benötigen, die hochreinen Wasserstoff mit einem Druck von 350 bis 700 bar für Pkw und Lkw bereitstellen müssen. In Deutschland gibt es bereits 93 Tankstellen, weitere 50 sind im Bau. Auch in den Niederlanden, Belgien, Dänemark, Norwegen und der Schweiz wächst die Zahl der Wasserstofftankstellen.

„Wir beobachten einen starken Ausbau des Wasserstofftankstellennetzes in Europa“, sagte Buijs. „Die Versorgung Nordwesteuropas mit Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen und schweren Lkw schreitet rasant voran.“

Einige Betreiber von Midstream-Anlagen versuchen, Salzkavernen und erschöpfte Gasfelder für die großflächige Speicherung von Wasserstoff zu nutzen. In Salzkavernen könnten bis zu 250 GW Wasserstoff gespeichert werden. „Speicherung ist entscheidend für die Sicherung des Marktes. Kavernen sind notwendig, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten“, sagte er.

Verschiedene Kompressortypen

Die Studie und das Webinar wiesen darauf hin, dass verschiedene Kompressortypen für Wasserstoff eingesetzt werden können und je nach Anwendung einige besser geeignet sind als andere. Die Studie verglich verschiedene Kompressortypen hinsichtlich Kapazität, Zuverlässigkeit, Enddruck, Gasreinheit, Wirkungsgrad, Regelbereich, Pulsationen, Vibrationen und Geräuschentwicklung.

Kolbenkompressoren zählen zu den am weitesten verbreiteten Kompressoren, da sie ein breites Spektrum an Drücken und Förderleistungen abdecken. Sie haben sich nach jahrzehntelangem Einsatz in Raffinerien bestens bewährt. Generell sind sie vielseitige Maschinen, die gut mit wechselnden Prozessbedingungen zurechtkommen und sich effizient drosseln lassen. Kolbenkompressoren können geschmiert oder ungeschmiert ausgeführt sein.

Einer der Nachteile von Kolbenkompressoren ist der hohe Verschleiß an vielen Teilen, die gewartet und regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Das Druckverhältnis pro Stufe ist begrenzt, weshalb oft mehrere Stufen benötigt werden, um Gas auf einen höheren Druck zu bringen. Kolbenkompressoren erzeugen zudem einen pulsierenden Gasstrom, der zu Vibrationen führen kann, die kontrolliert werden müssen.

Kolbenkompressoren sind die gängigste Option für den Transport von Wasserstoff per Pipeline . Sie werden auch häufig in unterirdischen Wasserstoffspeichern eingesetzt, die typischerweise einen Druck zwischen 200 und 300 bar benötigen. Die Bedingungen in diesen Anwendungen können variieren, und Einspeisungen und Entnahmen können mehrmals täglich erfolgen.

Membran- und Hydraulikkompressoren sind Verdrängermaschinen, die sich in Wasserstoffanwendungen bewährt haben. Sie eignen sich besonders gut für Wasserstofftankstellen, da sie eine hohe Gasreinheit gewährleisten und höhere Druckverhältnisse pro Stufe erreichen können. Allerdings weisen sie auch Einschränkungen auf: Ihre Leistung ist im Allgemeinen geringer als die von Kolbenkompressoren. Zudem erfordern sie einen sorgfältigen Betrieb und regelmäßige Wartung, um optimale Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Der Austausch einer Membran in einem Membrankompressor ist im Vergleich zum Austausch von Teilen in Hydraulikkompressoren relativ zeitaufwändig.

Schraubenkompressoren sind Verdrängermaschinen , die das Gasvolumen durch einen zwischen zwei rotierenden Rotoren angeordneten Strang reduzieren. Ein Vorteil ist ihre im Allgemeinen höhere Drehzahl im Vergleich zu Kolbenkompressoren, wodurch sie bei gleicher Stellfläche eine höhere Förderleistung erzielen. Schraubenkompressoren weisen wenige Verschleißteile auf, was den Wartungsaufwand im Vergleich zu Kolbenkompressoren deutlich reduziert.

Schraubenkompressoren weisen jedoch eine geringere Leistung als Kolbenkompressoren auf und haben aufgrund ihres relativ niedrigen Auslassdrucks, der üblicherweise zwischen 30 und 40 bar liegt, nur begrenzte Erfahrungswerte für Wasserstoff . Zudem erzeugen Schraubenkompressoren ausgangsseitig Pulsationen, die oft mit einer höheren Frequenz als bei Kolbenkompressoren auftreten.

Zentrifugalkompressoren nutzen ein Laufrad, um Gase zu beschleunigen und zu verdichten. Sie gelten als ausgereifte Technologie für wasserstoffreiche Anwendungen wie Hydrocracker in Raffinerien. Für Anwendungen mit reinem Wasserstoff sind sie jedoch weniger geeignet, wie die Studie ergab.

Zentrifugalkompressoren arbeiten mit hoher Drehzahl und haben eine hohe Förderleistung, oft höher als Kolbenkompressoren gleicher Größe. Sie haben keine Verschleißteile und weisen deutlich geringere Pulsationen auf als Kolbenkompressoren.

Ihr Druckverhältnis pro Stufe ist jedoch sehr gering, und ihr Wirkungsgrad ist begrenzt. Sie sind für den Betrieb unter bestimmten Bedingungen ausgelegt. Ändern sich diese Bedingungen, sinkt der Wirkungsgrad.

„Für Anwendungen mit reinem Wasserstoff haben Zentrifugalkompressoren bisher nur eine sehr begrenzte Erfahrungswerte“, sagte er.

Abschließend wurden auch einige weitere innovative Konzepte zur Wasserstoffkompression auf Basis nicht-mechanischer Prinzipien diskutiert. Dazu gehören beispielsweise die elektrochemische Kompression und die Metallhydridkompression. Obwohl diese Technologien noch nicht den Reifegrad und die Leistungsfähigkeit konventioneller, klassischer (mechanischer) Kompressoren erreicht haben, entwickeln sie sich rasant und sind für spezifische Wasserstoffanwendungen von großem Interesse.

F&E-Trends

Das EFRC hat festgestellt, dass viele OEMs massiv in Forschung und Entwicklung für Wasserstoffanwendungen investieren. So besteht beispielsweise der Trend, den Auslassdruck zu erhöhen, insbesondere bei den für reinen Wasserstoff benötigten, nicht geschmierten Kompressoren.

Ein weiterer Forschungstrend betrifft die Zuverlässigkeit nach wiederholten Starts und Stopps. Hersteller arbeiten daran, die Zuverlässigkeit von Maschinen zu verbessern, die nicht konstant betrieben werden. Wasserstofftankstellen sind ein Paradebeispiel: Hier läuft ein Kompressor während des Betankungsvorgangs und schaltet sich nach dem Volltanken wieder ab.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Möglichkeit hybrider Verdichtungstechniken, die die jeweiligen Vorteile der verschiedenen Verdichtertypen kombinieren. Beispielsweise untersuchen einige Branchen die Kombination eines Schraubenverdichters in einer unteren Stufe mit einem Kolbenverdichter in einer höheren Stufe. In anderen Fällen wird der Einsatz eines Kolbenverdichters in einer unteren Stufe und eines Membranverdichters in einer höheren Stufe erforscht. Diese Kombination von Technologien lässt sich oft auf einer einzigen Welle realisieren.

Die Hersteller erforschen auch die Wechselwirkungen der verschiedenen Komponenten von Wasserstoffsystemen. Beispielsweise wollen sie wissen, ob ein Elektrolyseur durch die Pulsationen eines Hubkolbenkompressors beschädigt werden kann. „Diese Fragen sind noch ungeklärt“, sagte Leonard van Lier von TNO Energy Transition.

Die Studie kam am Ende zu einigen Schlussfolgerungen. Wasserstoff ist ein entscheidender Bestandteil des Dekarbonisierungsprozesses . Eine effiziente und zuverlässige Kompression wird entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette erforderlich sein.

Als Reaktion auf diese gestiegene Nachfrage arbeiten die Hersteller an der Verbesserung der Kapazitäten und der Erzielung höherer Drücke. Darüber hinaus erforschen sie Möglichkeiten, den effizienten und zuverlässigen Betrieb der Anlagen bei verschiedenen Drehzahlen sowie bei intermittierenden Starts und Stopps zu gewährleisten.