Das Versprechen des grünen Wasserstoffs erfüllen
Die mit erneuerbaren Energien betriebene Elektrolyse zur Erzeugung von grünem Wasserstoff ist eine der am schnellsten wachsenden und vielversprechendsten Dekarbonisierungslösungen, die heute verfügbar sind. Sie hilft der Industrie, ihre Emissionsziele zu erreichen. Im Jahr 2019 waren weltweit weniger als 100 MWe an Elektrolyseuren (Geräte, die mit Hilfe von elektrischem Strom Wassermoleküle in Wasserstoff- und Sauerstoffgas aufspalten) installiert. Heute gibt es aber schon fast 1 GWe an in Betrieb befindlichen Elektrolysekapazitäten, von denen die Hälfte erst im letzten Jahr hinzugekommen ist. Das Wachstum wird sich fortsetzen: Etwa 11 GWe an Kapazitäten befinden sich in einem fortgeschrittenen Planungsstadium für den Einsatz in den nächsten zwei bis vier Jahren. Zudem wurde eine enorme Kapazität von 480 GWe angekündigt, was ein beispielloses Wachstum des Marktes für grünen Wasserstoff in den kommenden zehn Jahren prophezeit.
Der größte Teil des heute produzierten Wasserstoffs wird in großen Chemie- und Raffinerieanlagen verwendet, die in der Regel mehr als 10 t/h Wasserstoff produzieren. Dies entspricht einer Elektrolyseleistung von 400 MWth für jeden großen Wasserstoffverbraucher. Die meisten industriellen Anwendungen, bei denen Wasserstoff zum Einsatz kommt, erfordern eine mechanische Verdichtung, um den Druck von den 20 bis 30 bar, die in der Regel durch das herkömmliche Dampf-Methan-Reformierungsverfahren (SMR oder "grauer" Wasserstoff) erzeugt werden, auf 50 bis 200 bar, je nach Anforderungen der Endanwendung, zu erhöhen. Folglich ist der Wasserstoffkompressor ein entscheidendes Bauteil in der Wasserstoff-Wertschöpfungskette. Die Verdichtungstechnologie wird seit Jahrzehnten eingesetzt und optimiert. Die meisten Wasserstoffkompressoren, die heute in Betrieb sind, sind Verdrängermaschinen, in erster Linie Kolbenkompressoren. Diese ermöglichen einen hohen Wirkungsgrad und ein hohes Druckverhältnis pro Stufe bei Gasen mit niedrigem Molekulargewicht wie Wasserstoff. Es gibt Tausende von Wasserstoff-Kolbenkompressoren, die in Raffinerien, petrochemischen und chemischen Anlagen (Ammoniak und Methanol) effizient und zuverlässig arbeiten und ein breites Leistungsspektrum von 100 PS bis zu 20 000 PS (entspricht etwa 0,1 bis 15 MW Energie) abdecken.
Wasserstoffkompressoren gibt es zwar schon seit einiger Zeit, in letzter Zeit ist aber eine neue und wichtige Anforderung hinzugekommen. Im Gegensatz zu grauem Wasserstoff, der kontinuierlich produziert wird, kann die Produktion von grünem Wasserstoff aufgrund der inhärenten Schwankungen von erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne unregelmäßig sein. Folglich besteht eine Diskrepanz zwischen den Betriebsanforderungen des Kompressors und der variablen Natur der Energiezufuhr. In diesem Artikel werden die wichtigsten Anforderungen und Konstruktionsüberlegungen für Wasserstoffkompressoren in Verbindung mit Elektrolyseuren für die intermittierende Wasserstofferzeugung und -nutzung im industriellen Maßstab erörtert. Er wird auch zeigen, wie Unternehmen wie Electric Hydrogen (Elektrolyse-OEM) und NEUMAN & ESSER (Kompressions-OEM) über die verschiedenen Faktoren nachdenken, durch die den Kunden eine Lösung angeboten werden kann, die für die Produktion von emissionsfreiem grünem Wasserstoff in großem Maßstab geeignet ist, um industrielle Anwendungen zu dekarbonisieren.
Bei der Versorgung von industriellen Abnehmern mit verdichtetem grünem Wasserstoff gibt es drei wichtige wirtschaftliche und betriebliche Anforderungen.
Die Elektrolyse zur Herstellung von grünem Wasserstoff war in der Vergangenheit teurer als herkömmliche Wasserstoffproduktionslösungen wie SMR. Elektrolyse-OEMs wie Electric Hydrogen kombinieren Größenvorteile und Innovationen im Elektrolyseur-Stack und im Anlagendesign, um die Kosten zu senken und grünen Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Preisen herzustellen. Es ist wichtig, dass Elektrolyse-OEMs und Kompressions-OEMs zusammenarbeiten, um das gesamte Elektrolysesystem zu optimieren und die kostengünstigste Lösung zu finden. Es ist auch wichtig, diese Investitionskosten ins rechte Licht zu rücken: All-inclusive-Elektrolyseanlagen (einschließlich Energieumwandlung und aller Elemente des Anlagengleichgewichts, aber ohne zusätzliche Verdichtung über die elektrochemische hinaus) liegen zwischen 850 US$/kWe,in und 1700 US$/kWe,in. Kompressionssysteme für diese Anlagen kosten, je nach gewünschter Durchflussmenge, dem vom Elektrolyseur bereitgestellten Saugdruck und dem vom Endverbraucher geforderten Austrittsdruck, zwischen 50 US$/ kWe,in und 100 US$/kWe,in. Diese Kosten müssen sinken, damit grüner Wasserstoff zu einer brauchbaren Alternative zu grauem Wasserstoff wird.
Zuverlässige Anlagen sind erforderlich, um Ausfallzeiten zu minimieren und die Auslastung der der Elektrolyseanlage und dem Kompressor vor- und nachgelagerten Anlagen zu maximieren. Opportunitätskosten oder Strafen, die dadurch entstehen, dass das vertraglich vereinbarte Wasserstoffgas nicht produziert wird, können sehr belastend sein und rechtfertigen Investitionen in Systemredundanz und Zuverlässigkeit, um Ausfallzeiten zu vermeiden. Um die Zuverlässigkeit des Kompressors zu verbessern, wird beispielsweise die Norm API 618 für Kolbenkompressoren verwendet, um die mittlere Zeit zwischen zwei Ausfällen (MTBF) zu verlängern. Für Elektrolyseure gibt es eine solche Norm noch nicht, sie wäre jedoch von Vorteil. Redundanz ist eine gängige Lösung, um einen unterbrechungsfreien Betrieb der Anlage zu gewährleisten - in der Regel wird eine Ersatzverdichtereinheit vor Ort installiert, die entweder den Durchfluss mit einer anderen Verdichtereinheit teilt oder als Standby-Kompressor nur dann arbeitet, wenn die Haupteinheit ausfällt.
Dabei handelt es sich um eine neue Anforderung, die durch die inhärenten Unterbrechungen bei erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne entsteht. Elektrolysesysteme wurden entwickelt, um einen hochdynamischen Betrieb zu ermöglichen: Moderne Protonenaustauschmembransysteme (PEM) ermöglichen eine schnelle Reaktionszeit. Sie sind in der Lage, die Wasserstoffproduktion mit etwa 1 MWe/s hoch- und runterzufahren, was ausreicht, um Solar-, Photovoltaik- und Windenergiequellen nachzuladen. PEM-Systeme können auch problemlos auf niedrige Betriebsgrenzen heruntergefahren werden - in der Regel 10 bis 15 % der Nennkapazität des Systems. Der Teilbetrieb von Elektrolyseuren bringt einen Effizienzvorteil mit sich, da die Umwandlung von kWh Energie in kg Wasserstoffgas bei einer geringeren Systemlast besser ist. In der Regel liegt der Wirkungsgrad von PEM-Systemen bei Volllast bei 72 % und bei 78 bis 80 % in der Nähe des minimalen Turndown (die verbleibende Energie wird als Wärme abgeführt). Infolge dieser dynamischen Vorgänge besteht ein Bedarf an Kompressoren, die einen reibungslosen dynamischen Betrieb bis zum minimalen Turndown des Elektrolyseurs gewährleisten können. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines teuren Pufferspeichers, der in der Regel erforderlich ist, wenn der erzeugte Wasserstoff unter niedrigem Druck steht (z. B. bei der atmosphärischen alkalischen Elektrolyse). Zu diesem Zweck kann eine Kombination aus einem stufenlosen Leistungsregelungssystem für Kolbenkompressoren und der Anzahl der Kompressoreinheiten verwendet werden, um eine völlig flexible Lösung zu bieten, die mit jedem Elektrolysesystem kombiniert werden kann, unabhängig davon, wie dynamisch dessen Betrieb ist. Diese beiden wichtigen Auslegungsmethoden und ihre Auswirkungen auf die Hauptanforderungen an das Verdichtungssystem werden im folgenden Abschnitt näher erläutert.
Bei der Integration eines Verdichtungssystems in Anlagen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff müssen mehrere kritische Konstruktionsmerkmale berücksichtigt werden. Die Variablen mit dem größten Einfluss auf die Projektleistung und die Wirtschaftlichkeit sind:
Die Verdichteranordnung beschreibt die Anzahl der Kompressoren, die erforderlich sind, um den gesamten erforderlichen Wasserstoffgasdurchsatz zu erreichen. Übliche Anordnungen sind 1 x 100 % (keine Reserve), 2 x 100 % (Reserve), 2 x 50 % (keine Reserve) oder 3 x 50 % (Reserve). Es wird zwischen der erforderlichen Redundanz am Standort zur Gewährleistung der höheren Betriebszeit und dem für das Projekt verfügbaren Gesamtbudget zur Beschaffung und Installation der Kompressoren abgewogen. Bei einer größeren Anzahl kleinerer Einheiten können die Skalenvorteile nicht voll ausgeschöpft werden. Große Kolbenkompressoren sind jedoch möglicherweise schwieriger zu beschaffen und zu bauen und erfordern in der Regel große Betonblockfundamente, was die Installationskosten erhöht.
Die Anzahl der in einem Wasserstoffgas-Prozessfluss installierten Kompressoren bestimmt die in der Anlage verfügbare Kompressionsredundanz. Eine 2 x 100 %-Anordnung, die eine Reserveeinheit umfasst, bietet eine vollständige Redundanz, die einen ununterbrochenen Betrieb der Anlage nahezu garantiert. Eine 2 x 50 %-Anordnung mit kleineren Einzelaggregaten bietet geringere Gesamtkosten, da keine Reservekapazität enthalten ist, ermöglicht jedoch keine vollständige Verfügbarkeit der Kapazität, wenn ein Aggregat ausfällt.
Aufgrund ihres Verdrängungsprinzips können Hubkolbenkompressoren im Teillastbetrieb arbeiten und ihren Wirkungsgrad dabei konstant halten. Dies ist einer der wichtigsten Vorteile dieser Kompressortechnologie und für grüne Wasserstoffproduktionsanlagen von entscheidender Bedeutung.
Das Fehlen einer geeigneten Methode zur Kapazitätssteuerung, die sich lediglich auf eine stufenweise Entlastung mit einzelnen Betriebspunkten (100 %, 75 %, 50 % und 0 % Betriebslast) stützt, führt unweigerlich zu einer unnötigen Gasrückführung, die den Gesamtstromverbrauch erhöht.
Den Betreibern steht heute ein umfassendes Angebot an Kapazitätssteuerungen zur Verfügung, das von einfachen pneumatisch betätigten Ventilsteuerungen bis hin zu komplexen stufenlosen Kapazitätssteuerungssystemen mit hydraulischen Aktuatoren reicht. Die stufenlose Leistungsregelung ermöglicht einen nahtlosen, kontinuierlichen Betrieb, ist jedoch in der Regel ein Zusatzprodukt und erhöht die Investitionskosten. Die Norm API 688 enthält Empfehlungen zu stufenlosen Leistungsregelungssystemen für Kolbenkompressoren.
Ein Maschinenüberwachungssystem (Machine Monitoring System, MMS) ist von grundlegender Bedeutung, um eine lange Betriebszeit zu gewährleisten. Das Hauptziel eines MMS besteht darin, kritische Echtzeitinformationen über den Zustand des Kompressors zu liefern, damit die Bediener potenzielle Fehlfunktionen oder eine unzureichende Leistung der Hauptkomponenten erkennen und somit vorbeugende Maßnahmen planen und unerwartete Abschaltungen vermeiden kann.
Moderne MMS bieten eine breite Palette von Funktionen und können so konzipiert werden, dass sie jede spezifische Projektanforderung erfüllen. Zu den Grundfunktionen gehören Rahmenschwingungen, Kolbenstangenabwurfsysteme sowie die Überwachung von Prozessgasdruck und -temperatur.
Zu den erweiterten Überwachungsfunktionen gehören dynamischer Zylinderdruck, Kreuzkopfschwingungen und Ventiltemperatur. MMS erfordert im Vorfeld technischen Aufwand und zusätzliche Anschaffungskosten, aber die Amortisation kann sehr kurz sein, wenn die Kalkulation einen potenziellen Produktionsverlust aufgrund eines unerwarteten Stillstands berücksichtigt.
Für viele Anwendungen von kohlenstoffarmem Wasserstoff gelten strenge Grenzwerte für die Ölverschmutzung. Dies kann durch den Verzicht auf eine Zylinderschmierung während der Verdichtung oder durch ein Ölabscheidungssystem nach der geschmierten Verdichtung erreicht werden. Bei ungeschmierten Zylindern sind zusätzliche Überlegungen zur Konstruktion von Kolbenringen und Führungsringen anzustellen, die eine ausreichende Reibungsfestigkeit bieten und gleichzeitig eine akzeptable Verschleißrate ohne Ölfilmschutz gewährleisten. Alternativ können Betreiber, die die Vorteile der längeren Betriebszeit von geschmierten Kompressoren nutzen wollen, oder Betreiber mit Anwendungen mit einem Enddruck von über 200 bar, hocheffiziente Ölabscheidesysteme hinter dem Kompressor installieren. Diese Systeme sind heute verfügbar, haben sich in der Praxis bewährt und können große Durchflussmengen und hohe Drücke bewältigen, während sie Öl im Wasserstoffstrom bis zu 1 Teil pro Milliarde (ppb) entfernen.
Elektrolyse- und Kompressionshersteller arbeiten zusammen, um sicherzustellen, dass grüne Wasserstoffprojekte nicht nur Zugang zu den neuesten Technologien zu den geringstmöglichen Kosten haben, sondern auch alle anderen Anforderungen an den Projektbetrieb erfüllt werden. Die Installationskosten können zwar minimiert werden, aber das allein wird nicht zu den geringen Gesamtbetriebskosten führen, wenn man die Ausfallzeiten sowie die Notwendigkeit berücksichtigt, flexibel zu arbeiten und die relativ geringe Teillast zu bewältigen, die Elektrolyseure (insbesondere PEM) heute bewältigen können. Unternehmen wie Electric Hydrogen und NEUMAN & ESSER arbeiten zusammen, um Entwicklern von Wasserstoffprojekten und EPC-Firmen Lösungen anzubieten, die nahtlos integriert werden können und den besten Kompromiss bieten, der alle Anforderungen eines grünen Wasserstoffprojekts erfüllt: einen Sweet Spot zur Optimierung von Kosten, Zeit und betrieblicher Flexibilität.
Um die von verschiedenen Ländern und Unternehmen gesetzten Dekarbonisierungsziele zu erreichen, wird eine erhebliche Menge an grünem Wasserstoff erforderlich sein. Heute erleben wir ein schnelles Wachstum auf dem Elektrolysemarkt, und die meisten, wenn nicht sogar alle Anwendungen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff erfordern eine Wasserstoffkompression. Die verschiedenen Akteure in der Wertschöpfungskette für grünen Wasserstoff müssen zusammenarbeiten, um Möglichkeiten zu finden, nicht nur die anfänglichen Investitionskosten zu senken und die Effizienz zu steigern, sondern auch die maximale Gesamtbetriebszeit der Anlagen und den flexiblen Betrieb zu gewährleisten. In diesem Artikel werden einige der Bemühungen um eine Zusammenarbeit zwischen einem Elektrolyseur-OEM und einem Kompressor-OEM beschrieben, um die Gesamtkosten für verdichteten grünen Wasserstoff möglichst niedrig zu halten, wovon sowohl die Projektentwickler als auch die Endverbraucher von Wasserstoff profitieren.
