Die Defossilisierung der Wirtschaft zugunsten der Klimaneutralität zählt zu den größten Herausforderungen der Menschheit. Dieses Ziel soll durch den Umstieg auf erneuerbare Energieerzeugung und durch die Kopplung der Sektoren Energie, Industrie, Gebäude und Mobilität insbesondere über Strom erreicht werden. Aufgrund der hohen Volatilität der erneuerbaren Energieerzeugung aus Wind- oder Sonnenenergie sind zuverlässige und kostengünstige Speicher- und Transportmöglichkeiten für große Energiemengen eine wesentliche Voraussetzung. Nur wenn diese erfüllt sind, kann auch das Ziel der Kohlenstoffneutralität erreicht werden. Wasserstoff erfüllt diese Anforderungen und kann zusätzlich auch als Edukt oder Reaktionspartner in der Prozessindustrie eingesetzt werden.
Kompressoren verbinden die einzelnen Komponenten und Prozessschritte der H2-Wertschöpfungskette von der Erzeugung bis zum Endverbraucher. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Speicherung und dem Transport von Wasserstoff. Obwohl die gravimetrische Energiedichte von H2 hervorragend ist, macht seine geringe Dichte, die niedrigste aller Gase, eine Verdichtung, Verflüssigung oder Bindung an andere Materialien oder Elemente für eine sinnvolle technische Nutzung notwendig. Für alle diese Prozesse zur Erhöhung der volumetrischen Energiedichte von Wasserstoff werden effiziente Kompressoren benötigt. Um eine für den jeweiligen Fall global optimierte Lösung zu erreichen, ist ein ganzheitlicher, integrierter Ansatz der Abstimmung und Auswahl der Komponenten entlang der Wertschöpfungskette von entscheidender Bedeutung.
Unser Lösungsportfolio beinhaltet neben der jahrhundertelangen Erfahrung in der Entwicklung, dem Bau und der Wartung von Wasserstoffverdichtern auch Wasserstofferzeugungsanlagen wie PEM-Elektrolyseure und Small Scale Steam Reformer.
Die H2-Wertschöpfungskette besteht aus fünf Hauptgliedern - der Produktion von erneuerbarer Energie, der Umwandlung von nicht direkt nutzbarer Elektrizität und Energie in Wasserstoff, dem Transport und der Speicherung sowie der Verteilung an die Endverbraucher.
Typische Anwendungen für unsere Kompressoren sind:
"Grüner Wasserstoff" kann aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen-, Wind-, Wasser-, Biomasse-, Geothermie- oder Gezeitenkraftwerken gewonnen werden. Wenn H2 aus Kernenergie hergestellt wird, spricht man von "rotem H2". Wasserstoff kann auch aus fossilen Energieträgern wie Erdgas hergestellt werden. Alle diese Quellen haben individuelle Merkmale in Bezug auf Volatilität, Investitionskosten und erreichbare Volllaststunden pro Jahr.
Die kostengünstigste und daher verbreitetste Methode zur H2-Erzeugung ist die Dampfreformierung von Methan (SMR) aus fossilem Erdgas. Dabei entstehen pro Tonne H2 allerdings rund 10 Tonnen CO2, also 300 g/kWh. Durch Abtrennung, Speicherung oder Nutzung (CCSU) des erzeugten CO2 kann die Kohlenstoffbilanz dieses Prozesses deutlich verbessert werden. Der aus fossilem Methan durch SMR in Kombination mit CCSU erzeugte Wasserstoff wird als "blauer Wasserstoff" bezeichnet. Die Pyrolyse ist eine weitere Methode zur H2-Erzeugung. Wenn fossiles Methan durch einen mit geschmolzenem Zinn gefüllten Blasensäulenreaktor fließt, bilden sich "türkisfarbener Wasserstoff" und Kohlenstoffpulver.
Grüner Wasserstoff wird meist durch die Nutzung von erneuerbarem Strom für die Wasserelektrolyse erzeugt. Derzeit haben drei Verfahren Marktreife erlangt: die alkalische Elektrolyse (AEL), die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) und die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTE) auf Basis von Festoxid-Elektrolysezellen (SO). Eine zukünftige Option auf dem Weg zur Marktreife ist die Anionenaustauschmembran-Technologie (AEM), die im Grunde eine Mischung aus AEL und PEM darstellt. Darüber hinaus wird auf dem Gebiet der Biotechnologie geforscht, z. B. an der Photolyse oder an H2 auf der Basis von Algen.
Aufgrund seiner geringen volumetrischen Energiedichte ist es nicht sinnvoll, H2 unter Umgebungsbedingungen zu speichern. Um eine akzeptable Energiedichte zu erreichen, können die folgenden grundlegenden Methoden angewandt werden:
Alle diese Verfahren haben ihre individuellen Eigenschaften und Grenzen, aber sie haben eines gemeinsam: Wasserstoff muss durch Kompressoranlagen verdichtet werden, um ihn mit einer ausreichenden Energiedichte zu speichern.
Für den Transport von H2 zum Endverbraucher oder zu einer Lagerstätte gibt es verschiedene Methoden. Mobile Druckspeicher wie Anhänger und Container können, je nach Druck, einige Kilogramm bis etwa 1,5 Tonnen H2 speichern. Wird ein Güterzug als "rollende Pipeline" eingesetzt, können etwa 60 Tonnen H2 oder, in Energie ausgedrückt, 2 GWh auf einmal transportiert werden. Ein LKW-Anhänger für LH2 enthält 3-4 Tonnen und ein großer LH2-Tanker kann 150.000 m3 LH2 transportieren, was 10.000 Tonnen Wasserstoff entspricht. Pipelines bieten die Möglichkeit, sehr hohe Energiemengen von bis zu 30 GW pro Pipeline zu transportieren und bilden zusätzlich auch ein bedeutendes Speichervolumen.
Die in Wasserstoff gespeicherte Energie kann für Mobilitätsanwendungen, für die Erzeugung von Strom und Wärme oder auch als Reaktionspartner für industrielle Prozesse genutzt werden. Beim Einsatz von Brennstoffzellen zur Elektrifizierung werden etwa 50 - 60% des unteren Heizwertes von H2 in elektrische Energie umgewandelt. Die restliche Energie wird als Wärme abgegeben. Brennstoffzellen benötigen H2 von höchster Reinheit, bei der Verwendung als Brennstoff für Turbinen oder Motoren kann diese Anforderung vernachlässigt werden. Der Nachteil dieser Form der Nutzung ist der geringere Wirkungsgrad von etwa 30 - 40 %.
Schon dieser kurze Überblick über die Komponenten der H2-Wertschöpfungskette zeigt, dass eine detaillierte Kenntnis der einzelnen Schritte notwendig ist, um zu optimalen Lösungen zu kommen. Zudem wird deutlich, dass Kompressoren insbesondere für die Speicherung und den Transport von H2 von zentraler Bedeutung sind. Daher ist die Auswahl der am besten geeigneten Verdichtungstechnologie für den jeweiligen Anwendungsfall, der durch die Komponenten links und rechts des Verdichters in der Wertschöpfungskette definiert wird, von entscheidender Bedeutung. Aufgrund des geringen Molgewichts von Wasserstoff sind Verdichter, die nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten, die passende Lösung. Je nach Prozesskonfiguration erreichen sie isotherme Wirkungsgrade von 70 bis mehr als 80%. Wenn hochreiner H2 ohne Ölkontamination benötigt wird, sind unsere schmiermittelfreien Kolben- oder Membrankompressoren geeignet. Für diese Anwendungen erreichen trockenlaufende Kreuzkopf-Kolbenkompressoren bis zu 500 bar Förderdruck und Membran- sowie Kolbenkompressoren mit hydraulischem Antrieb mehr als 1000 bar. Letztere benötigen für sinnvolle Fördermengen höhere Saugdrücke.
Unser NEA|HOFER Membrankompressor kann mehr als 1000 Nm3/h von 30 bis 1000 bar in drei Stufen verdichten. Ein großvolumiger Kolbenkompressor hingegen kann mehr als 800.000 Nm3/h von 40 bis 80 bar bei einer Antriebsleistung von 22 MW verdichten und dabei 2,4 GW an im transportierten H2 gebundener Leistung transportieren. Wenn die Reinheit nicht von zentraler Bedeutung ist, können ölüberflutete Schraubenkompressoren bis zu einem Druck von 50 bar und Kolbenkompressoren mit Zylinder- und Packungsschmierung bis zu 1000 bar eingesetzt werden. Alle diese Kompressorsysteme sind mit unserer selbst entwickelter KO3-Kompressoranlagen-Auslegungssoftware erhältlich.
Der Fall einer H2-Anhängertankstelle zeigt, wie viele unterschiedliche Ansätze und Lösungen es gibt. Die Aufgabe: In Deutschland sollen jährlich 300 Tonnen H2 aus erneuerbarer Energie erzeugt werden, um eine Bahn- und eine Bustankstelle zu versorgen. Die Station ist weniger als 50 km von den Endverbrauchern entfernt. Hier bieten sich mehrere Möglichkeiten.
Die Produktion von 300 Tonnen H2 erfordert eine installierte Elektrolyseleistung von rund 3 MW. Theoretisch wäre es möglich die installierte 3 MW Elektrolysekapazität mit reiner PV- oder Windenergie zu versorgen. Aufgrund der schwankenden Energieproduktion dieser Erzeugungsmöglichkeiten ist eine kombinierte Energieversorgung aus Wind & PV wirtschaftlich sinnvoll. Hierbei führt beispielsweise eine installierte Windkraftleistung von 13,5 MW in Kombination mit einer installierten PV-Erzeugungsleistung von 3 MW zu einer wirtschaftlich sinnvollen Anlagenauslastung. Anderseits könnte beispielsweise auch eine installierte Windkraftleistung von 7,5 MW in Kombination mit einer installierten PV-Erzeugungsleistung von 10,5 MW zu einer ähnlich sinnvollen Anlagenauslastung führen. Die optimale Anlagenkonfiguration ist stark Standortabhängig und kann, z.B. im Zuge unserer Beratungsleistungen, individuell ermittelt werden. Aufgrund des sehr volatilen Erzeugungsmusters, das z.B. durch Wolkenabschattungen entsteht, ist die PEM-Technologie am besten geeignet. Sie bietet die schnellste Laständerungsfähigkeit. Zusätzlich könnte ein Batteriepuffer hilfreich sein, um die Lastkurve abzuflachen und die benötigte installierte Erneuerbare Energieerzeugung zu reduzieren. Die Größe des Elektrolyseurs bestimmt den maximalen Wasserstoffdurchfluss, der wiederum den Spitzendurchfluss bestimmt, den der Kompressor und die Gasaufbereitungsanlage bewältigen können müssen.
Typische Trailer zur Versorgung von Wasserstofftankstellen haben maximale Fülldrücke von etwa 300 bis 500 bar. Je nach verwendetem Elektrolyseur reicht der Ansaugdruck für die Kompressoren von wenigen Millibar bis etwa 50 bar. Im vorliegenden Use Case soll ein System mit atmosphärischem Austrittsdruck aus der Elektrolyse mit einem System verglichen werden, das 30 bar auf der Wasserstoffseite bietet, für den Anhänger werden 500 bar als Fülldruck gewählt. Bei 30 bar Saugdruck kann ein Membrankompressor den Durchfluss bewältigen und in zwei Stufen auf mehr als 500 bar verdichten. Bei Atmosphärendruck ist aufgrund des geringen Hubvolumens eines Membrankompressors eine Vorverdichtung erforderlich. Ein vierstufiger Kolbenkompressor ist erforderlich, um einen Druck von 30 bar zu erreichen. Dieser Vorkompressor macht den Investitionskostenvorteil eines billigeren atmosphärischen Elektrolysesystems zunichte und erhöht die Komplexität durch vier weitere Stufen und die Notwendigkeit, zwei Kompressionsmethoden zu mischen. Der Wirkungsgrad der mechanischen Verdichtung entspricht in etwa dem Wirkungsgrad der elektrochemischen Verdichtung im Druckelektrolyseur. Darüber hinaus hat die Wahl des Ausgangsdrucks und der Elektrolysemethode erhebliche Auswirkungen auf die Auswahl der Gastrocknungs- und Deoxo-Einheiten. Zwischen dem Elektrolyseur und dem Kompressor sollte ein Pufferbehälter zur Entkopplung der Systeme eingesetzt werden. Dieses Gefäß muss bei atmosphärischen Systemen größer sein. Dies zeigt, welch großen Einfluss die Wahl der Stromquelle und der Ausgangsdruck des Elektrolyseurs auf die Auswahl, die Konstruktion und die Komplexität des Verdichters und der Gasaufbereitungssysteme haben.
Für den Transport des Wasserstoffs zu den Tankstellen spielt die Art des gewählten Behälters die entscheidende Rolle. Anhänger mit herkömmlichen Stahlrohren oder Flaschen, die mit 300 bar arbeiten, können etwa 500 kg H2 transportieren und sind oft in der Anzahl der Volllastzyklen begrenzt. Ein 40-Fuß-Gasbehälter (Typ MEGC) mit 380 bar Druck kann eine Nutzmenge von etwa 1000 kg transportieren und bietet eine wesentlich längere Lebensdauer, die jedoch mit einem höheren Investitionspreis bezahlt werden muss.
Dieser Fall zeigt, wie wichtig es ist, die Eigenschaften und die gegenseitigen Abhängigkeiten der Komponenten entlang der H2-Wertschöpfungskette zu kennen. Kostenvorteile, die der Einsatz der Niederdruckelektrolyse zu bringen scheint, werden durch die Investitions- und Betriebskosten eines dann erforderlichen, deutlich komplexeren Kompressorsystems eliminiert. Hier können Anbieter integrierter Lösungen, die auch den Service der Anlagen im Blick haben, einen deutlich höheren Kundennutzen generieren und damit einen Wettbewerbsvorteil erzielen.
Die Kompressortechnik für die Einspeisung von Wasserstoff in Pipelines und Salzkavernen ist bereits verfügbar. Die größte Herausforderung bei diesen Anwendungen liegt darin, die erforderlichen Reinheiten, abhängig vom Endverbraucher, zu erzielen. Die kontinuierliche Aufrechterhaltung höchster Reinheiten über die Transport- und Speichersysteme von Pipelines und Kavernen scheint derzeit kaum realisierbar zu sein.
Mit der fortschreitenden Umstellung der Mobilität, insbesondere in den Schwerlastanwendungen wie LKW, Busse und Züge, wird der Bedarf an hochreinem H2 deutlich steigen. Dies erfordert Verdichtersysteme für Tankstellen und Anhängerbefüllung, die in der Lage sind, hohe Durchflüsse auf etwa 500 bar zu verdichten und dabei die Reinheitsanforderungen von Brennstoffzellen einzuhalten. Der Fokus sollte auf trockenlaufende Kolbenkompressoren gerichtet sein, die mehr als 1000 kg/h auf dieses hohe Druckniveau bringen. Für Anbieter integrierter Lösungen ist die digitale Anbindung der Komponenten zur besseren Kommunikation der Systeme untereinander und zur Ermöglichung zustandsorientierter, vorausschauender Wartungskonzepte ein weiterer wichtiger Entwicklungsbereich. Die Kombination einer starken Kompressionstechnologie mit anderen Elementen der H2-Wertschöpfungskette und einer kompetenten Aftermarket-Organisation mit guter lokaler Präsenz und einem digitalen Fernüberwachungskonzept ist der Schlüssel für eine optimale Endkundenerfahrung. Wer die Herausforderungen der Verdichtung meistert und die Prozessumgebung versteht, kann seinen Kunden einen erheblichen Mehrwert bieten.
