Themenbereich: Kompressortechnik

Verdichtung für Wasserstofftankstellen

Wasserstofftankstellen

Die Energiewende bringt zahlreiche Herausforderungen mit sich, die auch den Bereich der Mobilität verändern.

Für die NEUMAN & ESSER GROUP rückt damit eine Anwendung noch stärker in den Fokus: Die Wasserstofftankstellen. Für die Anwendung bei Wasserstofftankstellen werden sehr hohe Anforderungen an die Kompression des Gases gestellt. Das Produktportfolio der NEUMAN & ESSER GROUP umfasst zwei Kompressionsprinzipien, die sich hervorragend zur Verdichtung für Wasserstofftankstellen eignen.

»Der Membranverdichter und der hydraulisch angetriebene Kolbenverdichter sind hervorragend zur Verdichtung für Wasserstofftankstellen geeignet.«

Dr. Klaus Hoff, Technischer Geschäftsführer NEUMAN & ESSER

Der Membranverdichter

Zum einen kann die Kompression durch den sogenannten Membranverdichter erfolgen. Das Prinzip des Membranverdichters ähnelt dem des klassischen Kolbenverdichters sehr. Anders als beim Kolbenverdichter wird das Gas jedoch nicht direkt durch den Kolben komprimiert und gefördert. Beim Membranverdichter bewegt der Kolben Öl, das dann getrennt über eine Membran aus Stahl das Gas ausschiebt. Mit diesem Konstruktionsprinzip wird sichergestellt, dass das Gas unter keinen Umständen mit Öl kontaminiert werden kann. Für die Wasserstofftankstellen, an denen Autos und LKW mit Wasserstoff befüllt werden, ist die nicht kontaminierte Verdichtung eine Voraussetzung.

Allerdings zeigt sich bei der jetzigen Frequenz der Betankungen ein Nachteil beim Einsatz des Membranverdichters. Bei intermittierendem Betrieb hat die Membran des Membranverdichters eine begrenzte Lebensdauer, bevor sie relativ aufwändig ausgetauscht werden muss. Aufgrund des zeitintensiven Austausches der Membran kommt im Bereich der Wasserstofftankstellen häufig ein weiteres Verdichtungsprinzip zum Einsatz, das ebenfalls mit Produkten der NEUMAN & ESSER GROUP durchgeführt werden kann.

Wasserstofftankstellen

Wasserstofftankstellen betanken Fahrzeuge, die mit Hilfe einer Brennstoffzelle angetrieben werden. Für die Brennstoffzelle wird Wasserstoff benötigt, der keinerlei Ölmengen im Gas aufweist. Somit kommt jegliche Art von geschmierter Kolbenverdichteranwendung nicht in Frage. Durch die Trennung der Membran ist sichergestellt, dass zum einen kein Öl in das Gas gelangt und zum anderen keine Leckage des Wasserstoffes stattfinden kann, da die Verdichtung eben hermetisch dicht ist. Anders als zum Beispiel bei einem Kolbenverdichter sind nur statische und keine dynamischen Dichtungen über Kolbenringe und Packungen erforderlich. Daher ist dieses Konstruktionsprinzip sehr gut dazu geeignet, die Anforderungen einer Wasserstofftankstelle zu erfüllen.

Der hydraulisch angetriebene Kolbenverdichter

Das Kompressionsprinzip, das aufgrund des zeitintensiven Austausches der Membran ebenfalls zum Einsatz kommt, ist das des hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichters. Dieses Prinzip lässt sich mit dem eines klassischen Kolbenverdichters vergleichen. Beim hydraulisch angetriebenen Verdichter erfolgt der Antrieb des Kolbens jedoch nicht über einen Kurbeltrieb, sondern über Hydrauliköl, das einen hydraulischen Kolben antreibt. Somit wird die Kraft hydraulisch und nicht mechanisch übertragen. Durch die sehr geringe Doppelhubzahl des hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichters sind die mittleren Kolbengeschwindigkeiten sehr gering. So können 1000 bar, die bei der Wasserstoffverdichtung notwendig sind, mit vertretbaren Verschleißzeiten der Kolbendichtelemente erreicht werden.

Gewöhnlich ist eine Standzeit von bis zu einem halben Jahr möglich, wenn der Tankstellenverdichter entsprechend wenig benutzt wird. Die Dichtelemente und Ventile des hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichters lassen sich extrem einfach austauschen. Es müssen lediglich vier Schrauben des Deckels gelöst, der gesamte Kolben herausgenommen, die Kolbendichtelemente ausgetauscht und die Schrauben wieder fixiert werden. Gleiches gilt für den Austausch der Ventile. Eine komplette Inspektion eines hydraulisch angetriebenen Kolbenkompressors nimmt maximal 30 Minuten in Anspruch, bis alle Verschleißelemente ersetzt sind. Dieser Verdichter eignet sich extrem gut für Wasserstofftankstellen, da H2-betriebene Automobile noch nicht sehr häufig genutzt werden und der Verdichter daher nur selten zum Einsatz kommt.


H2 Mobilität in der Zukunft

Die sehr geringe Doppelhubanzahl, also Drehzahl, des hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichters bedingt, dass keine sehr großen Mengen gefördert werden können. Aufgrund der geringen Auslegungsmenge und der wenigen Fahrzeuge mit diesem Antrieb, stellt dies bei der derzeitigen globalen Dimensionierung der Verdichter jedoch kein Problem dar. Aus Sicht der NEUMAN & ESSER GROUP wird es zukünftig mehr solcher brennstoffbetriebenen Fahrzeuge geben, weshalb der Membranverdichter wieder eine stärkere Nachfrage erfahren wird. Sobald der Membranverdichter infolge von mehr Autos mit brennstoffzellenbetriebenen Automobilen durchgängig betrieben werden kann, eignet sich der Membranverdichter extrem gut für diese Anwendung. Die sehr hohe Standzeit der Membran beschränkt die Wartungsarbeit allein auf den Austausch der Ventile, die genauso einfach getauscht werden können, wie beim hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichter.

Deutlich steigende Zahlen von brennstoffbetriebenen Fahrzeugen bedeuten jedoch, dass eine größere Menge Wasserstoff verdichtet werden muss, was allein mit dem Membranverdichter nicht geleistet werden kann. Daher wird stärker auf sogenannte Hybridlösungen zurückgegriffen werden. Dabei ist die Niederdruckstufe eine klassische Kolbenverdichterstufe, mit der eine größere Menge verdichtet werden kann, da der Verdichtungsenddruck noch innerhalb des Bereiches sein wird, der auch dem trockenlaufenden Kolbenverdichter keine Probleme bereitet. Die Kombination aus klassischer Kolbenverdichterstufe und letzter Membranverdichterstufe ist ideal, um größere Mengen Öl frei zu fördern, ohne dabei auf zwei komplett verschiedene Verdichter wechseln zu müssen. Eine solche Entwicklung erwartet die NEUMAN & ESSER GROUP allerdings nicht allzu bald, da der Ausbau der Fahrzeugflotte mit Brennstoffzelle noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird.