Wie Sie die richtige Armatur für den Wasserstoff-Einsatz finden
Erfahren Sie, wie Sie die perfekte Armatur auswählen – von Materialkompatibilität bis zur Leckageprävention. Wichtige Tipps für Ihr Wasserstoff-Projekt!
Wie wählt man die perfekte Armatur für ein Projekt mit Wasserstoff? Erfahren Sie hier alles Wissenswerte rund um Materialkompabilität, Leckageprävention und Anwendungsspezifikationen.
Das Potenzial von Wasserstoff als sauberer Energieträger ist enorm: Als Molekül spielt es eine entscheidende Rolle in der globalen Energiewende, weil es zur Reduktion von Treibhausgasen beiträgt und unsere Abhängigkeit von fossilen Energieträgern mindert. Im Rahmen der „Power-to-X“-Strategie bildet Wasserstoff die Basis für die Produktion von:
unterschiedlichen synthetischen Kraftstoffen,
Chemikalien,
und Substanzen wie Ammoniak, Methanol und synthetisches Methan bzw. Erdgas.
All diese Produkte lassen sich in unterschiedlichsten Bereichen einsetzen, vom Transportsektor über industrielle Prozesse bis hin zur Gebäudewärme. Damit tut sich ein weites Feld der Möglichkeiten zur Dekarbonisierung auf. Bis dato hat sich die Erde schon um 1,1 Grad Celsius - verglichen mit der Temperatur des späten 19. Jahrhunderts - erwärmt. Die klimaschädlichen Emissionen nehmen aber weiterhin zu. Um die Ziele des Pariser Klimaabkommens, die eine maximale Erderwärmung von 1,5 Grad Celsius vorsehen, noch zu erreichen, müssen die Emissionen bis zum Jahr 2030 um 45 Prozent zurückgehen. Bis zum Jahr 2050 wird die Klimaneutralität angestrebt.
Materialkompatibilität
Die Wahl der geeigneten Armaturen für Wasserstoff-Anwendungen hängt eng mit dem Verständnis über die Bedeutung von Materialeinsatz und Herstellungsprozessen zusammen. Es muss dabei ein Wasserstoff-kompatibles Gehäusematerial verwendet werden, um Komplikationen wie Wasserstoff-Versprödung, Überdruck und Innenspannung zu vermeiden. „Austenitische Stähle wie 316/316L werden für den Einsatz mit Wasserstoff empfohlen, weil sie alle diese Kriterien erfüllen und durch ein Positionspapier des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer VDMA anerkannt werden“, sagt Marcel Goßmann, Business Development Manager bei KLINGER Schöneberg.
„Abgesehen vom Gehäusematerial muss sichergestellt werden, dass auch nicht metallische Komponenten wie Dichtungen und Schmiermittel wasserstoff-kompatibel sind.“
Marcel Goßmann, Business Development Manager bei KLINGER Schöneberg
Damit garantiere man Haltbarkeit, Verlässlichkeit und Prozesssicherheit. Die Zerspanungstechnik bei der Herstellung von Armaturen ist ein zentraler Faktor in der Vermeidung von Wasserstoff-Versprödung. Das betrifft alle Oberflächen, die mit dem Medium in Kontakt kommen. Es wird auch ein entsprechender Schweiß-Vorgang gewählt, um Einkerbungen und Spannungen durch lokale Plastifizierung zu vermeiden.
Leckageprävention und –test
Aufgrund der leichten und kleinteiligen Molekularstruktur tendiert Wasserstoff dazu, durch die engsten Ritzen zu kriechen oder durch Werkstoffe zu diffundieren. Es braucht daher leckagefreie Armaturen, um die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoff-Anwendungen garantieren zu können. Stickstoff oder Helium werden daher als Testmedien eingesetzt, weil damit verlässliche und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden können. Die sicherheits- und kostenintensiven Rahmenbedingungen, die für Wasserstoff gelten, werden bei diesen Testaufbauten nicht benötigt.
Fallweise bestehen Anforderungen an die Dichtheit, die über normale Standards hinausgehen und möglicherweise Überarbeitungen bei den Armaturen erfordern. Trotzdem muss immer zunächst abgewogen werden, ob solche Änderungen zusätzliche Vorteile für die verpflichtenden Sicherheitsmaßnahmen in der jeweiligen Anlage bringen können.
Den Durchblick bei Normen, Prozessen und Anwendungen behalten
Nachdem es keine universelle Armatur für alle Wasserstoff-Anwendungen gibt, müssen die spezifischen Anforderungen einer jeden Anlage berücksichtigt werden. Normvorschriften für Wasserstoff als Energiespeichermedium befinden sich gerade erst im Entstehen. Daher kann das genaue Verständnis über die einzelnen Prozesse als Entscheidungshilfe dienen.
Konventionelle Wasserstoff-Anwendungen wie
Erdölverarbeitung,
Hitzebehandlung von Metallen,
Düngerproduktion,
Lebensmittelverarbeitung,
und Schwefelreduktion in Kraftstoffen
verlangen im Vergleich zu herkömmlichen Prozessen nach besonderen Anforderungen wie Gasspeicherung unter Hochdruck und bei extrem niedrigen Temperaturen. KLINGER Fluid Control und KLINGER Schöneberg verfügen über umfangreiche Erfahrung mit den unterschiedlichsten Wasserstoff-Anwendungen und bieten damit eine solide Entscheidungsgrundlage für Ingenieur:innen. Auf diese Expertise kann man sich verlassen, wenn es darum geht, zeitgemäße Wasserstoff-Anlagen mit Elektrolyseuren, Speichersystemen und Leitungsnetzen zu planen.
Absperrventile mit Doppelabsperrung gelten als die sicherste Lösung bei Wartungsarbeiten.
Kugelhahn KHA vollständig geöffnet
Kugelhahn KHA in geschlossener Stellung, Totraum und Kugel mit Medium gefüllt.
Öffnung des Prüf- und Entleerungshahns. Komplette Entleerung des Tot- und Kugelinnenraums.
Kugelhahn KHA geschlossen mit geöffnetem Prüf- und Entleerungshahn. Totraum und Kugel vollständig entleert.
Eine Lösung für alle?
Ein wichtiger Hinweis: Keine einzelne Armatur ist in der Lage, all die unterschiedlichen Anforderungen für Wasserstoff-Anwendungen zu erfüllen.
„Die Normierung im Bereich von Wasserstoff-Energiespeichern hinkt der rapiden Marktentwicklung noch hinterher. Obwohl sich zahlreiche Arbeitsgruppen gebildet haben, die neue Spezifikationen dokumentieren und formalisieren, wird es noch Monate bis sogar Jahre dauern, bis diese Normen finalisiert und genehmigt werden können.“
Ivar Madsen, Geschäftsführer von KLINGER Denmark
Aus diesem Grund sind sowohl Nutzer als auch Hersteller auf der Suche nach entsprechenden Richtlinien angesichts der hohen Nachfrage nach Wasserstoff-Lösungen.
Kriterien für die Auswahl einer Armatur
Die unübersichtliche Liste an verfügbaren Armaturen und Herstellern kann schnell überfordern. Die folgenden Punkte gilt es im Auswahlprozess zu definieren:
Stufe des Wasserstoff-Prozesses
Blauer, grauer oder grüner Wasserstoff
Material des Gehäuses, der Stopfbuchse, der Kugel und der Dichtung
Maximaler Druck
Temperaturbereich.
Zusätzliche individuelle Herausforderungen können ganz spezielle Entwürfe von Armaturen erfordern. KLINGER Fluid Control bietet Absperrventile mit Doppelabsperrung als Lösung an, die mit einem Entleerungshahn eine Entlastung und Entleerung des Totraums ermöglichen. Dieses Design erlaubt die Dichtheitsprüfung des Kugelhahns während sich die Anlage in Betrieb befindet, was Sicherheit und Effizienz erhöht. Der Duoball-Kugelhahn, entwickelt von KLINGER Schöneberg, verfügt über eine doppelte und voneinander unabhängige Absperrung. Im Vergleich zu Standardkugelhähnen wird durch dieses Design die Sicherheit um das Vierfache erhöht.
Im Vergleich zu Standardkugelhähnen kann die Sicherheit beim Duoball von KLINGER Schöneberg um das 4-fache erhöht werden.
Herausforderungen und Irrglauben bei der Auswahl von Wasserstoff-Armaturen
Die rasante Entwicklung am Wasserstoff-Markt führt zu Unsicherheit bei Kunden und Regulierungsbehörden was die Auswahl der geeigneten Armaturen, Materialoptionen, Testabläufe, und Industrienormen betrifft. Die wachsende Bedeutung der Herstellung von grünem Wasserstoff und die steigende Nutzung führen zur Zunahme an Stakeholdern in diesem Bereich.
Angesichts dieser Herausforderungen haben Organisationen wie der VDMA Positionspapiere veröffentlicht, um der Unsicherheit entgegenzuwirken. Darin geben sie Empfehlungen ab hinsichtlich Materialauswahl, Industrienormen, Druck und Dichtheitsprüfungen. Anhand dieser Leitlinien lassen sich faktenbasierte Entscheidungen bei der Auswahl von Armaturen treffen, die maßgeschneidert für die jeweiligen Wasserstoff-Anwendungen sind.
Hilfe von erfahrenen Armaturen-Herstellern
„Man braucht ein breites Wissen über die Kompatibilität von Materialen, Leckageprävention und die spezifischen Anforderungen, um die richtigen Armaturen für den Einsatz in Wasserstoff-Anwendungen zu wählen.“
Gerhard Gruber, Anwendungstechniker bei KLINGER Fluid Control
Gruber rät dazu:
sich über die neuesten Entwicklungen in der Wasserstoff-Technik am Laufenden zu halten,
sich an die Leitlinien von Organisationen wie dem VDMA zu orientieren,
und mit erfahrenen Herstellern von Armaturen zu kooperieren.
So wie der Wasserstoff-Markt einem ständigen Wandel unterworfen ist, verändern sich auch die Anforderungen und Normen für Armaturen in Anwendungen, die das schwierige Medium herstellen, weiterverarbeiten oder transportieren.
Faktenbox
Als das am Häufigsten im Universum vorkommende Element gewinnt Wasserstoff zunehmend Aufmerksamkeit als vielseitiger Energieträger in der Power-to-x-Strategie.
Power-to-X (kurz PtX oder P2X) umfasst eine Reihe an Technologien, die Strom in umweltfreundliche synthetische Kraftstoffe umwandeln, darunter Wasserstoff, synthetisches Methan bzw. synthetisches Erdgas, Flüssigtreibstoffe und Chemikalien.
Diese vielseitigen Produkte kommen besonders dort zum Einsatz, wo sich die Dekarbonisierung als besonders schwierig erweist. Anders als Elektrizität lassen sich Wasserstoff-Energieträger auch leichter speichern.
Die Umwandlung erlaubt es, den Transport und die Speicherung von Energie flexibler und effizienter zu gestalten. Herkömmliche Methoden wie Batterien können da nicht mithalten.
Bei Power-to-X wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energiequellen, wie Wind- und Sonnenkraft, in Wasserstoff und andere Energieträger umgewandelt. Dabei kommen eine Reihe von Prozessen zur Anwendung, die zusammengefasst Elektrolyse genannt werden.
Welche Materialien sollten bei Armaturen für Wasserstoff-Anwendungen eingesetzt werden?
Für Wasserstoff-Anwendungen sollten Armaturen verwendet werden, die aus austenitischen Stählen wie 316/316L gefertigt sind. Das verhindert Komplikationen wie Wasserstoff-Versprödung, Überdruck und Innenspannung. Nicht metallische Komponenten wie Dichtungen und Schmiermittel sollten ebenfalls kompatibel mit Wasserstoff sein, um eine optimale Leistung sicherzustellen.
Was sind die wichtigsten Punkte bei der Wahl von Armaturen für den Wasserstoff-Einsatz?
Wenn es um die richtige Wahl von Armaturen für Wasserstoff-Anwendungen geht, sollten Ingenieur:innen die Prozessstufe, die Art des Wasserstoffs (blau, grau oder grün), die notwendigen Materialien für Gehäuse, Stopfbuchse, Kugel und Dichtungen sowie den Maximaldruck und den Temperaturbereich in Betracht ziehen. Ungewöhnliche Problemstellungen erfordern möglicherweise Spezial-Armaturen wie Absperrventile mit Doppelabsperrung, die mit einem Entleerungshahn eine Entlastung und Entleerung des Totraums ermöglichen, was die Sicherheit und Effizient erhöht. Wichtig zu wissen ist, dass es keine „One-size-fits-all“-Lösung für Wasserstoff-Armaturen gibt – weshalb an der Zusammenarbeit mit erfahrenen Armaturen-Herstellern kein Weg vorbei führt.
Was ist austenitischer Stahl und welche Eigenschaften hat er?
Austenitischer Stahl, charakterisiert durch einen Nickelanteil von über 8%, zählt zu den rostfreien Edelstählen und zeichnet sich durch eine exzellente Kombination mechanischer Eigenschaften und Korrosionsstabilität aus.