Coaxial-Ventiltechnik für Wasserstoffanwendungen

Um das Ziel der Treibhausneutralität zu erreichen, findet momentan im Verkehrssektor sowie in der Wärme- und Stromerzeugung und in energieintensiven Industriebereichen wie der Eisen- und Stahlherstellung oder Raffinerien zunehmend ein Umdenken hinsichtlich der Dekarbonisierung statt. Auch der Marinesektor setzt verstärkt auf alternative Kraftstoffe. Wenn man bedenkt, dass Wasserstoff sowohl zur Herstellung von Ammoniak mittels Haber-Bosch-Verfahren dient als auch als Grundstoff für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe eingesetzt wird, wird deutlich, welche große Rolle Wasserstoff in Zukunft spielen wird.

Eine der wichtigsten Stellschrauben bei dem Thema Wasserstoff ist die Herstellung. Diese soll nämlich möglichst klimaneutral sein, damit es sich um sogenannten grünen Wasserstoff handelt. Allerdings ist die Wasserstoffherstellung durch die thermische Umwandlung fossiler Energien wie Kohle oder Erdgas heutzutage noch weit verbreitet und es fallen dabei erhebliche CO2-Emissionen an. Um ein Entweichen in die Atmosphäre zu vermeiden, wird CO2 abgeschieden und gespeichert. Die elegantere Lösung ist, Wasserstoff von Anfang an CO2-neutral und ausschließlich aus regenerativen Energieträgern herzustellen. Dieser sogenannte grüne Wasserstoff wird mittels Elektrolyse hergestellt. Hierbei wird Wasser unter Einwirkung von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der eingesetzte Strom kommt dabei aus erneuerbaren Energien wie Windkraft.

Wasserstoff lässt sich sowohl gasförmig – unter hohem Druck – als auch in flüssiger Form bei atmosphärischem Druck, effizient speichern und transportieren. Auch im Bereich der Betankung gibt es unterschiedliche Konzepte: gasförmig bei 350 bar, gasförmig bei 700 bar oder flüssig bei einer Temperatur von -253 °C. Durch die Vorteile der schnellen Betankungszeit und deutlich höheren Reichweite als rein batterieelektrische Antriebe stellt Wasserstoff vor allem für Nutzfahrzeuge, die lange Strecken zurücklegen, eine gewinnbringende Alternative dar.

Eines steht fest: Im Umgang mit Wasserstoff hat Sicherheit höchste Priorität. Wasserstoff ist in Verbindung mit Sauerstoff reaktiv. Außerdem verflüchtigt er sich schnell und benötigt eine geringe Zündenergie. Daneben handelt es sich um ein farb- und geruchsloses Gas – somit kann ein Austreten und damit mögliche Brandgefahr nur schwer identifiziert werden. Alle eingesetzten Komponenten müssen einwandfrei funktionieren.

Bei Ventiltechnik haben sich dabei Coaxial-Ventile im Umgang mit Wasserstoff bewährt. Die Technik wird seit Jahrzehnten von der Wasserstoffherstellung über die Speicherung bis hin zur Verwendung in den unterschiedlichsten Sektoren eingesetzt. Es ist jedoch zu spüren, dass das Thema an Bedeutung zunimmt: „Wir beschäftigen uns seit den letzten Jahren vermehrt mit dem Thema Wasserstoff“, berichtet Antonio Erriu, Vorstand beim Spezialisten für Coaxial-Ventiltechnik Müller Coax. Und: „Natürlich befindet man sich bei vielen Anwendungen noch in der Anfangsphase.“

Wasserstoff kommt auf der Erde fast ausschließlich in gebundener Form vor. Daher bedarf es an sehr hohem Energieaufwand, um den Wasserstoff abzuspalten. Für die Herstellung von grünem Wasserstoff wird somit viel Strom aus erneuerbaren Quellen benötigt, was eine kostenintensive Elektrolyse unumgänglich macht. Die Ventiltechnik macht es hier möglich, die Komplexität der Anlagen zu reduzieren und diese effizienter zu gestalten: Bei direkt gesteuerten Ventilen entfallen die Kosten für Druckluftleitungen, da sie elektrisch betätigt werden. Außerdem kann in Wasserstoffanwendungen die Coaxial-Bauart punkten, denn die Ventile sind sehr kompakt bei gleichzeitig höheren Durchflusswerten im Vergleich zu herkömmlichen Ventilarten und damit platzsparend. Durch den integrierten Ventilantrieb passt sich das Ventil nahtlos in die Rohrleitung ein.

Eine weitere besondere Eigenschaft: Wasserstoff kann aufgrund seiner geringen Atomgröße durch Metalle diffundieren, wodurch diese an Festigkeit verlieren. Dieser Vorgang wird als Wasserstoffversprödung bezeichnet. Besonders gefährdet sind höherfeste Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt. Eher unempfindlich hingegen sind austenitische Stähle wie 316 oder 316L, welche vorzugsweise in der Wasserstoffindustrie verwendet werden. Aufgrund dieser Eigenschaften ist bei den Ventilen eine sorgfältige Materialauswahl – insbesondere der mediumsberührten Teile – von besonderer Bedeutung.

Zudem kann Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff, beispielsweise aus der Luft, ein zündfähiges Gemisch bilden. Deshalb ist die Dichtheit der Armaturen – vor allem nach außen – sehr wichtig. Die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Ventile sollte daher durch Einhaltung der allgemeinen Standards sowie eine 100-%-Dichtheitsprüfung beim Hersteller eingehalten werden.
Wasserstoff weist eine niedrige volumenbezogene Energiedichte auf, weshalb zum Speichern größere Tanks oder höhere Drücke benötigt werden – im Vergleich zu Erdgas dreimal so viel. Coaxial-Ventile bewähren sich im Hochdruckbereich und der Steuerung von Gasen. Die druckentlasteten Ventile von Müller Coax sind ab 0 bar einsatzfähig und besonders energiesparend bei hohen Betriebsdrücken.