Pumpen für Wasserstoff und CO2-Abscheidung

Das Ziel – die Dekarbonisierung industrieller Prozesse in Deutschland bis 2045 – ist schnell formuliert, der Weg dorthin verläuft jedoch eher schleppend. Eine zentrale Rolle in dieser Transformation spielt die Nutzung von Wasserstoff, allen voran die Verwendung von grünem Wasserstoff. Noch steht dieser – trotz vielversprechender Ideen und erster Projekte – nicht ausreichend zur Verfügung. Daher ist es sinnvoll und auch schneller umsetzbar, für diese Übergangszeit zunächst auf den vergleichsweise günstigen blauen Wasserstoff zu setzen. Die Idee dahinter: Die herkömmliche Erzeugung des Wasserstoffs wird mit einer CO2-Abscheidung und -Einlagerung, auf Englisch Carbon Capture and Storage oder kurz CCS, kombiniert.

Einsatz in der Wasserstofferzeugung

Vor allem bei den großen Verursachern von Emissionen, wie der Eisen- und Stahlproduktion oder fossil beheizten Kraftwerken sowie der chemischen Industrie, besitzt dieser Ansatz großen Charme. Die Prozesse zur Erzeugung von Wasserstoff sind bekannt und das Anlagen­equipment ist bewährt. So sind KSB-Pumpen seit Jahrzehnten in diesen herausfordernden Umgebungen im Einsatz. Vor allem bei den Konversionsprozessen wie Ammoniak sowie den auf fossilen Brennstoffen basierenden Erzeugungsprozessen für den blauen Wasserstoff kann der Hersteller auf langjährige Erfahrung zurückgreifen. Ob in der Methandampfreformierung (SMR), in der autothermen Reformierung (ATR) oder in Partial-Oxidation-Anlagen (POX), Chemie-Normpumpen, Magnetkupplungs-Pumpen und Hochdruck-Mantelgehäusepumpen sowie Membranventile und doppelt­exzentrische Absperrklappen erfüllen hier vielfältige Aufgaben – und arbeiten unter extremen Bedingungen wie hohen Drücken und Temperaturen.

Pumpen in CCS-Anlagen

Pumpen und Armaturen sorgen aber nicht nur bei der Erzeugung von Wasserstoff für einen sicheren und energieeffizienten Betrieb, sondern auch bei den nachfolgenden Anlagen, etwa beim Übergang in die CCS-Anlagen. Repräsentativ folgen drei Einsatzbeispiele: Nachdem das CO2 aus dem Kraftwerksprozess abgeschieden wurde, wird dieses zunächst komprimiert. So kann das CO2 als superkritische oder flüssige Phase effizient transportiert werden. Anschließend folgt eine weitere Druckerhöhung, um das Kohlendioxid via Pipeline zu transportieren. Und schlussendlich muss der Druck zum Speichern des CO2 in die unterirdischen Speicher aufgebracht werden.

Für jede Anwendung die richtige Pumpe

Entscheidend für den Einsatz in allen Carbon-Capture-Anlagen: Die Pumpen müssen ein sehr breites Anwendungsspektrum beherrschen, schnell einsatzbereit sowie für sehr hohe Drücke und hohe Temperaturen geeignet sein. Bereits heute kommen Pumpen des Herstellers in diesen Anlagen zum Einsatz. In kleineren CCS-Anlagen, im Bereich von 10.000 bis 100.000 Tonnen CO2 pro Jahr, sind beispielsweise quergeteilte Chemie-Normpumpen oder wellendichtungslose Spiralgehäuse-Pumpen im Betrieb. Beide Typen bewähren sich seit vielen Jahren in der Gas- und Chemieindustrie und eignen sich für verschiedene Medien, angefangen bei Prozesswasser bis hin zu Aminlösungen – in CCS-Anlagen herrschen ähnliche Bedingungen. KSB arbeitet eng mit neuen Unternehmen im CCS-Markt zusammen.

In größeren Anlagen, die etwa in der Größenordnung von 1 Mio. t/a CO2 liegen, kommen Pumpen nach API 610, Typ OH2 und Typ BB5, zum Einsatz; sie erfüllen die hohen Anforderungen, welche die Öl- und Gasindustrie vorgeben. Hier setzen Anlagenbetreiber von HyCO- und Syngas-Produktionsanlagen unter anderem doppelt exzentrische Absperrklappen mit Plastomer-Sitz, käfiggeführte Einsitz-Regelventile für höchste Beanspruchungen und Membranventile ein. Für den Verflüssigungsprozess nutzen sie metallisch dichtende Absperrklappen aus Edelstahl. Diese Armaturenbaureihen verwenden die Betreiber auch in den angrenzenden Prozessen, wie der CO2-Abscheidung, in Kühlsystemen oder Gaswaschanlagen.

CO2 als Herausforderung

Das Medium CO2 sorgt für einige Herausforderungen. Als erster Punkt ist die Flüchtigkeit zu nennen. Kohlenstoffdioxid liegt bei Umgebungsdruck als Gasphase vor. Durch geeignete Abdichtungen muss also gewährleistet sein, dass es zu keinen Leckagen kommt, auch aufgrund der Vereisungsgefahr.

Zudem sind nur die Stoffdaten für reines CO2 bekannt. CO2 ist jedoch nicht gleich CO2. So kommt es als Nebenprodukt der chemischen Reaktion zwischen Erdgas und Dampf vor sowie in den schweren Rauchgasen, die von den Reformern während des Prozesses ausgestoßen werden. In Wasserstoffanwendungen liegt das Gas meist als Mischung mit weiteren Komponenten vor. Beim Post-Combustion-Prozess sind dies beispielsweise vor allem Stickstoff, Sauerstoff und Argon. Zudem kann der Reinheitsgrad des Gases maßgeblich vom betrie­benen technischen Aufwand abhängen und damit schwanken.

Darüber hinaus sind detaillierte Kenntnisse über den Phasenzustand notwendig, um die Leistungsaufnahme und die zulässigen Arbeitsbereiche der Pumpen zu bestimmen. So beeinflussen Beimischungen die Lage und Größe des Zweiphasengebietes. Dieses kann sich so verschieben, dass ein Pumpenbetrieb nicht zulässig ist. Je nach Beimischung steigen außerdem die notwendige Förderhöhe und das mittlere Fördervolumen. Dies wirkt sich auf die Auswahl der Pumpe, aber auch auf die Lage des Betriebspunktes aus. Überdies muss die erhöhte Leistungsaufnahme der Pumpe bei der Auswahl des Motors berücksichtigt werden.

Die Kompressibilität des CO2 muss ebenfalls beachtet werden – je nach Aggregatszustand liegt eine unterschiedliche Kompressibilität vor, die wiederum den Pumpen-Volumenstrom verändert.

Diese Faktoren beeinflussen sowohl die Auswahl der richtigen Pumpe als auch die effizienteste Fahrweise. Bei KSB in Frankenthal wurden daher bereits vor mehr als zehn Jahren diese Einflussfaktoren in einem CO2-Versuchsstand detailliert untersucht, um auf dieser Basis die effizienteste Pumpe und den richtigen Betriebsbereich für die jeweiligen Aufgaben im Wasserstoffprozess zu bestimmen.

Dazu gehört im Übrigen auch der Blick auf die Messtechnik. Denn eine weitere Herausforderung bei der Umwandlung von gasförmigem CO2 in flüssiges CO2 liegt darin, dass der Prozess stabil gehalten werden muss. Diese Prozesskontrolle ist vor allem bei mehrstufigen Prozessen immens wichtig. Daher empfiehlt es sich, die Pumpen mit zusätzlicher Sensorik für Temperatur und Druck auszustatten. Droht sich der Aggregatzustand also von flüssig in gasförmig zu ändern, wird automatisch die Drehzahl verringert und die Dosiermenge erhöht.

Neue Anlagenkonzepte sparen Energie

Sich detailliert mit der Auswahl der Pumpenwelt auseinanderzusetzen, bietet Chancen: Anlagenkonzepte können neu gedacht werden, um Energie zu sparen. Um nur ein Beispiel zu nennen: Wird für die Umwandlung von gasförmigem in flüssiges CO2 üblicherweise nur ein Kompressor eingesetzt, schlägt KSB ein Konzept vor, das aus Kompressor, Kühlung und Pumpe besteht. Dabei wird die letzte Verdichterstufe, in der das CO2 von der flüssigen in die überkritisch dichte Phase überführt wird, durch eine Kreiselpumpe ersetzt. So muss eine geringere spezifische Kompressionsarbeit geleistet werden. Der Betrieb ist bei niedrigeren Temperaturen möglich. Auch die thermische Belastung der Werkstoffe ist geringer. Vor allem ist das Energiesparpotenzial interessant. So sinkt der Energieverbrauch um bis zu 13 % bezogen auf den Energieverbrauch der reinen Verdichterlösung. Das entspricht immerhin etwa 1,5 % der Blockleistung eines Kraftwerks.

Wasserstofftechnologie ist mit Recht eine Zukunftstechnologie, die bereits heute starten kann, indem man bewährte Technologien zur Wasserstofferzeugung mit CCS-Anlagen kombiniert. Damit gelingt der Übergang zu CO2-neutralen Prozessen erheblich schneller.