Wärmeübertrager entlang der Wertschöpfungskette

Für eine Wasserstoffgewinnung unter optimalen Bedingungen ist eine Kühlung der Elektrolyten von hoher Bedeutung. Während des Prozesses werden 20 – 40 % der zugeführten elektrischen Energie als überschüssige Wärme von vergleichsweise niedriger Temperatur freigesetzt. Diese Wärme wird meist abgeführt und als Energieressource nicht weiterverwendet. Der Einsatz von Plattenwärmeübertragern ermöglicht es, die Energie an anderer Prozessstelle einzusetzen. Meist wird die zurückgewonnene Abwärme dem Prozess und dem System wieder zugeführt. Alternativ kann die Energie auch für benachbarte industrielle Prozesse genutzt oder in das Fernwärmenetz eingespeist werden.

Geeignete Plattenwärmeübertrager steigern somit die Energieeffizienz bei der Elektrolyse deutlich. Ein Beispiel hierfür sind die bei der Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM) eingesetzten Edelstahlplattenwärmetauscher Alfanova von Alfa Laval. Sie verhindern eine Kontamination mit Eisenionen über Korrosion sowie eine Versprödung des Plattenmaterials durch den reaktiven Wasserstoff. Für kleinere Anlagen eignen sich kompakte vollverschweißte Wärmeübertrager, während gedichtete Modelle für größere Anlagen bestimmt sind. Die Alkalische Elektrolyse (AEL) erfordert Wärmeübertrager mit Platten aus korrosionsbeständigem Material wie Nickel, das dem Kaliumhydroxid-Wasser-Gemisch standhält. Hier werden semiverschweißte Plattenwärmeübertrager verwendet, die zum Schutz vor Leckagen auf der Kaliumhydroxid führenden Seite verschweißt sind.

Wasserstoff aus Meerwasser

Die Bereitstellung von Wasser für die Elektrolyse ist nicht trivial: Die Wasserstoffherstellung erfordert deionisiertes Wasser, dessen Qualitätsanforderungen vergleichbar mit Trinkwasser sind. Zur Schonung der Trinkwasserressourcen ist die Nutzung von aufbereitetem Meerwasser eine nachhaltige Lösung. Nach der Filterung wird das Wasser mithilfe einer Entsalzungsanlage für den Elektrolyseurprozess aufbereitet. Bei der Vakuumverdampfung wird die Abwärme des Elektrolyseurs genutzt, um das Wasser zu demineralisieren.
Frischwassergeneratoren fungieren hierbei als Verdampfer und Kondensatoren, welche die Salzmoleküle von den Wassermolekülen trennen und das entsalzte Wasser als Kondensat auffangen. Dieses Wasser wird anschließend deionisiert und kann im Elektrolyseurprozess eingesetzt werden. Das Verfahren minimiert zum einen den Chemikalien- und den Stromverbrauch sowie den Wartungs- und den Platzbedarf und steigert zum anderen die Effizienz des Prozesses um bis zu 27 %. Zur Nutzung von Synergieeffekten lässt sich die Meerwasserentsalzung mit der Erzeugung erneuerbarer Energien in Offshore-Anlagen verbinden.

Rückgewinnung beim Tanken

Nicht nur bei der Erzeugung, auch beim Einsatz von Wasserstoff lässt sich Wärme zurückgewinnen und effizienter nutzen. Ein Beispiel ist die Wasserstoffbetankung von Fahrzeugen: Wasserstoff muss während der Betankung auf eine Temperatur von circa -40 °C heruntergekühlt werden, um eine Überhitzung des Gases zu verhindern. Dabei sind Wärmeübertrager erforderlich, die den Drücken des 350 bis 700 bar komprimierten Wasserstoffs standhalten. Geeignet sind diffusionsgeschweißte Wärmeübertrager (PCHE – Printed Circuit Heat Exchangers), die ihre Robustheit einer speziellen Schweißtechnologie verdanken. Wasserstofftankstellen, die solche Wärmeübertrager nutzen, ermöglichen eine Betankung von Fahrzeugen direkt nacheinander ohne Wartezeiten (Back-to-back-Betankung). Dank ihrer kompakten Bauweise lassen sich die Wärmeübertrager einfach und zu geringen Installationskosten in die Zapfsäulenvorrichtungen integrieren.
Um die Vorkühlung des Wasserstoffs an Wasserstofftankstellen zu optimieren, hat Alfa Laval den diffusionsgeschweißten Wärmeübertrager Hybloc entwickelt. Dieser ermöglicht die schnelle, sichere Betankung aller Arten von Wasserstofffahrzeugen wie Pkw, Lkw, Bussen und anderen Schwerlastfahrzeugen. Die Vorkühler sind kompakt, modular sowie skalierbar und lassen sich für einen einfachen Technologiewechsel ohne Weiteres in bestehende Pumpsysteme integrieren. Die Leistung des Hybloc resultiert aus seinem hohen zulässigen Betriebsdruck, der eine schnelle Befüllung des Fahrzeugtanks ermöglicht, und der hohen Vorkühlkapazität, die Wartezeiten zwischen den Tankvorgängen minimiert.

Platzsparende Lösung für die Wasserstoffkühlung

Die Verwendung robuster, diffusionsgeschweißter Wärmeübertragerplatten sorgt für hohe Druckbeständigkeit bis zu 1.250 bar und Betriebstemperaturen bis zu -70 °C. Damit ist das Modell eine leistungsstarke Komponente für aktuelle H70-Systeme, die mit 700 bar arbeiten, und erfüllt auch zukünftige Anforderungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Plate-and-Shell-Wärmeübertragern spricht Hybloc unmittelbar auf Lastanforderungen an, sodass nach einem Tankvorgang keine Wartezeit zum Kühlen der nächsten Wasserstofffüllmenge benötigt wird. Die Kombination aus kompaktem Design, schneller Reaktion auf thermische Lastanforderungen sowie einem kontinuierlich arbeitenden Kühlkreislauf ermöglicht somit direkt aufeinanderfolgende Betankungen.
Die Vorkühler sind bis zu 85 % kleiner als Plate-and-Shell-Wärmeübertrager mit vergleichbarer Kühlleistung und lassen sich einfach in eine Zapfsäule integrieren. Eine kostenintensive, zeitaufwendige unterirdische Installation entfällt, was die Apparate ideal für den Einsatz in städtischen Gebieten und anderen Umgebungen mit wenig Platz macht. Die Baureihe umfasst vier Standardmodelle, die alle gängigen Anforderungen abdecken. Auch Sonderkonstruktionen einschließlich individueller Spezifikationen für Kühlmedien und Leistung sind möglich.