Flache Dichtungen bei hohen Energiedichten

Flachdichtungen für Power-to-X-Anlagen

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11.04.2019 Elektrischer Strom stammt zunehmend aus den erneuerbaren Primärenergiequellen Windkraft und Sonnenenergie. Das Problem dabei ist, dass die Wind- und Sonnenenergie unabhängig vom tatsächlichen Bedarf und unregelmäßig anfällt. Speziell die ertragreichen Gebiete für Solaranlagen sind nicht in unseren Breiten zu finden. Die produktivsten Windparks wiederum stehen an den Küsten. Der Ort der Stromerzeugung kann somit sehr weit vom Ort des Bedarfs entfernt liegen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Power-to-X-Anlagen kommt wegen der möglichen Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und Methan in einem bereits vorhandenen Erdgasnetz eine große Bedeutung zu. Ebenso ist mit der Erzeugung von künstlichen flüssigen Energieträgern die bisherige Transportinfrastruktur einfach zu nutzen.
  • Die entsprechenden Anlagen für Erzeugung und Transport der gasförmigen oder flüssigen Energieträger erfordern eine sichere Abdichtung von Flanschverbindungen. Hierfür stehen bewährte Flachdichtungswerkstoffe für alle anfallenden Anforderungen zur Verfügung.

Ecology energy solution. Power to gas concept. Hydrogen energy storage with renewable energy sources - photovoltaic and wind turbine power plant in a fresh nature. 3d rendering.

Durch Elektrolyse erzeugter Wasserstoff dient als Speicher für überschüssigen Strom aus regenerativen Quellen wie Windkraft und Solarenergie. Bild: Adobe Stock – malp

Lösungen für den Energietransport

Eine großtechnische Speicherung von Strom ist bisher jedoch nicht möglich. Der Stromtransport über Hochspannungstrassen bringt hingegen seine eigenen Probleme mit sich, technischer wie auch politischer Natur. Um dieses Problem zu lösen, setzen Power-to-X-Verfahren an: Sie nutzen überschüssigen Strom, um Energieträger wie Wasserstoff zu erzeugen.

Ein geeignetes Verfahren ist Elektrolyse von Wasser, um die dynamisch schwankende und nutzbare Menge von Strom aus Wind- und Sonnenenergie in Form von Wasserstoff zu speichern. Der damit gewonnene Wasserstoff kann dann entweder direkt in die Gasinfrastruktur eingespeist werden. Alternativ lässt er sich in weiteren Verfahrensschritten wie der sogenannten Methanisierung zusammen mit Kohlendioxid in Brenngase wie Methan (Power-to-Gas) oder Benzin und Diesel (Power-to-Liquid) umwandeln. Auf diese Weise können synthetische Energieträger erzeugt werden, die auch über herkömmliche Transportwege, etwa mit Pipelines oder Tankwagen, zu den Bedarfsstellen gelangen können. Mit Power-to-X-Anlagen wird also in Spitzenzeiten Strom bezogen und in andere Energieträger umgewandelt.

Das gängigste und wirtschaftlichste Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser ist die alkalische Elektrolyse. Dazu wird wässrige Kalilauge als Elektrolyt auf der Anode und Kathode im Kreis gepumpt und eine Spannung angelegt, sodass an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff entsteht. Typische Prozessparameter sind dabei:

  • Elektrolyt: Kalilauge, Konzentration 20 bis 40 %
  • Temperatur: 80°C
  • Druck: 20 bar

Fasern oder PTFE

Dichtring-4500-EU-frei

Die Faserdichtung Klingersil C-4500 (oben) und die PTFE/SiC-Dichtung Klinger Top-chem 2000 sind geeignete Flachdichtungen, eine Anlage auch für Wasserstoff abzudichten.

Dichtring-Topchem-2000

Bilder: Klinger

Zur Realisierung der Verfahrensschritte sind, wie im Anlagenbau üblich, Rohrleitungen mit Pumpen, Armaturen und Flanschverbindungen erforderlich, die geeignete Flachdichtungen benötigen. In bestehenden Anlagen wurden dazu Faserdichtungen aus Klingersil C-4500 des Herstellers Klinger verwendet. Das Material unterscheidet sich von anderen Faserstoffdichtungen dadurch, dass Carbonfasern enthalten sind. Dies steigert im Vergleich zu herkömmlichen Faserdichtungen die Laugenbeständigkeit, etwa gegen Kali- und Natronlauge. Die Dichtungen haben sich daher im Bereich der alkalischen Elektrolyse bewährt, Anwender berichten keine Probleme in der Praxis.

In der Variante C-4509 ist die Dichtung auch mit einer metallischen Einlage aus Streckmetall erhältlich. Diese kommt besonders bei starker mechanischer Beanspruchung der Dichtverbindung zum Einsatz, beispielsweise bei hohen Schraubenkräften, Wechsellastbetrieb und Vibrationen.

Eine hochwertige Alternative zur Faserdichtung ist, insbesondere unter Langzeitgesichtspunkten, der Einsatz von Hochleistungs-PTFE-Dichtungen. Ein Beispiel ist die Dichtung Top-Chem 2000 des Anbieters, die zu ungefähr gleichen Teilen aus PTFE und Siliziumcarbid besteht. Diese Kombination führt zu besonderen Eigenschaften: eine hohe Standfestigkeit im Temperaturbereich bis 250 °C sowie eine umfassende Medienbeständigkeit sowohl im alkalischen als auch im sauren Bereich. Die Dichtung unterliegt auch im jahrzehntelangen Einsatz kaum Alterung und Versprödung.

Dicht verpresst

Dichtungsberechnung_C-4500_KOH

Die Auslegungssoftware Klinger Expert vereinfacht das Berechnen der geeigneten Flächenpressung für die sichere Funktion von Flachdichtungen.

Entscheidend für die sichere Funktion einer Flachdichtung ist die bei der Montage erzielte Einbauflächenpressung. Dies gilt insbesondere bei der Abdichtung von Wasserstoff, da dieser aufgrund seiner geringen Molekülgröße besonders zur Diffusion durch verschiedene Werkstoffe neigt. Die chemische Beständigkeit der Dichtungswerkstoffe gegen Wasserstoff ist dagegen kein Problem. Mit der frei zugänglichen Software Klinger Expert lässt sich die Einbauflächenpressung mit dem erforderlichen Schraubenanzugsmoment für die gewählten Flansche schnell und sicher überprüfen.

Neben runden Normflanschen nach EN- und ANSI-Normen werden auch individuelle rechteckige Apparateflansche verwendet. Für diese sind häufig dichtungstechnisch ungünstige Full-Face-Dichtungen vorgesehen, bei denen die Schraubenlöcher in der Dichtfläche liegen. Aufgrund der großen verpressten Dichtungsfläche werden hier oft zu geringe Einbauflächenpressungen erzielt, was im Betrieb zu Leckage führen kann. Mithilfe der Software lassen sich auch solche rechteckigen Apparateflansche einfach optimieren. Dies geschieht durch geeignete Variation der Parameter Schraubenanzahl, Schraubengröße, Schraubenwerkstoff, Dichtungswerkstoff und gegebenenfalls der Dichtungsabmessung, sofern möglich. Auf diese Weise lassen sich im Vorfeld durch Optimierung der individuellen Flanschkonstruktion spätere Dichtungsprobleme im Betrieb ohne großen Aufwand vermeiden.

Flanschberechnungen nach der EN 1591-1 zum Nachweis der Dichtheitsklasse L = 0,01 mg/(s*m) werden als Service ebenfalls angeboten. Die dazu erforderlichen Dichtungskennwerte sind auf der Datenbank www.gasketdata.org veröffentlicht.

Heftausgabe: April/2019

Über den Autor

Wolfgang Abt, Produktmanagement, Klinger; Norbert Weimer, Unternehmensleitung, Klinger
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