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Alfa Laval entwickelt Wärmetauscher für die Wasserstoffwirtschaft

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Autor: Magnus Schwarz

Alfa Laval entwickelt Wärmetauscher für die Wasserstoffwirtschaft
Alfa Laval und SSAB entwickeln den weltweit ersten Plattenwärmetauscher aus fossilfreiem Stahl (Quelle: Alfa Laval)

06. Oktober 2022 | Die Wasserstoffwirtschaft braucht langfristig kosteneffiziente Technologien. Die Plattenwärmetauscher von Alfa Laval steigern die Energieeffizienz bei der Elektrolyse, sind essenziell bei der Meerwasserentsalzung und optimieren die Wasserstoffbetankung. Zudem entwickelt Alfa Laval gemeinsam mit SSAB den weltweit ersten Plattenwärmetauscher aus fossilfreiem Stahl. Vorgestellt werden diese Lösungen auf der Hydrogen Technology Expo Europe.

Für eine Wasserstoffgewinnung unter optimalen Bedingungen ist eine Kühlung der Elektrolyten von hoher Bedeutung. Während des Prozesses werden 20 – 40 Prozent 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 Plattenwärmetauschern ermöglicht die Rückgewinnung von Wärme, die somit an einer anderen Prozessstelle wieder zugeführt werden kann. Alternativ kann die Energie auch für benachbarte industrielle Prozesse genutzt oder in das Fernwärmenetz eingespeist werden.

Wärmerückgewinnung aus dem Elektrolyseurprozess

Bei der Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM) kommen Alfa Laval Edelstahlplattenwärmetauscher AlfaNova zum Einsatz, um eine Kontamination von Eisenionen über Korrosion und eine Wasserstoffversprödung des Plattenmaterials zu verhindern. Für kleinere Anlagen eignen sich kompakte vollverschweißte Wärmetauscher, während gedichtete Modelle für größere Anlagen bestimmt sind.
Die Alkalische Elektrolyse (AEL) erfordert Wärmetauscher mit Platten aus korrosionsbeständigem Material wie Nickel, das dem Kaliumhydroxid-Wasser-Gemisch standhält. Hier werden semiverschweißte Plattenwärmetauscher von Alfa Laval verwendet, die zum Schutz vor Leckagen auf der Kaliumhydroxid-führenden Seite verschweißt sind.

Nutzung von Meerwasser für die Elektrolyse

Die Wasserstoffherstellung erfordert deionisiertes Wasser, dessen Qualitätsanforderungen vergleichbar mit Trinkwasser sind. Zur Schonung der Trinkwasserressourcen ist die Verwendung 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.

Die Frischwassergeneratoren von Alfa Laval (hier der neue zweistufige AQUA Blue E2) fungieren bei der Meerwasserentsalzung und -aufbereitung als Verdampfer sowie Kondensatoren (Quelle: Alfa Laval)

Alfa Laval Frischwassergeneratoren, wie der neue zweistufige Frischwassergenerator AQUA Blue E2, 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 Prozent.
Zur Nutzung von Synergieeffekten lässt sich die Meerwasserentsalzung mit der Erzeugung erneuerbarer Energien in Offshore-Anlagen verbinden.

Wasserstoffbetankung von Fahrzeugen

Der diffusionsgeschweißte Wärmetauscher HyBloc von Alfa Laval beschleunigt die Betankung von Kraftfahrzeugen mit Wasserstoff (Quelle: Alfa Laval)

Wasserstoff muss während der Betankung von Fahrzeugen auf eine Temperatur von circa -40 °C heruntergekühlt werden, um eine Überhitzung des Gases zu verhindern. Dabei sind Wärmetauscher erforderlich, die den Drücken des 350 bar bis 700 bar komprimierten Wasserstoffs standhalten. Ideal geeignet sind diffusionsgeschweißte Wärmetauscher (PCHE – Printed Circuit Heat Exchangers), die ihre Robustheit einer speziellen Schweißtechnologie verdanken. Wasserstofftankstellen, die solche Wärmetauscher nutzen, ermöglichen eine Betankung von Fahrzeugen direkt nacheinander ohne Wartezeiten (Back-to-back Betankung).
Dank ihrer äußerst kompakten Bauweise lassen sich die Wärmetauscher einfach und zu geringen Installationskosten in die Zapfsäulenvorrichtungen integrieren.
Alfa Laval HyBloc ist ein kompakter Vorkühler, der die Betankung von Kraftfahrzeugen mit Wasserstoff beschleunigt. Der Plattenwärmetauscher ist kompakt, modular sowie skalierbar und lässt sich einfach in bestehende Zapfsäulenvorrichtungen integrieren. Der hohe Betriebsdruck des HyBloc ermöglicht eine schnellere Befüllung des Fahrzeugtanks. Robuste, fusionsgebundene Platten sorgen für eine hohe Beständigkeit bei Drücken bis zu 1.250 bar und Betriebstemperaturen bis zu -70 °C.
Damit ist HyBloc eine leistungsstarke Komponente für aktuelle H70-Systeme, die mit 700 bar arbeiten. Seine hohe Leistung erlaubt direkt aufeinander folgende Tankvorgänge, da anders als bei herkömmlichen Plattenwärmetauschern keine Zeit zum erneuten Kühlen benötigt wird.

Concept Zero: erster Plattenwärmetauscher aus defossiliertem Stahl

Alfa Laval und der schwedische Stahlproduzent SSAB haben die Entwicklung des weltweit ersten CO2-neutralen Plattenwärmetauschers auf Basis der HYBRIT-Technologie bekanntgegeben. Dieser soll aus fossilfreiem Stahl sowie recyceltem Material für die Dichtungen bestehen. Nach Verwendungsende können die Apparate ohne Weiteres recycelt werden.
Die Produktion des ersten kohlenstoffneutralen Plattenwärmetauschers ist bis 2030 geplant. Bereits 2023 sollen Apparate aus wasserstoffreduziertem Stahl hergestellt werden. Die Zusammenarbeit ist Teil des Alfa Laval Ziels, bis zum Jahr 2030 CO2-neutral zu werden.
(Alfa Laval/2022)