Die meisten Kompressoren in der Wasserstoffwirtschaft setzen auf die klassische Verdrängertechnologie. Nach diesem Prinzip arbeiten Schraubenverdichter und Kolbenverdichter. Beim Kolbenverdichter wird Wasserstoffgas in einen Zylinder angesaugt und durch einen Kolben verdichtet. Die Bewegung des Kolbens erfolgt über eine Kurbelwelle, die durch einen Elektromotor angetrieben wird. Auch hydraulisch angetriebene, trockenlaufende Kolbenverdichter nutzen die Bewegung eines Kolbens, um Gas zu verdichten. Eine besondere Bauform des Kolbenverdichters sind Membranverdichter. Dabei erfolgt die Verdrängung des Gases durch einen Satz von mindestens drei metallischen Membranen. Diese werden durch eine Ölsäule bewegt, die durch die Kolbenbewegung einer klassischen Getriebeeinheit angetrieben wird.
Enddruck ist zentrales Kriterium für Kompressorwahl
Trotz des ähnlichen Grundprinzips dieser Verdichtertypen unterscheiden sich deren Einsatzfelder in der Wasserstoffwirtschaft. Die wichtigsten Punkte sind dabei der zur Verfügung stehende Saugdruck, der gewünschte Enddruck für die Anwendung des Wasserstoffes und die Menge an Wasserstoffgas und damit die Leistung der Elektrolyse. Weitere Faktoren sind die benötigte Reinheit des Wasserstoffs oder die Betriebsart, die für den Verdichter vorgesehen ist.
Bei reinem Wasserstoff liegen Wasserstoffleitungen und Pipelines mit typischem Betriebsdruck zwischen 25 bar und 100 bar am unteren Ende. In Tankfahrzeugen, sogenannten Tube Trailern, wird Wasserstoff bei Drücken von 200 bis 380 bar transportiert, neuere Entwicklungen mit TYP IV CFK-Tanks gehen sogar in Richtung von 680 bar. Für die Speicherung großer Mengen Wasserstoff werden Salzlagerstätten ausgebaut oder es kommen Rohrbündelspeicher zum Einsatz. Hier reichen die Speicherdrücke laut Neuman & Esser von 200 bar bis 700 bar. Auch die Betankung von Autos erfordert Drücke bis zu 700 bar.
In der Derivatherstellung ist die Methanolsynthese im Niederdruckverfahren mit 50 bar in Bezug auf den Druck recht genügsam. Soll der Wasserstoff in der Ammoniaksynthese eingesetzt werden, benötigt das Haber-Bosch-Verfahren Drücke zwischen 250 und 350 bar. Zukünftig wird Wasserstoff für die Herstellung von nachhaltigen Flugtreibstoffen (englisch Sustainable Aviation Fuels, SAF) nach Einschätzung von Jan Gehrmann, Produktmanager vom Kompressorhersteller Aerzen, eine große Rolle spielen. Auch hier sind je nach Verfahren unterschiedliche Drücke erforderlich.
Schraubenkompressoren für große Volumenströme
Ausgangspunkt der Verdichtung ist der Saugdruck, den die Elektrolyse bereitstellt. Die Niederdruck-Elektrolyse bewegt sich im Bereich des atmosphärischen Druckes bis hin zu einem leichten Überdruck. Eine große Elektrolyse von 500 Megawatt Leistung erzeugt zum Beispiel einen Volumenstrom von bis zu 120.000 m3 Wasserstoffgas pro Stunde. In einem solchen Fall können ein oder mehrere parallele Schraubenkompressoren zum Einsatz kommen. Denn Schraubenkompressoren können laut Gehrmann solche großen Volumina problemlos bewältigen. In einem typischen Anwendungsfall verdichtet der Schraubenkompressor das Wasserstoffgas von 1 auf 6 bar und reduziert den Volumenstrom von beispielsweise 100.000 auf rund 16.500 m3 pro Stunde. Diesen Volumenstrom kann dann ein Kolbenkompressor in der kommenden Stufe weiterverdichten. „Der Schraubenkompressor ist immer nur ein Vorverdichter“, sagt Gehrmann.
Kompressoren für höhere Drücke
Kolbenkompressoren stellen höhere Drücke bereit. Ölfreie Kolbenverdichter erreichen laut Neuman & Esser Enddrücke in der neuesten Entwicklungsstufe von 300 bis 500 bar. Mit entsprechend großen Kolben lassen sich hohe Förderleistungen erzielen. Auch kann man in eine Maschine mehrere Druckstufen integrieren, sodass auch bei niedrigem Saugdruck hohe Enddrücke erreichbar sind. Hydraulisch angetriebene Kolbenverdichter erreichen sehr hohe Enddrücke, von bis zu 4.000 bar. Auch mit Membranverdichtern lassen sich Enddrücke bis 3.000 bar erreichen. Neuman & Esser fertigt große Kolbenverdichter, wie sie für die Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen oder zur Einspeisung von Wasserstoff in Pipelines gebraucht werden. Zum Portfolio des Unternehmens gehören auch Membranverdichter und hydraulisch angetriebene Kolbenverdichter.
Ölfreie Förderräume für hochreinen Wasserstoff
Beim Membranverdichter wird der Gasraum durch die metallischen, gasundurchlässigen Membranen hermetisch getrennt. Dadurch wird die Verunreinigung des Wasserstoffs im Verdichter ausgeschlossen. Bei trockenlaufenden Kolbenverdichtern ist die Kontamination des Gases durch Schmieröl ebenfalls ausgeschlossen – allerdings werden dynamische Dichtungen benötigt, bei denen ein gewisser Abrieb unvermeidlich ist.
Auch Aerzen stellt ölfreie Verdichter für die Wasserstoffbranche her. Eine Besonderheit dieser Kompressorart ist, dass man durch das Einspritzen von geringen Mengen Wassers die Verdichtung kühlen kann. Das verringert die Auslasstemperatur und kommt der maximal möglichen Druckerhöhung zugute. Die Wassereinspritzung stellt laut Gehrmann kein Problem dar, weil das Wasserstoffgas aus der Elektrolyse sowieso schon mit Wasserdampf gesättigt ist und weil in der Regel noch eine Trocknungseinheit nachgeschaltet wird.
Verdichter für volatile Stromquellen
Bei der Produktion von Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen ist es wichtig, dass die Verdichter auf die Volatilität der Energieverfügbarkeit reagieren können. Kleinere Baugrößen der Kolbenverdichter und vor allem die hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichter sind eher für den Start-Stopp-Betrieb geeignet. Große Verdichter sind für den Dauerlauf ausgelegt. Muss hier prozessbedingt das geförderte Gasvolumen angepasst werden, lässt sich das laut Neuman & Esser durch Ventilabhebung oder den Bypass-Betrieb realisieren. Bei Membranverdichtern kann die Fördermenge durch einen Frequenzumrichter-Betrieb reguliert werden.
Um geplanten oder ungeplanten Stillstandzeiten Rechnung zu tragen, werden Verdichter meist redundant ausgelegt. Typische redundante Anordnungen für Kolbenkompressoren sind laut dem Hersteller Neuman & Esser 2 × 100 %, 2 × 50 % oder auch 3 × 50 %. Die 2-x-100-%-Anordnung gewährleistet vollständige Redundanz, bei 2 × 50 % ist eine gewisse Redundanz bei unerwarteten Abschaltungen vorhanden, um die Hälfte des möglichen Gasvolumenstroms zu transportieren. Bei 3 × 50 % kann während der Wartung und einem gleichzeitigen Ausfall eines weiteren Kompressors zumindest die Hälfte der Lieferleistung aufrechterhalten bleiben.
Mit dem Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft ist mit einem starken Anstieg der Nachfrage nach Kompressoren zu rechnen. Viele Hersteller sind heute schon darauf vorbereitet und bieten projektbezogen angepasste Systeme an.
