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Die Grundstoffchemie ist neben der Metallindustrie die energieintensivste Branche in Deutschland. Noch wird ihr Bedarf hauptsächlich durch fossile Rohstoffe gedeckt, in Zukunft soll zumindest ein Teil davon durch grünen Wasserstoff ersetzt werden. Pumpen und Armaturen spielen beim Umstieg eine entscheidende Rolle.

Neben der Solarenergie und der Windkraft kommt Wasserstoff als zentralem Energieträger in fast allen Industriebereichen eine tragende Rolle zu. Grüner, also emissionsneutral erzeugter Wasserstoff kann aber bei Weitem nicht nur zum Antrieb von Fahrzeugen und als Speicher für erneuerbare Energien dienen. Auch stoffliche Wertschöpfungsketten lassen sich mit dem leichtesten Element des Periodensystems perspektivisch defossilieren. So könnte etwa in Raffinerien der bisherig genutzte „graue“ Wasserstoff aus der Dampfreformierung von Erdgas, der für die Entschwefelung der Vorprodukte von Benzin und Diesel eingesetzt wird, nach und nach durch grünen Wasserstoff ersetzt werden.

Auch in Pilotprojekten in der Stahlindustrie wird zur Direktreduktion von Eisenerz schon heute grüner Wasserstoff anstelle des treibhausgasintensiven Hochofenprozesses eingesetzt. Auch die Zement-, Glas- und Keramikindustrien suchen nach neuen Wegen, um ihre Prozesse auf eine CO2-neutrale Herstellung umzustellen.

Nehmen Sie am kostenlosen Online-Seminar zum Thema „KSB-Lösungen für Wasserstoffanwendungen“ am 29.06.2022 teil. Die KSB-Experten freuen sich auf Sie!

Allerdings gelingt dieser Umstieg nur mit dem Aufbau einer effizienten und zugleich wirtschaftlichen Wasserstoffwirtschaft, inklusive einer entsprechenden Infrastruktur für Produktion, Import, Transport, Speicherung und Umwandlung des Gases. Soweit jedenfalls die Theorie – in der Realität müssen bei der Umsetzung derartiger Dekarbonisierungsstrategien darüber hinaus viele weitere Details beachtet werden.

Als Technologieunternehmen mit Engineering-Kompetenz im Bereich der Verfahrenstechnik und Petrochemie sowie der erneuerbaren Energie beschäftigt sich KSB seit vielen Jahren mit dem leichten Gas. Sowohl im Armaturen- als auch im Pumpen-Portfolio befindet sich bereits ein breites Spektrum an Produkten, die in allen Stufen der Wasserstoffwertschöpfungskette eingesetzt werden können. Mehr noch: Es gibt bereits vielfältige Referenzen und Erfahrungen mit KSB-Produkten in bekannten oder pilotierten Erzeugungstechnologien, sei es nun blauer oder grüner Wasserstoff.

Dabei werden insbesondere an die Werkstoffe der eingesetzten Komponenten höchste Anforderungen gestellt: „Eine Herausforderung bei der Umsetzung von Wasserstoff-Projekten ist, dass die Detailanforderungen in Bezug auf die eingesetzten Komponenten noch variieren, etwa bei den Werkstoffen und den Oberflächengüten“, erklärt Christof Lindner, Market Area General Industry, zuständig für die Wasserstofftechnologie bei KSB, die derzeitige Situation.

Folgerichtig engagiert sich der Pumpen- und Armaturenspezialist nicht nur bei seinen Kunden mit Forschungs- und Entwicklungskompetenz, sondern wirkt auch in den einschlägigen Arbeitsgruppen von Normierungsorganisationen (zum Beispiel bei CEN in Frankreich oder DIN in Deutschland) mit.

Zugute kommt KSB, dass man die dahinter stehenden Prozesse bereits aus Anwendungen in der chemischen Industrie sehr gut kennt. Immerhin sind KSB-Pumpen und -Armaturen seit Jahrzehnten in den dortigen herausfordernden Umgebungen im Einsatz.

Nehmen Sie am kostenlosen Online-Seminar zum Thema „KSB-Lösungen für Wasserstoffanwendungen“ am 29.06.2022 teil. Die KSB-Experten freuen sich auf Sie! (Bild: KSB )

Vor allem bei den Konversionsprozessen (etwa bei der Erzeugung von Ammoniak) sowie den auf fossilen Brennstoffen basierenden Erzeugungsprozessen für den blauen Wasserstoff (SMR, ATR, CCS) kann KSB auf eine langjährige Erfahrung zurückgreifen. Gleiches gilt für Armaturen für die Chloralkalielektrolyse: Auch hier setzt die Branche seit langem auf die Membranventile oder Klappen von KSB.

Dennoch weiß auch Lindner: „Viele Fragen, etwa rund um den hydraulischen Abgleich oder die Fahrweise bei Pumpen in den unterschiedlichen Wasserstoffprozessen, werden sich letztendlich erst klären lassen, wenn die Entwicklung weiter fortgeschritten ist.“

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Ein anderer noch offener Punkt betrifft die Größe zukünftiger Anlagen: Derzeit werden die meisten Elektrolyseure modular aus kleinen Teilanlagen nach dem Baukastenprinzip aufgebaut. Möglicherweise wäre es aber in Zukunft energetisch sinnvoller, jeden einzelnen Elektrolyseur mit einem eigenen Kühlsystem auszurüsten oder mehrere parallele Elektrolyseure mit einem gemeinsamen Kühlsystem zu versehen, was natürlich eine entsprechend stärkere Pumpe nach sich ziehen würde. Und überhaupt: Wird man in Zukunft eher auf Containerlösungen oder doch auf großskalige Projekte setzen?

Um die Prozesse sicherer zu gestalten, kommen unter anderem dichtungslose Pumpen sowie Absperrklappen, wie die abgebildete Isoria, zum Einsatz. (Bild: KSB )

Auch dies hätte natürlich unmittelbare Auswirkungen auf die Pumpen- und Armaturenwahl. Während sich etwa die Fördermengen bei Containerlösungen in einer Größenordnung um die 10 m³/h bewegen, könnten sie bei Großprojekten (aktuell noch Studien) leicht 800 m³/h erreichen. Das Gleiche gilt für den Betriebsdruck, der zwischen 6 und 40 bar liegen kann.

Größere modular aufgebaute Anlagen können zudem einen höheren Regelungsbedarf für ein optimales Zusammenspiel der Komponenten erfordern, wofür bei KSB sowohl regelbare Pumpen als auch Regelventile zur Verfügung stehen. „Hier benötigen Sie als Anbieter nicht nur ein breites Produktspektrum, um ein weites Anwendungsfeld abzudecken, sondern vor allem auch Detailkenntnis über Anlagentechnik, Fahrweisen, Werkstoffe und Energieeffizienz“, erklärt der Prozessspezialist Lindner. Dies gilt umso mehr, weil verschiedene Technologien für die grüne Wasserstofferzeugung zur Verfügung oder in den Startlöchern stehen.

KSB bedient mit seinen Produkten alle wesentlichen Technologien dieser grünen Wertschöpfungskette. Dazu gehören auch die verschiedenen Lösungen für die Wasserelektrolyse, sei es nun für die alkalische Elektrolyse (AEL), die Proton-Exchange-Membran-Elektrolyse (PEM) oder aussichtsreiche Zukunftstechnologien, wie der Anionen-Exchange-Membran-Elektrolyseur (AEM) oder die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL).

Zu den weitest entwickelten Technologien gehört dabei sicher die seit über einem Jahrhundert bekannte alkalische Elektrolyse, die allerdings nur ein begrenztes Potenzial für weitere Kostensenkungen besitzt. „Da sie jedoch immer noch langlebiger und zuverlässiger im Vergleich zur PEM betrieben werden kann, werden betriebliche Nachteile, wie das gefährliche Medium oder die geringe Flexibilität bei Lastwechseln, in Kauf genommen“, erklärt Lindner.

Um die Prozesse sicherer zu gestalten, kommen hier unter anderem dichtungslose Pumpen sowie Membranventile, etwa die Baureihen Sisto-20 oder Sisto-16s, oder Absperrklappen, wie die Isoria oder die Baureihe KE, aus korrosionsbeständigem Material bzw. mit entsprechenden Beschichtungen zum Einsatz.

So verfügen die Sisto-Membranventile über eine gekammerte und spiralabgestütze TFM-Membran, die von einer EPDM-Membran auf der Rückseite ihre Elastizität erhält. Eine zusätzliche, dazwischenliegende PVDF-Sperrfolie reduziert ergänzend zum diffusionsfesten TFM die Gasdiffusion und schützt so die Umwelt und das Innenleben der Armatur. Und sollte man Armaturen im Cryobereich benötigen, zum Beispiel für den sich anschließenden Transport, finden sich diese ebenfalls mit der Baureihe Danaïs im KSB-Portfolio. Erfahrung mit Armaturen für flüssigen Wasserstoff (-253 °C) haben die Fluidik-Spezialisten bereits in Testständen zur Optimierung der Ariane-Rakete sammeln können.

Zu den in der alkalischen Elektrolyse bewährten Pumpen gehört die horizontale Spiralgehäusepumpe mit Magnetkupplung Magnochem, die als Blockausführung oder in Prozessbauweise erhältlich ist. „Die wellendichtungslose Pumpe kommt seit vielen Jahren immer dann zum Zug, wenn es um die Förderung giftiger, explosiver oder kostbarer Stoffe in der Industrie geht. Sie ist also ideal für die Wasserstofftechnologie“, erläutert Lindner.

Durch die Magnetkupplung ist die Chemienormpumpe hermetisch dicht, die Gefahr einer Leckage also gebannt. Dies spielt primär bei der alkalischen Elektrolyse, in der Kalilauge gepumpt wird, welche in der Umgebung auskristallisiert, eine wichtige Rolle.

Mit seiner Bloc-Ausführung ist das Aggregat für den Einsatz in engen Einbauräumen geeignet. Die Pumpe erfüllt mit der ISO 5199 höchste Qualitätsstandards und ist in einer Vielzahl von Materialvarianten verfügbar. So ist bei der Magnochem durch die breite Auswahl an Hydraulikgrößen und Magnetkupplungen eine Vielzahl an Varianten technisch möglich. Damit kann sie an ganz unterschiedlichen Orten in der Wasserstofferzeugung eingesetzt werden, und der Anwender erhält eine Pumpe, die ein Maximum an Sicherheit und Wirtschaftlichkeit bietet.

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Ebenfalls geeignet für die Wasserstofferzeugung ist die mehrstufige, vertikale Hochdruck-Kreiselpumpe Movitec. „Diese kommt unter anderem für die Wasseraufbereitung und Druckerzeugung zum Einsatz. Sie lässt sich bis 40 bar einsetzen und ist durch die Stufenzahl und mögliche Drehzahlregelung sehr variabel“, weist Lindner auf ihren Einsatzort hin. Die kompakte Bauweise der Movitec ist sehr gut geeignet für die Installation in engen Räumen, wie sie in den Containerlösungen vorliegen. Selbst bei geringen Fördermengen kann sie hohe Drücke erzeugen. Dank eines durchgängigen Kennlinienrasters lässt sie sich ebenfalls optimal auf die verschiedenen Prozesse abstimmen.

In der Wasserstofftechnologie ist jedoch nicht nur der eigentliche Prozess der Wasserstofferzeugung zu beachten, sondern auch die Kühlwasserversorgung. So können für die Kühlung der Wärmetauscher die Pumpen der Etabloc/Etaline-Reihe oder die Armaturen der Reihe Isoria und Sisto-20 eingesetzt werden. Diese Pumpen zeichnen sich dank ihres drehzahlregelbaren Antriebs vom Typ PumpDrive durch maximale Energieeffizienz aus. Auch sie werden vertikal installiert und sind durch ihre Inline-Ausführung sehr kompakt. Daher sind sie flexibel einsetzbar und gut geeignet für die Installation in Containerlösungen.

Zu den in der alkalischen Elektrolyse bewährten Pumpen gehört die horizontale Spiralgehäusepumpe mit Magnetkupplung Magnochem, die als Blockausführung oder in Prozessbauweise erhältlich ist. (Bild: KSB )

Aber es gibt natürlich nicht nur die alkalischen Elektrolyse: Die PEM-Elektrolyse ist eine deutlich jüngere Technologie, die sich durch Sicherheit, Benutzerfreundlichkeit und hohe Flexibilität beim Lastwechsel auszeichnet. Gegenüber der alkalischen Elektrolyse bietet das Verfahren darüber hinaus noch großes Potenzial für zukünftige technische Entwicklungen und Kosteneinsparungen. Auch benötigt die Technologie keine bedenklichen Chemikalien.

Das Verfahren wird vor allem dann interessant, wenn die Wasserstoffproduktion aus regenerativem Strom in Zukunft massentauglich werden soll. Und die Pumpen? Mit Ausnahme des giftigen Elektrolyts sind die Einsatzbedingungen bei PEM-Anwendungen mit denen in der Alkalielektrolyse vergleichbar. Schon heute kommen hier in ersten Pilotanlagen Membranventile und Absperrklappen sowie diverse Pumpen von KSB zum Einsatz.

Für die Aufgaben zukünftiger Technologien, wie der Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM) oder der Hochtemperaturelektrolyse (HTEL), sehen sich die Pumpenspezialisten bei KSB jedenfalls bestens gerüstet. Besondere Herausforderung sehen die Experten bei den hohen Temperaturen, die besondere Anforderungen an die Werkstoffe stellen.

Unabhängig davon, welche von den genannten Verfahren in Zukunft zum Einsatz kommen und welche Anlagengröße sich als geeigneter erweist: das Portfolio von KSB deckt die unterschiedlichsten Anforderungen ab. Mehr noch, aufgrund der jahrzehntelangen Erfahrung bietet KSB Pumpen und Armaturen, die sich genau auf den Prozess abstimmen lassen, so dass der beste Wirkungsgrad und höchstmögliche Sicherheit erreicht werden.

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