Auslegung von Kolbenverdichtern für grüne Wasserstoffproduktionsanlagen
Ohne Kompressoren, die die leichten Wasserstoffmoleküle bewegen, gibt es keine Wasserstoff-Wertschöpfungskette. Die Energiewende wird eine immense Menge an sauberem Wasserstoff für eine Vielzahl alter und neuer Anwendungen erfordern. In den kommenden Jahren ist mit einem erheblichen Anstieg der Nachfrage nach Wasserstoffkompressoren zu rechnen. Der größte Teil dieser Nachfrage wird durch Verdrängerkompressoren gedeckt werden, darunter auch Kolbenkompressoren.
Anlagen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff werden eine wichtige Rolle bei der Energiewende spielen, da sie sauberen Wasserstoff liefern, ohne dass teure Kohlenstoffabscheidungssysteme installiert werden müssen. Um jedoch die gleichen Kosten wie bei sauberem Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen zu erreichen, müssen diese Anlagen zu bestmöglichen Kosten gebaut werden und das ganze Jahr über sehr effizient arbeiten. Die natürliche Unterbrechung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien stellt eine weitere Herausforderung für dieses Szenario dar. Die drei Säulen, die jeder Hersteller von grünem Wasserstoff in den Blick nehmen muss, sind daher:
Gesamte Installationskosten
Betriebszeit der Anlage
Turndown-Fähigkeiten
Die Gesamtanlagen, einschließlich der Kolbenkompressoren, müssen mit dem gleichen Fokus auf diese drei Säulen ausgelegt und betrieben werden, um das Ziel einer kostengünstigen Produktion zu erreichen.
Auf den ersten Blick erscheint es einem erfahrenen Anwender seltsam, die Auswahl der Kompressortechnologie für eine Wasserstoffanwendung zu diskutieren. Die meisten Wasserstoffkompressoren, die heute in Betrieb sind, sind Verdrängerkompressoren, in erster Linie Kolbenkompressoren, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad und ein hohes Druckverhältnis bei Gasen mit niedrigem Molekulargewicht auszeichnen. Es gibt Tausende von Wasserstoff-Kolbenkompressoren, die heute in Raffinerien, petrochemischen und chemischen Anlagen sowie in Industriekomplexen effizient arbeiten. Diese Kompressoren sind zwischen 10 PS (7,5 kW) und 20.000 PS (14.920 kW) groß.
Kolbenkompressoren allein sind jedoch möglicherweise nicht die perfekte Wahl für Anwendungen, die einen sehr hohen Volumenstrom mit einem sehr niedrigen Saugdruck kombinieren. Ein typisches Beispiel ist eine große Anlage zur Erzeugung von grünem Wasserstoff (über 45 Temperatur programmierte Desorption [TPD]) mit alkalischen Elektrolyseuren. In diesem Szenario sind mehrere Zylinder der ersten Stufe erforderlich, um eine ausreichende Verdichtung für den erforderlichen Volumenstrom zu erreichen. Da die meisten Originalhersteller (OEMs) ihre Konstruktion auf 10 Zylinder pro Rahmen beschränken, wären mehrere Einheiten erforderlich. Dies würde die Investitions- und Betriebskosten für die reine Kolbenkompressorlösung erheblich erhöhen.
Eine Lösung für diese Herausforderung ist der Einsatz eines Turbokompressors (mit integriertem Getriebe oder als Einzelwelle), der als Booster für den Kolbenverdichter fungiert. Dieser Booster erhöht den Druck auf ca. 3 bis 6 bar (43,5 bis 87 psi), wodurch die Zylinder der ersten und/oder zweiten Stufe des Kolbenkompressors überflüssig werden und der Platzbedarf, die Gesamtinstallationskosten und die Betriebskosten sinken.
Diese komplexe Anordnung wird in der Kompressorenindustrie gemeinhin als „Hybridlösung“ bezeichnet und erfordert in der Konstruktionsphase eine Zusammenarbeit zwischen dem EPC-Team (Engineering, Procurement, Construction), dem OEM und dem Endkunden.
Die Anordnung ist definiert als die Anzahl der Kompressoren, die erforderlich ist, um den benötigten Volumenstrom zu erreichen. Übliche Anordnungen sind 1 x 100%, 2 x 100%, 2 x 50% oder sogar 3 x 33%. Es besteht ein Gleichgewicht zwischen der erforderlichen Redundanz am Standort und dem für das Projekt verfügbaren Gesamtbudget für die Beschaffung und Installation der Kompressoren. Große Kolbenkompressoren haben Betonblockfundamente, die in der Regel einen erheblichen Arbeitsaufwand am Standort erfordern. Der Rahmen und die Zylinder müssen zusammengebaut werden. Der Motor wird separat geliefert und muss installiert und an den Kompressor gekoppelt werden. Die gesamte Verrohrung, Verdrahtung und Verschlauchung zwischen dem Kompressor und seinen Hilfssystemen wird vor Ort vorgenommen. Diese Tätigkeiten erfordern einen erheblichen Anteil an Facharbeitern. Bei Skid-Packaged-Units wird der Arbeitsaufwand vor Ort minimiert, da die meisten dieser Tätigkeiten von einem Packager erledigt werden können.
Die Anzahl der installierten Kompressoren bestimmt die in der Anlage vorhandene Redundanz. Eine 2 x 100 %-Anordnung umfasst eine Reserveeinheit, die volle Redundanz bietet und einen unterbrechungsfreien Betrieb der Anlage garantiert. Eine 2 x 50%-Anordnung mit kleineren Einzelaggregaten sorgt für geringere Gesamtkosten und bietet gleichzeitig eine gewisse Redundanz bei unerwarteten Abschaltungen. Bei großen Produktionsanlagen kann eine 3 x 33%-Anordnung erforderlich sein, die ein hohes Maß an Redundanz bietet, aber höhere Gesamtkosten verursacht.
Die gewählte Anordnung hat auch erhebliche Auswirkungen auf die Fähigkeit des Verdichtungssystems, unter Teillastbedingungen zu arbeiten.
Aufgrund ihres Verdrängungsprinzips können Kolbenverdichter im Teillastbetrieb arbeiten und dabei ihren Wirkungsgrad nahezu konstant halten. Dies ist einer der wichtigsten Vorteile dieser Kompressortechnologie und entscheidend für Anlagen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff, die aufgrund der typischen Stromerzeugungsprofile aus erneuerbaren Energiequellen über längere Zeiträume im Teillastbereich laufen müssen.
Das Fehlen der richtigen Methode zur Leistungsregelung führt unweigerlich zu einer unnötigen Gasrückführung, die den Gesamtstromverbrauch und die Treibhausgasemissionen erhöht. Die richtige Methode zur Leistungssteuerung ermöglicht dagegen einen effizienten Betrieb und einen optimalen Stromverbrauch, ohne die Betriebszeit der Anlage zu beeinträchtigen.
Den Betreibern steht heute ein umfassendes Programm zur Leistungssteuerung zur Verfügung, das eine Reihe von Lösungen umfasst, die von einfachen pneumatisch betätigten Ablassventilen bis hin zu komplexen stufenlosen Leistungssteuerungssystemen mit hydraulischen Stellantrieben reichen. Um die beste Lösung für jedes Projekt zu finden, müssen die folgenden Faktoren berücksichtigt werden:
Auf der Grundlage dieser Informationen kann der Kompressor-OEM eine Empfehlung für die beste Methode zur Leistungssteuerung für jedes Projekt abgeben, so dass die Betreiber ein optimales Gleichgewicht zwischen den Anschaffungskosten und dem Gesamtenergieverbrauch über die Lebensdauer des Kompressors erreichen können.
Das Maschinenüberwachungssystem (MMS) ist von grundlegender Bedeutung, um eine lange Betriebszeit zu gewährleisten. Es ist auch eines der am meisten übersehenen Merkmale während der Konstruktionsphase eines Kolbenkompressors. Das Hauptziel eines MMS besteht darin, kritische Echtzeit-Informationen über den Zustand des Kompressors zu liefern, damit die Betreiber mögliche Fehlfunktionen oder unzureichende Leistungen der Hauptkomponenten erkennen können. Die Betreiber können diese Informationen nutzen, um vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen, Korrekturen zu planen und unerwartete Abschaltungen zu vermeiden.
Ein modernes MMS bietet eine breite Palette von Funktionen und kann so gestaltet werden, dass es allen spezifischen Projektanforderungen gerecht wird. Zu den Grundfunktionen gehören Schwingungen des Rahmens, Kolbenstangen-Absenksysteme und die Überwachung von Prozessgasdruck und -temperatur. Zu den erweiterten Überwachungsfunktionen gehören dynamischer Zylinderdruck, Kreuzkopfschwingungen und Ventiltemperatur. Mit der Überwachung der einzelnen Parameter werden unterschiedliche Ziele verfolgt. Die Überwachung der individuellen Ventiltemperatur hilft beispielsweise bei der schnellen Erkennung möglicher Ventilstörungen. Die Überwachung des Kolbenstangengefälles ermöglicht die Verfolgung der Verschleißrate und Leistung der Kolbenringe. Die Auswahl der richtigen Überwachungsparameter für jede Anwendung muss ein Gleichgewicht zwischen den gewünschten Überwachungsmöglichkeiten und dem im Projekt verfügbaren Budget darstellen. Auch hier können die OEMs wertvolle Beiträge zur Unterstützung dieses Entscheidungsprozesses liefern.
Viele OEMs bieten den Betreibern heute Fernüberwachungsdienste an. Über eine gesicherte Internetverbindung kann der OEM auf historische und Echtzeitdaten des Kompressors zugreifen, um Diagnosen zu erstellen und Empfehlungen für mögliche Eingriffe zu geben. Dieser Service ist besonders wertvoll für Betreiber, die keine hochqualifizierten Mitarbeiter für den Betrieb von Kolbenkompressoren haben oder planen, die Anlage aus der Ferne zu betreiben.
Das MMS erfordert im Vorfeld technischen Aufwand und zusätzliche Anschaffungskosten, aber die Amortisation kann sehr kurz sein, wenn die Berechnung mögliche Produktionsausfälle aufgrund unerwarteter Abschaltungen einschließt. Viele Betreiber definieren die gesamte Betriebszeit der Anlage auf der Grundlage der Betriebszeit der Kolbenkompressoren. Eine zusätzliche Betriebszeit von 1 % oder 2 % in einer großen Wasserstoffproduktionsanlage bedeutet Hunderttausende von Dollar an zusätzlich produziertem Wasserstoff.
Für viele neue Anwendungen von Wasserstoff im Rahmen von Energiewendeprojekten, z. B. als Treibstoff für Brennstoffzellen, gelten strenge Grenzwerte für Ölverunreinigungen im Prozessgas. Aufgrund der inhärenten Eigenschaft der geringen Energiedichte im Verhältnis zur Masse des Wasserstoffgases sind bei diesen Anwendungen sehr hohe Drücke erforderlich, um den erforderlichen Energiegehalt zu erreichen. Daher verzeichnet die Verdichtungsindustrie eine steigende Nachfrage nach schmiermittelfreien Hochdruck-Wasserstoffkompressoren mit typischen Enddrücken zwischen 2000 und 3000 psig (137,9 und 206,8 barg).
Es ist wichtig zu betonen, dass es diese Nachfrage vor einigen Jahren so noch nicht gab, denn in der Vergangenheit lag der Grenzwert für ungeschmierte Kolbenkompressoren bei etwa 103,4 bar (1500 psig). Die Industrie entwickelt sich schnell weiter, um diese neue Nachfrage mit Entwicklungen bei Dichtungsmaterialien und Konstruktionsoptimierungen zu erfüllen.
Ziel der Zylinderschmierung ist es, einen Ölfilm um die Zylinderlaufbuchse herum zu erzeugen, der die Reibung zwischen dem Bauteil und den Kolben- und Führungsringen verringert und so die Verschleißrate reduziert und die Betriebszeit des Kompressors erhöht. Die Erfahrung in der Industrie zeigt, dass sich eine korrekte Zylinderschmierung positiv auf die Betriebszeit eines Kompressors auswirkt und die Betriebszeit immer länger ist als bei einem entsprechenden Kompressor ohne Schmierung.
Bei ungeschmierten Kompressoren werden spezielle Materialien für Kolben- und Führungsringe verwendet (in der Regel Polytetrafluorethylen [PTFE] oder proprietäre Polyetheretherketon [PEEK]-Legierungen), die einen angemessenen Widerstand gegen Reibung bieten und gleichzeitig eine akzeptable Verschleißrate ohne Ölfilmschutz gewährleisten. Andere Überlegungen wie eine geringere Kolbengeschwindigkeit und ein geringeres Kolbengewicht haben sich als effizient erwiesen, um die Belastung der Ringe zu verringern und ihre erwartete Lebensdauer zu erhöhen.
Alternativ können Betreiber, die die Vorteile der längeren Betriebszeit von geschmierten Kompressoren nutzen wollen, oder Betreiber mit Anwendungen mit einem Enddruck von über 3000 psig, hocheffiziente Ölabscheidesysteme hinter dem Kompressor installieren. Diese Systeme sind heute verfügbar, haben sich in der Praxis bewährt und können große Volumenströme und hohe Drücke bewältigen, während sie Öl aus dem Wasserstoffstrom bis zu 1 Teil pro Milliarde entfernen.
Wasserstoff ist für Kolbenkompressoren nichts Neues. Seit mehr als 70 Jahren entscheiden sich viele Unternehmen in verschiedenen Märkten für Kolbenkompressoren, wenn es um die Verdichtung von Wasserstoff geht. Es ist zu erwarten, dass sich dieser Trend aufgrund der einzigartigen Eigenschaften dieser Maschine auch in einer Zukunft mit sauberer Energie fortsetzen wird.
Die Energiewende bringt neue Chancen und Herausforderungen für dieses zuverlässige Zugpferd der Kompressionsindustrie mit sich. Glücklicherweise lassen sich die meisten dieser Herausforderungen mit der vorhandenen Technologie lösen, die den Betreibern heute zur Verfügung steht.
Viele Entscheidungen, die während der Konstruktionsphase eines Kolbenkompressors getroffen werden, können einen erheblichen und dauerhaften Einfluss auf die Gesamtkosten der Anlage, die Fähigkeit des Kompressors, die angestrebte Betriebsdauer zu erreichen, und seine Fähigkeit zum effizienten Betrieb bei Teillasten haben. Für die Wasserstoffindustrie ist es von grundlegender Bedeutung, die wichtigsten Konstruktionsüberlegungen zu Kolbenkompressoren für Anlagen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff zu kennen. Dieser Artikel liefert die notwendigen Informationen, damit EPCs und Betreiber fundierte Entscheidungen für ihre Projekte treffen können.
Luiz Soriano verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Energiebranche in verschiedenen Führungspositionen in den Bereichen Qualität, Fertigung, Anwendungen und Vertrieb, darunter mehr als 12 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Kolbenverdichterlösungen. In dieser Zeit entwickelte er erfolgreich mehrere Wasserstoffkompressoren für verschiedene Anwendungen wie Verflüssigung, unterirdische Speicherung, Pipelines und erneuerbare Brennstoffe, um nur einige zu nennen. Derzeit ist er Key Account Manager bei NEUMAN & ESSER, wo er sich auf die Entwicklung von Kompressor- und Elektrolyseurlösungen für die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette konzentriert. Soriano ist Maschinenbauingenieur und hat einen MBA in Betriebswirtschaft. Der Autor dankt Electric Hydrogen für die Unterstützung bei der Erstellung dieses Artikels.