cav – Prozesstechnik für die Chemieindustrie 1-2.2023

cav FOKUS ANLAGEN UND KOMPONENTEN FÜR WASSERSTOFF
Einsatz entlang der gesamten Prozesskette
Plattenwärmetauscher in
der Wasserstoffwirtschaft
Plattenwärmetauscher unterschiedlicher Typen finden entlang der gesamten Wertschöpfungskette
der Wasserstoffwirtschaft Verwendung. Sie werden sowohl im
Rahmen von Prozessen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien als
auch bei der Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse und der dazu mitunter
benötigten Wasseraufbereitung eingesetzt. Der Wasserstoff aus der Elektrolyse
wird anschließend als Energiequelle und Rohstoff für die Weiterproduktion genutzt.
Die Herstellung von 1 kg Wasserstoff erfordert
rund 15 l deionisiertes Wasser, dessen
Qualitätsanforderungen vergleichbar
mit denen von Trinkwasser sind. Zur Schonung
der Trinkwasserressourcen ist zum
Beispiel in Küstenregionen die Verwendung
von aufbereitetem Meerwasser eine nachhaltige
Lösung. Nach der Filterung wird das
Wasser mithilfe einer Entsalzungsanlage für
den Elektrolyseurprozess aufbereitet. Effiziente
Plattenwärmetauscher fungieren
hierbei als Verdampfer und Kondensatoren.
Zunächst werden Wassermoleküle aus dem
Meerwasser durch Verdampfung abgetrennt
und das entsalzte Wasser wird als Kondensat
aufgefangen. Sofern erforderlich, wird
dieses Wasser anschließend deionisiert und
kann im Elektrolyseurprozess eingesetzt
werden. Zur Steigerung der Effizienz der
Gesamtanlage bietet sich vor allem in Offshore-Anlagen
die Nutzung von Abwärme
aus der Elektrolyse zur Meerwasserent
salzung an.
Die effiziente Kühlung und Wärmerückgewinnung ist ein Schlüsselelement der Wasserelektrolyse entlang
der gesamten Prozesskette. Einsatzbereiche: 1. Elektrolytkühlung, 2. Gaskühlung, 3. Prozesswasserentsalzung,
4. Kühlung nach Behandlung, 5. Gesamtanlagenkühlung, 6. Wärmerückgewinnung, 7. Endanwendungen
Bilder: Alfa Laval
Essenziell für die Elektrolytkühlung
Während des Elektrolyseurprozesses entsteht
Wärme durch die angelegte Spannung und
die chemischen Reaktionen an den Elektroden.
Eine Anlage mit einem Wirkungsgrad
von 65 % setzt 35 % der zugeführten elektrischen
Energie in Form von Wärme frei.
Diese Wärme lässt sich durch Plattenwärmetauscher
aus dem Prozess abführen, sodass
der Wasserstoff unter optimalen Bedingungen
ohne Überschreitung der Maximaltemperatur
hergestellt werden kann. Der Elektrolyt,
also demineralisiertes Wasser im Falle
einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse
(PEM) oder ein Kaliumhydroxid-Wasser-Gemisch
bei der Alkalischen Elektrolyse
(AEL), wird durch ein kühleres Medium gekühlt.
Maximale Effizienz ermöglichen Wärmetauscher
mit spezieller Plattenprägung,
die in den Kreislauf integriert sind und eine
ständige Kühlung der Prozessflüssigkeit sicherstellen.
Hierbei ist das Material der Platten
entscheidend. Korrosion soll verhindert
und die Wasserstoffqualität und Langlebigkeit
der Elektrolyseure optimiert werden.
Die Abwärme aus dem Elektrolyseur kann in
Fernwärmenetze eingespeist oder dem Prozess
an anderer Stelle zugeführt werden, wie
beispielsweise der vorgenannten Wasserentsalzungsanlage,
was Energiekosten spart.
Einsatz in der PEM-Elektrolyse
Bei der PEM-Elektrolyse kommen Edelstahlplattenwärmetauscher
(Alloy 316) zum Einsatz,
um eine Wasserstoffversprödung des
Plattenmaterials zu verhindern. Für kleinere
Anlagen bis zu ungefähr einem Megawatt
eignen sich kompakte, vollverschweißte
Wärmetauscher, während gedichtete Wärmetauscher
in größeren Anlagen Einsatz finden.
Semi- und vollverschweißte Plattenwärmetauscher
zeichnen sich durch eine hohe
Druckfestigkeit aus und bieten in der Wasserstoffproduktion
einige Vorteile. Zum Bei-
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