Mit dem verstärkten Ausbau der erneuerbaren Energiequellen und unter dem Zwang, den klimaschädlichen CO2-Ausstoß zu senken, tritt Wasserstoffgas als klimaverträglicher Energieträger immer stärker in den Mittelpunkt des technischen und wirtschaftlichen Interesses. Vor allem die Perspektive, mithilfe der Elektrolyse, regenerativ gewonnenem Strom und Wasser (H2O), grünen Wasserstoff zu gewinnen, macht dieses Gas für eine breite Nutzung attraktiv. Zudem kann mit einer grünen Wasserstoff-Energiewirtschaft der Hauptnachteil des Stroms aus Windkraft- und Solaranlagen eliminiert werden: die fehlenden bzw. bisher noch sehr aufwendigen Stromspeichermöglichkeiten.
Wasserstoffanwendungen – ein breites Anwendungsfeld für Fluidsysteme
Eng verbunden mit dem Ausbau der Wasserstoffwirtschaft ist die Brennstoffzellen-Technologie. Sie ermöglicht in einem chemisch-galvanischen Prozess unter Zusetzung von Luftsauerstoff die Umwandlung von H2 in Gleichstrom und zwar im mobilen und stationären Einsatz.
Welche Bedeutung langfristig für grünen Wasserstoff als Energieträger angestrebt wird, verdeutlichen die potenziellen Einsatz- und Anwendungsbereiche, die u.a. vom Bundeswirtschaftsministerium genannt werden:
- Kraftfahrzeugverkehr, insbesondere Fern- und Schwerlastverkehr
- Schiff- und Luftfahrt
- Fertigungsprozesse in der Industrie (z.B. Stahlerzeugung, Metallverarbeitung)
- Herstellung von Zement-, Glas und Keramik
- Substitution der fossilen Energieträger für die bisherige Wasserstoff-Produktion u.a. im Raffinerie- und Chemiebereich
Diese Bereiche veranschaulichen den enormen Bedarf an Wasserstoffanwendungen, der entsprechende Investitionen in eine Wasserstoff-Infrastruktur erfordert: in die Herstellung, den Transport und die Lagerung bis hin zur Nutzung des Gases.
Die Eigenschaften von Wasserstoff
Wie jedes Gas hat auch Wasserstoff spezifische Eigenschaften, die an jedem Punkt der Versorgungskette von der Erzeugung bis zur Anwendung beachtet werden müssen, um die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten:
- Die hohe Diffusionsfähigkeit von Wasserstoff erfordert für die zu verbauenden Komponenten Werkstoffe, die der Wasserstoffdiffusion langfristig widerstehen. Nur so kann der schleichende Gasverlust im Fluidsystem vermieden werden.
- Da manche Metalle Wasserstoff absorbieren, entsteht ein Korrosionsprozess, die so genannte Wasserstoffversprödung. Diese führt im Lauf der Zeit zu einer vorzeitigen Materialermüdung mit Rissbildung oder Sprödbruch und hohem Sicherheitsrisiko.
- Die primäre Eigenschaft von Wasserstoff als exzellenter Energieträger erhält ihre wirtschaftliche Bedeutung erst bei hoher Verdichtung von 350 bis 700 bar. Das bedeutet, dass H2–Fluidsysteme diesen hohen Druckverhältnissen auf Dauer standhalten müssen.
- Im Gegensatz zu den meisten anderen Gasen erwärmt sich Wasserstoffgas bei Expansion – und zwar umso stärker, je schneller die Expansion erfolgt. Bei hohen Drücken von 350 bis 700 bar besteht daher ein beachtliches Sicherheitsrisiko, wenn ein schlagartiger Druckverlust erfolgt.
- Wasserstoffgas ist brennbar und je höher die Energiedichte durch Kompression, desto größer ist die Gefahr der Explosion durch Fremdzündung, d.h. statische Funkenentladung, Blitzschlag oder offenes Feuer (z.B. Feuerzeug).
Diese Eigenschaften von Wasserstoff sind im Rahmen von Fluidsystemen mit der heute zur Verfügung stehenden Technik und den geeigneten Materialien ohne weiteres zu beherrschen.
Erst dadurch erhält Wasserstoffgas die entscheidende Bedeutung als optimaler Energiespeicher, da er
- ökologisch und klimaverträglich durch Elektrolyse aus Wasser mithilfe von regenerativen Energiequellen hergestellt werden kann.
- auf unbestimmte Zeit lagerfähig ist.
- und bei der Nutzung zur Strom- und Wärmeerzeugung mittels Brennstoffzelle als Reaktionsrückstand lediglich Wasser (H2O) abgeschieden wird.
Fluidsysteme für Wasserstoffanwendungen
In jedem Teilbereich der H2-Infrastruktur – Erzeugung, Transport, Lagerung, Einsatz – sind Fluidsysteme mit zahlreichen Komponenten erforderlich, wie zum Beispiel Rohr- und Schlauchleitungen, Rohrverschraubungen und Anschlusstücke, Kontroll- und Messinstrumente sowie Ventile und Absperrhähne. Bei der Auswahl der Bauteile, die mit dem Gas in Kontakt kommen, müssen die oben beschriebenen und zum Teil problematischen Eigenschaften von Wasserstoff berücksichtigt werden. Nur so wird die zuverlässige Funktion und Lebensdauer der Fluidsysteme und somit ein Höchstmaß an Sicherheit beim Umgang mit dem Gas sichergestellt.
Für die H2-Infrastruktur müssen folglich ausnahmslos alle Komponenten auf diese spezifischen Anforderungen abgestimmt sein. Darauf hat sich Swagelok frühzeitig eingestellt und kann komplette Fluidsysteme bzw. ein vollständiges Sortiment an Einzelkomponenten anbieten. Sie sind auf Druckwerte bis zu 1551 bar ausgelegt und erfüllen die Anforderungen für EC79 Zertifizierungen. Alle Komponenten bestehen aus Wasserstoff resistenten Werkstoffen.
Rohrverschraubungen für Wasserstoffanwendungen
Für das funktions- und praxisorientierte Design von H2-Fluidsystemen spielen Rohrverschraubungen eine zentrale Rolle. Von ihnen werden drei wesentliche Eigenschaften gefordert:
- Gasdichtheit bei hohem Druck
- Stabilität gegen mechanische Einwirkungen
- Einfache, sichere Montage
Bei der Installationsarbeit von Fluidsystemen sind Rohrverbindungen anhand von Rohrverschraubungen oft unumgänglich. Herkömmliche Rohrverschraubungen verfügen zumeist über eine umlaufende schmale Kontaktfläche als Dichtung. Diese Dichtkraft reicht aufgrund der durchdachten und anspruchsvollen Verschraubungstechnik für übliche Anwendungen in aller Regel aus.
Wegen der hohen Diffusionsfähigkeit von Wasserstoff und des permanent hohen Drucks in einem Wasserstoff-Fluidsystem hat sich jedoch ein neuartiges Verschraubungsverfahren als das deutlich geeignetere erwiesen, da es die erhöhten Anforderung an Gas-Leckagesicherheit zuverlässiger erfüllt: die innovative und patentierte Klemmringverschraubung von Swagelok. Diese bietet mit zwei ineinander greifenden Klemmringen den Vorteil von zwei umlaufenden, jeweils größeren Kontakt- bzw. Dichtflächen. Zudem besteht die gesamte Klemmringverschraubung für Wasserstoffanwendungen aus Edelstahl 316/316L. Die für Wasserstoff geeigneten Werkstoffe der Swagelok Komponenten sind jedoch mit einem höheren Nickelanteil beaufschlagt als es die ANSI-Vorgaben für diese Edelstahl-Qualität verlangen. Dadurch wird ein weitaus besserer Korrosionsschutz gegen das Wasserstoffgas erzielt.
Die Swagelok Klemmringverschraubung bietet neben der erhöhten Dichtleistung gegenüber herkömmlichen Cone/Thread den weiteren Vorteil einer deutlich stärkeren Haltekraft. Durch den einzigartigen Scharnier-Spann-Effekt werden die Klemmringe während des Installationsvorgangs gegen das Rohr gepresst, so dass eine absolut sichere Fixierung der beiden Rohrenden erzielt wird. Diese unterstützt nicht nur zusätzlich die Dichtheit, sondern schützt auch zuverlässig gegen mechanische Kräfte wie z.B. Vibrationen beim laufenden Einsatz in Fahrzeugen.
Der dritte Vorteil vervollständigt in überzeugender Weise die Überlegenheit der Swagelok Klemmringverschraubung gegenüber der herkömmlichen Cone/Thread: die bei weitem kürzere und einfachere Montage. Während bei der klassischen Rohrverschraubung sehr viel Sorgfalt und Fachkenntnis sowie spezielle Werkzeuge erforderlich sind, benötigt die Swagelok Klemmringverschraubung ein Fünftel der Installationszeit, minimalen Schulungsaufwand und einen Standard-Gabelschlüssel, um eine in jeder Hinsicht fachgerechte Rohrverschraubung zu montieren.
Der Schlüssel zu sicheren und effizienten Wasserstoffanwendungen
Für Wasserstoff-Fluidsysteme kann Swagelok eine breite Produktpalette an Komponenten, Rohr- und Schlauchleitungen und sonstige für Wasserstoffanwendungen benötigte Bauteile anbieten. Somit kann die gesamte Brennstoffzellen orientierte Infrastruktur mit Swagelok als Lieferpartner realisiert werden.
Vor allem die neuartigen und patentierten Klemmringverschraubungen der FK-Serie mit einem Druckeinsatzbereich bis 1551 bar wird allen Ansprüchen hinsichtlich Gasdichtheit, Robustheit gegen mechanische Belastungen (z.B. Vibrationen im Fahrzeugeinsatz) sowie zeitsparende und sichere Montage gerecht.
Über die Funktion des zuverlässigen, leistungsfähigen Lieferpartners hinaus bietet Swagelok ausführliche Beratungsleistungen seiner erfahrenen Wasserstoff-Experten an. Nehmen Sie Kontakt mit uns auf, wenn Sie mehr über die Produktpalette für Wasserstoffanwendungen erfahren oder von der Erfahrung unserer Experten in einem ersten, unverbindlichen Beratungsgespräch profitieren möchten.
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