Elektrolyse & Durchflussregelung von PCS

Durchflussregelung und Elektrolyse: Regelung von Wasserstoff oder Sauerstoff mit Vordruckreglern

Wie PCS Kunden hilft, Innovationen in Elektrolyseanwendungen voranzutreiben

Die Energiewende wird immer wichtiger. Damit ist nicht nur die Nutzung fossiler Energien gemeint, sondern auch die Erstellung und Nutzung einer nachhaltigeren grünen Energie–Infrastrukturwie z. B. die Umwandlung von Wasser in „grünen“ Wasserstoff durch die Elektrolyse. Auf dieser Seite erklärt PCS-Gründer & Elektrolyse-Problemlöser Armand Bergsma wie Domgeladene Vordruckregler Wasserstoffproduktströme über einen breiten Druckbereich und einen breiten Durchflussbereich mit sehr hoher Genauigkeit steuern können.

Wasserstofferzeugung: Mit Elektrolyse von fossil zu grün

Traditionell ist Wasserstoff seit jeher fossilen Ursprungs. Die – auch heute noch – gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Wasserstoff basiert auf dem „Steam Methane Reforming“ (kurz: SMR). Dabei wird Wasserstoff aus Erdgas „freigesetzt“, wobei das Treibhausgas Kohlendioxid als unerwünschtes Nebenprodukt entsteht.

Eine ideale Art sauber und grün Wasserstoff zu produzieren basiert darauf, elektrischen Strom durch Wasser zu leiten und ihn effektiv in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten – ein Prozess, der allgemein als Elektrolyse bekannt ist. Diese Wasserstofferzeugung ist noch grüner, wenn der elektrische Strom nachhaltigen Ursprungs ist, wie z. B. Solarzellen-basierter (PV) oder Windturbinen-basierter Strom. Die Elektrolyse ist praktisch eine Möglichkeit, elektrische Energie in Wasserstoff als Energieträger umzuwandeln. Dieses „Power-to-Gas“ kann als Langzeitspeicher für elektrische Energie oder zur späteren Verwendung des Wasserstoffs als sauberer Kraftstoff verwendet werden.

Wie sieht die Apparatur für die Elektrolyse aus?

Ein praktisches Design einer solchen Wasserspaltungsvorrichtung ist die Elektrolyse über eine Polymeraustauschmembran (PEM). Wasser tritt auf einer Seite als kontinuierlicher Strom in die Apparatur ein, und der elektrische Strom lässt Wasserstoff selektiv durch die durchlässige Membran zur anderen Seite passieren. Dadurch wird Wasser effektiv in Sauerstoffgas und Wasserstoffgas gespalten, die beide das Gerät an separaten Seiten der Apparatur verlassen. Da Wasserstoff nach der Elektrolyse häufig unter hohem Druck gespeichert wird, ist es günstig, die Elektrolyse-Apparatur ebenfalls unter hohem Druck zu betreiben. Dadurch werden zusätzliche Verdichtungsschritte vermieden, was Komplexität und Kosten reduziert.

Die Bedeutung einer konstanten Druckregelung

Eine konstante Druckregelung der kontinuierlichen Sauerstoff- und Wasserstoffgasströme, die in der Elektrolyse erzeugt werden, ist eine Notwendigkeit. Insbesondere der Druckunterschied zwischen den beiden Strömen muss so gering wie möglich gehalten werden, um mechanische Belastungen der Elektrolysemembran zu vermeiden. Und das ist bei einem so hohen Betriebsdruck eine ziemliche Herausforderung. Es gibt jedoch eine Lösung: Dom-Vordruckregler von Equilibar sind ideal für diese Zwecke.

Kredite

Beispielaufbau einer alkalischen Wasserelektrolyse – Credit von Brauns, J.; Turek, T. Alkalische Wasserelektrolyse mit erneuerbarer Energie: Ein Rückblick. Prozesse 2020, 8, 248. https://doi.org/10.3390/pr8020248

Wie PCS helfen kann: Einzigartiges Know-how und Fähigkeiten für präzise Durchfluss- und Druckregelung

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Equilibar Dom-Vordruckregler

Bei diesem einzigartigen Druckregler trennt eine flexible Membran einen Referenzanschluss von einem Prozessanschluss.

Der Trick dieses Geräts? Durch die Einstellung des Drucks am Referenzanschluss wird der Druck des Prozessanschlusses geregelt. Dieser Prozessanschluss besteht aus einer Reihe paralleler Öffnungen, die von der Membran abgedeckt und abgedichtet werden.

Wenn der Prozessdruck größer als der Referenzdruck ist, hebt diese Druckdifferenz die Membran an, um den Überdruck abzubauen. Diese Membran ist der einzige bewegliche Teil des Vordruckreglers.

Steuerung bei sehr niedrigem oder sehr hohem Durchfluss

Dieser Prozesskanal des Reglers befindet sich hinter dem Elektrolyseur und ist direkt mit einem der Gasströme verbunden, die das Gerät verlassen. Ein Vordruckregler steuert den Wasserstofffluss und ein anderer den Sauerstofffluss. Bei einem sehr geringen Durchfluss wird nur ein kleiner Teil der Membran über einer Öffnung angehoben, um den Druck abzubauen. Bei einem sehr hohen Durchfluss wird die gesamte Membran über alle Öffnungen angehoben, um den Druck abzubauen. Dies ist für eine Elektrolyseuranwendung unerlässlich: Beim Anfahren und Abschalten ist der Durchfluss bei ultraniedrigem Druck hoch, während im „normalen“ Betrieb der Druck bei einem ultraniedrigen Durchfluss hoch ist. Daraus ergibt sich ein sehr großer Durchflussbereich, mit einer Range von 1000:1 oder sogar noch größer.

Wie geht man mit Zweiphasenströmung um?

Unten sehen Sie ein Beispiel für einen Elektrolyseaufbau. In dieser Anwendung haben wir es mit Gasen (Wasserstoff und Sauerstoff) und einer Flüssigkeit (Wasser) zu tun. An der gleichen Seite des Elektrolyseurs, wo Wasser eingeführt wird, bilden sich Sauerstoffbläschen, was zu einer Flüssigkeit/Gas-Zweiphasenströmung führt. Glücklicherweise ermöglichen die mehreren Öffnungen des kuppelbelasteten Vordruckreglers die Steuerung des Drucks des Sauerstoffflusses in Gegenwart von Wasser. Während einige der Öffnungen mit Flüssigkeit geflutet sein können, sind die verbleibenden offenen Öffnungen immer noch in der Lage, Gas zu transportieren und somit Druck abzubauen. Das Gas wählt einfach einen anderen Weg als die Flüssigkeit. Im Normalbetrieb ist eine Zweiphasenströmung zu vermeiden. Die Fähigkeit des Vordruckreglers, genau das zu tun, trägt direkt zur Robustheit des Systems und seiner Eignung für Elektrolyseanwendungen bei.

Hoher Druck und hohe Regelgenauigkeit

Die Elektrolyse kann zwar mit hohem Gesamtdruck, beispielsweise 50 bar, betrieben werden, jedoch muss die Druckdifferenz zwischen der Sauerstoffseite und der Wasserstoffseite je nach Konstruktion der Elektrolyse-Apparatur in einem Bereich von 10–100 mbar liegen. Das ist die maximale Druckdifferenz, der die Elektrolysemembran standhalten kann. Diese hohe Genauigkeit – 50 mbar bezogen auf 50 bar Betriebsdruck – erfordert eine Regelgenauigkeit von <0,1 %, was für herkömmliche Ventile eine große Herausforderung sein kann, oft sogar unmöglich ist. Dom-Vordruckregler sind in der Lage, diese hohe Präzision zu bewältigen, indem sie den Prozessdruck mit einem Referenzdruck regeln. Dazu müssen die Referenzanschlüsse der Regler auf der Sauerstoffseite und der Wasserstoffseite miteinander verbunden werden, wie im Bild unten zu sehen ist.