Effiziente Druckaufbereitung von Wasserstoff ist ein wesentlicher Schritt in der Wasserstoffherstellung, der vielfältige Anwendungen ermöglicht. Ein Schlüssel zur Optimierung dieses Prozesses liegt in der Verwendung eines Kolbenkompressor mit variabler Drehzahlregelung (VSD). Insbesondere bei der Elektrolyse, einem entscheidenden Schritt in der Wasserstoffproduktion, können solche Kompressoren nachgelagerte Profilschwankungen gezielt und effizient steuern. Dieser Ansatz trägt dazu bei, den Wasserstoffprozess zu optimieren und die Gesamteffizienz der Wasserstoffherstellung zu erhöhen.
Die Elektrolyse stellt bereits ein Verfahren dar, das durch die Nutzung erneuerbarer Energien eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung und Speicherung von Energie einnimmt. Hierbei leistet auch der Kolbenkompressor einen wertvollen Beitrag zur nachhaltigen Gestaltung dieses Prozesses. Die Synergie aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Wind oder Wasser in Verbindung mit der Elektrolyse ebnen den Weg zu einer bedeutsamen Etappe auf dem Weg zu einer zukunftsfähigen Energieversorgung. Bei der Elektrolyse wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten.
Die Bereitstellung von Energie für die Elektrolyse mittels erneuerbarer Quellen ist aber nicht konstant gewährleistet. Unter optimalen Bedingungen kann sie ausreichen, um die Elektrolyse in vollem Umfang zu betreiben. In Phasen, in denen die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien beeinträchtigt ist, steht lediglich ein Teil der erforderlichen Leistung für die Elektrolyse zur Verfügung. Dies führt zu einer deutlichen Verringerung der Wasserstoffproduktion innerhalb dieser Zeiträumen.
Funktionsweise des VSD Kolbenkompressor: Den Produktionsprozess optimieren
Was passiert innerhalb dieses Prozesses mit der nachgelagerten Kompression? Auch hier gilt es, auf mögliche Produktionsschwankungen in der Elektrolyse zu reagieren. Typischerweise wird Wasserstoff mithilfe eines Kolbenkompressor verdichtet, um den notwendigen Druck für einen Prozess oder für die Einspeisung in Pipelines zu erreichen. Der Kolbenkompressor gilt historisch gesehen als älteste Technologie, um Luft oder Gase zu verdichten.
Durch Verdrängung wird die Kompressionskammer im Zylinder immer weiter verkleinert und der Druck des Gases steigt. Was in der Theorie einfach klingt, setzt ein großes Know-How in der Konstruktion der Kompressoren voraus.
Bei der Verdichtung von Wasserstoff entsteht, ähnlich wie bei anderen Kompressionsprozessen Wärme, die abgeführt werden muss. Zusätzlich ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Kompressionskammer (statisch) und der Kolben (dynamisch) gut abgedichtet sind. Besonders die Kolbenringe spielen dabei eine zentrale Rolle, da sie zu den wichtigsten Bauteilen im Kolbenverdichter gehören. Sie beeinflussen nicht nur die Effizienz des Verdichtungsprozesses, sondern haben auch Einfluss auf die Dauer der Wartungsintervalle.
Entwicklung von Kolbenkompressoren: Bestimmte Betriebszustände müssen schon bei der Entwicklung eingeplant werden
Bei Kolbenkompressoren gibt es im Wesentlichen drei verschiedene Möglichkeiten, um den Volumenstrom, der im Verdichter komprimiert wird, zu regeln:
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Was ist Volumenstrom? In technischen Anwendungen wird der Volumenstrom häufig verwendet, um die Menge an Luft, Gas oder Flüssigkeit zu beschreiben, die durch Rohre, Kanäle, Kompressoren oder Pumpen strömt. Er ist ein wichtiger Parameter bei der Auslegung von Systemen, in denen der Fluss und die Umverteilung von Substanzen kontrolliert werden muss. |
1. Drehzahlregelung: Hier wird mithilfe eines sogenannten Frequenzumrichters die Drehzahl des Motors über die sogenannte Frequenz geregelt. Je nach eingestellter Frequenz des Motors wird eine schnellere oder langsamere Drehung erreicht, die im Kurbelwellengehäuse in eine Kolbenbewegung umgesetzt wird. Die Drehzahlregelung ist eine sehr effiziente Regelung der Volumenstrom-Menge und wird deshalb bevorzugt für größere Einheiten im Verdichtungsprozess eingesetzt.
2. Bypass-Regelung: Die Bypass-Regelung, auch bekannt als Kreislaufregelung, verwendet eine externe Umleitung um den Verdichter herum, um Gas vom Auslass des Verdichters zum Einlass zu leiten. Der Punkt, an dem das Gas entnommen wird, sollte vorzugsweise nach dem Austrittskühler positioniert sein. Dies ermöglicht, dass das gekühlte Gas zurück in den Ansaugbereich gelangt. Wenn kein Kühler am Auslass vorhanden ist, kann der Bypass alternativ vor einem Wärmetauscher oder Kühler in den Saugweg abgeleitet werden. Diese Regelungsmethode eignet sich besonders für kurzzeitige, vorübergehende oder präzise Anpassungen aufgrund ihrer sanften und einfachen Natur. Normalerweise wird diese Methode in Kombination mit Saugventil-Entlastungsvorrichtungen oder festen Abstandshaltern eingesetzt, um die Verdichterleistung in bestimmten, vorher festgelegten Schritten zu reduzieren.
3. Ventildeckel-Anhebung: Die Saugventilentlastung ist eine bevorzugte Methode zur Leistungsregelung, besonders bei einem mehrstufigen Kolbenkompressor. In solchen Fällen ist es entweder schwierig oder nicht ausreichend, die Drehzahl anzupassen, um den gewünschten Teillastbereich zu erreichen. Diese Art der Regelung verwendet ein Entlastungssystem, das das Saugventil offen hält und dem Gas erlaubt, zurück in den Ansaugbereich zu strömen. Mit anderen Worten, die Saugventilentlastung agiert als Mechanismus, um die Saugventile von Zylindern zu öffnen oder zu überbrücken, normalerweise an beiden Enden von doppeltwirkenden Zylindern. Dies sorgt für eine vollständige Entlastung eines oder beider Zylinderenden. In Fällen von einzelnen Verdichterstufen ermöglichen Saugventil-Entlastungsvorrichtungen eine dreistufige Regelung der Belastung. Dabei werden nominale Zylinderkapazitäten von 0, 50 und 100 Prozent erreicht. Wenn es zwei doppeltwirkende Zylinder pro Stufe gibt, kann die Leistung sogar in fünf Stufen geregelt werden: 0, 25, 50, 75 und 100 Prozent. Zu beachte ist jedoch, dass viele Kompressoren die 25-prozentige Belastungsstufe oft aus Zuverlässigkeitsgründen ausschließen. Im Vergleich zur Drehzahlregelung ist die Energieeffizienz hier jedoch deutlich geringer. Atlas Copco bietet eine Drehzahlregelung (VSD, Variable Speed Drive) für Wasserstoff-Kolbenkompressoren an. Und das nicht nur als Option, sondern als Standard-Produkt.
Effiziente Anpassung des Wasserstoff-Massenstroms durch Kolbengeschwindigkeitsregelung
Durch die Anpassung der Kolbengeschwindigkeit kann der Wasserstoff-Massenstrom optimal an die jeweiligen Produktionsbedingungen angepasst werden. Dabei ist das Druck-Arbeitsband sehr eng, sodass der Kolbenkompressor von schwankenden Druckverhältnissen am Ausgang nicht beeinträchtigt wird. Diese stufenlose Regelung erfolgt mithilfe eines integrierten Frequenzumrichters. Unsere Experten bei Atlas Copco können auch die Integration von Pulsationsdämpfern und Pufferbehältern in die Konzeption einbeziehen. Dabei steht immer die individuelle Lösungsfindung für jeden Anwendungsfall im Mittelpunkt. Mit einem modularen Ansatz können verschiedene Kompressoren, Pufferbehälter und Komponenten zu maßgeschneiderten Lösungen kombiniert werden.
Die Drehzahlregelung bei einem Kolbenkompressor ist ein komplexes Thema, das auch die technischen Randbedingungen der Kompressor-Konstruktion berücksichtigt. Hierfür hat Atlas Copco ein spezialisiertes Engineering-Team, das sich auf das Design und die Optimierung von Wasserstoff-Kolbenkompressoren konzentriert. Die Verwendung der Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter ermöglicht Atlas Copco eine äußerst effiziente Steuerung des Volumenstroms. Im Vergleich zur bekannten Bypass-Regelung oder der Saugventilentlastung kann der Energieverbrauch nahezu linear in Abhängigkeit vom Volumenstrom gesenkt werden. Dies betrifft nicht nur den Energiebedarf der Elektrolyse, sondern auch die nachgelagerte Kompression, die bis zu 10% der Energie der gesamten Elektrolyseanlage (Balance of Plant, BoP) ausmachen kann.
Basierend auf der langjährigen Erfahrung von Atlas Copco wurde ein System entwickelt, das sich modular an verschiedene Betriebsbedingungen und Elektrolysegrößen anpassen lässt. Der Verbund von mehreren Wasserstoff-Kompressoren kann auf Wunsch mit einer übergeordneten Steuerung verbunden werden, um höchste Effizienz und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Atlas Copco Kolbenkompressoren werden seit Jahrzehnten im Wasserstoff-Bereich eingesetzt und genießen einen ausgezeichneten Ruf in Sachen Zuverlässigkeit. Die Verbindung dieser langjährigen Erfahrung mit den Innovationen im Wasserstoff-Bereich ermöglicht es Atlas Copco, jederzeit maßgeschneiderte Kundenlösungen anzubieten.
Nachhaltige Energieversorgung durch Elektrolyse mit erneuerbaren Energien und effizienten Kompressor-Konzepten
Insgesamt bieten die Elektrolyse mit erneuerbaren Energien in Kombination mit effizienten Kompressor-Konzepten bedeutende Chancen für eine nachhaltige Energieversorgung. Durch die Verbindung erneuerbarer Energiequellen mit der Elektrolyse können wir sauberen Wasserstoff erzeugen, Energie speichern und verschiedene Sektoren dekarbonisieren. Diese Entwicklung markiert einen wichtigen Schritt in Richtung einer kohlenstoffarmen Zukunft und trägt aktiv zur Bekämpfung des Klimawandels bei.
