Wasserstoff

Produktion Lagerung und Transport Verwendung

Seit vielen Jahren sind Wasserstofftechnologien fester Bestandteil der Prozessindustrie, insbesondere in Bereichen wie Raffinerien, Methanol- und Ammoniakherstellung, wo hauptsächlich Erdgas und Kohle als Grundstoffe für die Produktion von Wasserstoff dienen. Mit dem zunehmenden Fokus auf eine kohlenstoffarme Zukunft gewinnt die Erzeugung von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen, beispielsweise durch Elektrolyse mit Strom aus Solar- und Windenergie, an Bedeutung. Diese „grüne“ Wasserstoffproduktion ist entscheidend für die angestrebte Dekarbonisierung der globalen Wirtschaft und verspricht, eine Schlüsselrolle in der Energieversorgung der Zukunft zu spielen.

In der gesamten Wertschöpfungskette von Wasserstoff – von der Erzeugung über die Verarbeitung und Verteilung bis hin zur Speicherung – müssen die eingesetzten Geräte und Materialien extremen Anforderungen genügen. Sie sind Temperaturen bis zu -253 °C, Drücken bis zu 700 bar und darüber hinaus sowie spezifischen Herausforderungen wie der Wasserstoffmigration, die Materialermüdung und Rissbildung in Metallen verursachen kann, ausgesetzt. Darüber hinaus erfordert der Umgang mit Wasserstoff spezielle Sicherheitsmaßnahmen und Materialien, die der Diffusion und der reaktiven Eigenschaften von Wasserstoff standhalten können. Die Entwicklung und Implementierung von Technologien für die sichere und effiziente Handhabung von Wasserstoff sind daher von entscheidender Bedeutung für die erfolgreiche Integration von Wasserstoff als Energieträger in einem breiten Spektrum industrieller Anwendungen.

Wasserstoffinduzierte Versprödung – Die stetige Exposition gegenüber Wasserstoff kann in bestimmten Materialien zu dem Phänomen der wasserstoffinduzierten Versprödung führen. Bei diesem Vorgang dringt Wasserstoff in die Mikrostruktur der Materialien ein, was eine Verminderung der mechanischen Festigkeit und letztlich strukturelles Versagen zur Folge haben kann. Um solche negativen Auswirkungen zu verhindern, ist die Auswahl von Materialien, die direkt mit Wasserstoff in Berührung kommen, von entscheidender Bedeutung. Typischerweise wird der Einsatz von austenitischen Stählen wie 316L oder 316Ti empfohlen. Darüber hinaus bieten spezialisierte Legierungen wie Hastelloy C276, Inconel 718 oder 2.4711 (Elgiloy®) eine hohe Resistenz gegenüber Wasserstoffversprödung. Zusätzlich zur Materialauswahl ist es wichtig, bei der Konstruktion und Wartung von Wasserstoffanwendungen spezifische Richtlinien und Best Practices zu beachten, um die Integrität und Langlebigkeit der eingesetzten Komponenten sicherzustellen.
Permeation von Wasserstoff – Wasserstoff, das leichteste Element im Periodensystem, besteht aus den zweitkleinsten Atomen nach Helium. Bei Kontakt mit Metallflächen benötigen Wasserstoffmoleküle nur eine geringe Menge an Energie, um in einzelne Atome zerlegt zu werden und schließlich in Protonen (H+-Ionen) umgewandelt zu werden. Diese Protonen können dann in die Metall- und Legierungsstrukturen eindringen, was über Zeit zu Veränderungen im Signal des Messsensors führen kann. Der Grad dieses Effekts steigt mit zunehmender Energie, die durch höhere Temperaturen oder Drucke in den Prozess eingebracht wird. Um die Durchdringung von Wasserstoff durch das Metall und somit eine Veränderung des Sensorsignals zu minimieren, bietet eine Goldbeschichtung eine effektive Lösung. Gold bildet eine effiziente Barriere gegen Wasserstoffpermeation, mit einer wesentlich niedrigeren Permeationsrate im Vergleich zu gängigen Industriematerialien wie Edelstahl 316L. Diese Schutzschicht hilft, die Langzeitstabilität und Genauigkeit von Sensoren in wasserstoffreichen Umgebungen zu gewährleisten, indem sie die Interaktion zwischen Wasserstoffionen und dem Sensorinneren deutlich reduziert. So kann die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Messinstrumenten in anspruchsvollen Anwendungen, besonders bei hohen Temperaturen und Drücken, signifikant verbessert werden.
Leckagen in Wasserstoffsystemen – Wasserstoff kann in Kombination mit Luft schon ab einer Konzentration von 4 Mol-% in der Luft explosive Gemische bilden. Daher ist es entscheidend, Leckagen in Systemen, die mit Wasserstoff arbeiten, zu vermeiden oder stark einzuschränken. Ein effektives Belüftungssystem ist für den sicheren Betrieb von Wasserstoffanwendungen unerlässlich, um potenzielle Risiken zu minimieren. Aus diesem Grund wählt man in Wasserstoffumgebungen häufig metallische Dichtungen, da diese eine höhere Dichtigkeit und Beständigkeit gegenüber den spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff bieten. Darüber hinaus ist es wichtig, dass auch innerhalb der Messtechnikkomponenten die Leckrate so gering wie möglich gehalten wird, um die Sicherheit weiter zu erhöhen und den ungewollten Austritt von Wasserstoff effektiv zu verhindern. Moderne Messgeräte und -systeme sind daher so konzipiert, dass sie den speziellen Anforderungen von Wasserstoffanwendungen entsprechen, einschließlich der Verwendung von Materialien und Technologien, die die Leckageraten minimieren.
Herausforderungen bei der Wasserstoffspeicherung – Die Speicherung von Wasserstoff stellt in Abhängigkeit von seinem Aggregatzustand verschiedene Herausforderungen bei der Messung und Handhabung dar. In gasförmiger Form wird Wasserstoff unter Drücken bis zu 700 bar gespeichert, was die Verwendung von Drucksensoren erfordert, die Messungen bis zu 1.050 bar ermöglichen, um Temperaturschwankungen und Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden. Dies ist insbesondere für den Einsatz an Wasserstofftankstellen von Bedeutung. In seiner flüssigen Form wird Wasserstoff bei extrem niedrigen Temperaturen von -253 °C oder darunter gehalten. Daher müssen Lösungen zur Temperaturüberwachung nicht nur die Fähigkeit besitzen, diese extremen Bedingungen präzise zu messen, sondern auch die Effektivität der Tankisolierung nicht beeinträchtigen. Zusätzlich müssen die verwendeten Materialien und Technologien in der Lage sein, den rauen Umgebungsbedingungen standzuhalten, ohne an Genauigkeit oder Zuverlässigkeit zu verlieren. Es ist entscheidend, dass die Messinstrumente robust genug sind, um Langzeitstabilität und Funktionsfähigkeit unter diesen extremen Bedingungen zu gewährleisten, was eine wesentliche Voraussetzung für die sichere und effiziente Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle ist.

➜ Wasserstoff-Produktion

Elektrolyse

Die Herstellung von grünem Wasserstoff, ein Schlüsselbestandteil der Energiewende, beginnt typischerweise mit dem Prozess der Wasserelektrolyse. Bei dieser Technologie werden durch den Einsatz von Strom, der aus erneuerbaren Quellen wie Solarenergie, Windkraft oder Wasserkraft stammt, Wassermoleküle (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt.

Aktuell dominieren vor allem drei Typen von Elektrolyseverfahren den Markt:

Alkalische Elektrolyseure nutzen eine wässrige Kaliumhydroxidlösung als Elektrolyt, um die Aufspaltung der Wassermoleküle zu katalysieren.
Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEM) verwenden eine spezielle Polymerelektrolytmembran, die eine hohe Effizienz bei der Wasserstofferzeugung ermöglicht.
“Solid Oxide Electrolyser Cell”-Technologie (SOEC) setzt auf die elektrochemische Zerlegung von Wasserdampf in seine Bestandteile bei hohen Temperaturen von bis zu 850 °C.

Jede dieser Elektrolysetechniken stellt spezifische Anforderungen an den Betrieb, insbesondere in Bezug auf den Prozessdruck, die Temperatur und das verwendete Medium. Um diese Herausforderungen zu meistern, bieten wir eine umfassende Palette von Messlösungen für Druck, Temperatur, Durchfluss und Füllstand an. Diese Instrumente sind entscheidend für einen effizienten und sicheren Betrieb der Elektrolyseure und tragen somit zur Optimierung der Wasserstoffproduktion bei. Darüber hinaus unterstützen sie die Wartung und Überwachung der Anlagen, um deren Langlebigkeit und Zuverlässigkeit zu sichern, was wiederum zur Kosteneffizienz und zur Stärkung der grünen Wasserstoffwirtschaft beiträgt.

Produkte - Elektrolyse

WIKA Typen IV30, IV31, IV50, IV51 Ventilblock 3-, 5-fach-Ventilblock für Differenzdruckmessgeräte

Verschleißarme Ausführung durch nichtdrehende Spindelspitze im Ventiloberteil
Niedriges Drehmoment und einwandfreier Betrieb des Ventilgriffs auch bei hohem Druck
Erhöhte Sicherheit durch ausblassichere Ventiloberteil-Ausführung
Kundenspezifische Kombination aus Ventilen und Geräten (Hook-up) auf Anfrage
Standardisierte Achsabstände 37 mm und 54 mm passend für WIKA-Differenzdruckmanometer und marktübliche Prozesstransmitter

Datenblatt
Bedienungsanleitung

Genauigkeit	0,065 % (SITRANS P320), 0,04 % (SITRANS P420)
Antwortzeit	bis zu 105 ms
Langzeit-Stabilität:	≤ 0.125 % / 5 Jahre
Messzellen	von 20 mbar bis zu 700 bar
Max. Turndown	100:1
Messstofftemperatur	-40 °C bis +100 °C
Zertifikate/ Zulassungen	ATEX, IEC EX, FM, CSA, NEPSI und andere
SIL-2/3 Zertifizierung:	Entwickelt nach IEC 61508 Standards HART7 Kommunikation
Kommunikation	HART, PROFIBUS PA (in Vorbereitung), FOUNDATION Fieldbus (in Vorbereitung)
Werkstoffe Membran	Edelstahl, Hastelloy, Tantal, Monel, Gold

Genauigkeit	0,065 % (SITRANS P320), 0,04 % (SITRANS P420)
Antwortzeit	bis zu 105 ms
Langzeit-Stabilität:	≤ 0.125 % / 5 Jahre
Messzellen	von 20 mbar bis zu 700 bar
Max. Turndown	100:1
Messstofftemperatur	-40 °C bis +100 °C
Zertifikate/ Zulassungen	ATEX, IEC EX, FM, CSA, NEPSI und andere
SIL-2/3 Zertifizierung:	Entwickelt nach IEC 61508 Standards HART7 Kommunikation
Kommunikation	HART, PROFIBUS PA (in Vorbereitung), FOUNDATION Fieldbus (in Vorbereitung)
Werkstoffe Membran	Edelstahl, Hastelloy, Tantal, Monel, Gold

Wasserstoff

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Elektrolyse

Konventionelle H2-Produktion

➜ Wasserstoff-Lagerung und Transport

Lagerung und Transport

Kompression

Konventionelle H₂-Produktion