Wasserstoffanwendungen

LESER Sicherheitsventile für Wasserstoffanwendungen

Schon heute werden jedes Jahr weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff für die Prozessindustrie produziert. Wasserstoff ist ein Grundstoff in vielen Industrien, wie z. B. in Raffinerien, bei der Ammoniakproduktion oder anderen chemischen Prozessen.
Die Herstellung von Wasserstoff erfolgt durch chemische Prozesse oder Elektrolyse-Verfahren mit elektrischer Energie.
Zusätzlich zu diesen Bedarfen ist die Technologie zur Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle in Verbrennungsmotoren oder über Brennstoffzellen inzwischen auch bereit, in Zukunft Erdölprodukte zu ersetzen.
Die Vorteile von Wasserstoff als Energieträger sind dabei:

Neutraler CO₂-Fußabdruck: Wasserstoff, gewonnen aus erneuerbaren Energien, ist ein CO₂-neutraler Energieträger und Grundstoff.
Flexibler Energiespeicher: Durch erneuerbare Energien erzeugter Wasserstoff kann flüssig oder gasförmig in Tanks und Kavernen gelagert werden. Die Verteilung in die Fläche erfolgt mit mobilen Tanks und über vorhandene Gas-Pipelines.
Power-to-X: Wasserstoff kann flexibel als Energielieferant in Brennstoffzellen, Kraftstoff in Verbrennungsmotoren und Koks-Ersatz bei der Stahlerzeugung eingesetzt werden. Unter Zugabe von CO₂ wird er zu weiteren Kraft- und Brennstoffen.

Hydrogen_Embrittlement — Wasserstoffversprödung

Einschub: Wasserstoffversprödung

Ursache:
An den Metalloberflächen mit Kontakt zu Wasserstoff entsteht zum Beispiel durch Galvanisieren atomarer Wasserstoff (H). Dieser dringt in das Metallgefüge ein und bildet dort wieder molekularen Wasserstoff (H₂).

Wirkung:
Das Metall verliert seine Elastizität und bricht ohne Dehnphase.

Die LESER Lösung:
Austenitischer Stahl, z. B. 1.4404, den LESER für seine Teller und Sitzbuchsen in Wasserstoffanwendungen standardmäßig verwendet, ist weitgehend unempfindlich gegen Wasserstoffversprödung.

LESER Produkte für verschiedenste Wasserstoffanwendungen

Folgende Produktgruppen kommen bevorzugt zum Einsatz:

LESER empfiehlt austenitische Edelstähle wie die LESER Standard-Werkstoffe 1.4404/316L oder 1.4408/CF8M für medienberührte Bauteile des Sicherheitsventils. Diese Werkstoffe sind unempfindlich gegen Wasserstoffversprödung. Ob Guss- oder Schmiedematerial zu verwenden ist, hängt von den jeweiligen Einsatzbedingungen ab.

LESER Sicherheitsventile haben ihre Eignung für kryogene Temperaturen von –150 °C / –238 °F bis zum absoluten Nullpunkt über Jahre hinweg bewiesen. Für die besten Dichtheitsergebnisse unter diesen Bedingungen empfiehlt sich die folgende Produktkonfiguration:

Sicherheitsventil mit Sitzbuchse – Produktgruppe API Type 5264
Metallische Dichtflächen – Standardausführung
Stellitierter Teller – LESER Option Code J25
Stellitierte Sitzbuchse – LESER Option Code L65

Wasserstoff – ob gasförmig, hoch verdichtet oder verflüssigt – sprechen Sie uns an, wir finden für Ihre Anwendung die geeignete Lösung. Sicherheitsventile für Tieftemperaturanwendungen prüft LESER auf dem eigenen Kryo-Prüfstand.

LESER Referenzanwendungen

LESER sichert die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette ab – von der Herstellung in Prozessanlagen, der Verdichtung mit Hochdruckkompressoren, über die Verteilung in Tanks, Pipelines und Betankungsanlagen bis hin zum Verbrauch in mobilen Tanks auf Schiffen und in Brennstoffzellen.

Wasserstoff - von der Produktion bis zur Nutzung

Power generation

H2 Production

Drying & Storage

Transport

Usage

Stromerzeugung durch Sonnenenergie

Solarkraftwerke — Parabolrinnen-Kraftwerk; Fresnel-Kraftwerk

Erzeugung von Solarenergie

Solarenergie kann durch verschiedene Anlagentypen erzeugt werden. Beispiele hierfür sind:

Photovoltaikanlagen

Umwandeln der Sonnenenergie über eine Solarzelle direkt in elektrische Energie

Solarthermische Kraftwerke

Aufnahme der Sonnenwärme und Transport über ein Wärmeträgermedium in ein Kraftwerk
Umwandlung in elektrische Energie
Kraftwerkstypen sind Parabolrinnen- und Fresnel-Kraftwerke. Eine Variante sind Solarturmkraftwerke
Sicherheitsventile kommen in solarthermischen Kraftwerken zum Einsatz
Hohe Gehäuse- und Sitzdichtheit aufgrund von kriechenden Medien, Temperaturen bis 400 °C / 752 °F und Drücke bis 40 bar(g) / 580 psig


Typ 459 Solar	Typ 526

Informationen zu Sicherheitsventilen in Solarkraftwerken finden Sie hier

Produktion - Arten der Elektrolyse

PEM Elektrolyse

Das Prinzip

Die „Proton Exchange Membrane“ (PEM) Elektrolyse nutzt ein Festpolymer-Elektrolyt – eine Protonen-Austauschmembran, die von Wasser umspült wird. Wenn an der Membran elektrische Spannung anliegt, wandern H⁺-Wasserstoff-Ionen durch die Membran. Dadurch entsteht an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff.

Einsatz von Sicherheitsventilen

Die Elektrolyse erzeugt Wasserstoff im gasförmigen Zustand. Der Ausgangsdruck liegt bei 5 bar(g). Die Absicherung findet bei 6 bar(g) statt. Die gesamte Anlage besteht aus mehreren Modulen. Das einzelne Modul hat nur eine kleine bis mittlere Leistung. Die Module werden einzeln abgesichert, zumeist mit Sicherheitsventilen der Compact Performance Baureihe.


Typ 437	Typ 459

Alkalische Elektrolyse

Sunfire Alkaline Electrolyser — Sunfire Alkalischer Elektrolyseur

Das Prinzip

Die alkalische Elektrolyse besitzt Metallelektroden, die in eine alkalische, wässrige Lösung eingetaucht werden und durch eine permeable Membran getrennt sind. Durch das Anlegen von elektrischer Spannung entsteht an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff. Gespalten wird eine bis zu 40 %-ige Kaliumhydroxid- (KOH-)Lösung. Die Einsatztemperatur der industriellen Anlagen liegt teilweise über 80 °C.

Einsatz von Sicherheitsventilen

Die Betriebsdrücke bei der alkalischen Elektrolyse liegen bei bis zu 34 bar(g). Die Absicherung erfolgt bei 36 bar(g) Ansprechdruck. Damit liegt der Betriebs- und Ansprechdruck sehr nah beieinander, denn bei Flüssigkeiten beträgt der Abstand üblicherweise 20 %. Deshalb werden neben federbelasteten Sicherheitsventilen des Typs 441 verstärkt pilotgesteuerte Sicherheitsventile des Typs 821 eingesetzt. Vorteile:

Geringe Schließdruckdifferenz von max. 7 %
Modulierender Effekt reduziert die maximale Menge des abgeführten Wasserstoffs im Falle des Ansprechens. Dies verringert konstruktive Aufwände für Ausblasesysteme.


Typ 441	Typ 821

SOEC Elektrolyse

SOEC Electrolysis — Hochtemperaturelektrolyseur

Das Prinzip

Festoxid-Elektrolyseurzellen (englisch: Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC) arbeiten bei Temperaturen zwischen ca. 500 und 850 °C. Die allgemeine Funktion der Elektrolysezelle besteht darin, Wasser in Form von Dampf in reines H₂ und O₂ aufzuspalten. In die poröse Kathode wird Dampf eingespeist. Wenn eine Spannung angelegt wird, bewegt sich der Dampf zur Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche und wird reduziert, um reines H₂ und Sauerstoffionen zu bilden. Das Wasserstoffgas diffundiert dann durch die Kathode zurück und wird an seiner Oberfläche als Wasserstoffbrenngas gesammelt.

Einsatz von Sicherheitsventilen

Die Sicherheitsventile schützen die Kathode vor unzulässigem Überdruck. Der maximal zulässige Betriebsdruck beträgt 0,5 bar(g) pro Stack. Die LESER Type 441 bietet Sicherheit ab 0,1 bar(g).

LESER High Performance Sicherheit Ventil Type 441 442 DIN

Typ 441

Dampfreformierung

Steam_reforming — Wasserstoffproduktion im OQ-Chemiepark

Das Prinzip

Bei der Dampfreformierung wird Erdgas, LPG oder Naphtha in CO₂ und H₂ umgewandelt. Hierzu wird zunächst der Eingangsstoff entschwefelt und dann mit Dampf versetzt. Das Gemisch wird durch einen Katalysator geleitet. Hierbei entsteht das Synthesegas aus H₂, CO, CO₂, H₂O und CH₄. Die Anteile der Moleküle werden durch eine Reaktion hin zu H₂ und CO₂ verschoben. Die Trennung der beiden Bestandteile erfolgt an einem Molekularsieb.

Wenn der Betreiber das CO₂ auffängt und speichert, dann ist der erzeugte Wasserstoff „blau“.

Einsatz von Sicherheitsventilen

Die Sicherheitsventile schützen die Dampfkessel sowie die Eingangs- und Ausgangsstoffe. Der Wasserstoff wird bei bis zu 51 bar(g) abgesichert.


Typ 526	Typ 447

Trocknung und Speicherung

Trocknung

Das Prinzip

Je nach Art der Erzeugung des Wasserstoffs ist eine Trocknung vor der weitergehenden Verarbeitung oder dem Transport notwendig. Ohne Trocknung würde Feuchtigkeit beim Komprimieren oder Abkühlen kondensieren und gefrieren.

Einsatz von Sicherheitsventilen

Sicherheitsventile schützen die Trocknungsanlage vor unzulässigem Überdruck. Alle eingesetzten Sicherheitsventile sind aus austenitischem Edelstahl, da dieser beständig gegenüber Wasserstoffversprödung ist.


Typ 437	Typ 459

Speicherung

Das Prinzip

Die Speicherung von Wasserstoff erfolgt entweder flüssig bei Drücken bis 70 bar(g) oder gasförmig bei Drücken ab 200 bar(g).
Die transkritische Speicherung ist eine mögliche Innovation für höhere Energiedichten. Hierbei wird gasförmiger Wasserstoff bei –240 °C und ab 300 bar(g) gespeichert.

Einsatz von Sicherheitsventilen

Sicherheitsventile schützen die Speicher vor unzulässigem Überdruck. Bei flüssigem Wasserstoff bestehen alle eingesetzten Sicherheitsventile aus austenitischem Edelstahl. Bei Temperaturen von –253 °C neigen einige Stähle zur Versprödung – austenitische Edelstähle wie 1.4404 / SA-479 316L bzw. 1.4408 / SA-351 CF8M sind für diese Temperaturen geeignet.

Eingesetzte Sicherheitsventile (flüssiger Wasserstoff):

Type 437 bis 70 bar(g)
Type 526 bis 70 bar(g)
Type 459 bis 10 bar(g)

Wird der Wasserstoff im gasförmigen Zustand gespeichert, kann der Austritt aus Stahl hergestellt werden. Im Austritt des Sicherheitsventils liegt nur beim Ansprechen, also kurzzeitig, Wasserstoff an.
Eingesetzte Sicherheitsventile (gasförmiger Wasserstoff):
Type 459 bis 352 bar(g)


Typ 437	Typ 459	Typ 526

Transport

Transportmöglichkeiten

Wasserstoff lässt sich in der flüssigen Phase auch in kleinen Mengen effizient per Zug oder LKW transportieren und dezentral verteilen. Im gasförmigen Zustand kann Wasserstoff unter Druck individuell im LKW transportiert werden – allerdings nur in geringeren Mengen. Im gasförmigen Zustand sind die transportierten Mengen kleiner, weil die Dichte geringer ist als im flüssigen Zustand. Zum Transport großer Mengen Wasserstoff kommen Pipelines zum Einsatz. Ein Beispiel hierfür ist das mitteldeutsche Chemiedreieck rund um Bitterfeld, Schkopau und Leuna. Die jährlich benötigten 3,6 Milliarden m³ Wasserstoff werden über verschiedene Wasserstoff-Pipelines von zusammen 150 km Länge transportiert.

Einsatz von Sicherheitsventilen

Die Transportbehälter werden gegen thermische Expansion durch z. B. Sonneneinstrahlung abgesichert. Aufgrund der geringen benötigten Leistung wird üblicherweise die Produktgruppe Compact Performance mit den Typen 437 oder 459 eingesetzt. Die Kompressoren der Pipeline-Systeme, die den zum Transport notwendigen Druck erzeugen, können durch die Type 526 abgesichert werden.


Typ 437	Typ 459	Typ 526

Nutzung von Wasserstoff - Beispiele aus der Industrie

Synthetische Kraftstoffe

H2_Synthetic_fuels — Wasserstofftank bei der Kraftstoffsynthese

Herstellung

Synthetische Kraftstoffe können aus Wasserstoff und atmosphärischem Kohlendioxid hergestellt werden. Sie unterscheiden sich somit durch das Herstellungsverfahren und eine dadurch auch veränderte chemische Struktur von konventionellen Kraftstoffen. Durch diesen Prozess wird kein weiteres CO₂ in die Atmosphäre emittiert.

Einsatz von Sicherheitsventilen

Mit den pilotgesteuerten Sicherheitsventilen Type 811 lassen sich Anwendungen nah am Betriebsdruck absichern. Konkret sprechen die POSVs bei über 30 bar an – mit dieser Ausführung konnte die Anlage in der Druckstufe PN40 verbleiben.


Typ 811	Typ 438	Typ 459	Typ 433

Wasserstofftankstellen

Hydrogen_fuling_stations_Hamburg — H2-Tankstelle, Hamburg Hafen City

Wasserstofftankstellen

Je nach dem ob Wasserstoff in PKW, LKW und Zügen als Treibstoff verwendet wird, unterscheiden sich die Speicherdrücke. PKW werden üblicherweise mit Wasserstoff bis 700 bar(g) betrieben. Bei LKW und Zügen hingegen liegt der Speicherdruck bei 350 bar(g). Zur Betankung wird ein Druckgefälle von etwa 200 bar(g) zwischen Pufferspeicher und Fahrzeug benötigt.

Einsatz von Sicherheitsventilen

Die Absicherung der Betankungssysteme mit Sicherheitsventilen erfolgt bei Drücken von bis zu 1.100 bar(g). Diese Drücke gewährleisten ausreichenden Abstand vom Betankungsdruck zum Ansprechdruck. Dadurch lässt sich das Betanken beschleunigen.


Typ 437	Typ 459

Industrie - Chemie

H2_Industry_Chemical — SKW Pisteritz Düngemittelproduktion

Nutzung von Wasserstoff in der chemischen Industrie

Die chemische Industrie ist derzeit der größte Nutzer von Wasserstoff, denn er bildet den Ausgangspunkt wichtiger chemischer Wertschöpfungsketten. Schon heute kommen in Deutschland jährlich etwa 12,5 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff zum Einsatz.

Beispiel: Ammoniakproduktion in Urea-Anlagen

Harnstoff ist ein wichtiger Ausgangsstoff für Düngemittel. Für das Erzeugen von Ammoniak als Vorprodukt zur Cabermat-Synthese wird Wasserstoff eingesetzt.

Einsatz von Sicherheitsventilen

LESER Sicherheitsventile schützen sämtliche Prozesse der Harnstoffproduktion vor unzulässigem Überdruck. So sichern zum Beispiel Sicherheitsventile der Type 526 Wasserstoff im Rahmen der Ammoniakerzeugung bei bis zu 60 bar(g) und Temperaturen von bis zu 150 °C. Die Cabermat-Synthese selbst wird durch das LESER Urea-Sicherheitsventil abgesichert.

Typ 526

Informationen zu Sicherheitsventilen in Harnstoffanlagen finden Sie hier [EN]

Industrie - Kunststoffe

H2_Industry_Plastic — Raffinerie Heide/Deutschland

Nutzung von Wasserstoff bei Kunststoffen

Wasserstoff spielt bei der Produktion von Kunststoffen eine wichtige Rolle. So wird der Wasserstoff beispielsweise eingesetzt, um die Kohlenwasserstoffketten zu brechen und die Prozessmedien zu entschwefeln. Hierbei entstehen im Cracker Drücke von 200 bar(g) und Temperaturen von bis zu 480 °C.

Einsatz von Sicherheitsventilen

LESER Sicherheitsventile schützen alle Anwendungen rund um die Kunststoffproduktion gegen unzulässigen Überdruck. In dem beschriebenen Beispiel werden Sicherheitsventile der Typen 433 oder 526 eingesetzt, um zum einen den Wasserstoff vor dem Eintritt in den Cracker und zum anderen die Eingangsstoffe abzusichern.


Typ 433	Typ 526

Industrie - Stahl

H2_Industry_Steel — LandsKappee Park Duisburg-Nord/Deutschland

Transformation der Stahlindustrie

Landschaftspark Duisburg-Nord:
Ein Stück LESER Geschichte zum Anfassen.

Das 180 Hektar große, stillgelegte Hüttenwerk wird seit über 25 Jahren für sportliche oder kulturelle Aktivitäten genutzt.
Ein einzigartiges Zusammenspiel von urbaner Natur und dem industriellen Erbe des Ruhrgebiets
LESER ist Teil dieses kulturellen Erbes, denn einige der alten LESER Vollhub-Feder-Sicherheitsventile des Typs 541 tragen auch heute noch zum industriellen Charme des Landschaftsparks bei und können vor Ort bestaunt werden.
Die LESER Sicherheitsventile gewährleisten die Überdruckabsicherung rund um die Hochöfen.

Typ 441

H2_Industry_Steel_2 — Stahlwerk Salzgitter

Die Zukunft der Stahlproduktion

In der deutschen Stahlproduktion entstehen aktuell rund 30 % der gesamten industriellen CO₂-Emissionen des Landes.
Umstellen der Stahlerzeugung auf CO₂-arme und langfristig klimaneutrale Technologien, z. B. durch den Einsatz von Wasserstoff anstelle von Kokskohle.
Anlagen zur Stahlerzeugung werden so ausgelegt, dass neben Erdgas auch der Einsatz von Wasserstoff möglich ist.

Einsatz von Sicherheitsventilen

LESER sichert die Prozesse in der Stahlindustrie ab, die gegen unzulässigen Überdruck geschützt werden müssen. Sicherheitsventile sichern zum Beispiel das Erzeugen von Wasserstoff ab, der direkt bei der Reduktion von Eisenerz oder bei der Reduktion der Oxidschicht für die Verzinkung von Stahlbändern eingesetzt wird. Folgende Typen kommen zum Einsatz:

Type 441 bei 0,5 bar(g) Ansprechdruck
Type 437 bei 2,5 bar(g) Ansprechdruck
Type 458 bei 30 bar(g) Ansprechdruck


Typ 437	Typ 441	Typ 458

Einschub: Die Farben des Wasserstoffs

Obwohl Wasserstoff ein farbloses Gas ist, wird er in unterschiedlichen Farben beschrieben und dargestellt. Die Farben symbolisieren die verschiedenen Herstellungs- und Stromerzeugungsarten. Unabhängig davon, wie Wasserstoff erzeugt wird, stellt er die identischen Anforderungen an Anlagen und damit auch an Sicherheitsventile.

Grüner Wasserstoff – Der Wasserstoff wird durch Elektrolyse mit Wasser und Strom aus regenerativen Quellen wie Sonnenenergie, Wind- oder Wasserkraft erzeugt. Die Herstellung von grünem Wasserstoff ist CO₂-neutral.

Türkiser Wasserstoff – Der Wasserstoff entsteht durch Methanpyrolyse. Das Methan im Erdgas wird in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. Fester Kohlenstoff ist ein Granulat, wodurch kein CO₂ in die Atmosphäre gelangt. Falls die zur Methanpyrolyse benötigte Energie aus erneuerbaren Energien stammt, ist die Erzeugung klimaneutral.

Grauer Wasserstoff – Der Wasserstoff wird durch die Dampfreformierung fossiler Brennstoffe wie Erdgas, Kohle oder Öl erzeugt. Dabei entsteht CO₂, das in die Atmosphäre abgegeben wird.

Blauer Wasserstoff – Der Wasserstoff entsteht wie grauer Wasserstoff durch Dampfreformierung. Das entstandene CO₂ wird jedoch aufgefangen und gelagert. Dieser Wasserstoff gilt damit als klimaneutral.

Gelber Wasserstoff – Der Wasserstoff wird durch Elektrolyse gewonnen. Der benötigte Strom stammt aus dem normalen Strommix, also einer Mischung aus fossilen und erneuerbaren Energien.

Roter, rosa bzw. violetter Wasserstoff – Der Wasserstoff wird durch Elektrolyse gewonnen. Der benötigte Strom stammt aus der Kernenergie.

Oranger Wasserstoff – Der Wasserstoff wird durch Elektrolyse gewonnen. Der benötigte Strom stammt aus Biomasse oder aus Anlagen der Abfallwirtschaft, etwa Müllverbrennungsanlagen oder Biogasanlagen.

Schwarzer Wasserstoff – Der Wasserstoff wird durch Elektrolyse gewonnen. Der benötigte Strom stammt aus Steinkohle.

Weißer Wasserstoff – Zum einen handelt es sich um natürlich vorkommenden Wasserstoff. Zum anderen fällt dieser Wasserstoff bei bestimmten Prozessen in Chemieanlagen als Nebenprodukt an.

LESER Sicherheitsventile für Wasserstoffanwendungen

Technische Herausforderung für Sicherheitsventile in Wasserstoffanwendungen

Einschub: Wasserstoffversprödung

LESER Produkte für verschiedenste Wasserstoffanwendungen

LESER Referenzanwendungen

Wasserstoff - von der Produktion bis zur Nutzung

Stromerzeugung durch Sonnenenergie

Produktion - Arten der Elektrolyse

PEM Elektrolyse

Alkalische Elektrolyse

SOEC Elektrolyse

Dampfreformierung

Trocknung und Speicherung

Trocknung

Speicherung

Transport

Nutzung von Wasserstoff - Beispiele aus der Industrie

Synthetische Kraftstoffe

Wasserstofftankstellen

Industrie - Chemie

Industrie - Kunststoffe

Industrie - Stahl

Transformation der Stahlindustrie

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Kontakt LESER

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