Doppelmembranpumpen in der Wasserstofftechnik

Doppelt hält dicht

In allen Bereichen der Wasserstoff-Prozesskette - von der Erzeugung bis zur Umwandlung in elektrische Energie - spielen technische Subsysteme eine wichtige Rolle. So setzt die Wasserstofftechnik-Sparte der Firma FEST in der Gastrocknung nach der Elektrolyse KNF-Doppelmembranpumpen ein. Ein wesentlicher Grund: die Sicherheit. Es gibt aber auch noch andere gute Argumente.

Die Wasserstoff-Technologie entwickelt sich rasant weiter, getrieben durch die Selbstverpflichtung vieler Länder zur Dekarbonisierung der Energiewirtschaft. Entlang der gesamten Wertschöpfungskette arbeiten Unternehmen intensiv daran, die Basis für einen Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft zu schaffen. Zu den Unternehmen, die schon heute über große Erfahrung verfügen und sich im internationalen Markt einen Namen gemacht haben, gehört die Firma FEST mit ihrer Wasserstoff-Sparte Green H2 Systems.

Hocheffiziente PEM-Elektrolyseure

Das Unternehmen baut schlüsselfertige Systeme, z. B. Elektrolyseure zur Einspeisung von Wasserstoff in lokale Versorgungsnetze oder zur On-Site-Versorgung von Betankungsanlagen. Komplettanlagen können neben dem Elektrolyseur auch Kompressions­ und Betankungstechnik umfassen. Die Elektrolyse-Anlagen werden in Containern installiert, die am vorgesehenen Ort aufgestellt und mit Energieversorgung und nachgeordneten Gasanlagen verbunden werden.

Die Anlagen sind modular aufgebaut und in einem breiten Leistungsbereich skalierbar. Die kaskadierbaren PEM-Elektrolyse-Anlagen liefern in der derzeit höchsten Ausbaustufe bis zu 600, in der nächsten Generation bis 1000 Nm3/h Wasserstoff PEM steht dabei für den eigentlichen Reaktionsbereich des Elektrolyseurs, die Proton Exchange Membrane. Das Verfahren erreicht hohe Stromdichten und Wirkungsgrade bei einem relativ einfachen Aufbau und gilt unter anderem deshalb als technisch weit fortgeschritten.

Reines Gas durch Adsorption

Was der Elektrolyseur produziert, ist nicht unbedingt sofort einsetzbar. Die einschlägige Norm DIN EN 17124 legt die Qualitätsstufen fest und definiert Grenzwerte für Nebenprodukte und Verunreinigungen, die je nach Anwendungsfall toleriert werden können oder entfernt werden müssen. Wenn Anlagen Wasserstoff für Brennstoffzellen in Fahrzeugen erzeugen, wird als Endprodukt Wasserstoff 5.0 benötigt - keine Bezeichnung aus der genannten Norm, sondern ein etablierter Industriestandard, der eine Reinheit von 99,999 % bedeutet.

Einer der Stoffe, die aus dem Gas entfernt werden müssen, damit die Brennstoffzellen nicht beschädigt werden, ist Wasser. Mit überschaubarem Aufwand lässt sich das Wasser durch Adsorption aus dem Gasstrom abscheiden. Auch FEST setzt Adsorber ein und hat einen Regenerationszyklus in den Prozessablauf integriert, bei dem schon getrocknetes Gas in einem geschlossenen Kreislauf durch das Adsorbens gepumpt wird, bis die gewünschte Desorption erreicht ist.

Pumpen für die Wasserstofftechnik

Der Anlagenbauer hat sich für den Membranpumpen-Spezialist KNF als Technologiepartner für ihre Elektrolyseure entschieden. KNF ­Pumpen arbeiten weltweit in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren, sie verdichten, fördern und dosieren Sauerstoff oder Kathodenluft, Methanol und Methanol-Wasser-Lösungen, sie rezirkulieren Wasserstoff, sie wälzen Elektrolyte um oder werden in der Gasreinigung und Gastrocknung eingesetzt.

Für den Regenerationszyklus liefert KNF Doppelmembranpumpen vom Typ N 1400 mit einer Leistung von 250 Nl/min bei 3 bar rel. Pumpenkopf und Ventile bestehen aus Edelstahl, die Membranen aus EPDM. Die beiden ausgewählten Werkstoffe sind unempfindlich gegen Wasserstoffversprödung und damit bewährte Standards in der Wasserstofftechnik.

Interessantestes Detail der Pumpe ist allerdings das Doppelmembran-Konstruktionsprinzip, das KNF für Pumpen mit besonderen Sicherheitsanforderungen entwickelt hat. Die ursprüngliche Problemstellung: Bei einer Beschädigung der Arbeitsmembran soll über die Pumpe kein Gas entweichen können, vor allem, um die Umgebung nicht zu gefährden und die Arbeitssicherheit zu gewährleisten, aber auch, um im Fall eines

Bruchs wertvolle Gase nicht zu verlieren. Die Gasdichtigkeit der N 1400 liegt auf sehr ho­ hem Niveau bei 6 x 10^-6 mbar l/s, auch weil die Membranpumpe konstruktionsbedingt keine dynamischen Dichtungen benötigt.

Leckdetektion erhöht Sicherheit

Die unterhalb der Arbeitsmembran angeordnete zweite Membran ist eine zweite Abdichtung des Förderraums der Pumpe gegen das Pumpengehäuse und damit gegen die Umgebung. Auch diese Membran wird bewegt, allerdings mit deutlich geringerer Belastung. Die Lebensdauer ist also gegenüber der Arbeitsmembran erhöht, ein gleichzeitiges Versagen ist eher unwahrscheinlich.

Zwischen Arbeits- und Sicherheitsmembran liegt ein Raum, der über eine Gehäusebohrung von einem Drucksensor überwacht wird. FEST setzt einen hochauflösenden Sensor zur Überwachung dieses Zwischenraumes ein. Unregelmäßigkeiten im Druckprofil weisen auf Beschädigungen der Arbeitsmembran hin. Im Unterschied zu einem gasanalytischen Monitoring nutzt FEST die Vorteile einer einfacheren Systemkonfiguration mit wenigen Komponenten.

Angetrieben wird die Pumpe über einen regelbaren Drehstrommotor mit geringem Energieverbrauch. In der Energiebilanz der Gesamtanlage wäre der Stromverbrauch der Pumpe selbst dann kaum nennenswert, wenn sie im Dauerbetrieb laufen würde. Der Regenerationszyklus läuft zwar typischerweise einige Tage im Non-Stop-Betrieb, dann folgt aber, wenn die Desorption beendet ist, immer ein Intervall mit langem Stillstand.

Hohe Sicherheit, lange Standzeiten und geringer Wartungsaufwand mit Austausch der Verschleißteile vor Ort durch Wartungspersonal des Kunden, dazu geringe Betriebskosten - das sind die wichtigsten Fakten der Doppelmembranpumpen kurz zusammengefasst.