Die Anlage zur Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse umfasst eine komplette Ausrüstung zur Wasserelektrolyse von Wasserstoff. Die Hauptausrüstung besteht aus:
1. Elektrolyseur
2. Gas-Flüssigkeits-Trennvorrichtung
3. Trocknungs- und Reinigungssystem
4. Der elektrische Teil umfasst: Transformator, Gleichrichterschrank, SPS-Programmierschrank, Instrumentenschrank, Stromverteilerschrank, Host-Computer usw.
5. Das Hilfssystem umfasst im Wesentlichen: Alkalitank, Rohmaterialwassertank, Wasserförderpumpe, Stickstoffflasche/Sammelschiene usw.
6. Zum gesamten Hilfssystem der Anlage gehören: Reinstwassermaschine, Kühlwasserturm, Kältemaschine, Luftkompressor usw.
In der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsanlage wird Wasser im Elektrolyseur unter Einwirkung von Gleichstrom in Wasserstoff und Sauerstoff (1:1) zerlegt. Der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff werden zusammen mit dem Elektrolyten zur Trennung in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider geleitet. Dort werden sie durch Wasserstoff- und Sauerstoffkühler gekühlt, wobei ein Tropfenfänger Wasser auffängt und entfernt. Anschließend werden sie vom Steuerungssystem abgeführt. Der Elektrolyt durchläuft unter dem Einfluss der Umwälzpumpe einen weiteren Alkalifilter, einen Wasserstoff-Sauerstoff-Alkalifilter usw., wird gekühlt und kehrt dann zur Fortsetzung der Elektrolyse in den Elektrolyseur zurück.
Der Systemdruck wird über das Druckregelungssystem und das Differenzdruckregelungssystem so eingestellt, dass er den Anforderungen nachfolgender Prozesse und der Lagerung gerecht wird.
Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse erzeugt wird, zeichnet sich durch hohe Reinheit und geringe Verunreinigungsfreiheit aus. Üblicherweise enthält er lediglich Sauerstoff und Wasser, keine weiteren Komponenten (wodurch eine Vergiftung von Katalysatoren vermieden wird). Dies ermöglicht die einfache Herstellung von hochreinem Wasserstoff. Nach der Reinigung erreicht das erzeugte Gas die Eigenschaften von Industriegasen in Elektronikqualität.
Der von der Wasserstoffproduktionsanlage erzeugte Wasserstoff durchläuft einen Puffertank, um den Betriebsdruck des Systems zu stabilisieren und weiteres freies Wasser aus dem Wasserstoff zu entfernen.
Nachdem der Wasserstoff in die Wasserstoffreinigungsvorrichtung gelangt ist, wird der durch Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff weiter gereinigt, und Sauerstoff, Wasser und andere Verunreinigungen im Wasserstoff werden mithilfe der Prinzipien der katalytischen Reaktion und der Molekularsiebadsorption entfernt.
Die Anlage kann ein automatisches Anpassungssystem für die Wasserstoffproduktion einrichten, das sich an die jeweilige Situation anpasst. Änderungen der Gaslast führen zu Druckschwankungen im Wasserstoffspeicher. Der am Speicher installierte Drucktransmitter gibt ein 4-20-mA-Signal aus und sendet es an die SPS. Nach Vergleich mit dem Sollwert, inverser Transformation und PID-Reglerberechnung wird ein 20-4-mA-Signal ausgegeben und an den Gleichrichterschrank gesendet, um die Größe des Elektrolysestroms anzupassen. Dadurch wird die Wasserstoffproduktion automatisch an die Änderungen der Wasserstofflast angepasst.
Anlagen zur Wasserstofferzeugung durch alkalische Wasserelektrolyse umfassen im Wesentlichen folgende Systeme:
(1)Rohstoffwassersystem
Bei der Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse reagiert ausschließlich Wasser (H₂O), das kontinuierlich über eine Wasserpumpe zugeführt werden muss. Die Wasserzufuhr erfolgt am Wasserstoff- bzw. Sauerstoffabscheider. Zusätzlich muss beim Verlassen des Systems eine geringe Menge an Wasserstoff und Sauerstoff abgeführt werden, um die Feuchtigkeit zu reduzieren. Der Wasserverbrauch kleiner Anlagen beträgt 1 l/Nm³H₂, bei größeren Anlagen kann er auf 0,9 l/Nm³H₂ gesenkt werden. Durch die kontinuierliche Zufuhr von Rohwasser werden der Stand der Alkalilösung und deren Konzentration stabilisiert und die Reaktionslösung rechtzeitig aufgefüllt, um die Laugenkonzentration konstant zu halten.
2) Transformator-Gleichrichtersystem
Dieses System besteht im Wesentlichen aus zwei Geräten: einem Transformator und einem Gleichrichterschrank. Seine Hauptfunktion ist die Umwandlung des vom Anlagenbetreiber bereitgestellten 10/35-kV-Wechselstroms in den für den Elektrolyseur benötigten Gleichstrom und die Versorgung des Elektrolyseurs mit diesem Gleichstrom. Ein Teil des zugeführten Stroms wird zur direkten Zersetzung von Wasser genutzt. Dabei entstehen Wasserstoff und Sauerstoff, der andere Teil erzeugt Wärme, die vom Laugenkühler über Kühlwasser abgeführt wird.
Die meisten Transformatoren sind Öltransformatoren. Bei Aufstellung in Innenräumen oder in Containern können Trockentransformatoren eingesetzt werden. Die in Anlagen zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung verwendeten Transformatoren sind Spezialtransformatoren und müssen an die Daten jedes Elektrolyseurs angepasst werden; es handelt sich daher um kundenspezifische Anlagen.
(3) Stromverteilerschranksystem
Der Stromverteilerschrank versorgt hauptsächlich 400-V- oder, wie der Name schon sagt, 380-V-Geräte mit Strom. Er versorgt verschiedene Komponenten mit Motoren in den Wasserstoff- und Sauerstofftrenn- und -reinigungssystemen der elektrolytischen Wasserstoffproduktionsanlage. Zu diesen Geräten gehören die Alkalizirkulation im Wasserstoff- und Sauerstofftrennsystem, Pumpen, Wassernachfüllpumpen in Hilfssystemen, Heizdrähte in Trocknungs- und Reinigungssystemen sowie weitere Hilfssysteme des Gesamtsystems, wie z. B. Reinstwassermaschinen, Kältemaschinen, Luftkompressoren, Kühltürme, nachgeschaltete Wasserstoffkompressoren, Hydrieranlagen und andere Geräte. Die Stromversorgung umfasst außerdem die Stromversorgung für Beleuchtung, Überwachungssysteme und weitere Systeme der gesamten Anlage.
(4) Steuerungssystem
Das Steuerungssystem nutzt eine SPS-basierte automatische Steuerung. Üblicherweise wird eine Siemens 1200 oder 1500 SPS verwendet. Sie ist mit einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) mit Touchscreen ausgestattet, über den die Bedienung und die Parameteranzeige der einzelnen Anlagenteile sowie die Anzeige der Steuerlogik erfolgen.
5) Alkalikreislaufsystem
Dieses System umfasst im Wesentlichen folgende Hauptkomponenten:
Wasserstoff- und Sauerstoffabscheider – Alkali-Umwälzpumpe – Ventil – Alkalifilter – Elektrolyseur
Der Hauptprozess läuft wie folgt ab: Die im Wasserstoff-Sauerstoff-Abscheider mit Wasserstoff und Sauerstoff vermischte Alkaliflüssigkeit wird im Gas-Flüssigkeits-Abscheider getrennt und fließt anschließend zurück zur Alkaliflüssigkeitsumwälzpumpe. Hier sind Wasserstoff- und Sauerstoffabscheider miteinander verbunden, und die Alkaliflüssigkeitsumwälzpumpe arbeitet mit Rückfluss. Die Alkaliflüssigkeit zirkuliert zum Ventil und zum Alkaliflüssigkeitsfilter am hinteren Ende. Nachdem der Filter grobe Verunreinigungen herausgefiltert hat, zirkuliert die Alkaliflüssigkeit in das Innere des Elektrolyseurs.
(6) Wasserstoffsystem
Wasserstoff wird an der Kathodenelektrode erzeugt und gelangt zusammen mit dem Alkaliflüssigkeitskreislauf zum Separator. Da Wasserstoff relativ leicht ist, trennt er sich im Separator von der Alkaliflüssigkeit, steigt in den oberen Bereich und durchströmt anschließend die Rohrleitung zur weiteren Trennung und Kühlung. Nach der Wasserkühlung werden die Tropfen im Tropfenfänger aufgefangen und erreichen eine Reinheit von ca. 99 %, bevor sie dem nachgeschalteten Trocknungs- und Reinigungssystem zugeführt werden.
Evakuierung: Die Evakuierung von Wasserstoff wird hauptsächlich zur Evakuierung während des An- und Abfahrens, bei abnormalem Betrieb oder Reinheitsversagen sowie zur Fehlerbehebung eingesetzt.
(7) Sauerstoffsystem
Der Weg für Sauerstoff ist ähnlich dem für Wasserstoff, jedoch in einem anderen Separator.
Evakuierung: Derzeit werden die meisten Sauerstoffprojekte durch Evakuierung durchgeführt.
Nutzung: Die Nutzung von Sauerstoff ist nur in speziellen Projekten sinnvoll, beispielsweise in Anwendungsbereichen, die sowohl Wasserstoff als auch hochreinen Sauerstoff benötigen, wie etwa bei Herstellern von Glasfasern. Auch in einigen Großprojekten ist die Sauerstoffnutzung vorgesehen. Weitere Anwendungsszenarien umfassen die Herstellung von flüssigem Sauerstoff nach Trocknung und Reinigung oder die Verwendung von medizinischem Sauerstoff mittels eines Verteilungssystems. Die genaue Ausgestaltung dieser Nutzungsszenarien bedarf jedoch noch weiterer Bestätigung.
(8) Kühlwassersystem
Die Wasserelektrolyse ist eine endotherme Reaktion. Für die Wasserstoffproduktion wird elektrische Energie benötigt. Der Energieverbrauch der Wasserelektrolyse übersteigt jedoch die theoretische Wärmeaufnahme der Reaktion. Das heißt, ein Teil des vom Elektrolyseur verbrauchten Stroms wird in Wärme umgewandelt. Diese Wärme dient hauptsächlich dazu, das Alkalikreislaufsystem zu Beginn aufzuheizen, damit die Temperatur der Alkalilösung den für das Gerät erforderlichen Bereich von 90 ± 5 °C erreicht. Läuft der Elektrolyseur nach Erreichen der Nenntemperatur weiter, wird die entstehende Wärme zur Kühlung der Elektrolysezone abgeführt. Eine höhere Temperatur in der Elektrolysezone kann den Energieverbrauch senken. Ist die Temperatur jedoch zu hoch, wird die Membran der Elektrolysekammer zerstört, was die Langzeitstabilität des Geräts beeinträchtigt.
Dieses Gerät erfordert eine Betriebstemperatur von maximal 95 °C. Darüber hinaus müssen der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff gekühlt und entfeuchtet werden; die wassergekühlte, siliziumgesteuerte Gleichrichtervorrichtung ist daher mit den notwendigen Kühlleitungen ausgestattet.
Auch der Pumpenkörper großer Anlagen benötigt Kühlwasser.
(9) Stickstofffüll- und Stickstoffspülsystem
Vor der Fehlersuche und dem Betrieb des Geräts muss das System zur Dichtheitsprüfung mit Stickstoff befüllt werden. Vor dem normalen Start muss außerdem die Gasphase des Systems mit Stickstoff gespült werden, um sicherzustellen, dass sich das Gas im Gasraum beidseitig des Wasserstoffs und Sauerstoffs außerhalb des brennbaren und explosiven Bereichs befindet.
Nach dem Abschalten der Anlage hält das Steuerungssystem den Druck automatisch aufrecht und bewahrt eine bestimmte Menge Wasserstoff und Sauerstoff im System. Ist beim Einschalten der Anlage noch Druck vorhanden, ist keine Spülung erforderlich. Ist der Druck jedoch vollständig abgefallen, muss erneut gespült werden. (Spülvorgang mit Stickstoff.)
(10) Wasserstofftrocknungs- (Reinigungs-)System (optional)
Der durch Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff wird mittels eines parallelen Trockners entfeuchtet und abschließend durch einen Sinternickelrohrfilter staubgetrocknet. (Je nach den Anforderungen des Anwenders an den Produktwasserstoff kann das System mit einer Reinigungseinrichtung ausgestattet werden; die Reinigung erfolgt mittels Palladium-Platin-Bimetall-Katalysator-Desoxidation.)
Der durch die Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionsanlage erzeugte Wasserstoff wird über den Puffertank zur Wasserstoffreinigungsanlage geleitet.
Der Wasserstoff durchläuft zunächst den Entgasungsturm. Unter Einwirkung des Katalysators reagiert der Sauerstoff im Wasserstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser.
Reaktionsformel: 2H2+O2 2H2O.
Anschließend durchläuft der Wasserstoff den Wasserstoffkondensator (der das Gas abkühlt, um den Wasserdampf im Gas zu kondensieren und Wasser zu erzeugen; das kondensierte Wasser wird automatisch über den Flüssigkeitssammler aus dem System abgeleitet) und gelangt in den Adsorptionsturm.
Veröffentlichungsdatum: 14. Mai 2024
