Die elektrolytischeWasserstoffDie Produktionsanlage umfasst eine komplette Wasserelektrolyseanlage.WasserstoffProduktionsanlagen, wobei die Hauptausrüstung Folgendes umfasst:
1. Elektrolysezelle
2. Gas-Flüssigkeits-Trennvorrichtung
3. Trocknungs- und Reinigungssystem
4. Der elektrische Teil umfasst: Transformator, Gleichrichterschrank, SPS-Steuerschrank, Instrumentenschrank, Verteilerschrank, Hauptrechner usw.
5. Das Hilfssystem umfasst im Wesentlichen: Alkalilösungstank, Rohmaterialwassertank, Nachspeisewasserpumpe, Stickstoffflasche/-sammelschiene usw. 6. Das gesamte Hilfssystem der Anlage umfasst: Reinstwasseranlage, Kühlturm, Kältemaschine, Luftkompressor usw.
Wasserstoff- und Sauerstoffkühler werden eingesetzt, und das Wasser wird von einem Tropfverschluss aufgefangen, bevor es unter der Kontrolle des Steuerungssystems abgeleitet wird; der Elektrolyt durchströmtWasserstoffund Sauerstoff-Alkali-Filter, Wasserstoff- und Sauerstoff-Alkali-Kühler werden jeweils unter der Wirkung der Umwälzpumpe betrieben und fließen dann zurück in die Elektrolysezelle zur weiteren Elektrolyse.
Der Systemdruck wird durch das Druckregelungssystem und das Differenzdruckregelungssystem so reguliert, dass er den Anforderungen der nachgelagerten Prozesse und der Speicherung gerecht wird.
Der durch Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff zeichnet sich durch hohe Reinheit und geringe Verunreinigungen aus. Üblicherweise besteht das durch Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoffgas lediglich aus Sauerstoff und Wasser, ohne weitere Komponenten (wodurch eine Vergiftung bestimmter Katalysatoren vermieden wird). Dies ermöglicht die einfache Herstellung von hochreinem Wasserstoffgas, das die Standards für Industriegase in Elektronikqualität erfüllt.
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.
Nach dem Eintritt in die Wasserstoffreinigungsanlage wird der durch Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff weiter gereinigt, indem Sauerstoff, Wasser und andere Verunreinigungen aus dem Wasserstoff mithilfe der Prinzipien der katalytischen Reaktion und der Molekularsiebadsorption entfernt werden.
Die Anlage kann ein automatisches System zur Anpassung der Wasserstoffproduktion an die jeweilige Situation einrichten. Änderungen der Gaslast führen zu Druckschwankungen im Wasserstoffspeicher. Der am Speicher installierte Drucktransmitter gibt ein 4-20-mA-Signal an die SPS aus, um es mit dem Sollwert zu vergleichen. Nach Rücktransformation und PID-Reglerberechnung gibt das Signal ein 20-4-mA-Signal an den Gleichrichterschrank aus, um die Größe des Elektrolysestroms anzupassen. Dadurch wird die Wasserstoffproduktion automatisch an die Änderungen der Wasserstofflast angepasst.
Die einzige Reaktion bei der Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse ist die Reaktion von Wasser (H₂O), das kontinuierlich über eine Wasserpumpe mit Rohwasser versorgt werden muss. Die Zufuhr erfolgt am Wasserstoff- bzw. Sauerstoffabscheider. Zudem wird beim Verlassen des Systems eine geringe Menge Wasser abgeführt. Anlagen mit niedrigem Wasserverbrauch verbrauchen 1 l/Nm³ H₂, größere Anlagen hingegen nur 0,9 l/Nm³ H₂. Durch die kontinuierliche Rohwasserzufuhr wird der pH-Wert und die Konzentration der alkalischen Lösung stabilisiert. Auch das Reaktionswasser wird rechtzeitig nachgefüllt, um die Konzentration der alkalischen Lösung konstant zu halten.
- 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 die Elektrolysezelle benötigten Gleichstrom und die Zufuhr dieses Gleichstroms in die Elektrolysezelle. Ein Teil des zugeführten Stroms wird zur direkten Zersetzung von Wassermolekülen in Wasserstoff und Sauerstoff genutzt, der andere Teil erzeugt Wärme, die vom Alkalikühler über Kühlwasser abgeführt wird.
Die meisten Transformatoren sind Öltransformatoren. Bei Aufstellung in Innenräumen oder in Containern können Trockentransformatoren eingesetzt werden. Die für die elektrolytische Wasserstofferzeugung verwendeten Transformatoren sind Spezialtransformatoren, die anhand der Daten jeder Elektrolysezelle individuell angepasst werden müssen und daher kundenspezifisch gefertigt werden.
Derzeit sind Thyristor-Gleichrichterschränke die am häufigsten verwendeten Gleichrichterschränke. Gerätehersteller setzen auf diese Bauart aufgrund ihrer langen Lebensdauer, hohen Stabilität und des niedrigen Preises. Da jedoch großflächige Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien angepasst werden müssen, ist der Wirkungsgrad von Thyristor-Gleichrichterschränken relativ gering. Daher streben verschiedene Hersteller von Gleichrichterschränken derzeit die Einführung neuer IGBT-Gleichrichterschränke an. IGBTs sind in anderen Branchen wie der Windenergie bereits weit verbreitet, und es wird erwartet, dass IGBT-Gleichrichterschränke zukünftig eine bedeutende Entwicklung erfahren werden.
- Verteilerschranksystem
Der Verteilerschrank dient hauptsächlich der Stromversorgung verschiedener Komponenten mit Motoren im Wasserstoff-Sauerstoff-Trenn- und Reinigungssystem hinter der elektrolytischen Wasser-Wasserstoff-Produktionsanlage, einschließlich 400-V- oder üblicherweise 380-V-Geräten. Zu diesen Geräten gehören die Alkali-Umwälzpumpe im Wasserstoff-Sauerstoff-Trennsystem und die Zusatzwasserpumpe im Hilfssystem. Die Stromversorgung umfasst außerdem die Heizdrähte im Trocknungs- und Reinigungssystem sowie die für das Gesamtsystem benötigten Hilfssysteme wie Reinstwassermaschinen, Kältemaschinen, Luftkompressoren, Kühltürme und nachgeschaltete Wasserstoffkompressoren, Hydrieranlagen usw. Darüber hinaus beinhaltet sie die Stromversorgung für Beleuchtung, Überwachung und andere Systeme der gesamten Anlage.
- Control-System
Das Steuerungssystem arbeitet mit einer automatischen SPS-Steuerung. Zum Einsatz kommt in der Regel eine Siemens 1200 oder 1500 SPS mit Touchscreen-Oberfläche. Die Bedienung und Parameteranzeige der einzelnen Anlagenteile sowie die Darstellung der Steuerlogik erfolgen über den Touchscreen.
5. Alkali-Lösung-Kreislaufsystem
Dieses System umfasst im Wesentlichen folgende Hauptkomponenten:
Wasserstoff-Sauerstoff-Abscheider – Umwälzpumpe für alkalische Lösung – Ventil – Filter für alkalische Lösung – Elektrolysezelle
Der Hauptprozess läuft wie folgt ab: Die im Wasserstoff-Sauerstoff-Abscheider mit Wasserstoff und Sauerstoff vermischte alkalische Lösung wird mittels Gas-Flüssigkeits-Abscheider getrennt und zur Umwälzpumpe für alkalische Lösung zurückgeführt. Hier sind Wasserstoff- und Sauerstoffabscheider miteinander verbunden. Die Umwälzpumpe fördert die zurückgeführte alkalische Lösung zum Ventil und zum Filter am hinteren Ende des Systems. Nachdem der Filter grobe Verunreinigungen entfernt hat, wird die alkalische Lösung in die Elektrolysezelle zurückgeführt.
6. Wasserstoffsystem
Wasserstoffgas wird an der Kathodenelektrode erzeugt und gelangt zusammen mit dem alkalischen Lösungskreislauf in den Separator. Dort ist es relativ leicht und trennt sich von der alkalischen Lösung, bevor es den oberen Teil des Separators erreicht. Anschließend durchströmt es Rohrleitungen zur weiteren Trennung, wird mit Kühlwasser gekühlt und in einem Auffangbehälter gesammelt, um eine Reinheit von ca. 99 % zu erzielen, bevor es in die nachgelagerte Trocknungs- und Reinigungsanlage gelangt.
Evakuierung: Die Evakuierung von Wasserstoffgas wird hauptsächlich während der An- und Abfahrphasen, bei anormalen Betriebszuständen oder wenn die Reinheit nicht den Normen entspricht, sowie zur Fehlersuche eingesetzt.
7. Sauerstoffsystem
Der Transportweg von Sauerstoff ist ähnlich dem von Wasserstoff, nur dass er in anderen Separatoren durchgeführt wird.
Entleerung: Derzeit wird bei den meisten Projekten die Methode der Sauerstoffentleerung angewendet.
Nutzung: Die Nutzung von Sauerstoff ist nur in Spezialprojekten sinnvoll, beispielsweise in Anwendungen, die sowohl Wasserstoff als auch hochreinen Sauerstoff benötigen, wie etwa bei Glasfaserherstellern. Auch in einigen Großprojekten ist die Sauerstoffnutzung vorgesehen. Anwendungsszenarien im weiteren Sinne umfassen die Herstellung von flüssigem Sauerstoff nach Trocknung und Reinigung oder die Bereitstellung von medizinischem Sauerstoff mittels Dispersionssystemen. Die Genauigkeit dieser Nutzungsszenarien bedarf jedoch noch weiterer Bestätigung.
8. Kühlwassersystem
Die Wasserelektrolyse ist eine endotherme Reaktion, und die Wasserstoffproduktion erfordert elektrische Energie. Der Energieverbrauch der Wasserelektrolyse übersteigt jedoch die theoretische Wärmeaufnahme der Reaktion. Das heißt, ein Teil des in der Elektrolysezelle verbrauchten Stroms wird in Wärme umgewandelt. Diese dient hauptsächlich dazu, das alkalische Lösungssystem zu Beginn zu erwärmen und dessen Temperatur auf den für die Anlage erforderlichen Bereich von 90 ± 5 °C zu bringen. Wird die Elektrolysezelle nach Erreichen der Nenntemperatur weiterbearbeitet, muss die entstehende Wärme durch Kühlwasser abgeführt werden, um die Temperatur in der Elektrolysezone konstant zu halten. Eine höhere Temperatur in der Elektrolysezone kann zwar den Energieverbrauch senken, jedoch kann eine zu hohe Temperatur die Membran der Elektrolysekammer beschädigen und die Langzeitstabilität der Anlage beeinträchtigen.
Die optimale Betriebstemperatur dieses Geräts darf 95 °C nicht überschreiten. Darüber hinaus müssen der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff gekühlt und entfeuchtet werden; das wassergekühlte Thyristor-Gleichrichtergerät ist daher mit den erforderlichen Kühlleitungen ausgestattet.
Auch der Pumpenkörper großer Anlagen benötigt Kühlwasser.
- Stickstofffüll- und Stickstoffspülsystem
Vor der Inbetriebnahme und dem Betrieb des Geräts muss eine Stickstoffdichtigkeitsprüfung des Systems durchgeführt werden. Vor dem normalen Start muss außerdem die Gasphase des Systems mit Stickstoff gespült werden, um sicherzustellen, dass sich das Gas im Gasraum beidseitig von Wasserstoff und Sauerstoff weit 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 Wiederanfahren noch Druck vorhanden, ist keine Spülung erforderlich. Wird der Druck jedoch vollständig abgebaut, muss erneut mit Stickstoff gespült werden.
- Wasserstofftrocknungs- (Reinigungs-)System (optional)
Das durch Wasserelektrolyse gewonnene Wasserstoffgas wird mittels eines parallelen Trockners entfeuchtet und anschließend durch einen Sinternickelrohrfilter gereinigt, um trockenes Wasserstoffgas zu erhalten. Je nach den Anforderungen des Anwenders an den Produktwasserstoff kann das System mit einer Reinigungsvorrichtung ausgestattet werden, die eine Palladium-Platin-Bimetall-Katalysator-Desoxygenierung zur Reinigung nutzt.
Der in der Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionsanlage erzeugte Wasserstoff wird über einen Puffertank zur Wasserstoffreinigungsanlage geleitet.
Das Wasserstoffgas durchläuft zunächst einen Entgasungsturm, und unter Einwirkung eines Katalysators reagiert der Sauerstoff im Wasserstoffgas mit dem Wasserstoffgas zu Wasser.
Reaktionsformel: 2H2+O2 2H2O.
Anschließend durchläuft das Wasserstoffgas einen Wasserstoffkondensator (der das Gas abkühlt, um den Wasserdampf zu Wasser zu kondensieren, welches automatisch über einen Sammler aus dem System abgeleitet wird) und gelangt in den Adsorptionsturm.
Veröffentlichungsdatum: 03.12.2024
