Nachprüfbar startklar - für die Energie der Zukunft
1. November 2023
Energie der Zukunft
Elastomere für Wasserstoffanwendungen
Die Angst+Pfister Gruppe hat die Eignung ihrer Elastomere für Wasserstoffanwendungen eingehend geprüft - und damit auch Antworten auf die zunehmende Zahl von Kundenanfragen zu dieser Zukunftstechnologie gegeben. Die Untersuchungen bringen immer mehr kundenwirksame Erkenntnisse über Dichtungen in der Wasserstoffumgebung hervor. Die Erkenntnisse wurden bereits erfolgreich in die Praxis umgesetzt.
Wasserstoff ist der kleinste, leichteste und am häufigsten vorkommende Stoff in unserem Universum. Allerdings kommt er selten in reiner Form vor. Meist ist er chemisch an Sauerstoff im Wasser oder an Kohlenstoff in den Kohlenwasserstoffen fossiler Brennstoffe gebunden. Als Energiequelle und -träger hat er zahlreiche Vorteile und ist auch Gegenstand zahlreicher Diskussionen.
Bei der Herstellung von grünem Wasserstoff wird kein CO2 erzeugt. Er kann aus erneuerbaren Quellen erzeugt werden. Die Kosten sind jedoch noch relativ hoch. Aber in den nächsten Jahren werden die Kosten durch weitere Investitionen in entsprechende Technologien sinken. Wasserstoff hat das Potenzial für eine sehr gute Zukunft; er könnte die Schwerindustrie dekarbonisieren. Er kann über lange Zeit sicher gelagert werden. Er kann in Elektrofahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb verwendet werden. Darüber hinaus trägt Wasserstoff zur Sicherheit der Energieversorgung bei, indem er den Brennstoffmix diversifiziert.
Von grau über blau bis grün
Heute gibt es drei Hauptmethoden zur Herstellung von Wasserstoff.
- Grauer Wasserstoff wird durch einen thermochemischen Umwandlungsprozess gewonnen, bei dem fossile Brennstoffe in Wasserstoff "umgewandelt" werden. Dabei entsteht CO2 als "Abfallprodukt" und wird in die Atmosphäre freigesetzt.
- Wenn man die Produktion von grauem Wasserstoff mit CCS-Technologien (Carbon Capture and Storage) koppelt, erhält man den so genannten blauen Wasserstoff, der eine neutrale CO2-Bilanz erreicht.
- Das interessanteste Verfahren für die zukünftige Energieerzeugung ist die Herstellung von grünem Wasserstoff. Dabei wird Wasser durch Elektrolyse in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten, wobei der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt und kohlenstoffneutral ist.
Grüner Wasserstoff ist noch nicht weit verbreitet. Die Herstellung von grauem Wasserstoff ist bei weitem am weitesten verbreitet, da sie am billigsten ist. Etwa 95 Prozent des Wasserstoffs werden derzeit mit dieser Methode hergestellt. Für den breiten Einsatz von grünem Wasserstoff müssen noch einige technische Probleme gelöst werden, und es ist weitere Forschung erforderlich. Trends und Investitionen deuten zunehmend auf CO2-neutrale Produktionsverfahren hin.
Wasserstoff ist für viele Märkte und Anwendungen geeignet. Er ist eine vielversprechende Wärmequelle für Haushalte und Unternehmen sowie für die Schwerindustrie. Wasserstoff kann als Kraftstoff für den Verkehr oder zur Stromerzeugung verwendet werden. Darüber hinaus ist er ein wichtiger Rohstoff für viele Industriezweige, z. B. für Raffinerien oder die chemische Industrie.
Dichtunge n für Wassersto ffanwendu ngen
Elastomerdich tungen werden überall dort benötigt, wo Wasserstoff hergestellt, transportiert oder gelagert wird. Die Anforderungen an diese Dichtungen sind sehr anspruchsvoll. Sie müssen in einem breiten Temperaturbereich funktionieren. Außerdem müssen sie hohen Drücken standhalten. Die Gummimischungen müssen wasserstoffbeständig sein, denn Permeabilität ist das A und O. Die Angst+Pfister Gruppe führt derzeit umfangreiche Eignungstests an allen bestehenden Produkten und Neuentwicklungen für den Einsatz in Wasserstoffanwendungen durch.
Überall dort, wo Gase vorkommen, ist die Durchlässigkeit von Dichtungen von besonderer Bedeutung. Die Struktur der Elastomere wirkt wie eine Barriere beim Transport von Gasen. Dennoch können Gase langsam durch das Polymergerüst diffundieren. Hier kommen zwei thermodynamische Eigenschaften ins Spiel:
- Die Diffusion beschreibt, wie schnell sich Gas in einem Material ausbreitet.
- Und die Löslichkeit quantifiziert die Menge an Gas, die vom Material aufgenommen wird.
Das Produkt aus diesen beiden Faktoren ist die Permeabilität. Diese wiederum hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie z. B. der Temperatur und dem Druck oder der Dicke und der Oberfläche des Materials, das mit dem Gas in Berührung kommt. Bei Gasen spielen sowohl die Größe der Moleküle als auch ihre Wechselwirkung mit dem Dichtungsmaterial eine Rolle. Kleine Moleküle wie z. B. Wasserstoff diffundieren leichter.
Umfangreiche Materialtests
Angst+Pfister hat kürzlich sein Portfolio im Hinblick auf Wasserstoffanwendungen getestet. Der Fokus lag dabei auf FKM, EPDM und HNBR. Basierend auf den bisherigen Marktanfragen begannen die Tests mit Materialien mit einer Shore-A-Härte von 90, was Anwendungen mit hohem Druck Rechnung trägt. Die Ingenieure von Angst+Pfister haben drei verschiedene Tests entwickelt:
- Bestimmung der Gasdurchlässigkeit (Permeationskoeffizient) nach ISO 2782-1 in reinem Wasserstoff
- Dichtheitsprüfung nach einem internen Verfahren mit reinem Wasserstoff und einem Methangemisch
- Schneller Gasdekompressionstest (kurz: RGD) nach NORSOK M-710 in reinem Wasserstoff
Polymertyp und Mischungsformulierung beeinflussen die Permeation
Wir haben festgestellt, dass die Löslichkeit von Wasserstoff gering ist (im Gegensatz zu CO2, das in großen Mengen in Elastomere eindringen kann und somit Probleme wie z. B. eine schnelle Gasdekompression verursacht), während die Diffusion relativ hoch ist. Zur Erinnerung: Die Permeation ist das Produkt aus dem Diffusions- und dem Löslichkeitskoeffizienten. Daher kann man auch allgemein sagen, dass die Permeation relativ gering ist. Wasserstoff kann leicht in das Material eindringen, aber er bleibt nicht dort. Die Tests bestätigten unsere theoretischen Erwartungen. Die Art des Polymers und die Gummimischung beeinflussen die Permeation. Permeationstests ermöglichen es uns, unsere eigenen Materialien auf ihre Eignung für Wasserstoffanwendungen hin zu bewerten. Angst+Pfister kann interessierten Kunden detaillierte Daten zur Verfügung stellen.
Permeation als Hauptursache für Leckagen
Die Dichtheitsprüfungen wurden unter den gleichen Bedingungen wie die Permeationstests durchgeführt. Die Geometrie der O-Ringe wirkt sich ebenfalls auf die Leckage aus. Im Prinzip ergaben die Ergebnisse der Dichtheitsprüfung die gleiche Rangfolge innerhalb der Materialien wie bei der Permeation, was darauf hindeutet, dass die Permeation (oder natürliche Leckage) der Hauptgrund für die Leckage ist. Das heißt, sie ist nicht auf Oberflächenleckagen zurückzuführen.
Die Dekompressionsfestigkeit ist wahrscheinlich übertragbar
Eines der leistungsstärksten Materialien (FKM1) wurde einem RDG-Test unterzogen. Unser FKM 1 erhielt die bestmögliche Einstufung (0000) nach der Norsok-Norm, die ihren Ursprung in der Öl- und Gasindustrie hat. Die Tests deuten darauf hin, dass dieses Material, das sich bereits bei anderen Gasen (Methan und CO2) als dekompressionsbeständig erwiesen hat, auch mit Wasserstoff funktioniert und dass Wasserstoff möglicherweise nur begrenzte Probleme bei der schnellen Dekompression von Gasen verursachen wird.
Schlussfolgerungen und Aussichten
Die Permeation scheint der Hauptfaktor zu sein, der die Funktion von Dichtungen in Wasserstoffanwendungen beeinflusst. Werkstoffe, die sich bei anderen Gasen als dekompressionsbeständig erwiesen haben, haben möglicherweise keine Probleme mit Wasserstoff, aber das muss noch bewiesen werden. Deshalb plant Angst+Pfister nun weitere Tests mit reinem Wasserstoff und Drücken über 150 Bar. Ebenso sollen Angst+Pfister Compounds mit einer Shore-Härte von 70 auf Permeation und Leckage getestet werden, um möglicherweise für Anwendungen mit moderatem Druck eingesetzt zu werden. Gleichzeitig arbeitet Angst+Pfister derzeit an Projekten mit Kunden, um neue Dichtungslösungen für Wasserstoffanwendungen zu entwickeln.
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