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München, 13. März 2009

Hohe Gasdichtheit für wasserstoffbetriebene Verkehrsmittel

Werksansicht von Magna Steyr
Werksansicht von Magna Steyr

Jetzt, da sich fossile Energien wie Erdöl und Erdgas im Aufwind einer stetigen Preisspirale bewegen und dieses Energiepotential nach Expertenansicht für uns nicht ewig zur Verfügung steht, wird der Ruf nach alternativen Energieträgern aus regenerativen Quellen in der Öffentlichkeit immer deutlicher.
So ist, neben der synthetischen Gewinnung von Sundiesel aus Biomasse nach dem Fischer Tropsch Verfahren, Wasserstoff als sauberster und umweltfreundlichster Energieträger in der Energiewirtschaft und in der Automobilbranche favorisiert.

Bereits im Vorfeld, in der Forschung und Entwicklung, machen weltbekannte innovative Automobilhersteller und deren Partner als Zulieferer große Anstrengungen, den Energieträger Wasserstoff für umweltfreundliche Antriebssysteme zur Serienreife zu forcieren.

Die BAUER KOMPRESSOREN GmbH, seit über 50 Jahren Technologie- und Marktführer auf dem Hochdrucksektor für Luft und Gase, und ihr Tochterunternehmen BAUER POSEIDON in Wien, haben in der 2. Jahreshälfte 2007 von der MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik AG & Co. KG den Zuschlag erhalten, eine Helium-Hochdruck Verdichteranlage zu liefern und zu installieren. Die Anlage soll vorgefertigte und verrohrte HD-Behältermodule mit Helium auf Dichtheit prüfen. Sie dienen später als Vorratsspeicher für gasbetriebene Automobile und werden bei Inbetriebnahme mit gasförmigem Wasserstoff gefüllt.

Wer ist MAGNA STEYR?

Magna Steyr ist der weltweit führende, markenunabhängige Entwicklungs-und Fertigungs-Partner der Automobilhersteller. Das Leistungsspektrum reicht von der Entwicklung und Produktion von Komponenten bis zur Entwicklung und Produktion kompletter Fahrzeuge im Kundenauftrag.
Magna Steyr beschäftigt weltweit rund 10.000 Mitarbeiter, über 6000 davon
am Hauptstandort Graz. Magna Steyr ist ein Tochterunternehmen von Magna International Inc., dem meistdiversifizierten Automobilzulieferer weltweit.

Wasserstoff und seine Bedeutung

Behältermodule
Behältermodule

Der Wasserstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas und kommt in der freien Natur ungebunden nur spurenweise vor. Er kann erst mit Hilfe von Energie erzeugt werden. Außerdem ist er als Füllgas brennbar, ist das leichteste aller Gase und besitzt die kleinste Molekülmasse. Aufgrund seiner kleinen Molekülmasse hat Wasserstoff die Eigenschaft durch Metalle zu diffundieren, was sehr hohe Ansprüche an die Dichtheit von Gas-Druckbehältern und Betriebssystemen stellt.

Weltweit werden jährlich etwa 520 Mrd. Nm³ Wasserstoff erzeugt. 60 % davon kommen aus fossilen Brennstoffen, 40 % entstehen als Nebenprodukt in der petrochemischen Industrie und bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse.

Wenn die Gesetze zur CO2-Emission strenger werden und gleichzeitig die Verfügbarkeit fossiler Energiearten noch begrenzter wird, wurde bei der Suche nach alternativen Kraftstoffen erkannt, dass Wasserstoff bei der Nutzung als einer der saubersten Energieträger angesehen werden kann und dadurch mittel- bis langfristig eine immer größere Wichtung erfährt. Als Sekundär-Energieträger lässt sich Wasserstoff unter Druck (gasförmig bis 700 bar) speichern, transportieren (flüssig bei –253 °C) und zur Erzeugung von Strom, Wärme und Kraft in stationären und mobilen Anwendungen einsetzen. Voraussetzung ist, dass zukünftig seine Erzeugung aus unterschiedlichen Primärenergiequellen wie Sonnenenergie, Biomasse oder Wasser gewonnen wird und sich wirtschaftlich in das bestehende Energiesystem integrieren lässt.

Helium spürt Gasleckagen auf

Helium - nach Wasserstoff das leichteste Element - ist chemisch inert, besitzt ein hohes Diffusionsvermögen (sehr kleiner Atomdurchmesser) und vermag aufgrund dessen kleinste Öffnungen und Poren bei Metallen und Verschraubungen zu durchdringen. Diese Eigenschaft nutzt man bei Leckagemessungen in der Praxis, wo Gasverluste an diversen zu prüfenden Systemen auftreten können.

Da Helium ein sehr teueres Gas ist (1 l wiegt etwa 130 g und kostet ca.10 € ) und in der Natur nur wenig vorkommt (weltweit gibt es 4 relevante heliumreiche Erdgasquellen mit einem Heliumgehalt von mehr als 2%), ist höherer technischer Aufwand wegen der Gasleckagen zu betreiben. Ganz besonders aber bei der Verdichtung dieses Gases unter höheren Drücken.

Bewährte Anlagentechnik

Um die Leckraten bei der Verdichtung von Helium so niedrig wie möglich zu halten, beschäftigt sich das Unternehmen BAUER KOMPRESSOREN bereits seit vielen Jahren mit der Problematik dieses Gases. Daher haben sämtliche Hochdruck-Gasverdichteranlagen vom Typ VERTICUS bis zur Großanlage ein geschlossenes gasdichtes System und weisen nur minimale Leckraten auf. Neben der erforderlichen Dichtigkeit müssen die Heliumverdichter, bedingt durch die im Vergleich zur Luft höhere Wärmekapazität, zum einen besser gekühlt werden, zum anderen bedeutet dies einen höheren Qualitätsanspruch der einzelnen Komponenten (z.B Ventile).

Hochdruck Gaskompressorstation mit Komponenten

He-Hochdruckanlage mit Gasaufbereitung
He-Hochdruckanlage mit Gasaufbereitung

Die gesamte Anlage läßt sich in 3 Bereiche gliedern:

  • Helium-Einspeisung über Flaschenbündel mit Druckreduzierung 300/40 bar und Niederdruckspeicher.
  • Hochdruckbereich mit zwei Druckstufen bis max. 875 bar, Überströmleitungen zum Schnell- bzw. Langsambefüllen von Prüfbehältern zwischen 250 und 875 bar.
  • Entleerung der Prüfbehälter und Helium-Rückgewinnung.

Die genannten Bereiche bestehen aus mehreren Einzelkomponenten. Sie alle sind überwiegend in einem klimatisierten Kompressorraum installiert mit Ausnahme des Rückkühlers für das Kühlwasser. Dieser befindet sich auf dem Dach des Kompressorhauses.
Das Versorgungsgas wird über ein Heliumbündel (300/40 bar) eingespeist, weiter reduziert und dem Niederdruckspeicher zugeführt. Da es hier zu Druckschwankungen von einigen bar im ND-Speicher kommen kann, muss der Booster für einen großen Ansaugdruckbereich ausgelegt sein.

Der Hochdruckbereich wird durch 2 unabhängige Druckerzeuger bereitgestellt.
Das erste Druckniveau liefert ein Gas-Hochdruck Booster, Modell GIB 22.11-30, von BAUER KOMPRESSOREN. Der Boosterblock ist ölgeschmiert, hat wassergekühlte Zwischen- und Nachkühler und verdichtet 3-stufig auf das 1. Druckniveau. Die Liefermenge beträgt 1900-2100 l/min freies He-Gas. Das aus den Öl- und Wasserabscheidern kommende Gas-Kondensatgemisch wird in einem Kondensatsammelbehälter aufgefangen. Von dort gelangt das gasförmige Helium wieder in den Ansaugkreislauf, da beide Behälter mit der Gasphase verbunden sind.
Die BAUER B-CONTROL, eine speicherprogrammierte Steuerung, steuert und überwacht sämtliche Funktionen der Kompressoranlage. Bei Abweichungen von den normalen Betriebsbedingungen schaltet die BAUER B-CONTROL den Kompressor automatisch ab und zeigt die Fehlerquelle am Display an.

Das durch den Booster erwärmte Kühlwasser wird von einem Rückkühler mit frequenzgeregelten Ventilator wieder zurückgekühlt. Der Kühlkreislauf ist ein geschlossenes System mit Ausgleichsbehälter, um Volumenschwankungen auszugleichen. Für die Wasserzirkulation- auch für Winterbetrieb ausgelegt - sorgt eine integrierte leistungsfähige Kühlwasserpumpe.
Die Trocknung und Entölung des verdichteten Gases übernimmt das bewährte BAUER Patronen-Filtersystem P 120 mit Aktivkohle- und Molekularsiebfüllung. Ein nachgeschalteter Tiefenfilter von Zander dient zum Ausscheiden von Partikeln und restlichen Ölkondensaten. Mit einem zugeordneten Ölprüfindikator kann bei Bedarf der Restölgehalt im Helium überprüft werden.
Die Speicherung des verdichteten und ölfreien Heliums erfolgt in einem Zwischenspeicher aus dem dann der 2. Verdichter ansaugt und die Prüfbehälter auf unterschiedliche Prüfüberdrücke (max. 875 bar) füllt.

Diese Drücke über 300 bar werden von einem wassergekühlten, hydraulisch angetriebenen Haskel-Booster mit 22 kW Antriebsleistung erzeugt; Liefermenge ca. 2000 Nl/min (je nach Vor-und Enddruckverhältnis).
Die Befüllung der Tankbehälter bis 250 bar kann mittels zweier Überströmleitungen einmal langsam (bei niedrigen Drücken und kleinen Behältern) und zum anderen schneller erfolgen. Der Ablauf der einzelnen Folgen geschieht über Magnetventile, deren elektrische Ansteuerung übergeordnet bauseits erfolgt oder manuell durch Regulierventile.

Mittels eines Pufferbehälters von PN 1000, der vom Haskel-Booster mit versorgt wird, besteht die Möglichkeit, auch kleinere Behältervolumina durch Überströmen zu füllen.
Nach Befüllvorgang und Dichtheitsprüfung des Tanks muss dieser von der Füllleitung problemlos getrennt werden können. Dies erfolgt über ein pneumatisch betätigtes Kugelventil. Das komprimierte Gas entspannt sich in einen Niederdrucktank.

Nach Auffinden von Leckagen und Aufzeichnung derselben in ein Koordinatensystem wird der Inhalt der geprüften Behälter entleert. Für Nieder- und Hochdrucktanks gibt es zwei unterschiedlich abgesicherte Stränge. Das entspannte Helium wird dann über Druckminderer mit unterschiedlichen Leistungen bis auf 9 - 10 bar reduziert und über einen Mengenregler zur Strömungsbegrenzung des entspannten Gases, dem Niederdruckbehälter zugeführt.
Das im ND-Behälter angesammelte Gas muss in den beiden ND-Behältern auf ein höheres Druckniveau gebracht werden. Dies geschieht mit einem elektrisch angetriebenen Schraubenkompressor, der das auf einige mbar reduzierte Gas ansaugt und auf 15 bar verdichtet.
Sämtliche Steuer-, Regel- und Überwachungsarmaturen sind übersichtlich und leicht bedienbar auf verschiedene Panele montiert und verrohrt.
Sämtliche Rohrleitungen - mit Ausnahme der Rohre für die Wasserkühlung - sind in Edelstahlqualität verlegt.

Fazit

Jahrelange Praxis und detaillierte Fachkenntnisse im Umgang mit Helium auf dem Hochdruck-Sektor sind mit ausschlaggebend, dass BAUER KOMPRESSOREN und das Tochterunternehmen BAUER POSEIDON den Zuschlag zur Realisierung des umfangreichen Auftrages verbuchen konnten. Denn gasdichte Kompressorsysteme mit garantiert niedrigen Leckraten tragen in erster Linie dazu bei, teueres Helium für die Dichtheitsprüfung der Tanks verlustfreier zu verdichten. Zum anderen muss das Helium nach dem Test über eine ausgefeilte Anlagentechnik wieder im Kreislauf ohne Verluste zurück in den Ansaugbereich geführt werden. Infolge höherer Dichtheit der Tankmodule ist davon auszugehen, dass der darin gespeicherte Wasserstoff eine weit geringere Diffusionsrate durch das Behältersystem aufweisen wird.

Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Ludwig Kühlwein

BAUER KOMPRESSOREN GmbH
Drygalski-Allee 37
81477 München, Deutschland
Tel.: +49 (0) 89 78049-0
Fax: +49 (0) 89 78049-167
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