Wasserstoffverdichter für zukünftige Energiesysteme

von Ueli Oester, Dipl. Masch. Ing, ETH, Apex AG

Als Sektorenkopplungstechnologie kommt dem Wasserstoff eine zentrale Bedeutung zu. Für viele Wasserstoffanwendungen sind Verdichter in verschiedenen Ausführungen und Grössen notwendig. Insbesondere für dezentrale Speicher­systeme sind kleinere Wasserstoffverdichter von zentraler Bedeutung. Für diverse Anwendungen eignen sich modular aufgebaute Varianten, ausgehend von einem Antriebsgrundmodul mit für den Anwendungsfall passendem Verdichterkopf.

Neuentwicklung: ölfreie Wasserstoffverdichter Typ DX
Die neue Konstruktion mit einer Fördermenge von circa zwei Normkubikmeter pro Stunde erlaubt Eingangsdrücke bis zu 30 bar, wie sie in Elektrolyseanlagen üblich sind, und Enddrücke bis 500 bar für die Speicherung von Wasserstoff. Ein dreiphasiger Elektromotor mit Frequenzumrichter ermöglicht die variable Fördermenge. Für die verschiedensten Anwendungen vom Laborbetrieb bis zu Industrieprozessen verlangt der Markt nach Wasserstoffverdichtern auch mit wesentlich grösseren Fördermengen. Das Konzept des kleinen Hochdruckkompressors ist skalierbar und ermöglicht die Übertragung der vielen Vorteile auf grössere Verdichter. So entstehen in den nächsten Jahren grössere Kompressoren nach demselben Prinzip.

Eine neue, modulare Baureihe ist in Entwicklung

• Typ DX mit circa 1.4-Kilowatt-­Antrieb:
  bei Verdichtung von 30 bar auf 500 bar fördert
  circa  2  Normkubikmeter pro Stunde
• Typ DT mit circa 5-Kilowatt-Antrieb:
  bei Verdichtung von 30 bar auf 500 bar fördert
  circa  10 Normkubikmeter pro Stunde
• Typ DS mit circa 15-Kilowatt-­Antrieb:
  bei Verdichtung von 30 bar auf 500 bar fördert
  circa  50 Normkubikmeter pro Stunde
• Typ DQ mit circa 55-Kilowatt-­Antrieb:
  bei Verdichtung von 30 bar auf 500 bar fördert
  circa  200 Normkubikmeter pro Stunde

Das Antriebsgrundmodul kann sowohl mit Hochdruckverdichtern als auch mit Niederdruckvarianten bestückt werden. Diese komprimieren Wasserstoff mit geringem Vordruck (zum Beispiel zwei bar) mit denselben Fördermengen auf circa 30 bar. Für alle vier unterschiedlichen Antriebsgrössen können mit individuellen Zylinderbestückungen unterschiedliche Druck- und Fördermengen abgedeckt werden. Damit ist eine Baukastenlösung für viele Applikationen möglich.

Alleinstellungsmerkmale
Die Innovationen liegen in folgenden Bereichen und deren Kombination:

• ölfreie Hochdruckverdichtung bis 500 bar,
• einzigartige, reibungsfreie Kolbenabdichtung in
  höheren Stufen, mit Spaltringdichtungsprinzip,
• hermetisch dichte Ausführung durch Antrieb mit integriertem Elektromotor oder mit Magnetkupplung
  (es gelangen keine Leckagen in die Atmosphäre),
• Verdichterventile weitgehend wartungsfrei,
• geringe Vibrationen, ruhiger Lauf aufgrund
  des Antriebskonzepts,
• kompakte Bauart, vertikale Aufstellung mit
  geringem Fussabdruck und guter Zugänglichkeit,
• einfache Wartung durch Modultausch und
  Überholung im Werk.

Vergleich mit Grosskompressoren
Diese Kompressoren verwenden andere Bauarten (Kolben-, Membrankompressoren, hydraulisch respektive pneumatische Antriebe, ionische Flüssigkeiten, ölgeschmierte Kurbelgehäuse mit Distanzstücken) und andere Abdichtungstechnologien. Diese Konstruktionen sind für grosse Verdichter entwickelt und nicht einfach auf kleinere Grössen skalierbar.

Herstellung, Multi­plikatoren und Impact
Das Konzept ist identisch für alle Typen und eine synergetische Herstellung ist möglich. Die modulare Bauweise mit standardisierten Antriebsgrössen und teilweise austauschbaren Komponenten bietet ein attraktives Kostenreduktionspotenzial und die Möglichkeit, viele Kundenspezifikationen abzudecken. Die Montage sowie die Funktions- und Leistungstests erfolgen bei der Apex AG.

Wartungsgeschäft
Die Wartung der Verdichter erfolgt durch Apex. Das modulare Konzept ermöglicht einen einfachen Verdichteraustausch mit Werksüberholung. Gleichzeitig können so auf einfache Weise Upgrades implementiert werden (zum Beispiel neue Materialien für längere Laufzeiten (MTBO)).

Ausblick
Diverse Verdichter laufen auf unseren Dauerlaufprüfständen. Die Ergebnisse mit neuen Materialien und Herstellverfahren fliessen direkt in die Weiterentwicklung der Kompressoren mit dem Ziel ausgedehnter Wartungsintervalle und der Reduktion der Herstellungskosten.

Über die Apex AG
Die Apex AG wurde 2003 in Däniken (SO) gegründet. In der ganzen Schweiz unterwegs, baut und wartet Apex installierte Erdgas- /Biogastankstellen und selbst entwickelte Biogas-Aufbereitungsanlagen für die Einspeisung ins Erdgasnetz und zur direkten Fahrzeugbetankung.Die Biomethan-Aktivitäten passen synergetisch ideal zum angestammten Geschäftsfeld und zum Trend der vermehrt nachgefragten Mengen an erneuerbaren Energien, lokal, dezentral und «Swiss made». Apex plant, baut und betreut diese Systeme und bietet umfassende Dienstleistungen als «One-Stop-Shop» an. Erneuerbare Gase als Energiespeicher (zum Beispiel Wasserstoff) stehen im Fokus der Entwicklungsarbeiten. Zusätzliche Informationen erhalten Sie unter www.apex.eu.com oder bei der Apex AG, Industriestrasse 31, 4568  Däniken.