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Verfahrenstechnik 10/2021 mit UWT 2

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Verfahrenstechnik 10/2021 mit UWT 2

TOP-THEMA I ARMATUREN

TOP-THEMA I ARMATUREN UND DICHTUNGEN Grüne Energie Armaturen gewährleisten sicheren Betrieb von Wasserstoffanwendungen Wasserstoff ist vor allem durch sein kleines Molekül und damit seine hohe Beweglichkeit eine Herausforderung für den Anlagenbau. In immer mehr Anwendungen kommt der winzige Energieträger heutzutage zum Einsatz und stellt an geeignete Armaturen unterschiedliche Temperatur- und Druckansprüche. Wasserstoff als auch entsprechende Behältnisse, Leitungen und Armaturen sind ansich nichts Neues. Bereits 1838/39 wurde von Schönbein/Grove die erste Brennstoffzelle vorgestellt, die Luftund Raumfahrt beförderte unzählige Raketen wie beispielsweise die Apollo 11 mithilfe von Wasserstoff in den Weltraum und auch in der petrochemischen Industrie entsteht es etwa bei der Chloralkali- Elektrolyse. Diese Wasserstoff-Anwen- Autor: Thomas Weisschuh, Armaturenfabrik Franz Schneider GmbH + Co. KG, Nordheim dungen bilden seit langem einen stabilen Markt für die Armaturenindustrie. Im Zuge der Dekarbonisierung aller Sektoren zur Erreichung der Klimaziele ändert sich dies aber seit einiger Zeit mit hoher Dynamik. Die Anwendungen und damit einhergehend auch Anforderungen werden umfangreicher und vielfältiger. Speziell der grüne Wasserstoff soll als Energieträger und -speicher einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zur Dekarbonisierung der Wirtschaft leisten. Breites Einsatzspektrum Forschungs- und Ausbauarbeiten von der Erzeugung bis zur Nutzung werden global durch massive politische Investments gefördert. Womit auch der Bedarf an entsprechend geeigneten Armaturen steigt. Da jedoch die Applikationen so vielfältig und bunt wie das Spektrum der Farben des Wasserstoffs sind, wird es die „eine“ Wasserstoff-Armatur nicht geben. Benötigt werden unterschiedliche Ventilarten gepaart mit einer breiten Spanne an Temperatur- und Druckanforderungen. Allein bei der Nutzung als Kraftstoff werden im Bereich der Nutzfahrzeug-Betankung derzeit vier verschiedene Ansätze getestet bzw. betrachtet. Dies stellt die Armaturenbranche vor große Herausforderungen, aber auch Chancen. Während die Anforderungen der Applikation in Hinsicht auf Funktion, Medium, Druck oder Temperatur klarer umrissen sind, bestehen noch diverse Lücken, welche Normen, Richtlinien etc. beim Design, der Materialauswahl oder bei den typ- und serienbegleitenden Prüfungen anzulegen sind. Normen und Standards Die Normierung rund um das Medium Wasserstoff kann aktuell mit der hohen Dynamik des Marktes noch nicht Schritt halten. Diverse Arbeitsgruppen wurden gebildet, um die neuen Anforderungen mittels der Normierung abzudecken. Erfahrungsgemäß ziehen sich diese Arbeiten aber noch über viele Monate oder gar Jahre bis zur Erstellung und Freigabe hin. Da der Bedarf aber bereits heute besteht, suchen sowohl Anwender als auch Lieferanten nach entsprechender Orientierung. Eine Lösung sind Unternehmensstandards, die bis zur Verfügbarkeit der Normen herangezogen werden. Folgende Quellen kommen beispielsweise infrage: n Richtlinien (z. B. Druckgeräte-Richtline) n Normen oder technische Berichte ( ASME, ISO/TC, ISO/TR, SAE etc.) n Datenbanken (z. B. der Sandia National Laboratories) n Expertise von Materialprüfungsanstalten, Universitäten etc. 18 VERFAHRENSTECHNIK 10/2021 www.verfahrenstechnik.de

ARMATUREN UND DICHTUNGEN I TOP-THEMA 01 Helium eignet sich gut als Testmedium und liefert repräsentative Ergebnisse Herausforderungen beim Einsatz Sind die Funktionsanforderungen wie Ventiltyp, Durchgang, Anschlussarten etc. geklärt, sollten Anwender auf folgende medienspezifische Aspekte der zukünftigen Armatur achten: n Materialauswahl Wasserstoff dringt in das Gitter verschiedenster Metalle ein und verbleibt dort. Dieser Effekt führt zu einem erhöhten Druck und damit inneren Spannungen, ohne dass eine Festigkeitserhöhung erfolgt. Dies führt einerseits zu wasserstoffinduzierten Rissbildungen und zudem wird auch die Zähigkeit und Duktilität herabgesetzt. Diese Veränderungen können dazu führen, dass bei gegebenem Design der Armatur die Bruchdehnungsvorgaben gemäß der europäischen Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU verletzt werden. Wird bei anderen herausfordernden Medien gerne auf hochfeste Sonderwerkstoffe ausgewichen, so greift dieser Ansatz bei Wasserstoff nicht. Diese sind ganz im Gegenteil stärker der Wasserstoff-Versprödung ausgesetzt. Die niedrigste Empfindlichkeit gegenüber diesen Wasserstoff-Effekten zeigt sich bei kubisch flächenzentrierten Metallgittern wie sie bei austenitischem Stahl (z. B. 316/316L) oder Aluminium vorhanden ist. Doch auch hier kann es weitere Fallstricke geben. So ist bei 316/316L eine Abhängigkeit der Wasserstoffverträglichkeit vom jeweiligen Nickelgehalt festzustellen. Wobei sich diese Abhängigkeit am stärksten zwischen Raumtemperatur und ca. – 40 °C zeigt. Oberhalb als auch unterhalb ist diese Abhängigkeit wesentlich geringer ausgeprägt. Begegnen kann man diesem Effekt einerseits durch die Auswahl eines Stahls mit entsprechendem Nickelgehalt (soweit am Markt verfügbar) oder durch eine Absenkung des Spannungsniveaus, z. B. durch eine 50 % Auslastung des Bauteils, wie man sie auch bei unlegierten Stählen verwendet. Auch bei nicht metallischen Werkstoffen wie Dichtungen oder Schmiermitteln ist auf eine entsprechende Wasserstoffverträglichkeit zu achten. Eine Empfehlungsliste findet sich in den oben genannten Normen oder Datenbanken (Sandia, ISO/ TR, SAE). n Prozessschritte und Leckagen Neben der Auswahl geeigneter Materialien ist ein Augenmerk auf die weitere Verarbeitung zu legen. So können z. B. bei der Verwendung von Schweißprozessen im Bauteil Kerben und Eigenspannungen durch lokale Plastifizierungen entstehen, die dann die Wasserstoffversprödung fördern. Daher ist in diesen Fällen eine Nachbehandlung lt. Nace empfehlenswert. Bei aller Sorgfalt bei Design, Werkstoffauswahl und Verarbeitung muss noch ein weiterer Effekt des Wasserstoffs beachtet werden: Da Wasserstoff das kleinste und leichteste Molekül ist, besitzt er die Fähigkeit, auch durch sehr kleine Riefen und Spalten zu kriechen und damit potenziell zu einer Leckage zu führen. Bei kleinen Leckagen ist dieser Effekt zwar in einer offenen Umgebung ungefährlich, aber wenn es in einem geschlossenen Raum, wie beispielsweise einem Schutzkasten auftritt, kann sich eine entflammbare Mischung bilden. Daher sollte ein Augenmerk auf die Qualifizierung und serienbegleitenden Prüfungen der Armatur gelegt werden. Vordergründig bietet sich dabei die Verwendung von Formiergas nach DIN EN ISO 14175 an (z. B. 95/5 – 95 % Stickstoff mit 5 % Wasserstoff). Allerdings bestehen hierbei einige Herausforderungen, bei 02 Double Block & Bleed Piping Kugelhähne der Taurus-Baureihe sind mit einer Vielzahl von Optionen erhältlich wiederholten, serienbegleitenden Messungen eine stabile Testumgebung zu schaffen. Ladevorgänge von Akkus, Schweißarbeiten, aber auch der Atem lassen die Konzentration von Wasserstoff in der Umgebung schwanken und können daher die Messungen beeinflussen. Daher wird von Mess-Experten empfohlen, bei Wasserstoff-Armaturen alternativ auf das bereits seit vielen Jahren bewährte Helium als Testmedium zurückzugreifen. Hier sind wesentlich stabilere Umgebungsbedingungen gegeben und die Resultate sind ebenfalls repräsentativ. n Sicherer Betrieb Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich unter Beachtung des verwendeten metallischen und nicht-metallischen Materials, der Verarbeitung und der Tests viele der heutigen Armaturen auch mit dem Medium Wasserstoff langfristig sicher betreiben lassen. Durch die aktuell noch laufenden Normierungsarbeiten sollte dabei aber eine sorgfältige Abstimmung zwischen Kunde und Lieferant erfolgen, auf welcher Basis die Armaturen definiert und qualifiziert werden. Und vorhandene Installationen sollten möglicherweise auch auf Tauglichkeit validiert werden können. Im Zweifel besitzen beispielsweise Materialprüfungsanstalten lokaler Universitäten entsprechende Expertise, um beratend zur Seite zu stehen. Damit steht einer durch grünen Wasserstoff CO 2 -reduzierten Zukunft aus Armaturensicht nichts mehr im Wege. Fotos: AS-Schneider, peterschreiber.media/stock. adobe.com www.as-schneider.com www.verfahrenstechnik.de VERFAHRENSTECHNIK 10/2021 19

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