Die Wasserstoffelektrolyse ist eine Schlüsseltechnologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff, einem vielversprechenden Energieträger für eine nachhaltige Energiezukunft. Bei der Wasseraufbereitung für die Wasserstoffelektrolyse sind verschiedene Anforderungen zu berücksichtigen, um eine effiziente und zuverlässige Produktion von grünem Wasserstoff zu gewährleisten. Die zwei gängigsten Elektrolyseverfahren sind die alkalische Elektrolyse (AEL) und die Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM).
Generell spielt die Qualität des eingesetzten Wassers eine entscheidende Rolle für die Effizienz der Elektrolyse. Um die Lebensdauer und Effizienz der Elektrolysezellen zu maximieren und die Bildung von Ablagerungen zu verhindern, muss das eingesetzte Wasser einen möglichst geringen einen niedrigen Gehalt an Verunreinigungen aufweisen. Dies umfasst insbesondere die Reduzierung von Ionen wie Kalzium, Magnesium und Chlorid sowie der Karbonathärte, um der Bildung von Ablagerungen vorzubeugen. Eine Entgasung in der Wasseraufbereitung ist deshalb meistens notwendig, um das gelöste Kohlendioxid zu entfernen. Zudem werden in der Voraufbereitung bis zu diesem Punkt Standardtechnologien wie Ionentauscher und Membranfiltrationsverfahren eingesetzt, um eine trinkwasserähnliche Qualität mit einer Leitfähigkeit von < 300 µS/cm zu erzielen.
Reinheit des Prozesswassers
Die weitere Aufbereitung des Wassers hat direkte Auswirkungen auf die Leistung der Elektrolysezellen. Hierbei muss zwischen den Anforderungen für das Zulaufwasser zur AEL und denen für die PEM unterschieden werden. In der AEL wird mit einer etwa 30-prozentigen Natron- oder Kalilauge gearbeitet. Die Entfernung von Härtebildnern aus dem Prozesswasser steht hier an erster Stelle. Für die PEM-Elektrolyseure wird meist Reinstwasserqualität verlangt. Eine geringe Leitfähigkeit und der minimale Gehalt an gelösten Feststoffen sind hierbei entscheidend, um elektrochemische Reaktionen effizient ablaufen zu lassen. Für diese Wasseraufbereitung werden deshalb Technologien wie eine zweistufige Umkehrosmose, Mischbett-Ionentauscher oder Elektrodeionisation (EDI) eingesetzt, die je nach Anforderung eine Leitfähigkeit von <1 µS/cm beziehungsweise <0,1 µS/cm erreichen und die gelösten organischen Stoffe (TOC) nahezu vollständig entfernen.
Kontrolle der Wasserqualität während des Betriebs
Die Wasserqualität muss nicht nur vor dem Elektrolyseprozess, sondern auch während des Betriebs im Prozesswasserkreislauf kontinuierlich überwacht werden. Ein integriertes Überwachungssystem zur Messung der Leitfähigkeit und des TOC-Werts ist erforderlich, um Veränderungen in der Wasserzusammensetzung frühzeitig zu erkennen. Oftmals wird eine Mitteldruck-UV-Anlage zur Reduktion der TOC-Werte eingesetzt und ein Mischbettvollentsalzer beziehungsweise eine weitere EDI zur Leitfähigkeitsreduktion. Dies gewährleistet eine konstante Leistung und verlängert die Lebensdauer der Elektrolysezellen. Die Wasserstoffelektrolyse ist sensitiv gegenüber Temperatur- und Druckschwankungen. Die Wasseraufbereitung sollte daher nicht nur auf die Reinheit des Wassers abzielen, sondern auch auf die Stabilisierung der Betriebsparameter. Ein effizientes Temperatur- und Druckmanagement mithilfe Wärmetauscher und intelligenter Durchflusssteuerung im Prozesswasserkreis wird häufig verwendet, um die Leistung der Elektrolysezellen zu maximieren.
Ventile in der Wasseraufbereitung
In allen Stufen der Prozesswasseraufbereitung spielen Ventile eine entscheidende Rolle. Bereits in der Voraufbereitung ist die Auswahl geeigneter Werkstoffe und Ventiltypen wichtig. Gemü bietet eine breite Palette an Produkten für diesen Prozessschritt. Dabei spielt zum einen der Produkttyp und zum anderen die Werkstoffauswahl eine Rolle. In der Voraufbereitung finden sich meist Absperrklappen und Kugelhähne für die Auf-/Zu-Regelung sowie Membran- und Sitzventile für die Chemikalienzuführung und Durchflussregelung. Als Werkstoffe sind Kunststoffe oder beschichtete Metallkörper und EPDM-Dichtungen in der Regel ausreichend.
In der Aufbereitung und Verteilung beziehungsweise Kreislaufführung des deionisierten oder hochreinen Prozesswassers finden sich hochwertigere Materialkombinationen. Ventilkörper und Absperrklappen in Edelstahlausführung oder aus fluorierten Kunststoffen wie PVDF werden mit PTFE-, FKM- oder EPDM-Dichtungen kombiniert. Hier ist es entscheidend, eine Kontaminierung des aufgereinigten Wassers zu vermeiden. In der Praxis werden Anlagen sowohl in Metall- als auch in Kunststoffausführung gebaut. Bei der Auswahl der Ventilvarianten spielt die große Bandbreite und die hohe Flexibilität des Gemü-Produktportfolios eine entscheidende Rolle, um immer die passende Lösung zu finden. Innerhalb des Prozesswasserkreislaufs sind neben der Materialauswahl vor allem die Regelung der Ventile und die Einbindung in die Anlagensteuerung wichtig. Membran- und Sitzventile können zur Durchflussregelung eingesetzt werden. Dies erlaubt eine effiziente Druck- und Temperatursteuerung des Elektrolyseprozesses. Pneumatische oder elektrische Antriebe für Stellungsregelung und Rückmeldung können hierbei über analoge oder digitale Schnittstellen direkt in die SPS eingebunden werden.
