Der Wasserstoffgipfel unterstreicht Herausforderungen und Chancen bei der Wasserstoffkomprimierung

Von Jack Burke, 8. Juni 2023

Intensive technische Diskussionen, Networking-Highlights der Veranstaltung

Die Dekarbonisierung – sei es durch Gesetzgebung oder durch ESG-Ziele des Unternehmens – bedeutet, dass die Produktion und der Transport von Wasserstoff ein wachsender Teil der COMPRESSORTech2-Welt werden könnten.

Laut den Rednern des COMPRESSORTech2 Hydrogen Summit gibt es jedoch noch viele Unklarheiten darüber, wie Wasserstoff am besten genutzt werden kann und welche Auswirkungen er auf alles hat, von der Metallurgie bis zur Ventilleistung. Die Veranstaltung, die Ende April in Houston stattfand, zog mehr als 140 Teilnehmer aus einer Reihe von Unternehmen an, darunter bp, Atlas Copco, Cook Compression, Dover Precision Components und viele mehr.

Gipfelpräsentationen

Keynotes

Jeff Falkiner, Manager für Betriebs- und Wartungstechnik – Übertragungsbetrieb bei Enbridge Gas Inc. (EGI), leitete die Konferenz mit einer Grundsatzrede am Vormittag, in der er wichtige technische Elemente bei der Umnutzung von Erdgasanlagen für gemischte Wasserstoffdienste hervorhob.

Falkiner ist für die technische Unterstützung aller Kompressions- und Zusatzgeräte im Speicher- und Übertragungsbetrieb bei EGI verantwortlich, der ein Portfolio von mehr als 800.000 PS umfasst. In seiner derzeitigen Funktion beschäftigt er sich intensiv mit der Bewertung der Auswirkungen von Wasserstoff auf Kompressionsanlagen und deren Eignung.

Falkiner sprach über einige der Wasserstoffprojekte von EGI, darunter das Wasserstoffmischungsprojekt in Markham, Ontario, Kanada – das erste derartige Projekt in Nordamerika.

Das 5,2 Millionen US-Dollar teure Pilotprojekt ist eine Partnerschaft mit Cummins und wurde 2018 gestartet, um zum Ausgleich von Stromangebot und -nachfrage in Ontario beizutragen, indem der überschüssige Strom der Provinz als reiner Wasserstoff gespeichert wird, bis er benötigt wird.

Ab Januar 2022 wird Wasserstoff aus der Anlage in einen Teil des bestehenden Erdgassystems von Enbridge Gas eingespeist und versorgt etwa 3.600 Kunden in Markham.

Er wies darauf hin, dass das Unternehmen ein spezifisches Betriebs- und Integritätsmanagementprogramm erstellen müsse, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Netzwerks zu verfolgen und zu quantifizieren. Es wurden sogar Schulungsprogramme für Ersthelfer entwickelt und durchgeführt, damit diese wissen, wie man mit gemischtem Erdgas umgeht.

Die Keynote am Nachmittag hielt Jacob Saletsky, ein Ingenieur, der Williams‘ New Energy Ventures-Gruppe in Tulsa, Oklahoma, unterstützt. Saletsky unterstützt die Entwicklung und Durchführung von Projekten, die sich auf die Dekarbonisierung bestehender Erdgasgewinnungs-, -verarbeitungs- und -übertragungsanlagen konzentrieren, und ist auch an Energiewendetechnologien wie Wasserstoff, Ammoniak, Kohlenstoffabscheidung, erneuerbarem Erdgas, Abwärmerückgewinnung und Versorgung beteiligt -Maßstab Solar.

Er stellte fest, dass wasserstoffbasierte Kraftstoffe wie Ammoniak und Methanol Vorteile gegenüber anderen CO2-Reduktionspfaden wie CO2-Abscheidung oder Elektroantriebstechnologie haben.

Er sprach auch über den jüngsten Feldtest in Wyoming mit einem alten Cooper 6V-250-Kolbenmotor. Dem Kraftstoff des Motors wurden verschiedene Prozentsätze Wasserstoff – bis zu 30 % – zugesetzt, um die Auswirkungen von Lachgas, Kohlendioxid, Methan, NOX und anderen Schadstoffen auf die Leistung zu ermitteln.

Bei 100 % Motordrehmoment reduzierte eine 30 %ige Wasserstoffmischung im Vergleich zu reinem Erdgas die Stickoxide um fast 25 % und die Methanmenge um etwa 12 %. Der einzige Schadstoff, der während der Tests zunahm, war NOX. Aber Saletsky sagte, NOX könne ohne Motoraufrüstung reduziert werden, indem der Kraftstoff weiter abgemagert werde, allerdings nur bis zu einem gewissen Punkt.

Die anderen Redner des Gipfels deckten ein breites Themenspektrum rund um Wasserstoff und seine Auswirkungen auf die bei der Gaskomprimierung verwendeten Technologien ab. Da Wasserstoff voraussichtlich eine entscheidende Rolle im zukünftigen Energiemix spielen wird, ist dies eine Veranstaltung, die sich niemand entgehen lassen sollte, der auf allen Ebenen der Gaskompressionsindustrie tätig ist.

Kompressortypen

Peter Roth, Direktor für PPI-Produkte bei Sundyne, sprach über die Stärken und Schwächen verschiedener Kompressortypen in Bezug auf Wasserstoff. Radialkompressoren können beispielsweise sehr große Gasströme verarbeiten und eignen sich gut für Pipeline-, Rezirkulations- und Trocknungsanwendungen. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass sie über moderate Druckverhältnisse verfügen. Membrankompressoren geben keinen Wasserstoff an die Atmosphäre ab, sind aber für größere Durchflüsse nicht geeignet. Recip-Kompressoren können größere Gasströme verarbeiten, es ist jedoch eine Verunreinigung des Gases durch die ölgeschmierten Kolben möglich.

Neben Sundyne hat er mit Siemens Energy, Rolls Royce Energy Systems und MAN Turbo & Diesel zusammengearbeitet.

Marybeth McBain, leitende Vertriebsingenieurin der Elliott Group, sprach über die möglichen Auswirkungen auf die Pipeline- und Tanksysteminfrastruktur, um den Bedarf an Produktion, Transport und Speicherung von Wasserstoff zu decken. Zum einen benötigt man einen höheren Volumenstrom an Wasserstoff, um das Energieäquivalent von Erdgas zu erreichen. Dies wirkt sich möglicherweise auf die Anzahl der benötigten Verdichtungsstationen oder zumindest auf die Energie aus, die zum Bewegen des größeren Gasvolumens erforderlich ist.

Die Komprimierungsanforderungen für Wasserstoff sind von der Produktion bis zum Transport größtenteils ähnlich und erfordern Booster-Einheiten, Pipeline-Transportkompressoren, Speicherkomprimierung und möglicherweise Tankstellenpumpen oder -kompressoren.

In ihrer aktuellen Rolle deckt McBain den Markt für technische Produkte in Nord- und Südamerika ab, zu dem LNG-Kompressoren, Pipeline-Transport, Downstream-/Raffineriekompressoren sowie Wasserstoff- und CO2-Anwendungen gehören.

Burak Bekisli und Paul Modern diskutierten die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Hochdruck-Kolbenkompression von ungeschmiertem Wasserstoff. Bekisli ist Direktor für Materialtechnik bei Dover Precision Components und Modern ist Chefingenieur für Ventil- und Durchflusskontrollprodukte bei Cook Compression. In ihrer Präsentation wurden einige der Herausforderungen im Zusammenhang mit der Wasserstoffkompression erörtert und anhand von Fallstudien Möglichkeiten zur Lösung dieser Probleme aufgezeigt.

Der Wasserstoffmarkt entwickle sich weiter, vor allem angetrieben durch Dekarbonisierungsziele. Viele sehen in Wasserstoff einen hervorragenden Energieträger und Speichermedium.

Zu den neuen Anwendungen für die Kolbenkompression gehören Lager- und Transportanwendungen, Betankung und Pipelines. Der erwähnte Wasserstoff ist von Natur aus schwer abzudichten und um potenzielle Leckpfade zu minimieren, sind Verarbeitung und Toleranzen von entscheidender Bedeutung.

Sie befassten sich auch eingehend mit den Grenzen von PTFE-basierten Materialien in Wasserstoffanwendungen und stellten fest, dass diese bei erhöhten Drücken weniger anwendbar sind.

Feldversuche

In einer Präsentation von Jordan Smith und Hans Mathews von Cooper Machinery Services wurden die Experimente des Unternehmens zur Verwendung von Wasserstoff in seinen Gasmotoren und seine Feldtests eines langsam laufenden Integralmotors mit großer Bohrung hervorgehoben, der mit einer Kraftstoffmischung aus 30 % Wasserstoff betrieben wird.

Sie stellten fest, dass Wasserstoff eine hohe Flammengeschwindigkeit hat – etwa zehnmal so schnell wie Methan –, was eine Verzögerung der Zündzeit erfordert, um ein „Klopfen“ zu vermeiden.

Das Unternehmen führte mit dem Gasleitungsunternehmen Southern Star einen Feldtest mit einem integrierten Motorkompressor GMVH-12 von Cooper-Bessemer durch. Bisher wurden die Tests als erfolgreich erachtet, da der unveränderte Zweitaktmotor mit großer Bohrung etwa 30 Volumenprozent Wasserstoff verarbeiten kann.

Sie fanden auch heraus, dass bereits geringe Mengen an Wasserstoff, die dem Kraftstoffmix hinzugefügt werden, zu einer Reduzierung der Emissionen führen können. Sie fanden heraus, dass Wasserstoff als 2:1-Hebel für die CO-Reduktion und als 1,5:1-Hebel für die Methanreduktion wirkt. Durch die Zugabe von Wasserstoff wurde außerdem die Wärmeleistung des Motors verbessert und die Verbrennungsqualität verbessert.

Auf der anderen Seite erfordert die Erhöhung des NOX-Ausstoßes eine Minderungsstrategie, da die Kohlendioxidreduzierung weniger als 1:1 für die Kohlenstoffreduzierung ausmacht. Und der Kraftstoffdurchfluss nimmt zu, wenn der Wasserstoff zunimmt.

Mathews trat 1991 bei Tenneco in die Gaspipeline- und Kompressionsbranche ein, wo er neun Jahre in den Bereichen Technik, Wartung und Analyse tätig war, bevor er im Jahr 2000 zu Hoerbiger wechselte. Dort wurde er Senior Vice President und General Manager für deren Engineering Services (HES)-Team. HES wurde 2020 von Cooper übernommen.

Smith ist Vizepräsident für Nachhaltigkeit und neue Technologien bei Cooper Machinery Services. Er ist seit 20 Jahren in der Kompressionsbranche tätig und hat sich während seiner Zeit bei Cameron Inc. auf die Entwicklung von Technologien zur Emissionsreduzierung für große Stromerzeugungs- und Gaskompressionsmotoren spezialisiert. Er war in den Bereichen Technik und Vertriebsmanagement tätig und erhielt seine PE-Zertifizierung in Colorado.

Joel Sanford, leitender Schlüsselexperte der Technologie- und Innovationsgruppe bei Siemens Energy, sprach mit Steve Chaykosky, leitender Schlüsselexperte der Gruppe Kolbenkompressortechnik bei Siemens Energy.

Die beiden diskutierten über die Ventilleistung, ein Schlüsselelement für die Zuverlässigkeit und Effizienz von Kolbenkompressoren. Sie stellten fest, dass Wasserstoff zwar in einigen Märkten gerade erst an Bedeutung gewinnt, das Gas jedoch bereits seit Jahrzehnten in einer Reihe von Branchen eingesetzt wird. Die Magnum-Ventile von Siemens wurden 1997 erstmals für Wasserstoffanwendungen eingesetzt. Sie sind für hohe Differenzdrücke und Austrittsdrücke ausgelegt und können in allen Kompressionsstufen eingesetzt werden.

Sie präsentierten eine Fallstudie über die Wasserstoffkompressoren einer US-Raffinerie. Zwischen 2000 und 2002 kam es in der Flotte der Raffinerie aus 21 Kompressoren (mit 50 Zylindern im Dauerbetrieb) durchschnittlich zu 16 Ventilausfällen pro Jahr. Um ungeplante Ausfallzeiten zu vermeiden, ließ das Unternehmen einfach alle drei bis vier Wochen ein Team von Mechanikern die Ventile wechseln.

Mit der gleichen Verdichtungsflotte installierte die Raffinerie 2003 Magnum-Ventile, wobei die meisten Zylinder bis 2007 mit Magnum-Ventilen ausgestattet waren. Die Zahl der Ventilausfälle sank auf durchschnittlich zwei pro Jahr.

Auswirkungen der IRA

Nach den Fachvorträgen hörten die Delegierten eine Podiumsdiskussion mit dem Titel „Die sich verändernde Form unserer Energieinfrastruktur“. Noureen Faizee, Direktorin, Strategie & Wachstum – Wasserstoff bei Worley; Luiz Soriano, Vertriebs- und Geschäftsentwicklungsmanager bei Siemens Energy; und Patrick McCalley, Vertriebs- und Produktmanager, Wasserstoffwirtschaft – Amerika, bei der NEA Group, nahmen teil.

Die Diskussionsteilnehmer sprachen über die Auswirkungen des Inflation Reduction Act auf Kapitalinvestitionen in alternative Energien und darüber, was dies für die Wasserstoffkomprimierung bedeuten könnte. Das Inflation Reduction Act sieht eine Steuergutschrift für die Wasserstoffproduktion vor, die als „45V“-Steuergutschrift bekannt ist und entweder Investitionen in die Produktion von sauberem Wasserstoff oder die Wasserstoffproduktion selbst subventioniert. Der Wert des 45-V-Guthabens steigt, wenn die mit der Wasserstoffproduktion verbundenen Lebenszyklusemissionen sinken.

Kurzfristig könnte auch die erhöhte Steuergutschrift für die CO2-Abscheidung und -Sequestrierung, eine Gutschrift namens „45Q“, einen großen Effekt auf die Reduzierung der mit der Wasserstoffproduktion verbundenen Emissionen haben. Einige schlagen vor, dass die Steuergutschriften im IRA bereits ausreichen, um die Wasserstoffproduktion aus Erdgas mit Kohlenstoffabscheidung und -bindung mit der derzeitigen Wasserstoffproduktion ohne Kohlenstoffabscheidung und -bindung konkurrenzfähig zu machen.

COMPRESSORTech2 plant, im April 2024 einen weiteren Wasserstoffgipfel abzuhalten, voraussichtlich im Raum Houston.