In diesem Interview spricht Dave Wolff, Region Manager für Ost-USA und Kanada bei Nel Hydrogen, mit AZoM über die Wasserstofferzeugung für neue Industrieanlagen.
Wofür wird Wasserstoff in Industrieanlagen verwendet?
Es gibt viele Arten von industriellen Prozessen, bei denen Wasserstoff aufgrund seiner einzigartigen chemischen und / oder physikalischen Eigenschaften verwendet wird. Wasserstoff ist ein starkes chemisches Reduktionsmittel, das es Wasserstoff ermöglicht, chemische Bindungen für die Rohölraffinierung zu spalten, um Kraftstoff, Öle und Schmiermittel, die Raffination von Speiseöl und die pharmazeutische Herstellung herzustellen. Wasserstoff wird in großen Mengen verwendet, um Ammoniak und Methanol herzustellen - wichtige Chemikalien selbst und wichtige chemische Zwischenprodukte für andere Chemikalien. Das Reduktionsvermögen von Wasserstoff macht es auch ideal für die thermische Verarbeitung von Erzen und Metallen. Es ermöglicht die Raffination von Erzen zu reinen Metallen und den Schutz von Metallen während der anschließenden thermischen Verarbeitung, um die erforderlichen Formen und physikalischen Eigenschaften zu erzielen. Aufgrund seiner Fähigkeit, Oxidation zu verhindern, wird Wasserstoff in der Halbleiterherstellung in großem Umfang eingesetzt. Die winzige Molekülgröße und die relativ geringen Kosten von Wasserstoff ermöglichen den Betrieb von Analysegeräten in einer Reihe von Branchen. Wasserstoff / Stickstoff-Gemische werden häufig als Leckprüfgase gegenüber knappem und teurem Helium eingesetzt.
Darüber hinaus gibt es neue und aufkommende energiebezogene Anwendungen für Wasserstoff, die einen einzigartigen Wert haben, da Wasserstoff Energie freisetzen kann, ohne Kohlendioxid zu emittieren. Wasserstoff kann mit dem Sauerstoff in der Luft umgesetzt werden, um thermische und / oder elektrische Energie zu emittieren, ohne Kohlendioxid oder andere Schadstoffe zu erzeugen. Unter kontrollierten Bedingungen ist die einzige Emission von Wasserstoffoxidation Wasser!
Über welche Art von Einrichtungen sprechen wir?
Chemie- und Ölraffinerieanlagen
Primäre Metallurgie
Sekundärmetallurgie wie Metallwalzwalzen und -herstellung, Metallrohre und -drähte
Fertigungsbetriebe bauen komplizierte Gas- und Flüssigkeitssysteme wie Bremssysteme und Kühlsysteme, die dicht sein müssen
Halbleiterfertigungsanlagen verwenden eine enorme Menge Wasserstoff für die Chipherstellung
Universitäten und Forschungseinrichtungen verwenden Wasserstoff für fortschrittliche Technologieanwendungen
Es gibt eine ganz neue Klasse von Einrichtungen, die Wasserstoff für Gabelstapler verwenden, um batteriebetriebene elektrische Gabelstapler in riesigen Lagern zu ersetzen
Zu den Befürwortern von mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen-Hubwagen gehören Amazon, Walmart, Home Depot und verschiedene Lagerhäuser für Lebensmittel- und Pharmadistributionen
Ein einziges großes Lager kann wöchentlich drei Sattelzugmaschinen mit flüssigem Wasserstoff verbrauchen
Was ist die Herausforderung bei der Verwendung von Wasserstoff in der Industrie?
Wasserstoffgas hat keine einzige Eigenschaft, die die Verwendung in der Industrie zu einer einzigartigen Herausforderung macht. Es weist jedoch eine ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften auf, die dazu führen, dass sich Wasserstoff im breiten industriellen Einsatz anders verhält als andere Gase - wie z. B. übliche Brenngase Methan und Propan, Inerte wie Stickstoff und Argon sowie häufig verwendete Druckluft. Die einzigartige Kombination von Eigenschaften von Wasserstoff umfasst:
Es ist über einen sehr weiten Kraftstoff- / Luftbereich brennbar
Wasserstoff hat einen enormen Energiegehalt - eine kleine Masse Wasserstoff kann viel Energie freisetzen, wenn er verbrennt
Wasserstoff brennt schnell und explodiert, wenn er sich ansammeln und entzünden darf
Es ist viel leichter als Luft und sehr schwimmfähig
Es ist ein winziges Molekül, das durch winzige Löcher austreten kann
Es entzündet sich mit minimaler Aktivierungsenergie - sogar die statische Elektrizität eines austretenden Gases
Es erwärmt sich, wenn es sich ausdehnt - das einzige brennbare Gas, das dies tut
Bei Tageslicht brennt es praktisch unsichtbar, da die Flamme keine Leuchtkraft von Kohlenstoff aufweist
Es kann im Allgemeinen nicht gerochen werden, da die Geruchsstoffe die nachgeschaltete Ausrüstung beschädigen würden
Diese Verhaltensunterschiede und die Tatsache, dass der Wasserstoffverbrauch mit der Einführung neuer Anwendungen und der zunehmenden Verbreitung immer häufiger wird, geben Anlass zur Sorge, dass Wasserstoffanlagen sicher verwaltet werden müssen.
Was ist keine Gefahr für Wasserstoff?
Wasserstoff ist kein Kryptonit - wir müssen ihn respektieren, aber wir müssen keine Angst davor haben. Es gibt viele Gründe, warum Wasserstoff weit verbreitet und sicher eingesetzt werden kann. Zum einen ist Wasserstoff nicht giftig oder ätzend, daher ist er in diesem Sinne sicherer als Alternativen wie Ammoniak. Außerdem ist Wasserstoff sehr schwimmfähig, was bedeutet, dass er direkt nach oben entweicht, wenn er dies zulässt. Daher verteilt er sich im Falle eines Lecks leicht, wenn das Systemdesign das Entweichen zulässt. Frühe Demonstrationen verglichen benzinbetriebene Autos mit wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen im Falle eines Kraftstofflecks - das Benzin leckte unter dem Auto auf den Boden und entzündete sich, verbrannte das Auto und alles darin, während der Wasserstoff im wasserstoffbetriebenen Auto aus dem Auto entkam absichtliches Leck und wurde sofort in der Luft verteilt, als es gerade aufstieg. Selbst in Fällen, in denen der austretende Wasserstoff entzündet wurde, hatte die Flamme aufgrund ihrer geringen Leuchtkraft wenig Strahlungsenergie, so dass sie benachbarte Oberflächen nur dann erwärmte, wenn die Flamme direkt aufschlug. Im Gegensatz zu Stickstoff, der sich leicht mit atmungsaktiver Luft vermischt und diese verdrängt und häufig die Ursache für sauerstoffarme Pannen ist, steigt Wasserstoff an die Oberseite einer Luftsäule und birgt im Allgemeinen kein Sauerstoffverdrängungsrisiko.
Wasserstoffprobleme durch Wasserstoffspeicherung vergrößert
Während Wasserstoff ungewöhnliche Eigenschaften hat, ist er in der Industrie weit verbreitet und sicher im Einsatz. Wasserstoff in kleinen Mengen kann leicht durch Wissen und Respekt für seine Eigenschaften verwaltet werden. Es ist die Speicherung von Wasserstoff, die Komplexität schafft. Die Speicherung von Wasserstoff erhöht die Gefahr aufgrund des enormen Energiegehalts des gespeicherten brennbaren Gases, des relativ hohen Leckage- oder Pannenpotentials und der schwerwiegenden Folgen einer Wasserstoffzündung.
Was ist einzigartig an den Herausforderungen, die durch die Speicherung von Wasserstoff entstehen?
Wasserstoff hat mehrere einzigartige chemische Eigenschaften, die die Lagerung an einem Industriestandort besonders schwierig machen. Erstens reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und setzt eine enorme Menge an Wärmeenergie frei - die höchste Energiedichte pro Kraftstoffmasse im Vergleich zu anderen Substanzen. Zweitens entzündet sich Wasserstoff mit der geringsten Energiemenge - er hat die niedrigste Aktivierungsenergie aller Gase. Wasserstoff verbrennt auch schnell - vier- bis fünfmal schneller als typische Kohlenwasserstoffe wie Benzindampf oder Methan.
Da Wasserstoff ein so winziges Molekül ist, ist es sehr schwierig, Wasserstoff sicher zu speichern - er tritt durch die kleinsten Rohrleitungen oder Armaturenfehler aus. Das Problem der Leckage wird durch die Tatsache verschärft, dass Wasserstoff farblos und geruchlos ist und nicht gerochen werden kann, da der Geruchsstoff andere wichtige Wasserstoffattribute beeinträchtigen würde (siehe CFR 192.625). Daher ist es möglich, ein signifikantes Wasserstoffleck zu haben, ohne sich dessen bewusst zu sein. Deshalb haben Einrichtungen, die Wasserstoff verwenden, sorgfältig entworfene Belüftungssysteme für Einrichtungen und viele verwenden spezielle Wasserstoffdetektoren.
Da Wasserstoff extrem brennbar ist, eine außerordentlich geringe Dichte aufweist und bei jeder Gelegenheit Leckagen aufweist, ist die Lagerung sehr schwierig. Infolgedessen sind die Vorschriften zur Wasserstoffspeicherung darauf ausgelegt, die Schäden an Leben und Eigentum zu minimieren, wenn ein Leck auftritt. Die Lagerungsregeln schreiben nach Möglichkeit die Lagerung im Freien, die Anforderungen an die Nachbarschaft, den Abstand, die dazwischen liegenden strukturellen Wände, die Belüftung und die elektrischen Anforderungen sowie streng regulierte Inspektionen vor, um die fortlaufende Sicherheit der Wasserstoffspeicherung zu gewährleisten.
Was bedeutet "Wasserstoffpooling"?
Die außerordentlich geringe Dichte von Wasserstoff führt dazu, dass er im Falle eines Lecks durch eine Luftsäule aufsteigt. Dieses vorhersehbare Verhalten bietet einen Sicherheitsvorteil, wenn der Wasserstoff durch Aufsteigen entweichen kann, wie im Fall eines Tanks im Freien. Wenn es jedoch ein Dach, eine Abdeckung oder eine dazwischenliegende Struktur gibt, die das Aufsteigen des Wasserstoffs zum Entweichen verhindert, erzeugt der Wasserstoff einen Wasserstoffpool am Boden der Struktur - der Wasserstoff wird dort von der Struktur selbst gehalten, die den Wasserstoff selbst behindert entkommen. Wenn durch ein anhaltendes Leck zusätzlicher Wasserstoff hinzugefügt wird, dehnt sich der Wasserstoffpool horizontal über die Struktur aus, genau wie sich eine Wasserpfütze über die Fahrbahn ausdehnt. Unglücklicherweise,
Die Verhinderung von Wasserstoffansammlungen an der Unterseite eines Daches oder einer erhöhten Struktur gehört zu den wichtigsten Sicherheitsvorkehrungen, die zur Vermeidung von Wasserstoffunfällen getroffen werden können.
Die Beseitigung der Struktur ist der beste Ansatz - platzieren Sie Wasserstoffspeicher oder -erzeugung nicht oder verwenden Sie sie nicht unter einem Dach, es sei denn, Sie müssen.
Wenn die Wasserstoffanwendung unter dem Dach erfolgen muss, stellen Sie sicher, dass im Unterdachbereich ausreichend Abgas vorhanden ist, um den Wasserstoff schneller zu entfernen, als er sich aufbauen kann.
Wie lassen sich die Gefahren von Wasserstoff am besten mindern?
Die Herausforderungen bei der Arbeit mit Wasserstoff lassen sich am besten bewältigen, indem die vorhandene Wasserstoffmenge begrenzt wird. Die Speicherung von Wasserstoff verursacht aus mehreren Gründen Probleme:
Mehr gespeicherter Wasserstoff bedeutet im Falle eines Unglücks mehr zerstörerische Energie
Die Wasserstoffspeicherung erfolgt in der Regel in Form von unter Druck stehendem Wasserstoff - vorbehaltlich Undichtigkeiten - und kann bei einem Rohrleitungsausfall sofort unbegrenzte Wasserstoffdurchflussraten liefern
Wasserstoff kann als flüssiger Wasserstoff gespeichert werden. Dabei werden große Mengen Wasserstoff in Form einer kryogenen Flüssigkeit gespeichert, wodurch das Risiko einer Verflüssigung der Luft entsteht, erhebliche Sicherheitsabstände erforderlich sind und bei einem Rohrleitungsfehler das Risiko hoher Wasserstoffzufuhrraten besteht
Im Vergleich zu gespeichertem Wasserstoff erzeugt die Wasserstofferzeugung Wasserstoff mit der gleichen Geschwindigkeit, die für den Wasserstoffverwendungsprozess erforderlich ist - es wird kein Wasserstoff gespeichert. Selbst wenn ein katastrophaler Rohrleitungsfehler auftreten würde, würde die Wasserstoffdurchflussrate in dem Bereich liegen, für den der Prozess und die Standardsicherheitssysteme ausgelegt sind.
Was sind die Vorteile der Erzeugung von Wasserstoff gegenüber der Lieferung von Wasserstoff?
Da das Speichern von Wasserstoff so komplex ist, sind Wasserstoffnutzer an Möglichkeiten interessiert, Wasserstoff ohne Speichern von Wasserstoff zu verwenden. Die Verwendung von Wasserstoff ist eigentlich keine besondere Herausforderung - seine Eigenschaften sind lernbar, wenn nicht vertraut, vorhersehbar und unveränderlich. Einfache Konstruktionsansätze und Anlagenmerkmale können das Arbeiten mit Wasserstoff so sicher machen wie das Arbeiten mit brennbaren Gasen. Dies gilt jedoch nur für die relativ geringen Mengen und Ströme von Wasserstoff, die in einem Prozess erwartet werden - ein Leck von gespeichertem Wasserstoff schafft ein überwältigendes Problem, da möglicherweise fast augenblicklich eine große Menge Wasserstoff freigesetzt wird.
Anlagen können so ausgelegt werden, dass sie eine Wasserstoffflut bewältigen, die durch ein großes Leck aus einem Lagerbehälter verursacht wird - dies ist jedoch teuer. Es erfordert die Fähigkeit, enorme Mengen leicht entzündlichen Gases automatisch und nahezu augenblicklich unter dem Dach einer Anlage abzulassen, indem riesige explosionsgeschützte Abluftventilatoren auf dem Dach verwendet werden, die von Detektoren für brennbare Gase ausgelöst werden. Das System muss sofort auf einen Wasserstoffsensor auf Dachebene reagieren und alle Komponenten müssen explosionsgeschützt sein.
Es ist so viel einfacher, die maximal verfügbare Wasserstoffdurchflussrate mithilfe der Wasserstofferzeugung zu regulieren, die den maximalen Durchflussratenanforderungen der Prozesse gerecht wird, ohne jedoch Wasserstoffmengen zu speichern, die im Falle eines Unfalls fast sofort freigesetzt werden können.
Wie sind die Kosten für die Erzeugung von Wasserstoff im Vergleich zu geliefertem Wasserstoff?
Während aus der Luft stammende Industriegase wie Stickstoff, Sauerstoff und Argon in Industriegebieten im Allgemeinen weit verbreitet und wirtschaftlich verfügbar sind, ist Wasserstoff, der typischerweise aus Erdgas oder Kohle hergestellt wird, möglicherweise nicht so leicht verfügbar und, falls verfügbar, aufgrund dessen teuer Ferntransport.
Die Wasserstoffversorgung über gelieferten flüssigen oder gasförmigen Wasserstoff wird als Investitionsansatz mit geringem Kapitaleinsatz angesehen - schließlich stellt der Lieferant die Tanks und die gesamte Lieferausrüstung zur Verfügung -, ist jedoch häufig nicht so kapitalarm, wie angenommen werden könnte . Zu Beginn muss der Kunde die Infrastruktur für die Wasserstoffabgabe vom Fahrzeug in die beim Kunden befindlichen Lagerbehälter sowie für die Aufstellung und den Schutz der Speicherbehälter bereitstellen - Abgabestützen, Fundamente, Zäune, Beleuchtung, unterirdische Rohrleitungen usw. Da große Wasserstoffspeicher, insbesondere Speicher für flüssigen Wasserstoff, große Abstände zu Gebäuden, Grundstücksgrenzen, Parkplätzen, öffentlichen Zugangsbereichen, nicht explosionsgeschützter Beleuchtung, Lufteinlässen usw. erfordern, können die unterirdischen Rohrleitungen zur Versorgung des Tanks länger und länger sein teuer als erwartet.
Daher können die erwarteten niedrigen Vorabkosten für gelieferten Wasserstoff höher sein als erwartet. Sobald die Investition getätigt ist, beginnt der Lieferant mit der Lieferung von Wasserstoff an den Kunden gemäß einer Liefervereinbarung, in der die Lieferverantwortung und die Preisgestaltung festgelegt sind. Beide Parteien sind an diese Vereinbarung gebunden - stellen Sie sicher, dass Sie sie verstehen, da Ihr Geschäft davon abhängt.
Es wird allgemein angenommen, dass die Wasserstoffabgabe im Vergleich zur Wasserstofferzeugung ein Ansatz mit niedrigen Fixkosten, aber höheren variablen Kosten ist. Die Fixkosten für die Wasserstofflieferung umfassen das in die Tank- und Rohrleitungsinfrastruktur investierte Kapital und die monatliche Fixzahlung für die Tankmiete, während die variablen Kosten die Gebühren für den tatsächlich gelieferten Wasserstoff und die damit verbundenen Gebühren des Lieferanten sind.
Im Vergleich dazu erfordert ein Wasserstoffgenerator eine bedeutende Kapitalinvestition von 70.000 bis 600.000 USD für ein Wasserstoffgeneratormodell, das die Anforderungen dieses Wasserstoffbenutzers erfüllt. Im Vergleich zu geliefertem Wasserstoff bedeutet dies ein höheres Anlagekapital. Ein Wasserstoffgenerator erzeugt jedoch Wasserstoff für einen Bruchteil der variablen Kosten im Vergleich zur gelieferten Wasserstofferzeugung - für die Stromerzeugung können variable Kosten von 60 Cent bis 2,00 USD pro 100 scf für Strom anfallen, während die Lieferung von Wasserstoff für große Benutzer von flüssigem Wasserstoff bis zu 1,75 USD kosten kann Bis zu 70,00 USD pro 100 scf für kleinere, hochreine Zylinderbenutzer. Die Preise hängen vom Wasserstoffvolumen, der Form, dem Abstand zur Beschaffung und den Reinheitsspezifikationen ab.
Im Allgemeinen ist erzeugter Wasserstoff für Prozesse günstig, bei denen Wasserstoff über lange Zeiträume mit einer ziemlich konstanten Geschwindigkeit verwendet wird und die von einer höheren Reinheit und einem höheren Druck profitieren. Gelieferter Wasserstoff ist möglicherweise die bessere Wahl für vorübergehende Anforderungen oder hochgradig intermittierende Nutzung oder für Kunden, deren Nutzungsrate möglicherweise wächst oder schrumpft, bevor dies vorhergesagt werden kann.
Nehmen viele Wasserstoffnutzer diese Änderung vor?
Die Zusammenarbeit mit Kunden, um die Wasserstofferzeugung in Betracht zu ziehen, war ein Prozess, um die Menschen darüber zu informieren, dass die Option besteht. Das ist noch in Arbeit. Kunden, die sich für die Wasserstofferzeugung entschieden haben, wechseln fast nie zurück, da sie die gesicherte Versorgung, die vorhersehbaren, wettbewerbsfähigen Kosten und die überlegene Sicherheit der erzeugten Wasserstoffversorgung schätzen.
Über Dave Wolff
Dave Wolff verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung in den Bereichen Projektierung, Industriegaseerzeugung und Anwendungstechnik, Marketing und Vertrieb. Seit 1999 ist er Vertriebs- und Marketingleiter für Technologien zur Wasserstofferzeugung. Dave hat einen Abschluss in Ingenieurwissenschaften vom Dartmouth College. Er verfügt über umfangreiche Kenntnisse in der Wasserstofferzeugung im großen und kleinen Maßstab, der Wasserstoffverteilung, -speicherung und -nutzung sowie über Anwendungskenntnisse in einer Vielzahl von Branchen.
https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=20288 |
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