Ventile im Sondermaschinenbau: Prüfstand für die Konditionierung von Elektrolyseuren

Die unterschiedlichsten Prozesse sind für die Regelung von Fluiden oder Gasen auf Ventile angewiesen, angefangen von der Wasser- und Abwasseraufbereitung über die Food- und Pharmaindustrie bis hin zur Kosmetikherstellung oder Petrochemie sowie bei Wasserstoffanwendungen. Auch in vielen Prüfeinrichtungen sind Ventile unabdingbar, zum Beispiel in einem vollautomatisierten Prüfstand zur Konditionierung von Elektrolyseuren. Gefragt sind hier Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Dichtheit und Zuverlässigkeit.

Grüner Wasserstoff, der durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien wie Sonne, Wasser und Wind hergestellt wird, ist einer der wichtigsten Bausteine für eine nachhaltige und klimaneutrale Energiewirtschaft. Das Funktionsprinzip der Elektrolyse wurde bereits Anfang des 19. Jahrhundert entdeckt. Der französische Schriftsteller und Visionär Jules Verne hat in seinem Roman „Die geheimnisvolle Insel“ bereits 1875 das Potenzial von Wasser und Wasserstoff erkannt: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“ Heute ist Wasserstoff zugleich Energieträger, Prozessgas und Energiespeicher. Elektrolyseure spalten dafür Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff.

Reinstwasser zur Konditionierung der PEM-Membranen
Bei der sogenannten PEM-Elektrolyse dient eine Protonen-Austausch-Membran (Proton Exchange Membrane) als ionisch leitfähiges Medium zwischen Anode und Kathode. Wenn eine Spannung anliegt, wird Wasser an der Anode aufgespalten. Es entsteht Sauerstoff, die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode und reagieren dort zu Wasserstoff. Vor der Inbetriebnahme müssen die Elektrolyseure in den Prüfstand und konditioniert werden. Sie werden befeuchtet, denn die Membranen müssen für den Betrieb einen bestimmten Feuchtegrad haben. Für einen ihrer Kunden hat die Albert & Hummel GmbH deshalb jetzt einen vollautomatischen Prüfstand für Elektrolyseure beziehungsweise deren Stacks entwickelt.

Das Unternehmen mit Sitz in Bamberg gilt schon seit über dreißig Jahren als kompetenter Partner im Sondermaschinenbau sowie bei der Entwicklung individueller Automation- und Steuerungslösungen. Auch die Prüfung und Fertigung neuartiger Energie- und Antriebssysteme wurde mittlerweile zu einem Schwerpunkt der Entwicklungsarbeit. Für die Optimierung der Leistung von Elektrolyt-Membranen am Prüfstand ist eine gute Befeuchtung von großer Bedeutung. Dazu wird Reinstwasser (VE-Wasser) unter definierten Bedingungen durch den Elektrolyseur-Prüfstand geleitet. Volumenströme, unterschiedliche Temperaturen und Drücke sorgen dann für die gewünschte Konditionierung.

Agile Projektumgebung stellt hohe Anforderungen
Das Reinstwasser wird während der Konditionierung auf unterschiedlichen Wegen durch den Prüfstand gepumpt. So sorgt ein Bypass-Regelsystem für den gewünschten Volumenstrom, über einen Wärmetauscher wird die notwendige Temperatur erreicht, für das Druckniveau sind Pumpen verantwortlich. Zahlreiche Ventile übernehmen das Befüllen und Entleeren der Rohrleitungen und schalten zwischen den unterschiedlichen Fließwegen des Reinstwassers um. Dabei gilt, alle im Prüfstand eingesetzten Komponenten müssen hohe Anforderungen erfüllen. Die Ventile beispielsweise müssen zuverlässig und schnell schalten, sich gut in die Steuerungsumgebung einbinden lassen und dürfen bei Kontakt mit dem entmineralisierten Wasser nicht korrodieren.

Erschwerend kam hinzu, dass sich während der Entwicklung des Prüfstands immer wieder Änderungen bei den Spezifikationen der Ventile ergaben. Mit Bürkert Fluid Control Systems fanden die Bamberger Sondermaschinenbauer aber einen kompetenten Partner, mit dem die Zusammenarbeit auch in einer solchen agilen Projektumgebung funktionierte. Versprochenes wurde innerhalb kurzer Zeit realisiert, Lieferfristen wurden eingehalten und die Fluidikspezialisten unterstützten jederzeit, wenn es galt, gemeinsam eine passsende Lösung zu finden.

Ventile für zuverlässiges und schnelles Schalten
Am neuen Elektrolyseur-Prüfstand sind vier Prozessregelventile mit ELEMENT-Steuerkopf eingesetzt worden (Typ 8802), zehn On/Off-Prozessventile (Typ 8801) sowie zahlreiche Magnetventile der Typen 6240 beziehungsweise 6027. Sie sind für den Druckbereich PN 25 ausgelegt, bestehen aus korrosionsbeständigem V4-Edelstahl und ihre Dichtungen sind für Einsatz im Reinstwasser geeignet. Kunststoff-Ventile, die ebenfalls keine Probleme mit VE-Wasser haben, kamen aufgrund des hohen Drucks nicht in Frage.

Die Prozessregelventile im durchflussoptimierten Edelstahlgehäuse haben zudem ihre Zuverlässigkeit schon in vielen anderen Anwendungsbereichen unter schwierigen Einsatzbedingungen bewiesen, zum Beispiel auch bei Wasserstoffapplikationen. Ihr Design erlaubt die einfache Integration von Automatisierungseinheiten in allen Ausbaustufen, von der elektrisch optischen Stellungsrückmeldung über die pneumatische Ansteuerung bis hin zur integrierten Feldbusschnittstelle. Die im Prüfstand eingesetzte Steuerkopfvariante kommuniziert mit der übergeordneten Steuerung über klassische Analogsignale. Hohe Lebensdauer und Dichtheit werden durch die bewährte selbstnachstellende Dachmanschetten-Spindelpackung erreicht. Das hochintegrierte System aus Ventil und Automatisierungseinheit überzeugt außerdem durch seine Kompaktheit, ein glattflächiges Design und integrierte Steuerluftkanäle.

Auch die anderen Ventile, die am Elektrolyseur-Prüfstand eingesetzt sind, haben sich bereits in vielen Anwendungen bewährt; sie sind druck- sowie leckagesicher und tragen damit zur zuverlässigen, möglichst druckverlustfreien Funktion des gesamten Prüfstands bei. Auch bei zukünftigen Projekten will Albert & Hummel wieder mit den Fluidikexperten zusammenarbeiten. Die Bamberger planen, weitere Prüfstände für unterschiedliche Branchen zu entwickeln bei denen ebenfalls Fluide im Spiel sind. Die Sondermaschinenbauer lobten die gute Zusammenarbeit und das breite Sortiment an Ventilen und Messtechnik des Fluidikspezialisten.