Ventile für Wasserstoffanwendungen

Da Wasserstoff als sauberer Energieträger an Bedeutung gewinnt, steigt die Nachfrage nach Ventilen, die speziell für Wasserstoffanwendungen entwickelt wurden, rapide an. Wasserstoffventile müssen strenge Sicherheits- und Leistungsanforderungen erfüllen, um die sichere und effiziente Handhabung des hochentzündlichen und flüchtigen Wasserstoffs zu gewährleisten. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Überlegungen bei der Spezifikation von Ventilen für Wasserstoffanwendungen, einschließlich Materialauswahl, Konstruktionsmerkmale und Prüfnormen.

Inhaltsübersicht

• Herausforderungen mit Wasserstoff
• Bedeutung der hohen Leistung von Wasserstoffventilen
• Ventile für Wasserstoffanwendungen
• FAQs

Herausforderungen mit Wasserstoff

Wasserstoff spielt eine wichtige Rolle bei umweltfreundlichen Verkehrsmitteln und Energiequellen. Es hat mehrere Anwendungsmöglichkeiten, von der Bereitstellung einer alternativen Kraftstoffquelle für den Verkehr bis hin zur Verwendung in Brennstoffzellen. Wenn es mit Erdgas im Verhältnis 20:80 gemischt wird, entsteht ein stromerzeugendes Gas, das die CO2-Emissionen um etwa 6-7 % reduzieren kann.

Bei der Auswahl und Dimensionierung von Regelventilen für Wasserstoffanwendungen müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden.

• Wasserstoff hat eine der kleinsten Molekülgrößen. Diese winzigen Moleküle können in minderwertigen rostfreien Stahl eindringen und zu Wasserstoffversprödung führen. Im Laufe der Zeit kann dies zu Rissen im Material führen und möglicherweise erhebliche Probleme bei der Wasserstoffversorgung verursachen.
• Aufgrund seines geringen Gewichts sind die Wasserstoffmoleküle klein, was die Möglichkeit von Leckagen in Dichtungen und Verbindungen erhöht und die Größe des Ventils beeinflusst. Die Gewährleistung der Integrität von Wasserstoffsystemen ist von entscheidender Bedeutung, da jede Verbindung vollständig abgedichtet sein muss. Leckagen stellen ein Sicherheitsrisiko dar, insbesondere beim Tanken, und führen zu unnötigen Verlusten, wenn das Gas aus Fahrzeugen oder Lagereinrichtungen entweicht.
• Die Neigung des Wasserstoffs, sich bei hohen und niedrigen Luftkonzentrationen zu entzünden, ist ein weiterer Faktor, der sich auf die Auswahl der Ventile, insbesondere der Packungen und Verbindungen, auswirkt.

Bedeutung der hohen Leistung von Wasserstoffventilen

Die Bedingungen für den Betrieb von Wasserstoff-Brennstoffsystemen sind naturgemäß schwierig. Alle Wasserstoffventile sollten die folgenden Anforderungen erfüllen.

1. Drücke: Wasserstoff sollte in Fahrzeugtanks bei 350 - 700 bar (5076 - 10152 psi) gelagert werden, um die erforderliche Dichte zu erreichen.
2. Stress und Vibration: Die Systeme müssen so widerstandsfähig sein, dass sie hohe Geschwindigkeiten, raue Straßen und raue Witterungsbedingungen aushalten.
3. Sicherheit Tankstellen sollten sicher genug sein, um betrieben werden zu können.
4. Wartung Das System sollte eine einfache Reparatur der Dichtungen bei Wartungsarbeiten ermöglichen.

Sie müssen unter den für Wasserstoffanwendungen spezifischen Betriebsbedingungen an der Anschlussstelle und an ihrem Absperr- oder Kontrollpunkt dicht sein.

Auswahl des Materials

Wasserstoffversprödung (HE) ist die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften eines Metalls durch die Anwesenheit von Wasserstoff. Sie kann durch unsachgemäße Materialwahl und Umweltbedingungen entstehen und führt zu einer verminderten Flexibilität von Metallen aufgrund der Absorption von Wasserstoffatomen.

Die meisten Metalle sind bei Temperaturen über 150𐩑C (302 𐩑F) immun gegen HE. Der optimale Wasserstoffdruck für die Versprödung liegt zwischen 20 und 103 bar (300 - 1500 psi). HE tritt in Stählen und ähnlichen Metallen bei relativ niedrigen Wasserstoffkonzentrationen auf. Normen wie NACE MR-0175 und NACE MR-0103 definieren die Anforderungen an Regelventile für Wasserstoffgase.

• Zu den für den Wasserstoffeinsatz geeigneten Werkstoffen gehören Aluminiumlegierungen, austenitische Edelstähle, Kupfer und Kupferlegierungen. Nickel und die meisten Nickellegierungen sowie duktiles, graues und verformbares Gusseisen sollten nicht verwendet werden, da sie für schwere Wasserstoffversprödung anfällig sind.
• Die ISO-Dichtung ist eine fortschrittliche Gleitringdichtung, die für die strengen Anforderungen von Wasserstoffanwendungen entwickelt wurde. Seine Struktur besteht aus einer Reihe von Ringen, die aus Materialien wie PTFE oder Graphit bestehen. Diese sind so angeordnet, dass sie eine Abschirmung bilden, die verhindert, dass der unter Druck stehende Wasserstoff mit der Umgebung in Kontakt kommt.
• Die für Membranen und Dichtungen in Wasserstoffanwendungen verwendeten Materialien sollten unter Berücksichtigung der Temperatur- und Druckbedingungen sorgfältig ausgewählt werden. Die Kompatibilität von Wasserstoff mit Polymeren ist noch Gegenstand umfangreicher Feldversuche.

Flüchtige Emissionen

Eine diffuse Emission ist eine unbeabsichtigte Leckage oder ein Ausströmen von Gasen aus druckführenden Geräten wie Ventilen. Die Prüfung auf flüchtige Emissionen bezieht sich auf Tests, mit denen die äußere Dichtheit der Ventilschaftdichtungen und Gehäuseverbindungen von Regelventilen überprüft wird. Diese Tests spiegeln die tatsächlichen Betriebsbedingungen wider und decken alle Betriebstemperaturen und -drücke ab. Zu den gängigen Prüfnormen gehören ISO-15848-1 und 2, TA-Luft/VDI 2440, ANSI/FCI 91-1, API-622 und ANSI/ISA S93.00.01.

Man geht davon aus, dass etwa 60 % der entweichenden Emissionen aus Ventilen stammen, wobei fast 80 % der Leckagen pro Ventil aus der Spindelpackung stammen. Auch Abgas- oder Entlüftungsanschlüsse von Magnetventilen, Stellungsreglern und weiterem Steuerungszubehör tragen zu diesen Emissionen bei. Regelmäßige Inspektionen und Wartungen können dazu beitragen, diese Emissionen zu vermeiden.

Ventile für Wasserstoffanwendungen

Wasserstoff-Kugelhähne

Kugelhähne steuern den Durchfluss von Wasserstoffgas in Wasserstoffsystemen. Bei der Auswahl von Kugelhähnen für Wasserstoffgasanwendungen ist es wichtig, dass sie eine dauerhafte Spindeldichtung haben. Eine gute Wahl ist eine Kugel mit Zapfen und direkter Belastung, die bei jedem Ein- und Ausschalten des Ventils eine sichere Abdichtung gewährleistet. Ein von unten belasteter Schaft kann auch die Gefahr des Ausbrechens des Schafts minimieren, was die Sicherheit erhöht. Achten Sie schließlich darauf, dass sie mit den speziell für die Verwendung von Wasserstoff entwickelten Armaturen kompatibel sind.

Wasserstoff-Nadelventile

Nadelventile helfen bei der Feineinstellung des Flüssigkeitsstroms in einem System. Beim Einsatz in Wasserstoffsystemen sind einige wichtige Faktoren zu beachten.

• Nadelventile sind in der Regel ganz aus Metall und benötigen viel Kraft, um richtig abzudichten. Diese Kraft kann die Nadel oder sogar den Sitz verformen, was ein potenzielles Risiko darstellt und eine teure Wartung erforderlich macht.
• Die Kraft erfordert in der Regel große pneumatische Antriebe zum Schließen und Öffnen der Ventile, die bis zu zwei Minuten brauchen können, um vollständig zu funktionieren.

In Anbetracht dieser Faktoren ist es wichtig, Nadelventile aus hochwertigem Edelstahl 316 zu verwenden, die einer Verformung bei wiederholtem Gebrauch standhalten. Wählen Sie außerdem ein Nadelventil, das für hohe Betriebsdrücke in Wasserstoffsystemen (350/700 bar) zugelassen ist. Und wie bei den Kugelhähnen ist darauf zu achten, dass sie mit anderen für Wasserstoff zugelassenen Bauteilen kompatibel sind.

Wasserstoff-Rückschlagventile

Rückschlagventile spielen in Wasserstoffkompressoren, die in Betankungssystemen eingesetzt werden, eine entscheidende Sicherheitsrolle, da sie einen übermäßigen Rückfluss verhindern, um den Benutzer zu schützen. Wasserstoff-Rückschlagventile müssen im Vergleich zu normalen Serviceanwendungen einige Herausforderungen bewältigen.

Die Federn der meisten Rückschlagventile bestehen in der Regel aus einem Material, das sich unter Belastung verhärtet und damit anfälliger für Wasserstoffversprödung ist als hochwertiger Edelstahl 316. Außerdem sind diese Ventile bei Betankungsanwendungen schnellen und erheblichen Temperatur- und Druckschwankungen ausgesetzt, was die Gummidichtungen des Ventils zusätzlich belastet. In Anbetracht dieser Faktoren sind Kugelrückschlagventile die bessere Wahl für Wasserstoffkompressoren.

Wasserstoff-Magnetventile

Magnetventile steuern den Wasserstofffluss in Wasserstofftankstellen, in der Stromerzeugung, in petrochemischen Anlagen und in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Im Allgemeinen können die direkt wirkenden Magnetventile von 0 - 1000 bar (0 - 14.503 psi) arbeiten, während die indirekt betätigten Magnetventile von 10 - 1000 bar (145 - 14.503 psi) arbeiten. Das Ventilgehäuse und andere Bauteile müssen aus wasserstoffversprödungs- und diffusionsbeständigen Werkstoffen bestehen. In der Regel werden Titan, rostfreier Stahl und andere korrosionsbeständige Metalle verwendet. Außerdem muss das Polymer, aus dem das Ventil besteht, gegen explosive Dekompression (die schnelle und unkontrollierte Druckentladung in einer geschlossenen Umgebung) zugelassen sein.

Sicherheits- und Überdruckventile für Wasserstoff

Druckbegrenzungs- und Sicherheitsventile werden in Wasserstoffspeichern, Brennstoffzellensystemen und Produktionsanlagen eingesetzt, um den Überdruck in Wasserstoffsystemen automatisch abzulassen, wenn der Druck einen bestimmten Sollwert überschreitet. Edelstahl und Nickelbasislegierungen werden in der Regel für den Bau von Ventilen verwendet, da diese Werkstoffe der durch Wasserstoff verursachten Rissbildung widerstehen.

Lesen Sie unseren Artikel über das Drehmoment für Vierteldrehventile, um mehr über die Wirkung des Drehmoments bei der Betätigung von Vierteldrehventilen zu erfahren.

FAQs

Was ist ein Wasserstoffgasventil?

Ein Wasserstoffgasventil ist ein spezieller Typ, der für die Steuerung des Wasserstoffgasflusses in verschiedenen Anwendungen wie Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen, Wasserstoffproduktion und -speicherung entwickelt wurde.

Was sind einige der Anwendungen von Wasserstoffregelventilen?

Wasserstoffsteuerventile werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Brennstoffzellensysteme, Wasserstoffproduktionsanlagen und Wasserstoffspeichersysteme.