Hzwei Blogbeitrag

Beitrag von Eva Augsten

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28. Februar 2023

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Der Druck steigt

In den vergangenen Jahren haben viele Kompressorenbauer ihr Engagement im Wasserstoffsektor intensiviert. Mehrere mittelständische Unternehmen schlossen neue Partnerschaften, und es gab etliche Firmenübernahmen. Die reine Verdichtungstätigkeit ist dabei für viele Akteure kein separierter Vorgang mehr, sondern wird inzwischen im Paket mit anderen Leistungen, die ebenfalls für den Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur benötigt werden, angeboten. Aber was unterscheidet die verschiedenen Hersteller und unterschiedlichen Produkte voneinander? HZwei hat Hersteller nach Technologien, Trends und Besonderheiten gefragt und die Ergebnisse hier zusammengestellt – ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Ohne Kompressoren geht in der Wasserstofftechnik nichts. Um das H2-Gas speichern und transportieren zu können, ist es erforderlich, möglichst viele dieser kleinen Moleküle in Druckgasflaschen, Kavernen oder Autotanks zu pressen, um eine möglichst hohe Energiedichte zu erzeugen. Das ist bei Wasserstoff schwerer als bei anderen Gasen, denn die winzigen Moleküle entwischen mitunter durch den kleinsten Spalt. Zugleich können Dichtungsmaterialien potentielle Verunreinigungsquellen für Wasserstoff sein.

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Kompressoren unterscheiden sich sowohl in ihrer Verdichtungs- als auch in ihrer Antriebstechnik. Als Antriebe kommen beispielsweise Druckluft, hydraulische Antriebe oder Elektromotoren infrage. Welche Verdichtungsmethode die richtige ist, hängt unter anderem vom benötigten Durchsatz, dem Druckniveau und der nötigen Reinheit ab.

Ein wesentlicher Aspekt ist der Anfangsdruck, also der Eingangsdruck für den Verdichter. Wird der Wasserstoff beispielsweise aus einem Gasbehälter entnommen, in dem ein niedriger oder nur atmosphärischer Druck herrscht, ist sehr viel mehr Verdichtungsarbeit erforderlich, als wenn beispielsweise ein vorgeschalteter Elektrolyseur bereits bis auf 100 bar vorverdichtet. Da der Energieaufwand zur Komprimierung von Gasen sehr hoch ist, kann es günstiger sein, schon auf der Eingangsseite des Elektrolyseurs das zugeführte Wasser mit 30 bar zu beaufschlagen, als im Nachgang den Wasserstoff zu verdichten.

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Marktübersicht

HZwei hat Hersteller von Kompressoren für Wasserstofftankstellen nach ihren Produkten, Neuheiten und Trends befragt. Eine tabellarische Marktübersicht, wie es sie zum Beispiel im HZwei-Januar-Heft 2022 für Elektrolyseure gab, haben wir diesmal nicht erstellt, da die technischen Spezifikationen von Verdichtern schon im Aufbau zu unterschiedlich sind und es keine einheitlichen Standardbedingungen für Eingangs- und Ausgangsdruck gibt. Doch die wichtigsten Merkmale sind in diesem Artikel zusammengefasst. Sofern uns Hersteller Kenngrößen ihrer Produkte genannt haben, stellen wir diese in kurzen Steckbriefen unter Angabe der Randbedingungen vor. Aufgenommen wurden H2-Verdichter für Tankstellen, bei denen das Enddruckniveau in der Regel 350 oder 700 bar beträgt.

Kolbenkompressoren

Kolbenkompressoren sind die aus der Motorentechnik bekannten Klassiker. Sie sind robust und können hohe Drücke bei mittleren bis hohen Durchsatzmengen (ab etwa 4 Tonnen pro Tag) liefern. Im Vergleich werden Benzin- und Dieselmotoren gängiger Fahrzeuge mit Öl geschmiert. Zwar gibt es dort Ölabstreifringe, doch an den Wänden der Brennkammern befindet sich immer ein dünner Ölfilm zur Reduzierung der Reibung, was so gewollt ist. In Kolbenkompressoren ist das nicht gewollt, da dieses Öl das zu komprimierende Medium verunreinigt. Eine nachgeschaltete Brennstoffzelle, in der dieses Gas dann eingesetzt wird, würde kontaminiert und nach kurzer Zeit ausfallen. Deshalb können mit Öl geschmierte Kolbenkompressoren in der Wasserstofftechnik nur in Kombination mit einer anschließenden Reinigung des Gases eingesetzt werden.

Eine derartige Reinigung kann mit Ölabscheidern auf Basis von Aktivkohle geschehen. Einer der Anbieter dieser Technologie ist die Bauer Kompressoren GmbH. Die Bayern starteten bereits vor 15 Jahren mit einem nach heutigen Maßstäben kleinen H2-Projekt in Spanien. Die Fördermenge lag bei 35 m3 pro Stunde mit bis zu 350 bar. Neben Aktivkohle verwendete das Münchener Unternehmen ein Molekularsieb, um Wasserstoff in den Reinheitsstufen 3.7 bis 5.0 anbieten zu können. Seit 77 Jahren ist Bauer im Hochdruckbereich unterwegs, unter anderem auch mit Taucherflaschen.

Die Borsig GmbH stellt mit dem H450 einen Kolbenkompressor für Lkw-Tankstellen her. Eine Besonderheit ist laut Hersteller die Spaltgasdichtung in der letzten Kompressionsstufe. Zudem könne dieser Kompressor auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen sicher betrieben werden, heißt es.

HerstellerBorsig GmbH
Name des KompressorsH450
KompressortypKolbenkompressor (ohne Tankstelle)
Druckstufen350 bar
H2-Kapazität275 kg/h
Leistungsaufnahme (el)375 kW
Größe (L x B x H)3,4 x 1,3 x 0,8 m
Energiebedarf1,3 kWh/kgH2 (40 bar Eingangsdruck, 450 bar Ausgangsdruck)

Auch Sauer Compressors setzt im mittleren Leistungsbereich auf ölgeschmierte Kolbenkompressoren mit nachgeschalteter Aufbereitung. Als Vorteil dieser Technologie nennt der familiengeführte Kompressorhersteller mit Stammsitz in Kiel vor allem deren Robustheit. Kolbenverdichter können mit wechselnden Lasten ebenso umgehen wie mit schwankenden Temperaturen. Das macht diese Verdichter für den Einsatz in Minigrids und anderen Anwendungen, die eine hohe Autarkie erfordern, interessant. Zudem sind sie laut Herstellerangaben leicht zu reparieren. Eine Besonderheit von Sauer ist, dass die Kunden so geschult werden, dass sie die Verdichter selbst warten und reparieren können – und auch dürfen, ohne die Garantie zu verlieren.

Zu Sauer gehört auch die Haug Sauer Kompressoren AG aus St. Gallen, die kleinere, ölfreie Kompressoren herstellt. Die trocken laufenden Aggregate von Haug können bis zu 1.000 m3 pro Stunde fördern. Das auf der H2Expo präsentierte Modell HAUG.Mercure 22E zum Beispiel komprimiert 7 bis 13 m3H2/h von bis zu 24 auf maximal 350 bar.

Trocken laufende Verdichter verwenden beispielsweise PTFE-Compound-Kolbenringe als Alternative zur Ölschmierung im Zylinder. Diese werden unter anderem von ElringKlinger angeboten und sind durchaus verschleißarm, hinterlassen aber dennoch Spuren in dem verdichteten Medium in Form von Abrieb. Diese müssen dann mit Partikelfiltern entfernt werden. Unten im Kurbelgehäuse verwenden einige dieser Verdichter eine Ölsumpfschmierung, allerdings trennt in diesen Fällen eine dreistufige Abdichtung diesen Bereich vom Verdichtungsraum ab, so dass dort keine Verunreinigungen auftreten. Ölfreie Kolbenverdichter sind typischerweise für Drücke von 150 bis 450 bar einsetzbar, einige auch bei höheren Drücken.

Die Maximator Hydrogen GmbH hat 2022 gemeinsam mit Bosch Rexroth die neue Verdichtereinheit MAX Compression 2.0 vorgestellt (s. HZwei-Heft Juli 2022). Im gleichen Bauraum hat diese einen bis zu fünfmal so hohen Durchsatz wie das Vorgängermodell. Auch den Energiebedarf hat der Anbieter laut Pressemitteilung gesenkt. Der Clou ist dabei, dass die Verdichtung zwar weiterhin in zwei Stufen erfolgt, aber der Wasserstoff zwischen diesen Stufen nicht mehr gespeichert werden muss. In der 75-kW-Klasse soll so der Durchsatz bei gleicher Antriebsleistung um 20 Prozent steigen und die Kosten sollen entsprechend sinken. Die Antriebseinheiten sind zudem von 75 bis 250 kW erweiterbar. So lässt sich die Kapazität einer Wasserstofftankstelle bei Bedarf ohne große Umbauten steigern.

Eine Besonderheit ist der automatische Tausch der Dichtungen (Automatic Seal Exchange, ASX). Das dafür eingesetzte Stangenmagazin fasst bis zu 20 Wechseldichtungen. Pro Dichtung braucht es etwa 15 Sekunden für den Tausch, in drei Minuten soll der Dichtungstausch für das komplette System erledigt sein.

Im November 2022 meldete das Unternehmen aus Nordhausen einen Großauftrag aus Schweden. Von Herbst 2023 bis Ende 2025 soll Maximator Hydrogen Kompressoren für insgesamt 24 Wasserstofftankstellen liefern, die im Zuge des Projektes REH2 entstehen sollen. Diese sollen vor allem schwere Lkw versorgen, 23 der 24 Tankstellen sind an Autobahn-Raststätten geplant. REH2 will ausschließlich grünen Wasserstoff liefern, der vor allem mit lokalen Energiequellen wie Wind und Wasser produziert wird. Mehrheitseigentümer des Projektes ist das Investmentunternehmen Qarlbo AB.

Die FSS High Capacity Station von Resato ist ein modulares System. Die Zahl der Kompressoren und Zapfstellen lässt sich nach Bedarf variieren. So wird eine hohe Produktionskapazität auch mit standardisierten Komponenten möglich, die in Modulgrößen für 1.000 oder 2.000 kgH2/Tag erhältlich sind. Der Wasserstoff kann per Tubetrailer oder Multiple Element Gas Container (MEGC) direkt vom Elektrolyseur oder aus der Pipeline bereitgestellt werden. Die verfügbare Wasserstoffmenge setzt dabei laut Resato das Limit für die Kapazität der Tankstelle.

Laut Resato sind die Tankstellen komfortabel zu nutzen, zuverlässig und haben ein günstiges Grenzkostenverhältnis. Der Anbieter hat zudem ein europaweites Netzwerk für den After-Sales-Support.

HerstellerResato
Name des KompressorsFSS – High Capacity Station
Kompressortypelektro-hydraulischer Kolbenkompressor und Tankstellensystem
Druckstufen350 bar, 700 bar
H2-Kapazität> 1.000 kg/Tag, >2.000 kg/Tag
Leistungsaufnahme (el)185 kW
Grundfläche10 m x 12 m (ohne Wasserstoff-Bereitstellung)

Membrankompressoren

Membrankompressoren eignen sich für höhere Drücke bis 1.000 bar. Auch sie nutzen im Grunde einen Kolben, um das Gas zu verdichten. Doch dieser wirkt nicht direkt auf das Gas, sondern auf ein Öl, das wiederum eine Membran bewegt. Das zu verdichtende Gas ist von dieser Membran (Diaphragma) eingeschlossen. So kommt weder Wasserstoff hinaus, noch kommen Verschmutzungen hinein. Membrankompressoren sind also verunreinigungsfrei und haben keine Leckageverluste. Sie verfügen über eine hohe Standzeit, können also eine hohe Verfügbarkeit im Dauerbetrieb gewährleisten. Ihr technisches Limit sind eher kleine H2-Durchsätze von 1 bis 2 t pro Tag. Das macht sie zum Beispiel für Lkw-Wasserstofftankstellen weniger interessant.

Die zu Neuman & Esser (NEA Group) gehörende Andreas Hofer Hochdrucktechnik GmbH kann nach eigener Aussage mit Membrankompressoren Drücke von 5.000 bar gewährleisten, bei trocken laufenden, hydraulisch angetriebenen Kolbenkompressoren bis zu 3.000 bar.

Der Membrankompressor MD10-L von Burckhardt Compression ist als standardisierte Containerlösung oder einzelnes Gerät erhältlich. Bei Bedarf kann er auch mit Schallminderung und geschlossenem Kühlwassersystem geliefert werden. Die Größe ist an eine 2,5-MW-Elektrolyseeinheit angepasst. Der Membrankompressor sorgt für eine hohe Wasserstoffreinheit und Dichtigkeit. Für größere Durchflüsse empfiehlt Burckhardt Compression den ölfreien Kolbenkompressor 3CS aus dem eigenen Hause. Das Unternehmen lieferte nach eigenen Angaben seinen ersten Wasserstoffkompressor bereits im Jahr 1972. Rund um die Welt hat der Hersteller ein Servicenetzwerk und bietet einen umfassenden After-Sales-Service an.

HerstellerBurckhardt Compression
Name des KompressorsMD10-L
KompressortypMembrankompressor
Druckstufen350 bar
H2-Kapazität45 kg/h
Leistungsaufnahme (el)81 kW (Hauptantrieb bei u. g. Spezifikationen)
EnergiebedarfCa. 1,8 kWh/kgH2 (30 bar Eingangsdruck, 550 bar Ausgangsdruck, 45 kg H2/Stunde)
Grundfläche (L x B x H)6,1 m x 2,44 m x 2,59 m

Turbo- und Schraubenkompressoren

Für niedrigere Druckstufen sind Turbo- und Schraubenkompressorendie Verdichter der Wahl. Ihr typischer Druckbereich liegt etwa bei 1 bis 20 bar, der Durchsatz bei bis zu 50.000 m3H2 pro Stunde. Für Wasserstofftankstellen können sie also nur zur Vorverdichtung dienen, um den für andere Kompressortypen nötigen Eingangsdruck aufzubauen. Ihr Arbeitsprinzip basiert darauf, dass zwei Schraubenläufer gegenläufig ineinander abdrehen (s. Abb. 1).

Das Arbeitsvolumen wird dadurch immer weiter verringert. Ähnlich wie bei Kolbenverdichtern entsteht dadurch eine Pulsation in Abhängigkeit von der Schraubendrehzahl, die bei großen Aggregaten bei 1.500 bis 2.000, bei kleinen bei bis zu 5.000 Umdrehungen pro Minute liegt. Allgemein haben Schraubenverdichter im Vergleich zu anderen Verdichtertypen eine höhere Leckagerate und dadurch Wirkungsgradverluste. Um die Reibung zu reduzieren und die Dichtigkeit zu verbessern, wird ähnlich wie bei Kolbenverdichtern Öl eingesetzt.

Ein Hersteller von Schraubenverdichtern ist die Aerzener Maschinenfabrik GmbH. Eine Neuentwicklung des Maschinenbauunternehmens ist die Substitution des Öls durch Wasser. Der Wasserfilm dichtet dabei ähnlich gut ab wie Öl, verhindert eine Verunreinigung und führt gleichzeitig zu einer durchaus gewünschten Befeuchtung des H2-Gases. Dieses Verfahren befindet sich allerdings noch in Erprobung.

Zudem gibt es noch ionische Verdichter, wie sie beispielsweise Linde herstellt.

Hersteller, Geschäftsmodelle und Trends

Einige der hier aufgeführten Unternehmen sind vornehmlich auf die Herstellung von Kompressoren fokussiert. Andere wiederum sehen ihr Geschäftsfeld in schlüsselfertigen Wasserstofftankstellen. Vor allem unter den spezialisierten Kompressorherstellern sind mehrere traditionsreiche Familienunternehmen aus dem deutschsprachigen Raum. Der Platzhirsch auf dem Markt für Kompressoren und nach eigenen Angaben Weltmarktführer für Kolbenkompressoren ist die Burckhardt Compression AG aus Wintherthur, Schweiz, mit inzwischen 2.700 Mitarbeitenden.

Burckhardt Compression arbeitet nach eigenen Angaben sowohl an Membran- als auch an Kolbenkompressoren, die Drücke von über 900 bar bereitstellen können und auch für große Durchflussmengen geeignet sind. Das seit 2006 börsennotierte Unternehmen zeigt – nicht nur im H2-Sektor – einen deutlichen globalen Wachstumswillen, wie die jüngsten Übernahmen belegen: Industrie- und Kompressorenservice GmbH aus Bremen (2016); CSM Compressor Supplies & Machine Work Ltd aus Kanada (2017); Arkos Field Services aus den USA (2019); The Japan Steel Works Ltd. aus den USA (2020); Shenyang Yuanda Kompressor aus China (2021).

Im Wasserstoffsektor engagiert sich die 1844 gegründete Firma nicht nur bei H2-Tankstellenlösungen und Trailer-Befüllungen, sondern auch bei Power-to-Gas-Projekten sowie bei der H2-Offshore-Produktion. Im Frühjahr 2022 begann Burckhardt Compression mit dem Bau einer eigenen H2-Testanlage am Firmensitz in Winterthur. Dort will das Unternehmen Dichtungstechnologien für Wasserstofftankstellen für schwere Nutzfahrzeuge weiterentwickeln, die eine ölfreie Verdichtung auf bis zu 900 bar (als Booster) erlauben sollen. Ziel ist es, mit Shell New Energies ins Geschäft zu kommen. Burckhardt Compression ist nach eigenen Angaben einer der Finalisten im Wettlauf um das Tankstellengeschäft des Energieriesen. Die Testeinrichtung soll Anfang 2023 in Betrieb gehen, die Tests sollen bis Ende des Jahres abgeschlossen sein.

Im Jahr 2022 schloss Burckhardt Compression eine Partnerschaft mit dem Entwickler von H2-Tankstellen HRS (ehemals TSM). Dabei geht es um die Lieferung mehrerer Membrankompressoren innerhalb der nächsten zwei Jahre für Tankstellen von HRS, deren Kapazität bei jeweils ein bis zwei Tonnen pro Tag liegen soll. Zielgruppe für diese Tankstellen sind der Schwerverkehr (Busse, Lastwagen, Häfen) und leichte Nutzfahrzeuge, wie zum Beispiel in Taxiflotten. Mit der Partnerschaft wollen sich die beiden Firmen auch schon auf weitere Felder der Wasserstoffmobilität vorbereiten, wie zum Beispiel Schiffe, Züge und Flugzeuge.

Auch die Neuman & Esser Group (NEA) ist ein Schwergewicht in der Verdichterbranche. Das Familienunternehmen aus Übach-Palenberg mit seinen 1.200 Mitarbeitenden macht unter anderem durch seine beiden geschäftsführenden Gesellschafter:innen von sich reden, da die Geschwister Stefanie und Alexander Peters beide stark in Lobbyverbänden sowie auf politischer Ebene engagiert sind. So ist Stefanie Peters unter anderem im Nationalen Wasserstoffrat aktiv, während ihr Bruder Vorsitzender des Fachverbands Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik im Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau ist. Zudem wurde er Anfang Dezember 2022 ins Präsidium des DWV gewählt.

PDC Machines aus Pennsylvania ist nach eigenen Angaben weltweit führender Hersteller von Membrankompressoren für Wasserstoff. Die H2-Anwendungen sind neben den klassischen Industriekompressoren das zweite Standbein des US-amerikanischen Unternehmens. Zum Portfolio gehören neben den Kompressoren auch eine komplette Mini-Betankungseinheit SimpleFuel sowie schlüsselfertige Wasserstofftankstellen.

Darüber hinaus meldete PDC Machines 2022 eine Kooperation mit Gilbarco Veeder-Root. Das Unternehmen plant, eine End-to-End-Infrastruktur für die Betankung aufzubauen, die neben den Kompressoren von PDC Machines und Zapfstellen auch die für den Betrieb nötige Software beinhaltet. Dies soll über die hundertprozentige Tochtergesellschaft ANGI Energy Systems geschehen, die für das Druckgasgeschäft zuständig ist und bereits seit 30 Jahren Komplettlösungen für Kunden entwickelt.

PDC Machines profitiert derzeit wie viele US-amerikanische Unternehmen vom Inflation Reduction Act. Dieser sieht unter anderem einen zehnjährigen Steuerbonus für sauberen Wasserstoff und H2-Speichersysteme vor. Zudem soll es Steuervorteile für Brennstoffzellenfahrzeuge und bessere Steuergutschriften für „saubere Tankstellen“ geben.

Das Unternehmen Hiperbaric mit Hauptsitz im spanischen Burgos ist seit 2021 in der H2-Verdichtung aktiv. Gestartet ist das Unternehmen 1999 mit Lösungen für die Lebensmittelindustrie. Im Wasserstoffsektor setzt Hiperbaric auf in Containern vorkonfektionierte Verdichtereinheiten für Tankstellen, Speicher und Forschungseinrichtungen. Neben den eigentlichen Hochdruck-Kolbenverdichtern enthalten die Container auch Steuerung, Kühlung, Lüftung sowie die pneumatischen und hydraulischen Systeme. Die Verdichtung erfolgt in zwei Stufen.

Die Verdichtereinheit ist wahlweise für bis zu 500 oder bis zu 950 bar erhältlich. Die 500-bar-Einheit kommt auf einen Durchsatz von bis zu 26 kg Wasserstoff pro Stunde, die 950-bar-Einheit bis zu 15 kg pro Stunde. Mit einem zweiten Kompressor im Container lässt sich der Durchfluss verdoppeln. Zum Angebot gehört der Komplettservice inklusive Wartung. Ein Monitoring- und Diagnose-Service aus der Ferne soll dafür sorgen, dass Fehler erkannt werden, bevor es zu einem Ausfall im System kommt.

Kompressor-Trends

Die Frage, wie man möglichst einfach mehr und größere Kompressor- und Tankstellenlösungen für Wasserstoff anbieten kann, beschäftigt alle Hersteller. Borsig nennt Standardisierung und Skalierung als die Schlüssel zur Kostensenkung. Resato sieht sich mit dem modularen Ansatz gut für Kapazitätserweiterungen gewappnet. Künftig will das Unternehmen weniger in einzelnen Projekten denken, sondern die Wasserstofftankstellen zu einem „Business Tool“ entwickeln. Statt einer einzelnen Tankstelle, die auf geringe Investitionen und Betriebskosten optimiert ist, sollen die Kunden ein komplettes Produkt inklusive Geschäftsmodell erhalten. Die entscheidenden Optimierungsgrößen seien dabei die Zuverlässigkeit und die Frage, was es unterm Strich koste, ein Kilogramm Wasserstoff in den Fahrzeugtank zu befördern.

Autor:innen: Eva Augsten, Sven Geitmann

Bild: Sauer Compressors zeigte seine Kolbenkompressoren u. a. in Bremen

Kategorien: 2023 | Allgemein
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