Erfolgsgeschichten
Präzisionsverdampfer für solarerzeugten Wasserstoff: von 25 g/h bis 100 g/min
Projektbeschreibung
Ein Entwickler von grünem Wasserstoff musste Dampf als Reaktionsmittel in einen Solarreaktor einleiten, wobei Durchfluss, Druck und Temperatur äußerst präzise geregelt werden mussten. Die Herausforderung bestand darin, einen Durchflussbereich zwischen 25 g/h und 2,5 kg/h abzudecken und dabei eine flexible Lösung zu finden, die sich an die weitere Entwicklung des Projekts anpassen lässt.
Ursprüngliche Situation
Vor welche Herausforderungen hat uns der Kunde gestellt?
Ein auf die Erzeugung von grünem Wasserstoff mittels konzentrierter Solarenergie spezialisierter Technologieentwickler wandte sich mit einer ungewöhnlichen Anforderung an Giconmes: Die Einspeisung von Wasserdampf als Reaktionsmittel in einen thermochemischen Reaktor, der durch konzentrierte Sonnenstrahlung auf Längsrohre beheizt wird.
Hier dient der Dampf nicht als Betriebsmedium, sondern als Prozessreagenz. Und genau darin lag die eigentliche Herausforderung: eine äußerst präzise und gleichzeitige Regelung von Durchfluss, Druck und Temperatur bei außerordentlich geringen Durchflussmengen zu erreichen.
Die Anforderungen lagen ursprünglich bei 3 kg/h bei 1 barg und 7 kg/h bei 3 barg, wurden jedoch im Zuge der weiteren Auslegung des Reaktors drastisch auf ein Minimum von 25 g/h und ein Maximum von 2,5 kg/h reduziert.
Diese Werte liegen zwei Größenordnungen unter dem üblichen Bereich eines industriellen Dampferzeugers. In dieser Größenordnung scheiden herkömmliche Anlagen mit Heizelementen und Kessel aus: Die thermische Trägheit des gespeicherten Wasservolumens verhindert eine Dosierung mit der für einen chemischen Prozess erforderlichen Präzision, und die mit den Aufheizzyklen verbundenen Druck- und Temperaturschwankungen sind inakzeptabel, wenn der Dampf an der Reaktion beteiligt ist.
Zu dieser Anforderung kam eine für ein laufendes F&E-Projekt typische Einschränkung hinzu: Die Auslegungswerte entwickelten sich weiter. Der Kunde benötigte ein System, das mit verschiedenen Arbeitsmaßstäben kompatibel war und das Projekt begleiten konnte, ohne bei der nächsten Iteration zu kurz zu greifen, sowie parallel dazu einen Vorschlag, der ihm als technische und wirtschaftliche Grundlage für die Gesamtdimensionierung der Anlage dienen sollte.
Lösung bereitgestellt
Von Giconmes ad hoc entwickelte Dampflösung
Vorgeschlagene Lösung
Giconmes stellte die NGV-HP-Serie vor, sein Sortiment an Präzisionsdampferzeugern, das speziell für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen mit geringem Bedarf konzipiert wurde, bei denen der Dampf unter strenger Regelung von Durchfluss, Druck und Temperatur bereitgestellt werden muss.
Ein anderes Funktionsprinzip als bei herkömmlichen Generatoren. Bei der NGV-HP-Serie kommt auf den Kessel verzichtet: Eine hochpräzise Pumpe dosiert das Wasser direkt auf einen Verdampfer, wo die Verdampfung sofort und genau im Rhythmus des Wasserzuflusses erfolgt.
Da kein kumuliertes Volumen vorliegt, entfällt die thermische Trägheit, die eine Feindosierung verhindert, und der Dampfdurchfluss wird direkt durch den Sollwert bestimmt.
Das durch einen Mikroprozessor-Controller gesteuerte System erreicht somit:
- Durchfluss: Regelbereich von 0,1 g/min bis 100 % der Skala, mit einer Genauigkeit von ±1 % im stationären Zustand und ±5 % der Skala im transienten Zustand. Die Durchflussmessung ist unabhängig vom Gegendruck.
- Temperatur: überhitzter Dampf, einstellbar zwischen 100 und 200 °C (erweiterbar auf 400 °C), mit einer Genauigkeit von ±2 °C.
- Druck: Standardbetrieb von 1 bis 6 bar (abs), mit Optionen von Vakuum bis 15 oder 20 bar (abs).
Der erzeugte Dampf ist rein, es wird kein Trägergas benötigt, und der vollständige Anlauf erfolgt innerhalb von fünf Minuten.
Obwohl die erwarteten Durchflussmengen sehr gering waren, fiel die Wahl auf das Modell NGV HP-6000 (6 kW, bis zu 100 g/min).
Der Grund dafür ist eher strategischer als thermischer Natur: Da der Regelbereich bei 0,1 g/min beginnt, deckt das Gerät sowohl die anfänglichen 25 g/h als auch jede spätere Leistungssteigerung des Reaktors problemlos ab, ohne dass die Genauigkeit im unteren Bereich beeinträchtigt wird. Der Kunde erhält ein einziges Gerät, das mit verschiedenen Betriebsbereichen kompatibel ist, wodurch ein Austausch in späteren Projektphasen vermieden wird.
Der Generator verfügt serienmäßig über eine Open-Source-Steuerungssoftware in Java sowie eine Modbus-TCP-Schnittstelle (mit Modbus RTU, RS232/RS485 und einem analogen 4–20-mA-Signal als Optionen), wodurch er ferngesteuert und überwacht sowie in das Reaktorsteuerungssystem integriert werden kann.
Die mit Wasser in Berührung kommenden Werkstoffe sind PTFE, Edelstahl, PEEK und EPDM, und die Anschlüsse sind von Swagelok®, was den üblichen Ausstattungsstandards einer Versuchsanlage entspricht.
Verwendete Technologie
- 6-kW-Dampferzeuger NGV HP-6000, ohne Kessel und mit Sofortverdampfung
- Mikroprozessorgesteuerte Steuerung, Java-Software und Modbus-TCP-Konnektivität
- Swagelok®-Anschlüsse für den Versuchseinsatz
HERAUSFORDERUNGEN
Wir erfüllen die Anforderungen unserer Kunden
Die Installation hat die vom Kunden festgelegten Ziele vollständig erfüllt. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen:
Eine Genauigkeit, die die Versuche vergleichbar macht. Dosierter Dampf mit einer Abweichung von ±1 % beim Durchfluss und ±2 °C bei der Temperatur: Die Schwankungen des Reagenzes stellen keine Einflussgröße des Experiments mehr dar.
Ein einziges Gerät für das gesamte Projekt. Der Bereich von 0,1 bis 100 g/min deckt sowohl die aktuelle Versuchsphase als auch die geplanten Skalierungen ab und verhindert so das Risiko eines Austauschs im Falle neuer Spezifikationsänderungen.
Sofortige Reaktion. Da sich kein Wasser ansammelt, erfolgen Änderungen der Sollwerte nahezu augenblicklich, und der Startvorgang ist innerhalb von fünf Minuten abgeschlossen – ein entscheidender Faktor, wenn Testkampagnen von der Verfügbarkeit von Sonneneinstrahlung abhängen.
Direkte Integration. Dank Modbus-TCP-Konnektivität und offener Software lässt sich der Generator ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand in die Steuerung des Reaktors integrieren.
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Es gibt keine Schadstoffemissionen, die über die bei der Stromerzeugung entstehenden hinausgehen, so dass sie je nach Strommix neutral werden können. Elektrische Dampfkessel sind die Gegenwart und die Zukunft.
Perfekt. Sie wird sogar für maximale Effizienz empfohlen. Es gibt kein Problem mit der Fernsteuerung, solange die geltenden Vorschriften eingehalten werden.
Ein Dampferzeuger ist ein unter Druck stehendes Gerät, das zusammen mit dem dazugehörigen Rohrleitungsnetz gemäß der im Königlichen Dekret 809/2021 vom 21. September veröffentlichten Verordnung einer behördlichen Kontrolle und ergänzenden technischen Anweisungen unterliegt. Seine Wartung ist in einen Teil der einfachen Einhaltung durch den Eigentümer unterteilt:
- Sie kennen die Gebrauchsanweisungen des Herstellers, die Sicherheitsvorkehrungen und die Wartungsvorschriften und wenden diese an.
- die Anlage nicht in Betrieb zu nehmen oder den Betrieb von Druckgeräten zu verhindern, wenn die Anforderungen der Verordnung nicht eingehalten werden.
- Halten Sie mindestens die folgenden Unterlagen für das Druckgerät bereit, während es installiert ist: Konformitätserklärung, falls zutreffend, Bedienungsanleitung des Herstellers und, falls zutreffend, Installationszertifikat, zusammen mit anderen unterstützenden Unterlagen (falls zutreffend, Installationsprojekt, Bericht über die letzte regelmäßige Inspektion, Bescheinigungen über Reparaturen oder Änderungen am Gerät sowie alle anderen Unterlagen, die in der entsprechenden ergänzenden technischen Anweisung (ITC) dieser Verordnung gefordert werden). Zum Inhalt siehe Anhang IV der Verordnung. Diese Unterlagen müssen der zuständigen Stelle der Autonomen Gemeinschaft und den Unternehmen, die die Wartung, Reparatur oder regelmäßige Inspektion durchführen, zur Verfügung stehen.
- Verwenden Sie Druckgeräte innerhalb der vom Hersteller angegebenen Betriebsgrenzen und nehmen Sie sie aus dem Verkehr, wenn sie die erforderlichen Sicherheitsanforderungen nicht mehr erfüllen.
- Warten Sie Anlagen, Druckgeräte, Sicherheitszubehör und Kontrollvorrichtungen entsprechend den Betriebsbedingungen und den Anweisungen des Herstellers und überprüfen Sie sie mindestens einmal pro Jahr .
- Ordnen Sie regelmäßige Inspektionen gemäß den Bestimmungen von Artikel 6 der Verordnung an.
- Führen Sie ein aktuelles Verzeichnis der Druckgeräte der Kategorien I bis IV der RD 709/2015 vom 24. Juli oder der diesen Kategorien gemäß Artikel 3.2 der Verordnung gleichgestellten Geräte sowie ihrer Anlagen.
Es ist allgemein bekannt, dass sich Wasser bei Anwendung einer Wärmequelle ab dem Siedepunkt und bei atmosphärischem Druck in Dampf verwandelt. Ab diesem Punkt müssen wir je nach dem für die richtige Anwendung erforderlichen Sättigungsgrad des Dampfes den Druck erhöhen, um eine höhere Temperatur zu erreichen. Um die Temperatur und den Sättigungsgrad des Dampfes zu ändern, müssen wir immer den Druck ändern.
Es ist eine Druckeinheit, die 1Kg/cm2, 0,98 Atmosphären oder 14,50 PSI entspricht.
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