Die Wasserstofferzeugung ist eine zentrale Technologie für die Energiewende und industrielle Prozesse, insbesondere in der Chemie-, Energie- und Automobilindustrie. Hochreines Wasser ist eine essenzielle Voraussetzung für viele Wasserstoffherstellungsverfahren, wie die Elektrolyse, die zu den effizientesten und nachhaltigsten Methoden zählt. Die Qualität des eingesetzten Wassers hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz, Lebensdauer und Betriebssicherheit der Anlagen. Reinstwasser und vollentsalztes Wasser (VE-Wasser) erfüllen die anspruchsvollen Anforderungen für diese Prozesse.
Inhaltsverzeichnis
Bedeutung der Wasserqualität bei der Wasserstofferzeugung
Bei der Wasserstoffherstellung, insbesondere durch Elektrolyse, wird Wasser in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zerlegt. Die Reinheit des eingesetzten Wassers ist entscheidend, da Verunreinigungen Korrosion, Fouling oder Membranschäden in den Elektrolysezellen verursachen können.
Anforderungen an die Wasserqualität
Reinstwasser für die Elektrolyse:
- Leitfähigkeit: Extrem niedrige Werte (< 0,1 µS/cm), um elektrische Kurzschlüsse und Ablagerungen in den Elektroden oder Membranen zu verhindern.
- Organische Verbindungen: Nahezu keine organischen Verunreinigungen, da diese die Effizienz der Elektrolyse stören können.
- Partikelfreiheit: Schwebstoffe und Kolloide müssen vollständig entfernt werden, um mechanische Schäden an den Anlagen zu vermeiden.
- Ionenkonzentration: Keine gelösten Ionen wie Natrium, Chlorid oder Sulfat, da diese zu Korrosion führen können.
VE-Wasser für technische Prozesse:
Vollentsalztes Wasser (VE-Wasser) ist weniger rein als Reinstwasser, erfüllt jedoch die Anforderungen für weniger kritische Wasserstofferzeugungsprozesse oder unterstützende Systeme wie Dampferzeuger.- Leitfähigkeit: Unter 20 µS/cm.
- Härtefreiheit: Keine Calcium- oder Magnesiumionen, um Ablagerungen zu verhindern.
Wasseraufbereitung für die Wasserstofferzeugung: Einblicke und Technologien
Die Wasseraufbereitung für die Wasserstofferzeugung erfordert hochentwickelte Technologien, um den Anforderungen an die Qualität von Reinstwasser und VE-Wasser gerecht zu werden. Die Wahl der Verfahren hängt maßgeblich von der Herkunft des aufzubereitenden Wassers ab. Während Brunnenwasser oft durch einen hohen Gehalt an Härtebildnern, Eisen oder Mangan belastet ist, weist Stadtwasser in der Regel eine standardisierte Grundqualität auf, enthält jedoch häufig Chlor und organische Verbindungen, die entfernt werden müssen. Beide Wasserquellen erfordern maßgeschneiderte Aufbereitungsprozesse, um die Effizienz der Wasserstofferzeugung zu gewährleisten.
1. Vorbehandlung
Die Vorbehandlung ist entscheidend, um die nachfolgenden Aufbereitungsstufen vor Verschmutzungen zu schützen und eine konstante Wasserqualität zu gewährleisten. Sie wird individuell auf die spezifischen Belastungen des Rohwassers angepasst.
Herkunft des Wassers und spezifische Anforderungen
- Brunnenwasser:
- Häufig erhöhte Konzentrationen von Eisen, Mangan und Härtebildnern.
- Mögliche Trübung durch kolloidale Partikel oder mikrobiologische Belastungen.
- Erfordert zusätzliche Stufen wie Enteisenung, Entmanganung oder Fällung und Flockung.
- Stadtwasser:
- Chlor und Desinfektionsnebenprodukte müssen entfernt werden, da sie Membranen und Ionenaustauscherharze schädigen können.
- Organische Verbindungen und Geruchsstoffe stellen eine Herausforderung dar.
- Aktivkohlefilter spielen eine Schlüsselrolle.
Typische Verfahren der Vorbehandlung
- Mehrschichtfilter:
Entfernen Schwebstoffe, Partikel und grobe Verunreinigungen. Durch die Schichtung von Quarzsand, Anthrazit und Kies werden Partikel unterschiedlicher Größe effizient zurückgehalten. - Aktivkohlefilter:
Adsorbieren Chlor, organische Verbindungen und Geruchsstoffe. Aktivkohle schützt nachgeschaltete Membranen vor chemischen Schäden. - Fällung und Flockung:
Kolloidale Partikel, Phosphate oder gelöste Metalle werden durch chemische Reaktionen in feste Partikel umgewandelt, die anschließend durch Sedimentation oder Filtration entfernt werden.
Foto: Unsere Doppel-Filtrationsanlage mit Sand und Aktivkohle
2. Membranverfahren
Membranverfahren sind das Rückgrat der Wasseraufbereitung für die Wasserstoffproduktion, insbesondere wenn Reinstwasser benötigt wird.
Umkehrosmose (RO):
- Funktion:
Bei Umkehrosmoseanlagen wird das Rohwasser wird unter hohem Druck durch semipermeable Membranen gepresst, die gelöste Salze, organische Stoffe und Mikroverunreinigungen nahezu vollständig zurückhalten. - Leistungsfähigkeit:
Entfernt bis zu 99 % der gelösten Salze und Schadstoffe. Besonders geeignet zur Entfernung von Schwermetallen, Nitraten und organischen Reststoffen. - Anwendung:
Erste Hauptstufe der Demineralisierung, besonders bei Wasser mit hoher Leitfähigkeit oder Salzgehalt.
Elektrodeionisation (EDI):
- Funktion:
Eine Kombination aus Ionenaustausch und Elektrochemie, die kontinuierlich Reinstwasser produziert. Durch elektrische Felder werden die Harze regeneriert, ohne dass chemische Regenerationsmittel erforderlich sind. - Leistungsfähigkeit:
Erreicht Leitfähigkeitswerte von < 0,1 µS/cm. - Anwendung:
Ideale Ergänzung zur Umkehrosmose, um die letzten Spuren von Ionen zu entfernen und die höchsten Reinheitsanforderungen zu erfüllen.
Foto: Unsere Umkehrosmoseanlage ALMA OSMO zur Herstellung von VE-Wasser
3. Ionenaustauscher
Ionenaustauscher sind unverzichtbar für die selektive Entfernung spezifischer Ionen aus dem Wasser. Sie sind flexibel einsetzbar und wirtschaftlich, insbesondere bei schwankenden Rohwasserqualitäten.
- Anionenaustauscher:
Entfernen Chlorid-, Nitrat- und Sulfationen, die Korrosion oder Fouling verursachen können. - Kationenaustauscher:
Entfernen Härtebildner wie Kalzium und Magnesium, die zu Ablagerungen führen. - Mischbettharze:
Kombinieren Anionen- und Kationenaustauscher und liefern besonders reines Wasser. Häufig in Kombination mit EDI eingesetzt.
Vorteile von Ionenaustauschern:
- Hohe Selektivität für spezifische Ionen.
- Regenerierbare Harze reduzieren den chemischen Verbrauch.
- Geeignet für die Produktion von VE-Wasser und als Polishing-Schritt bei Reinstwasser.
Foto: Unsere Ionenaustauscheranlage ALMA ION mit vorgeschalteten Mehrschichtfilter ALMA FIL
Technologische Schlüsselverfahren in der Praxis
Die spezifische Kombination der Technologien hängt von der Rohwasserqualität und den Endanforderungen ab. Typische Beispiele sind:
Kombination aus Umkehrosmose und EDI:
- Anwendung: Herstellung von Reinstwasser für Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEMEL).
- Vorteil: Nahezu chemikalienfreie Betriebsweise und konstante Qualität.
Ionenaustauscher für VE-Wasser:
- Anwendung: Herstellung von VE-Wasser für alkalische Elektrolyseure.
- Vorteil: Hohe Flexibilität und einfache Integration in bestehende Systeme.
Foto: Unsere Reinstwasseranlage mit Enthärtung, Umkehrosmose und EDI, für kleine Wasserströme
Anwendungsbereiche der Wasserstofferzeugung
Die industrielle Wasserstoffproduktion erfordert hochreines Wasser für vielfältige Anwendungen:
Energieindustrie:
- Elektrolysebasierte Wasserstofferzeugung für Brennstoffzellen und Power-to-Gas-Anwendungen.
Chemische Industrie:
- Herstellung von Wasserstoff als Ausgangsstoff für die Ammoniak- und Methanolproduktion.
Automobilindustrie:
- Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV).
Metallurgie:
- Einsatz von Wasserstoff als Reduktionsmittel in der Stahlerzeugung.
Pharma- und Elektronikindustrie:
- Reinstwasser für sensible Produktionsprozesse mit höchsten Anforderungen.
Fazit
Die Wasserstofferzeugung ist eng mit der Verfügbarkeit von hochreinem Wasser verbunden. Die Herstellung von Reinst- und VE-Wasser erfordert den gezielten Einsatz moderner Wasseraufbereitungstechnologien wie Umkehrosmose, EDI und Ionenaustauscher. Die Sicherstellung der Wasserqualität ist nicht nur für die Effizienz und Lebensdauer der Anlagen entscheidend, sondern auch für die nachhaltige Nutzung von Ressourcen. Durch innovative Anlagenkonzepte und modulare Systeme lassen sich die Anforderungen der Wasserstoffindustrie zuverlässig und wirtschaftlich erfüllen.
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