Zuverlässige Komponenten für Wasserstoffanwendungen

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Damit das Potenzial von Wasserstofftechnologien als Clean Energy voll ausgeschöpft werden kann, müssen verschiedene Faktoren erfüllt sein. Besonders entscheidend ist allerdings eine zuverlässige Abdichtung in allen Systemen – von der Produktion über den Transport bis zur Abgabe. Dabei sind vor allem zwei große Herausforderungen zu berücksichtigen:

• Anforderungen infolge der Molekülgröße: Wasserstoff ist eines der kleinsten Moleküle in der Natur und stellt daher eine besondere Herausforderung für die Infrastrukturplanung dar. Wasserstoffgas mit seiner geringen Molekülgröße dringt selbst durch kleinste Lücken an Anschlüssen, was mit Leckage- und Sicherheitsrisiken einhergeht. Darüber hinaus können Wasserstoffatome in Metalle diffundieren und zu Wasserstoffversprödung und einer wasserstoffinduzierten Rissbildung führen.
• Anforderungen an die Hochdruckspeicherung: Hohe Speicherdrücke (bis zu 875 bar) erfordern hochleistungsfähige Komponenten – herkömmliche Optionen sind nicht geeignet. Druckänderungen beim Fluidtransport durch das System können auch zu extremen Temperaturschwankungen führen, was mit höheren Anforderungen an die Integrität der gewählten Werkstoffe einhergeht.

Verschraubungen für Wasserstoffanwendungen im Bereich Clean Energy

Optimierte Rohrverschraubungen speziell für Wasserstoffanwendungen stellen eine verlässliche und zukunftsweisende Lösung dar. Diese Verschraubungen wurden unter Berücksichtigung der hohen Anforderungen an Dichtheit, Haltekraft, Vibrationsfestigkeit und Materialintegrität ausgelegt, die für einen Einsatz in Wasserstoffanwendungen erforderlich sind. Sie zeichnen sich durch eine effiziente Installation und lange Lebensdauer aus und tragen so zu einem sicheren, zuverlässigen und nachhaltigen Betrieb bei. Für Clean-Energy-Anwendungen sind die Rohrverschraubungen der Serie FK von Swagelok ideal geeignet, um einen zuverlässigen Betrieb, minimalen Wartungsaufwand sowie ein Höchstmaß an Sicherheit zu erzielen. Im Unterschied zu den Swagelok^®-Standardverschraubungen erfüllen die Verschraubungen der Serie FK die hohen Anforderungen von Wasserstoffanwendungen.

Aktuelle Entwicklungen im Bereich saubere Mobilität und Wasserstofftechnologien

In den öffentlichen Debatten zu umweltfreundlichen Verkehrslösungen spielen Elektrofahrzeuge meist eine zentrale Rolle. Allerdings geht diese Technologie auch mit Einschränkungen einher, die mit Wasserstoff überwunden werden können. Mit integrierten Wasserstoffspeichern erzielen Fahrzeuge eine höhere Reichweite, sowohl bei Pkws als auch bei Nutzfahrzeugen. Die Betankung dauert nur wenige Minuten und der Vorgang ist vergleichbar mit dem bei typischen Benzin- oder Dieselmotoren. Und nicht zuletzt werden Skaleneffekte durch den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur höchstwahrscheinlich zu wettbewerbsfähigeren Preisen führen.

Dies lässt darauf schließen, dass die Wasserstofftechnologie ein enormes Wachstumspotenzial birgt. Um die damit verbundenen Geschäftschancen ausschöpfen zu können, müssen Fachleute in diesem Bereich daher über die erforderlichen Technologien verfügen.

Überlegungen rund um die zuverlässige Wasserstoffspeicherung

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von sicheren, zuverlässigen und leckagefreien Wasserstofffahrzeugen liegt in der Natur von Wasserstoff selbst. Wasserstoff ist ein kleinmolekulares Gas. Als solches kann es mühelos durch kleinste Spalte entweichen und in die Materialien eindringen, die das Gas eigentlich einschließen sollen. Aus diesem Grund müssen Fluidsysteme für Wasserstoffanwendungen zwei essenzielle Bedingungen erfüllen:

• Leckagefreie Abdichtung: Die Auslegung herkömmlicher Öl- und Gassysteme lässt sich nicht ohne Weiteres auf Wasserstoffanwendungen übertragen, bei denen eine leckagefreie Abdichtung maßgeblich ist. Im Gegensatz zu großmolekularen Stoffen entweicht Wasserstoff selbst durch mikroskopisch kleinste Lücken. Die herkömmlichen Dichtungen, Werkstoffe und Verschraubungslösungen für allgemeine Öl- und Gasanwendungen reichen nicht aus, um die für Wasserstoffsysteme erforderliche Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

  Das spielt insbesondere an den Betankungsanlagen eine wichtige Rolle, wo die Sicherheit der Endverbraucher höchste Priorität hat. Um Sicherheitsbedenken zu reduzieren, müssen diese spezifischen Anwendungsfälle bei der Auslegung der Wasserstoffinfrastruktur berücksichtigt werden.

• Werkstoffintegrität: Ein effektiver Korrosionsschutz ist in jedem Rohrleitungssystem ein Muss. Wasserstoffsysteme bergen jedoch spezielle, einzigartige Herausforderungen. Wasserstoffversprödung kann sich beispielsweise negativ auf Komponenten aus 316er-Edelstahl auswirken. Dieser Werkstoff wird sehr häufig für Verbindungen, Ventile und Rohrleitungen verwendet, die unter anderem in Wasserstofffahrzeugen verbaut werden.

  Im Laufe der Zeit kann Wasserstoff selbst in robusten Werkstoffen wie Edelstahl 316/316L zu Verschleißerscheinungen führen. Bei dauerhafter Exposition unter hohen Drücken können Wasserstoffatome in die Kristallstruktur der Metalle eindringen, wodurch es zur Versprödung kommt. Auch wenn die mechanische Festigkeit des Werkstoffs in der Regel erhalten bleibt, können die eindringenden Wasserstoffatome kleinste vorhandene Risse verstärken und dazu führen, dass Bauteile anfälliger für Ermüdungsschäden sind. Bei minderwertigeren Legierungen, bei denen die Materialintegrität möglicherweise bereits beeinträchtigt ist, steigt das Risiko für Ermüdungsschäden weiter. Insbesondere bei dauerhaft betriebenen Wasserstoffsystemen ist für die langfristige Zuverlässigkeit die Auswahl geeigneter, versprödungsresistenter Werkstoffe entscheidend.

Die Bedeutung von Komponenten, die speziell für Wasserstoffanwendungen ausgelegt sind

In Wasserstoffsystemen zählen Verschraubungen zu den wichtigsten Komponenten, denn sie kommen in der Produktionsinfrastruktur, in Fahrzeuganwendungen, an Betankungsanlagen sowie allen anderen Wasserstoffanwendungen zum Einsatz. Rohrverschraubungen stellen wichtige Verbindungspunkte in Wasserstoffsystemen her.

Die Rohrverschraubungen der Serie FK von Swagelok erfüllen diese Anforderungen und zeichnen sich in allen Anwendungen durch die folgenden Leistungsmerkmale aus:

• Höchst zuverlässige Abdichtung: Da die Vermeidung von Leckagen eine so wichtige Rolle spielt, kommt es bei Verschraubungen auf maximale Gasabdichtung an. Nur so lässt sich ein Höchstmaß an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz gewährleisten.

  Rohrverschraubungen der Serie FK haben zwei Kontaktzonen entlang längerer Dichtflächen, wobei eine am Rohr entlang und eine weitere an der Verschraubung verläuft. Diese Kontaktflächen sind leicht abgewinkelt, um ein optimales Spannungsniveau zu schaffen und damit sicherzustellen, dass die Dichtung hält. Die Verschraubung der Serie FK erzielt dank der beiden Klemmringe eine hohe Dichtleistung: Ein Klemmring erzeugt eine lange Kontaktebene, während der andere Klemmring fest in das Rohr selbst greift und seine eigene Oberflächendichtung erzeugt. Die langen, präzise gefertigten Oberflächen des vorderen Klemmrings tragen ebenfalls zu einer hochzuverlässigen Gasabdichtung bei.

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• Optimale Haltekraft: Die Haltekraft der Verschraubung am Rohr ist eine weitere wichtige Leistungseigenschaft. Sie stellt sicher, dass die Verschraubung den hohen Drücken bei der Wasserstoffbetankung sowie der starken Vibrationsbelastung im fahrenden Fahrzeug standhält.

  Dank der kombinierten mechanischen Haltekonstruktion mit zwei Klemmringen ist die Serie FK die optimale Lösung für zuverlässige Verschraubungen. Über den gehärteten vorderen Klemmring „verbeißt“ sich die Verschraubung buchstäblich in der Rohrleitung. Das schafft eine außerordentlich hohe Druckrate. Die innovative Konstruktion des hinteren Klemmrings toleriert geringfügige Bewegungen in der Verschraubung („Zurückfedern“), ohne dabei an Klemmfestigkeit und Haltekraft einzubüßen. Diese spezielle Ausführung zeichnet sich durch eine hohe Vibrationsbeständigkeit aus und eignet sich somit ideal für den Einsatz in Fahrzeugen sowie in Betankungsinfrastrukturen – also dort, wo sowohl Kompressoren als auch dynamische Bedingungen beträchtliche Schwingungen erzeugen.

  Die mechanische Doppelklemmring-Auslegung ermöglicht ein Zurückfedern und gleicht drastische Temperaturschwankungen aus, in deren Folge sich Materialien mitunter ausdehnen bzw. zusammenziehen. Während des Betankungsvorgangs kann die Temperatur des Wasserstoffgases zwischen –50 °C und Umgebungstemperatur liegen. Bei herkömmlichen Konus-/Gewindeverschraubungen führt dies unweigerlich zu Leistungseinbußen.

• Leistungsstarke Werkstoffe: Wasserstoffversprödung stellt eine der wichtigsten Herausforderungen für die Integrität der einzelnen Systemkomponenten dar. Doch auch andere Faktoren können zu einer Korrosion der Komponenten führen. Wenn Fahrzeugteile beispielsweise widrigen Wetterbedingungen ausgesetzt sind oder in Kontakt mit Streusalz kommen, kann das zu Schäden führen.

  Verschraubungen für Wasserstoffanwendungen sollten daher aus leistungsstarken Werkstoffen hergestellt werden. Verschraubungen der Serie FK (sowie eine Vielzahl weiterer erhältlicher Komponenten) enthalten einen höheren Chrom- und Nickelanteil. Das macht sie beständiger gegenüber Wasserstoffversprödung und anderen Korrosionsarten und fördert die Dehnfestigkeit. Die ASTM (American Society for Testing and Materials) schreibt für 316er-Edelstahl einen Nickelgehalt von mindestens 10 % vor. Allerdings hält 316er-Edelstahl mit einem Nickelanteil von mindestens 12 % den einzigartigen Herausforderungen in Wasserstoffsystemen besser stand.

• Einfache Installation: Für eine hohe Skalierbarkeit und effizientere Systeme sollten sich Verschraubungen für Wasserstoffanwendungen durch eine einfache Installation auszeichnen.

  Die Montage von Konus-/Gewindeverschraubungen kann mit einem hohen Arbeits- und Zeitaufwand verbunden sein. Zudem sind bei der Installation spezielle Montagewerkzeuge und Schmiermittel erforderlich, um die Reibung bei den Schneidprozessen zu verringern.

Die Verschraubungen der Serie FK sind dagegen mit vorgefertigten Patronen ausgestattet. So können Monteure gängige Werkzeuge verwenden und auch mit minimalem Schulungsaufwand eine schnelle, fehlerfreie Montage sicherstellen. Gegenüber herkömmlichen Konus-/Gewindeverschraubungen bieten die Verschraubungen der Serie FK beträchtliche Vorteile hinsichtlich Installation und Montage. Hierzu zählen beispielsweise eine geringere Fehleranfälligkeit, eine verbesserte Einheitlichkeit und eine insgesamt höhere Lebensdauer.

Die Vorteile von Swagelok-Rohrverschraubungen der Serie FK

Die Swagelok-Rohrverschraubungen der Serie FK erfüllen die Anforderungen von Wasserstoffanwendungen, darunter:

• Zuverlässige Abdichtung
• Herausragende Haltekraft
• Hohe Vibrationsbeständigkeit
• Ausgezeichnete Werkstoffintegrität
• Einfache und effiziente Installation

Die FK-Verschraubungen mit ihrer patentierten Auslegung mit zwei Klemmringen und Scharnier-Spann-Effekt zeichnen sich durch ihre hohe Kompatibilität mit einer Vielzahl von Rohrleitungsarten und -werkstoffen aus. Selbst in anspruchsvollsten Wasserstoffanwendungen erfüllen sie die erforderlichen Leistungsanforderungen. Von der Wasserstoffproduktion über Fahrzeugsysteme bis hin zur Transport- und Tankstelleninfrastruktur können sich Konstrukteure darauf verlassen, dass die Rohrverschraubungen der Serie FK den Anforderungen gerecht werden.

Darüber hinaus erfüllen sie einschlägige Branchenstandards für Wasserstoffanwendungen und sind nach dem European Integrated Hydrogen Project (EIHP) zertifiziert. Die Verschraubungen der Serie FK werden aus hochwertigem Edelstahl 316/316L mit einem Nickel- und Chromanteil von mindestens 12 % bzw. 17 % hergestellt und sind damit widerstandsfähig gegen Korrosion und Wasserstoffversprödung.

Das umfassende Angebot an Fluidsystemlösungen von Swagelok umfasst auch weitere wichtige Komponenten für Wasserstoffanwendungen, darunter:

• Kugelhähne
• Nadelventile
• Rückschlagventile
• Überströmventile
• Doppelabsperr- und Entlüftungsventile

Ergänzend bietet Swagelok umfassende Engineering Services wie zum Beispiel spezielle Schulungen, Vor-Ort-Bewertungen, Vormontage, Auslegungs- und Montageservices usw.

Unsere Fluidsystemspezialisten unterstützen Sie dabei, Ihre Wasserstoffanwendungen mithilfe fortschrittlicher Verschraubungslösungen effizienter, zuverlässiger und sicherer zu machen.

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