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EnglishDosierpumpe für KOH in der alkalischen Elektrolyse zur Wasserstoffherstellung
Pumpenlösung für 30 % KOH bei 70–90 °C und 25 bar Systemdruck
Für einen miniaturisierten Hochdruck-Stack-Elektrolyseur konfigurierte MARCH PUMPEN eine magnetgekuppelte Außenzahnradpumpe zur Förderung einer 30-prozentigen Kaliumhydroxid-Lösung (KOH, Kalilauge). Die projektspezifische TEF-MAG® 201 ist für Prozesstemperaturen von 70 bis 90 °C, einen Systemdruck von 25 bar und Volumenströme von 20 bis 250 l/h ausgelegt.
Die medienberührten Bauteile bestehen aus chemisch beständigen nichtmetallischen Werkstoffen wie elektrisch leitfähigem PEEK, Siliziumkarbid (SSiC), Graphit und FFKM. Für den Einsatz in der Wasserstoffumgebung wurde die Pumpenausführung gemäß den Projektanforderungen für ATEX II 2G, Zone 1, ausgelegt.
Die Herausforderung: heiße Kalilauge bei hohem Systemdruck fördern
Bei der alkalischen Elektrolyse dient eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt. Im vorliegenden Projekt muss die Pumpe 30 Gew.-% KOH unter anspruchsvollen Druck- und Temperaturbedingungen fördern. Dabei trifft ein geringer Volumenstrom auf einen hohen Eingangs- und Differenzdruck.
Zusätzlich waren die chemische Beständigkeit gegenüber heißer Kalilauge, nichtmetallische medienberührte Bauteile und die Anforderungen des Explosionsschutzes zu berücksichtigen. Die Pumpenauslegung musste daher Chemikalienbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit, Druckfestigkeit, geringe Fördermengen und die projektspezifische ATEX-Ausführung miteinander verbinden.
Prozessdaten der KOH-Anwendung
| Medium | Kaliumhydroxid-Lösung (KOH, Kalilauge) |
|---|---|
| Konzentration | 30 Gew.-% KOH |
| Prozesstemperatur | 70–90 °C |
| Eingangsdruck | 16 bar |
| Differenzdruck | 9 bar |
| Systemdruck der Pumpe | 25 bar |
| Volumenstrom | 20–250 l/h |
| Hydrostatische Druckprüfung | 37,5 bar |
| Explosionsschutz | ATEX II 2G, Zone 1 |
| Betrieb | Frequenzumrichter |
| Pumpentyp | TEF-MAG® 201 |
Medienberührte Werkstoffe der TEF-MAG® 201
| Pumpengehäuse | PEEK, elektrisch leitfähig |
|---|---|
| Spalttopf | PEEK, elektrisch leitfähig |
| Druckverstärkung des Spalttopfs | außenliegende Edelstahlhülse |
| Wellen | SSiC |
| Zahnräder | PEEK-HPV |
| Zahnradkäfig | PEEK-HPV |
| Gleitlager | Graphit |
| O-Ringe | FFKM |
| Innenmagnet | PEEK, elektrisch leitfähig |
Die außenliegende Edelstahlhülse erhöht die Druckfestigkeit des Spalttopfs, kommt jedoch nicht mit dem Fördermedium in Kontakt. Die medienberührten Bauteile bleiben damit nichtmetallisch ausgeführt.
Die Lösung: magnetgekuppelte TEF-MAG® 201 aus leitfähigem PEEK
Als Basis der kundenspezifischen Pumpenlösung dient die patentierte magnetgekuppelte Außenzahnradpumpe TEF-MAG®. Außenzahnradpumpen eignen sich für Anwendungen, in denen kleine, definierte Volumenströme bei vergleichsweise hohen Differenzdrücken gefördert werden müssen. Die TEF-MAG® ermöglicht dabei eine nahezu pulsationsarme Förderung.
Die Kraftübertragung erfolgt über eine Magnetkupplung. Dadurch benötigt die Pumpe keine dynamische Wellendichtung zwischen Pumpenraum und Umgebung. Eine typische potenzielle Leckagestelle wird damit konstruktiv vermieden – ein wichtiger Vorteil beim Umgang mit aggressiven und sicherheitsrelevanten Medien.
Für die geforderte Kombination aus chemischer Beständigkeit, mechanischer Festigkeit, Temperatur- und Druckbelastung sowie den elektrischen Anforderungen der projektspezifischen ATEX-Ausführung wurde gemeinsam mit einem Werkstoffhersteller ein elektrisch leitfähiger PEEK-Werkstoff ausgewählt.
Warum eine Zahnradpumpe für KOH in der alkalischen Elektrolyse?
Die Kombination aus einer geringen Fördermenge und einem hohen Differenzdruck stellt besondere Anforderungen an die Pumpentechnik. Im vorliegenden Elektrolyseprojekt muss die Pumpe einen Volumenstrom von 20 bis 250 l/h fördern und gleichzeitig einen Eingangsdruck von 16 bar sowie einen Differenzdruck von 9 bar bewältigen. Daraus ergibt sich ein Systemdruck von 25 bar.
Für diese Anwendung verbindet die TEF-MAG® 201 mehrere entscheidende Eigenschaften:
- Förderung von 30 Gew.-% KOH bei 70–90 °C
- geringe Volumenströme von 20–250 l/h
- Förderung gegen 9 bar Differenzdruck bei 25 bar Systemdruck
- nahezu pulsationsarmer Volumenstrom
- magnetgekuppelte Konstruktion ohne dynamische Wellendichtung
- chemisch beständige, nichtmetallische medienberührte Werkstoffe
- elektrisch leitfähiges PEEK für die projektspezifische Ausführung
- ATEX II 2G für den Einsatz in Zone 1
- Förderstromanpassung über einen Frequenzumrichter
Welche Funktion hat KOH bei der alkalischen Elektrolyse?
Bei der alkalischen Wasserelektrolyse wird Wasser mithilfe zugeführter elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung dient als alkalischer Elektrolyt und ermöglicht den Ionentransport zwischen den Elektroden.
An der negativ geladenen Kathode wird Wasser reduziert. Dabei entstehen Wasserstoff und Hydroxid-Ionen (OH−). Die Hydroxid-Ionen bewegen sich durch den alkalischen Elektrolyten beziehungsweise Separator zur positiv geladenen Anode. Dort werden sie oxidiert und Sauerstoff gebildet.
Gesamtreaktion: 2 H2O → 2 H2 + O2
Ein Separator beziehungsweise Diaphragma trennt die Elektrodenräume und reduziert die Vermischung der an Kathode und Anode entstehenden Produktgase. KOH wird als Elektrolyt eingesetzt und nicht stöchiometrisch verbraucht. Im hier beschriebenen Hochdruck-Elektrolyseur beträgt die Konzentration der Kaliumhydroxid-Lösung 30 Gew.-%.
Wird der Elektrolyseur mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben, kann der erzeugte Wasserstoff als erneuerbarer beziehungsweise grüner Wasserstoff eingeordnet werden.
Warum sind die Werkstoffe der KOH-Pumpe entscheidend?
Konzentrierte Kalilauge bei erhöhten Temperaturen stellt hohe Anforderungen an die Werkstoffe einer Pumpe. Gleichzeitig mussten in diesem Projekt die Druckbelastung, der Explosionsschutz und die Vorgabe nichtmetallischer medienberührter Komponenten berücksichtigt werden.
Ob ein Werkstoff für die Anwendung geeignet ist, hängt immer von der konkreten Kombination aus Medium, Konzentration, Temperatur, Druck, mechanischer Beanspruchung und Anlagenanforderungen ab. Eine pauschale Einteilung in ungeeignete Metalle und geeignete Kunststoffe wäre technisch nicht korrekt.
Für diese Anwendung wurde deshalb eine spezifische Werkstoffkombination gewählt. Das Pumpengehäuse und weitere zentrale Komponenten der TEF-MAG® 201 bestehen aus elektrisch leitfähigem PEEK. Hinzu kommen Bauteile aus SSiC, PEEK-HPV, Graphit und FFKM.
Warum wird elektrisch leitfähiges PEEK eingesetzt?
PEEK verbindet hohe mechanische Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und chemische Beständigkeit. Für die vorliegende Pumpenanwendung war zusätzlich eine kontrollierte elektrische Leitfähigkeit gefordert. Gemeinsam mit einem Werkstoffhersteller wurde deshalb eine elektrisch leitfähige PEEK-Variante ausgewählt.
So ließ sich eine Pumpenausführung mit nichtmetallischen medienberührten Bauteilen realisieren, die zugleich auf die mechanischen, thermischen und elektrischen Anforderungen des Projekts abgestimmt ist. Das zeigt: Bei anspruchsvollen Wasserstoff- und Elektrolyseanwendungen entscheidet nicht allein die Chemikalienbeständigkeit über die Werkstoffwahl. Druck, Temperatur, Explosionsschutz und konstruktive Belastung müssen gemeinsam betrachtet werden.
Ergebnis: kundenspezifische Pumpenlösung für den Hochdruck-Elektrolyseur
Mit der TEF-MAG® 201 wurde eine Pumpenkonfiguration für die spezifischen Anforderungen des miniaturisierten Hochdruck-Stack-Elektrolyseurs ausgelegt. Die Lösung verbindet die Förderung von 30 Gew.-% KOH bei 70 bis 90 °C mit einem Systemdruck von 25 bar und geringen Volumenströmen zwischen 20 und 250 l/h.
Magnetkupplung, Förderprinzip, elektrisch leitfähige PEEK-Werkstoffe und die Ausführung für ATEX Zone 1 wurden gezielt auf die Projektanforderungen abgestimmt. Das Projekt verdeutlicht, dass bei Pumpen für die alkalische Elektrolyse insbesondere das Zusammenspiel von Förderprinzip, Werkstoffauswahl, Druckfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Explosionsschutz über eine geeignete Lösung entscheidet.
Häufige Fragen zu KOH-Pumpen für die alkalische Elektrolyse
Welche Pumpe eignet sich für KOH in der alkalischen Elektrolyse?
Die Pumpenauswahl hängt von KOH-Konzentration, Temperatur, Volumenstrom, Eingangs- und Differenzdruck sowie den Anforderungen an Werkstoffe und Explosionsschutz ab. In der hier beschriebenen Anwendung wird eine magnetgekuppelte Außenzahnradpumpe TEF-MAG® 201 für 30 Gew.-% KOH bei 70–90 °C und einem Systemdruck von 25 bar eingesetzt.
Welche Werkstoffe kommen mit 30-prozentiger Kalilauge in Kontakt?
In dieser Anwendung bestehen die medienberührten Komponenten unter anderem aus elektrisch leitfähigem PEEK, PEEK-HPV, SSiC, Graphit und FFKM. Die konkrete Werkstoffeignung muss stets anhand von Konzentration, Temperatur, Druck und weiteren Betriebsbedingungen bewertet werden.
Warum wird eine magnetgekuppelte Pumpe eingesetzt?
Bei einer Magnetkupplung erfolgt die Kraftübertragung auf das Pumpeninnere ohne eine durch das Pumpengehäuse geführte Antriebswelle mit dynamischer Wellendichtung. Dadurch wird eine potenzielle Leckagestelle konstruktiv vermieden. Das ist insbesondere bei aggressiven oder sicherheitsrelevanten Fördermedien von Vorteil.
Welche Fördermenge erreicht die KOH-Pumpe?
Die TEF-MAG® 201 ist in dieser Anwendung für einen Volumenstrom von 20 bis 250 l/h ausgelegt. Der Betrieb über einen Frequenzumrichter ermöglicht die Anpassung des Förderstroms innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs.
Für welchen Druck ist die Pumpe ausgelegt?
Der Eingangsdruck beträgt in dieser Anwendung 16 bar und der Differenzdruck 9 bar. Daraus ergibt sich ein Pumpensystemdruck von 25 bar. Die hydrostatische Druckprüfung erfolgt bei 37,5 bar.
Kann die Pumpe in einem ATEX-Bereich eingesetzt werden?
Die hier beschriebene projektspezifische Pumpenausführung wurde für ATEX II 2G und den Einsatz in Zone 1 ausgelegt. Für andere Anwendungen muss die erforderliche Ausführung anhand der jeweiligen Zone und Betriebsbedingungen geprüft werden.
Weitere geeignete Pumpentypen
Welche Pumpe sich für eine Elektrolyse- oder Wasserstoffanwendung eignet, hängt vom Fördermedium, der Konzentration, dem Volumenstrom, dem Druck, der Temperatur, den Werkstoffanforderungen und dem Anlagenkonzept ab. Neben der TEF-MAG® können je nach Prozessbedingungen weitere Baureihen von MARCH PUMPEN geprüft werden:
Pumpenauslegung für alkalische Elektrolyse und KOH-Anwendungen
Sie planen einen Elektrolyseur oder eine vergleichbare Anlage und suchen eine Pumpe für Kaliumhydroxid, Kalilauge oder andere anspruchsvolle Prozessmedien? MARCH PUMPEN unterstützt Sie bei der Auswahl und kundenspezifischen Auslegung der geeigneten Pumpentechnik.
Übermitteln Sie uns dafür die relevanten Prozessdaten: Fördermedium und Konzentration, Betriebs- und Maximaltemperatur, Volumenstrom, Eingangs- und Ausgangsdruck, Werkstoffanforderungen sowie die erforderliche ATEX-Zone. Auf dieser Basis prüfen wir die passende Pumpen- und Werkstoffkonfiguration für Ihre Anwendung.