Wasserstoff: Ein Déjà-Vu-Moment für Arlon 3000XT®
Der Schlüssel zu neuen Herausforderungen liegt manchmal in der Vergangenheit verborgen. Das ist der Fall bei den Geräten und Verfahren, die für die Herstellung, die Speicherung und den Transport von Wasserstoff benötigt werden.
Eine große Hürde für diejenigen, die ihre Anlagen aufrüsten oder neue Anlagen entwickeln wollen, ist: Der Mangel an Polymerwerkstoffen, die den extremen Herausforderungen der Wasserstoffumgebung standhalten können.
Hier kommt Arlon 3000XT® ins Spiel - das weltweit erste und einzige vernetzte Polymer auf PEEK-Basis, das 2014 von Greene Tweed entwickelt wurde und es Öl- und Gasunternehmen ermöglicht, tiefere Reserven mit immer höheren Temperaturen und Drücken zu erschließen. Seine verbesserten Versionen sind nun bereit, sich den komplexen Anforderungen der Wasserstofftechnologie zu stellen und zukunftssichere Anlagen zu bauen, von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren bis hin zu Kompressoren und Ventilen.
Kraft der Anpassung
"Die Bedürfnisse der Industrie haben die Entwicklung neuer Materialien und Produkte bei Greene Tweed schon immer vorangetrieben. Wir haben Arlon 3000XT® entwickelt, als das vorhandene kohlenstoffgefüllte PEEK für die extremen Umgebungsbedingungen von Ölfeldanwendungen nicht mehr geeignet war. Die Herausforderungen durch Wasserstoff haben uns nun eine weitere Gelegenheit zur Innovation gegeben", sagt Technology Manager Kerry Drake, Ph.D.
Nehmen wir zum Beispiel Elektrolyseure. Um Wasserstoff aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasser und Strom zu erzeugen, benötigen sie höhere Betriebstemperaturen, um effizient und kostengünstig zu arbeiten. Darüber hinaus sind ihre Komponenten aggressiven Chemikalien ausgesetzt. Kerry weist darauf hin, dass bestehende Polymere und Verbundwerkstoffe diese Anforderungen nicht erfüllen können, und erklärt, dass die gegenüber anderen Hochleistungspolymeren verbesserte chemische Beständigkeit von Arlon 3000XT® ideal für Komponenten wie Rahmen oder Dichtungen ist. Er erklärt, warum: Während der Entwicklung haben wir die chemische Kompatibilität mit starken Säuren, Basen und anderen aggressiven wässrigen Chemikalien getestet. Es zeigte bei 200°C/392°F über einen längeren Zeitraum eine hervorragende Leistung. "Für Elektrolyseure hat unvernetztes PEEK oder gefülltes PEEK in manchen Fällen keine akzeptable Leistung. Wir haben jedoch festgestellt, dass die Vernetzung die chemische Beständigkeit und die mechanischen Eigenschaften im Allgemeinen verbessert, so dass vernetztes, ungefülltes PEEK nun eine geeignete Lösung für diese Umgebungen sein könnte", fügt er hinzu.
Elektrolyseure sind nicht die einzigen Geräte, die ein neues Material benötigen, das mit der Wasserstoffumgebung kompatibel ist. "Brennstoffzellen benötigen Materiallösungen, die Herausforderungen wie Materialausgasung, chemische Kompatibilität oder Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen standhalten können. Kolbenringe in Kompressoren und Sitze in Ventilen stoßen bei sehr hohen Drücken und ohne Schmierung an die Grenzen der vorhandenen Materialien", sagt Philippe Allienne, Industry Expansion Manager bei Greene Tweed. Ihm zufolge ist Arlon 3000XT® in der Lage, diese Herausforderungen zu meistern, weil die Wissenschaftler von Greene Tweed die Basistechnologie kontinuierlich weiterentwickelt haben, um maßgeschneiderte Verbindungen für spezifische Wasserstoffanwendungen zu entwickeln.
Ein Beispiel hierfür sind gefüllte Werkstoffe. "Künftige Wasserstoff-Kolbenkompressoren werden mit extremeren Umgebungsbedingungen zurechtkommen müssen, und die bisherigen Werkstoffe, wie gefüllte PTFE- oder PEEK-Qualitäten, werden nicht mehr geeignet sein. Wir wussten, dass Arlon 3000XT® eine bessere Leistung bieten könnte. Dieses Material wurde jedoch nicht für Verschleiß- und Reibungsanwendungen entwickelt, so dass wir es optimieren mussten, um seine tribologischen Eigenschaften zu verbessern", erläutert Kerry. Er fährt fort und erklärt anhand eines Beispiels: "Man kann es sich wie einen Teig vorstellen. Es liegt an Ihnen, ob Sie eine Pizza oder einen Keks machen wollen. Wir haben also die Rezeptur geändert, um ein Material zu schaffen, das für den Verschleiß in einem Kolbenkompressor geeignet ist."
Validierung der Lösung
Das transformative Potenzial von Arlon 3000XT® ist nicht nur eine Hypothese. Um sicherzustellen, dass die Lösungen Wasserstoffumgebungen standhalten können, testete Greene Tweed das Material im Rahmen eines wichtigen Forschungsprogramms zum Materialverhalten unter Wasserstoffeinwirkung, das von zwei US-Nationallabors geleitet wurde. Die Ergebnisse dieser strengen zyklischen Hochdrucktests zeigten eine bemerkenswerte Stabilität unter extremen Bedingungen, wie sie in Wasserstoffanwendungen vorkommen, und lieferten einen konkreten Beweis für die Eignung des Materials für Wasserstoffanwendungen.
Ideales Material für die Dekarbonisierung?
Die einzigartigen Eigenschaften von Arlon 3000XT® ermöglichen es diesem Material, die Grenzen herkömmlicher PEEK-Typen zu überschreiten. Neben Wasserstoff könnte Arlon 3000XT® auch Herausforderungen in der Carbon Capture Industrie lösen. Untersuchungen zeigen, dass das PEEK-Basispolymer bei der Verwendung als Packung für Absorberkolonnen* im Vergleich zu Metall und anderen Kunststoffen bessere Benetzungsergebnisse liefern könnte. Die Verwendung eines vernetzten PEEK könnte die mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen und die chemische Beständigkeit von PEEK-Packungen erhöhen, was Arlon 3000XT® zu einer idealen Lösung für die wachsende Zahl von Materialproblemen macht, die durch den zunehmenden Trend zur Dekarbonisierung entstehen.
Die Vernetzung ist eine bekannte Technik zur Verbesserung der chemischen Beständigkeit und zur Verringerung der Quellung von Polymeren. Darüber hinaus ermöglicht die höhere Temperaturbeständigkeit von Arlon 3000XT® im Vergleich zu PEEK den Einsatz bei Temperaturen nahe den Siedepunkten der CCU-CO2BOLs (Binding Organic Liquids), die zwischen 230 und 310 °C liegen können.