Kryogene Lagertanks für technische Gase

Die Herausforderung, Dinge kalt zu halten

Flüssigerdgas, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff – das sind keine Güter, die Sie in einem Standard-Atmosphärentank lagern können. Bei Temperaturen unter −150 °C ändern sich die Regeln: Werkstoffe werden spröde, Isolierung wird entscheidend – und das Produkt selbst verdampft kontinuierlich. Kryogene Lagertanks sind die ingenieurtechnische Antwort auf diese Herausforderungen und haben sich im Laufe von Jahrzehnten zu einigen der anspruchsvollsten Druckbehälter der Industrie weiterentwickelt.

Die Dimensionen sind beeindruckend. Ein einzelner großer LNG-Lagertank kann 160.000 Kubikmeter Flüssigkeit fassen – genug, um eine mittelgroße Stadt tagelang zu versorgen. Am anderen Ende der Skala könnte ein 50-Kubikmeter-Tank für flüssigen Stickstoff einen einzelnen Krankenhaus- oder Elektronikfertigungsbetrieb versorgen. Unabhängig von der Größe gelten jedoch stets dieselben physikalischen und ingenieurtechnischen Grundlagen.

Tanktypen: Von einfachem bis zu membranbasiertem Behälter

Kryogene Lagertanks sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, wobei jede Konfiguration unterschiedliche Sicherheitskonzepte und Kostenprofile aufweist. .

Einfache Behälter stellen die grundlegendste Bauart dar. Ein einwandiger oder zweiwandiger Tank enthält die kryogene Flüssigkeit; bei einem Leck wird erwartet, dass die Flüssigkeit durch eine externe Auffangwanne oder einen Damm zurückgehalten wird. Dies ist die kostengünstigste Variante, erfordert jedoch erheblichen Platz für den Auffangbereich.

Doppelwandige Behälter fügen Sie eine sekundäre Wand um den primären Tank hinzu. Im Falle eines Lecks im inneren Tank fängt die äußere Wand die Flüssigkeit auf und gewährleistet eine dampfdichte Abdichtung. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer großen Auffangwanne und die belegte Grundstücksfläche wird reduziert.

Tanks mit vollständiger Abschottung stellen den derzeitigen Stand der Technik für große LNG-Lagertanks dar sowohl der innere als auch der äußere Tank sind für die Aufnahme von Flüssigkeit ausgelegt, wobei der äußere Tank zudem eine dampfdichte Abschottung bietet. Im Falle eines Versagens des inneren Tanks hält der äußere Tank den gesamten Inhalt sicher zurück. Diese Tanks sind die teuersten, bieten jedoch das höchste Sicherheitsniveau und werden von vielen Aufsichtsbehörden für Großlageranlagen vorgeschrieben.

Membrantanks verwenden eine dünne Membran aus rostfreiem Stahl, die durch Isolierung und eine äußere Betonschale gestützt wird diese Konstruktion wurde ursprünglich für LNG-Transporter entwickelt und wird mittlerweile auch an Land eingesetzt; sie bietet eine hervorragende Abschottung bei geringerem Materialgewicht im Vergleich zu Tanks mit vollständiger Abschottung.

Die Normen für die kryogene Lagerung

Kryogene Lagertanks werden nicht ohne einen umfangreichen Stapel an Normen gebaut. Zu den wichtigsten Dokumenten gehören :

• API 625 – Die maßgebliche Norm für die Konstruktion und den Bau von LNG-Lagertanks, die sämtliche Aspekte von Werkstoffen bis hin zu Prüfungen abdeckt

• EN 14620 – Europäische Norm für den Bau von Voll-Containment-LNG-Tanks

• NFPA 59A – Sicherheitsnorm für Brandschutz, Abstände und Gefahrenverhütung

• BS 7777 / EEMUA – Leitfaden für die Konstruktion von tiefgekühlten Lagertanks

API 625 ist die weltweit am weitesten anerkannte Norm . Sie legt den Konstruktionsdruck, Werkstoffe, Isolierungsanforderungen und Prüfprotokolle fest. Die Einhaltung von API 625 ist bei den meisten Großprojekten keine Option – sie ist in Versicherungspolicen und Kreditverträge festgeschrieben.

Verdampfung: Der unvermeidliche Verlust

Hier ist eine Tatsache, die Neulinge im Bereich der kryogenen Lagerung überrascht: Das Produkt innerhalb des Tanks befindet sich stets im Siedezustand. Selbst bei bester Isolierung dringt Wärme in den Tank ein, wodurch ein Teil der Flüssigkeit verdampft. Dies wird als Verdampfungsgas (BOG, boil-off gas) bezeichnet, und dessen Management gehört zu den zentralen Aufgaben des Betreibers.

Die branchenübliche akzeptable Verdampfungsrate für LNG-Lagertanks liegt typischerweise bei ≤ 0,2 % des Tankvolumens pro Tag. Große Tanks mit vollständiger Eindämmung können niedrigere Raten erreichen – 0,05 % bis 0,08 % pro Tag –, da sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen mit zunehmender Größe verbessert. Ein Tank mit einem Volumen von 160.000 Kubikmetern, der mit einer Verdampfungsrate von 0,08 % pro Tag arbeitet, verliert täglich etwa 128 Kubikmeter LNG. Das ist keine unbedeutende Menge – es handelt sich um genügend Gas, um mehrere tausend Haushalte zu beheizen.

Was geschieht also mit dem Verdampfungsgas? In den meisten Terminals wird es gesammelt und entweder wieder verflüssigt oder in das Kraftstoffgassystem der Anlage geleitet. Bei kleineren Anlagen wird es möglicherweise abgefackelt oder abgeblasen (obwohl Umweltvorschriften dies zunehmend einschränken). Die Wirtschaftlichkeit des BOG-Managements ist von großer Bedeutung: Jeder Kubikmeter LNG, der verdampft, stellt ein Produkt dar, das nicht verkauft wird.

Isolierung: Der wahre Held

Die Leistung eines kryogenen Lagertanks hängt entscheidend von seinem Isolationssystem ab. Bei LNG-Tanks besteht die Isolierung typischerweise aus expandiertem Perlit – einem leichten vulkanischen Glas, das sich zwischen den inneren und äußeren Wänden befindet – oder aus Polyurethanschaum bei kleineren Tanks. Für einige Stickstoff- und Sauerstofftanks im flüssigen Zustand kommt Vakuumisolierung zum Einsatz, wenn Platz knapp ist und der Temperaturunterschied extrem hoch ist.

Perlit-Isolierung in einem großen LNG-Tank kann mehrere Fuß dick sein. Die Herausforderung besteht nicht nur in der thermischen Leistung – sondern auch im Setzen. Perlit setzt sich im Laufe der Zeit ab und erzeugt Hohlräume an der Oberseite des Isolationsraums, durch die Wärme die Isolierung umgehen kann. Moderne Konstruktionen beinhalten Setzungsanzeiger sowie Vorkehrungen zum Auffüllen des Perlit während Tankaußerdienststellungen.

Ein häufig übersehener Aspekt ist die Isolierung um Tankdurchführungen – Rohrleitungen, Mess- und Regeltechnik sowie Mannlöcher. Dies sind die Schwachstellen, an denen Wärme eindringen kann. Eine schlecht isolierte Durchführung kann einen Kaltbereich an der Außenseite des Tanks verursachen, was zur Eisbildung, Korrosion und schließlich zu strukturellen Problemen führt. Die besten Tankkonstruktionen behandeln Durchführungen mit derselben Sorgfalt wie die Haupttankwände.

Materialauswahl: Die Herausforderung bei tiefen Temperaturen

Kohlenstoffstahl wird bei kryogenen Temperaturen spröde. Das ist ein Problem, da die meisten industriellen Lagertanks aus Kohlenstoffstahl gefertigt sind. Die Lösung besteht darin, Werkstoffe einzusetzen, die ihre Zähigkeit bei −162 °C und darunter bewahren.

Bei LNG-Tanks besteht der innere Tank üblicherweise aus 9 % Nickel-Stahl oder einer Aluminiumlegierung. 9 % Nickel-Stahl ist der Standardwerkstoff – er behält seine Schlagzähigkeit bis hinab zu −196 °C und ist unter Einhaltung geeigneter Verfahren schweißbar. Aluminiumlegierungen sind leichter und weisen ausgezeichnete Eigenschaften bei tiefen Temperaturen auf, sind jedoch teurer und erfordern spezielle Schweißverfahren.

Der äußere Tank besteht dagegen meist aus Kohlenstoffstahl oder Stahlbeton. Er ist keiner kryogenen Temperatur direkt ausgesetzt – die Isolierung hält ihn warm – muss aber im Falle eines Lecks den hydrostatischen Druck des Inhalts des inneren Tanks aushalten.

Betriebliche Realitäten: Was in den Handbüchern nicht steht

Kryogene Lagertanks sind außerordentlich zuverlässig, doch sie sind nicht wartungsfrei. Das häufigste Betriebsproblem ist die thermische Schichtung – Temperaturgradienten innerhalb der Flüssigkeit, die bei unzureichender Steuerung zu einem schnellen Druckanstieg führen können. Die Betreiber überwachen die Tanktemperaturen an mehreren Höhen und verwenden Mischvorrichtungen oder Umwälzpumpen, um eine gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten.

Eine weitere Realität: Das Befüllen und Entleeren eines kryogenen Tanks erzeugt thermische Spannungen. Der innere Tank dehnt sich bei Temperaturänderungen aus und zieht sich zusammen, wobei die Rohrverbindungen diese Bewegung ausgleichen müssen. Kompensatoren und Dehnungsschleifen sind Standard, müssen jedoch regelmäßig inspiziert und gelegentlich ersetzt werden. Eine Flüssigstickstoffanlage im Mittleren Westen lernte dies auf die harte Tour, als ein Kompensator während eines Befüllvorgangs versagte, kaltes Gas freisetzte und eine sechswöchige Betriebsunterbrechung verursachte.

Die Herausforderung bei Herstellung und Bau

Der Bau eines kryogenen Lagertanks unterscheidet sich grundlegend vom Bau eines Standard-Druckbehälters. Die Toleranzen sind enger, die Schweißverfahren anspruchsvoller und die Prüfanforderungen strenger. Ein einziger Schweißfehler im inneren Tank kann das gesamte Kontainment-System beeinträchtigen.

Für Projektbetreiber ist die Wahl des Herstellers von entscheidender Bedeutung. Ein Hersteller mit Erfahrung in kryogenen Anwendungen kennt die speziellen Schweißverfahren, die Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung sowie die besondere Bedeutung von Sauberkeit während der Fertigung. Unternehmen wie GreenFir, die sich durch eine nachweisliche Erfolgsgeschichte bei der Herstellung kryogener Ausrüstung ausgezeichnet haben, bringen diese Erfahrung in jedes Tankprojekt ein – wodurch das Risiko von Problemen vor Ort verringert und sichergestellt wird, dass der Tank bereits beim ersten Befüllen gemäß den Spezifikationen funktioniert.