Kleinskalige Wasserstoffverflüssigung mit Turbomaschinen von Celeroton

Flüssigwasserstoff (LH₂) gewinnt als Energieträger für Anwendungen an Bedeutung, die eine hohe Energiedichte, saisonale Energiespeicherung oder den Transport grosser Energiemengen erfordern. Zu den möglichen Einsatzfeldern zählen Mobilität, Luftfahrt und Energiespeicherung. Gleichzeitig führt die zunehmend dezentrale Wasserstoffinfrastruktur zu einem Bedarf an kompakten, effizienten und ölfreien Kryokühlern nicht nur für die kleinskalige Verflüssigung, sondern auch für Rückverflüssigung und Zero Boil-Off in Tanks, Logistikanlagen und Umschlagterminals.

Das Projekt CryoLH2, welches Celeroton mit Unterstützung von shirokuma und dem Bundesamt für Energie durchführte, untersuchte die technologischen Grundlagen modularer Reverse Turbo-Brayton-Kryokühler für zukünftige Wasserstoffverflüssiger und weitere Kryoanwendungen. Die Arbeiten konzentrierten sich auf Kälteleistungen von 100 W bis 1 kW bei einer Temperatur von 20 K. Im Projekt wurden ein repräsentatives Referenzsystem definiert, der thermodynamische Prozess ausgelegt und bewertet sowie die für zukünftige Entwicklungen erforderlichen Schlüsselkomponenten spezifiziert.

Schliessen der Lücke in der kleinskaligen Kryokühlung

Wasserstoff wird heute hauptsächlich in Grossanlagen mit typischen Kapazitäten von 1 bis 30 Tonnen pro Tag verflüssigt. Diese Anlagen verwenden in der Regel mehrstufige kryogene Kälteprozesse mit anschliessender Joule-Thomson-Expansion.

Mit der zunehmend dezentralen Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff steigt der Bedarf an kleineren Verflüssigungsanlagen mit Kapazitäten von etwa 0,01 bis 1 Tonne pro Tag. Derzeit besteht eine technologische Lücke zwischen den Kryokühlern grosser Wasserstoffverflüssigungsanlagen und kleineren Gifford-McMahon- oder Stirling-Kryokühlern. Kompakte Reverse Turbo-Brayton-Kryokühler können diese Lücke schliessen und für kleinskalige Verflüssiger, aber auch weitere industrielle Anwendungen Kälte bei rund 20 K bereitstellen.

Zu den relevanten Anwendungen zählen die dezentrale Produktion und Bereitstellung von Flüssigwasserstoff für Langstreckendrohnen, dezentrale Energiespeicher, Forschung und Entwicklung, kleinere Fahrzeugflotten und lokale Betankungsinfrastrukturen. Dieselbe Technologie kann die Rückverflüssigung von Boil-off-Gas und den Zero Boil-Off-Betrieb in maritimen LH₂-Tanks, Flughafen- und Luftfahrt-Bodeninfrastrukturen, Luft- und Raumfahrtsystemen, Tanklagern, Logistikanlagen und Umschlagterminals genutzt werden. Weitere Kryoanwendungen umfassen supraleitende Magnete, Kabel, Motoren und Generatoren, Quantencomputing sowie die Kühlung von Instrumentenoptiken und Detektoren.

Gasgelagerte Kompressoren und Expander als Schlüsselkomponenten

Ein Turbo-Brayton-Kryokühler basiert auf den Kernkomponenten Kompressor, Expander und Rekuperator. Sowohl für den Expander als auch für den Kompressor kommt dabei Celerotons Technologie zum Einsatz. Der Kompressor erhöht den Druck des Prozessgases, beispielsweise Helium. Der Rekuperator kühlt den Hochdruckstrom ab, während der Expander den Druck und die Temperatur des Gases reduziert und damit die erforderliche Kälteleistung erzeugt.

Die Celeroton Gaslager ermöglichen einen ölfreien Betrieb von Kompressor und Expander und verhindern eine Verunreinigung des kryogenen Prozesses. Gleichzeitig ermöglichen sie geringe Vibrationsemmissionen. Diese Eigenschaften sind besonders für Kryosysteme relevant, da Verunreinigungen bei tiefen Temperaturen kondensieren oder erstarren können und Vibrationen empfindliche Geräte beeinflussen können.

Der Celeroton Expander ist mit einem Generator ausgerüstet, der einen Teil der Expansionsenergie zurückgewinnt und über die Leistungselektronik in das System zurückspeist. Dadurch sinkt der elektrische Nettoleistungsbedarf. Die unabhängige Drehzahlregelung von Kompressor und Expander erlaubt zudem, den Massenstrom und die Expansionsverhältnisse separat einzustellen. Da der Expander nicht, wie in den meisten anderen Reverse Turbo-Brayton-Kryokühlern, über eine lange Welle mit einem extern montierten Bremskompressor verbunden werden muss, kann er entsprechend den Anforderungen des Cold-Box-Layouts positioniert werden.

Energetische Bewertung

Die thermodynamische Auslegung bestätigte das Potenzial der gewählten Systemarchitektur für Kryokühler mit Kälteleistungen von mehreren hundert Watt bis etwa einem Kilowatt bei 20 K. Für das Referenzsystem mit einer Kälteleistung von 500 W bei 20 K wurde eine spezifische elektrische Leistungsaufnahme von 82 W pro Watt Kälteleistung berechnet, dies ist viel tiefer als Vergleichswerte für Gifford-McMahon- und Stirling-Systeme:

Mit dieser spezifischen elektrischen Leistungsaufnahme ist es realistisch, kleinskalige Verflüssiger – beispielsweise mit einer Referenzkapazität von 0,1 Tonnen pro Tag, entsprechend 100 kg LH₂ pro Tag – mit derselben spezifischen Energieaufnahme pro Kilogramm Flüssigwasserstoff zu realisieren wie heutige Grossverflüssiger, d.h. im Bereich von 10-12 kWh/kg LH₂. Dies entspricht rund 50–60 % des Energieverbrauchs kleinskaliger Verflüssiger nach heutigem Stand der Technik:

Die Kombination gasgelagerter Turbo Kompressoren, generatorgebremster, gasgelagerter Expander und hocheffizienter Rekuperatoren ermöglicht eine energieeffiziente Kältebereitstellung für die kleinskalige Wasserstoffverflüssigung, Zero Boil-Off-Systeme und weitere Kryoanwendungen.

Dieses Projekt wurde vom Bundesamt für Energie im Rahmen der Energieforschung und Cleantech unterstützt und in Zusammenarbeit mit shirokuma durchgeführt. Weitere Informationen finden sich im BFE-Schlussbericht.