Wasserstoff Kühlsystem

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Was ist die Hauptfunktion eines Wasserstoff Kühlsysteme und warum ist es so wichtig?

Ein Wasserstoff Kühlsystem ist notwendig, damit wasserstoffbetriebene Autos schnell betankt werden können. Aufgrund des Joule-Thomson-Effekts und der Wasserstoffkompression im Speicher des Wasserstoffautos würde sich der Wasserstoff bei einem hohen Massenstrom über die maximal zulässige Temperatur des Wasserstoffspeichers im Autotank erhitzen. Aus diesem Grund wird der Wasserstoff kurz vor dem Eintreffen im Auto auf z.B. -33°C bis -40°C (T40-Protokoll) abgekühlt. Dadurch wird die Tanktemperatur im Fahrzeug unter der maximal zulässigen Temperatur von etwa 85°C gehalten. Mit Hilfe des Kühlsystems ist die Betankung innerhalb von 5 Minuten möglich.

Welche Arten von Wasserstoff Kühlsysteme gibt es?

Grundsätzlich kann zwischen aktiver und passiver Wasserstoffkühlung unterschieden werden. Die aktive Kühlung wird dann weiter unterteilt in direkte und indirekte Kühlung.

Wasserstoff Kühlsystem
Methoden der H2-Kühlung
  • Bei der direkten Kühlung wird ein diffusionsgebundener Wärmetauscher zur Abkühlung von Wasserstoff verwendet (derzeit am weitesten verbreitet).
  • Bei der indirekten Kühlung wird ein Kühlmedium, z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch, als Zwischenmedium verwendet, um den Wasserstoff abzukühlen (wegen des geringen Wirkungsgrads nicht zu empfehlen).
  • Bei der passiven Kühlung wird ein Wasserstoffwärmetauscher mit einer hohen thermischen Masse verwendet, wodurch das Kühlsystem selbst kleiner werden kann (empfohlen für niedrige B2B-Füllmengen bei Autos).

Nachstehend finden Sie eine Vergleichstabelle der Möglichkeiten der Wasserstoffkühlung:

Überlegungen zur Dimensionierung von Wasserstoff Kühlsystem
H2 Kühlungsarten

Was ist das Besondere an der Kühlung von Wasserstoff an Tankstellen?

Bei der Kühlung von Wasserstoff an Wasserstofftankstellen ist auf den Explosionsbereich um die Zapfsäule zu achten. Hier müssen die Komponenten entsprechend ausgewählt werden. Da sich die Kühlanlage in der Regel in einer Entfernung von ca. 20-40m, hier können herkömmliche Komponenten verwendet werden.

Außerdem muss die Steuerung der Anlage so ausgelegt sein, dass sie schnell auf starke Leistungsschwankungen reagieren kann. Dadurch wird sichergestellt, dass die Wasserstoffaustrittstemperatur innerhalb des Temperaturfensters bleibt.

Was sind die wichtigsten Leistungskriterien eines Wasserstoff Kühlsysteme?

Der wichtigste Punkt ist die Kühlleistung des Systems selbst. Dies hängt wiederum von der Art der Wasserstoffkühlung ab. Wenn eine große Anzahl von B2B-Betankungen (Back to Back) hintereinander durchgeführt werden soll oder eine große Menge Wasserstoff bei einer Betankung getankt wird, sollte ein direktes Kühlsystem verwendet werden. Dieses System erfordert eine höhere Anschlussleistung, bietet aber auch eine höhere Kühlleistung beim Betanken. In den Tankpausen hingegen ist der Stromverbrauch sehr gering.

Welches sind die wichtigsten Schnittstellen zu anderen Komponenten in einer Wasserstofftankstelle?

Die Schnittstelle zwischen dem Kältesystem und der Wasserstofftankstelle ist immer der Wasserstoffwärmetauscher, der sich in der Regel in oder neben der Zapfsäule befindet.

Dimensionierung von Wasserstoff Kühlsystem

Im Allgemeinen hängt die Größe der Kälteanlage von der Art der Kühlung ab. Dabei wird zwischen drei Möglichkeiten unterschieden.

  1. Direkte Kühlung mittels eines diffusionsgebundenen Wärmetauschers (derzeit am häufigsten).
  2. Indirekte Kühlung, bei der ein Kühlmedium, z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch, als Zwischenmedium verwendet wird (aufgrund des geringen Wirkungsgrads nicht empfohlen).
  3. Passive Kühlung, bei der ein Wasserstoff-Wärmetauscher mit hoher Wärmekapazität verwendet wird, wodurch das Kühlsystem selbst kompakter gebaut werden kann (empfohlen für niedrige B2B-Füllmengen oder geringe Mengen an Wasserstoff, die mit Autos getankt werden).

Weitere Informationen zur Dimensionierung von Kühlsystemen finden Sie in der obigen Tabelle 1.

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Welches sind die wichtigsten Kriterien, die für die Dimensionierung von Wasserstoff Kühlsysteme relevant sind?

Der Schlüssel zur Dimensionierung eines Wasserstoff Kühlsysteme ist:

  • Die gewünschte Temperaturkategorie. T40, T30, T20 oder eine individuelle Wasserstoffaustrittstemperatur
  • Betankungsdruck H70 (700 bar), oder H35 (350 bar)
  • Maximaler Massenstrom von Wasserstoff in g/s während eines Betankungsvorgangs
  • Durchschnittlicher Massenstrom von Wasserstoff in g/s während eines Betankungsvorgangs
  • Menge des zu betankenden Wasserstoffs pro Stunde und pro Betankung
  • Anzahl der Dispenser
  • Maximale H2-Eintrittstemperatur in den H2-Wärmetauscher
  • Minimale und maximale Umgebungstemperatur
  • Anforderungen an das Kältemittel, z. B. GWP-Begrenzungen (Global Warming Potential)
  • Anzahl der B2B-Tankvorgänge (Back to Back)
  • Abstand zwischen Kühlgerät und Zapfsäule
  • Land der Installation des Systems

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Wie wirkt sich die Größe der Wasserstofftankstelle auf die Größe des Wasserstoff Kühlsysteme aus?

Die Größe des Kühlsystems hängt im weitesten Sinne von der Anzahl der nacheinander durchgeführten B2B-Betankungen, der pro Betankung maximal abgegebenen Wasserstoffmenge und der Anzahl der gleichzeitig für die Betankung verfügbaren Zapfsäulen ab.

Es gibt verschiedene Arten von Wasserstoffkühlsystemen. Die am meisten empfohlenen sind direkte Kühlung und passive Kühlung.

Bei Verwendung eines passiven Kühlsystems ist das Kühlsystem im Vergleich zur direkten Kühlung klein, da ein Teil der Kühlleistung während des Betankens im Wärmetauscher mit hoher thermischer Masse gespeichert wird. Bei dieser Variante hält das Kühlsystem den großen Wärmetauscher auf einer konstant niedrigen Temperatur, die für das Betankungstemperaturprotokoll geeignet ist, zum Beispiel -40°C für das T40-Protokoll. Dieses System ist für eine kleine Anzahl von B2B-Betankungen von Fahrzeugen geeignet. Die Menge an Wasserstoff, die während eines Tankvorgangs getankt werden kann, ist durch eine Berechnung begrenzt.

Anders verhält es sich bei direkten Kühlsystemen. Hier gibt das Kältesystem die Kälteleistung über einen diffusionsgebundenen Wärmetauscher unmittelbar an den Wasserstoffmassenstrom ab.

Sollen jedoch schwere Fahrzeuge wie Busse oder Lastwagen betankt werden, die einen viel größeren Wasserstofftank haben, wird ein direktes Kühlsystem empfohlen. Ein großer Vorteil der Direktkühlung ist der kompakte, diffusionsgebundene Wärmetauscher, der in der Regel problemlos in der Zapfsäule untergebracht werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die direkte Kühlung eine konstante Kühlleistung über einen langen Zeitraum.

Es ist möglich, eine Kühlanlage mit mehreren Zapfsäulen zu verbinden. Je nach Anforderung, ob alle Zapfsäulen gleichzeitig in Betrieb sein sollen oder nicht, bestimmt dies die Größe und Kühlleistung der Kälteanlage. Sollen zwei Zapfsäulen gleichzeitig in Betrieb sein, wird die doppelte Kühlleistung benötigt.

Diese Abbildung zeigt ein Modell einer Wasserstofftankstelle mit einem passiven Kühlsystem:

Wasserstoff Kühlsystem als Teil einer Wasserstofftankstelle
Kühlsystem als Teil einer Wasserstofftankstelle

Wie wirkt sich die Menge des bei einer Abgabe eingefüllten Wasserstoffs auf die Größe des Wasserstoff Kühlsystems aus? Unterschiede zwischen leichten Nutzfahrzeugen und schweren Nutzfahrzeugen.

Für leichte Fahrzeuge wie Autos können alle drei Arten der Kühlung verwendet werden. Allerdings sind nur direkte Kühlung und passive Kühlung zu bevorzugen, da die indirekte Kühlung weniger effizient ist. Die Entscheidung zwischen direkter und passiver Kühlung hängt dann nur noch von der Anzahl der B2B-Tankvorgänge ab.

  • Mit einer hohen Anzahl von B2B-Betankungen => direkte Kühlung
  • Bei geringer Anzahl von B2B-Betankungen => indirekte Kühlung

Bei schweren Nutzfahrzeugen ist eine direkte oder indirekte Kühlung möglich, wobei die direkte Kühlung aufgrund ihrer besseren Effizienz eindeutig bevorzugt wird.

Überwachen moderne Wasserstoffkühlsysteme die Effektivität der Dimensionierung des Kühlsystems und kann diese angepasst werden?

Das System ist grundsätzlich für einen Betriebspunkt ausgelegt. Das System passt die Kühlleistung jedoch intuitiv an den vorherrschenden Wasserstofffluss an. Die Kühlleistung kann bis auf 0 kW eingestellt werden.

Inhalt beigetragen von Kustec

KUSTEC, offiziell Kälte- und Systemtechnik GmbH, hat seinen Sitz am Stadtrand von Wien, in Freundorf, Österreich, wo alle Innovationen stattfinden, und ein Büro in Colorado, USA. Seit 2008 liefert KUSTEC Wasserstoffkühlungslösungen für insgesamt mehr als 250 Wasserstofftankstellen weltweit. Weltweite Partnerschaften ermöglichen eine hervorragende Kundenbetreuung. Unsere Motivation ist es, Wasserstoffkühlungslösungen auf die Bedürfnisse von Wasserstofftankstellen abzustimmen, hocheffiziente Systeme mit geringem Energieverbrauch zu entwickeln und uns auf die Entwicklung von Systemen mit geringem Treibhauspotenzial zu konzentrieren. Vor der Auslieferung wird jedes System unter extremen Bedingungen getestet, um sicherzustellen, dass es die vorgesehenen Kriterien erfüllt.

Letzte Aktualisierung: 15.01.2023

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