- Was versteht man unter Kryogener Wasserstoffspeicherung?
- Welche verschiedenen Wasserstoffspeichertechnologien gibt es auf dem Markt?
- Welche Designüberlegungen sind für eine moderne Kryogener Wasserstoffspeicherunglösung wichtig?
- Welches sind die wichtigsten Komponenten eines Kryogener Wasserstoffspeicherungsystems und welche Funktion haben diese Komponenten?
- Welche Kältemittel werden verwendet, um so niedrige Temperaturen von Wasserstoff zu erreichen?
- Was sind die wichtigsten Anwendungsbereiche der kryogener Wasserstoffspeicherung?
- Die nachstehende Tabelle zeigt die wichtigsten Unterschiede, Vor- und Nachteile zwischen der Speicherung von flüssigem und gasförmigem Wasserstoff.
- Vor- und Nachteile von Flüssigwasserstoffspeichern
- Vor- und Nachteile von Tanks für gasförmigen Wasserstoff
- Wie wird der flüssige Wasserstoff in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt, bevor er im Brennstoffzellenstapel verbraucht wird?
- Welches sind die Reinheitsgrade für flüssigen Wasserstoff?
- Was ist grüner flüssiger Wasserstoff?
- Was sind die wichtigsten Betriebsparameter der Kryogener Wasserstoffspeicherung?
- Welche Komponenten sind erforderlich, um ein Kryogener Wasserstoffspeicherung sicher zu machen?
- Welchen internationalen Normen/Normen/Zertifizierungen muss eine Speicherlösung für flüssigen Wasserstoff entsprechen?
- Gibt es Tankstellen und Zapfpistolen für flüssigen Wasserstoff, und was sind die Sicherheitsaspekte?
- Kann die kryogene Wasserstoffspeicherung für den Wasserstofftransport genutzt werden?
- Kryogener Wasserstoffspeicherung für den Einsatz in Wasserstoff-LKW
- Wie viel aktive Kühlung ist erforderlich, um flüssigen Wasserstoff ordnungsgemäß zu speichern?
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Was versteht man unter Kryogener Wasserstoffspeicherung?
Bei der Kryogener Wasserstoffspeicherung handelt es sich um ein System zur Speicherung von Wasserstoff in flüssiger Form bei einer Temperatur von etwa -253 °C und einem Druck von 1 atm. Der Grund für die Speicherung des Wasserstoffs bei kryogener Temperatur ist seine Dichte, die es uns ermöglicht, mehr Energie in einem kleineren Volumen zu speichern. Die Speicherung von Wasserstoff bei kryogener Temperatur ist jedoch immer eine Herausforderung, da die Materialien bei solch niedrigen Temperaturen verspröden und auch der Wasserstoff versprödet. Einige spezielle austenitische nichtrostende Stähle haben eine gute Beständigkeit gegen die Wasserstoffversprödung bei solchen Temperaturen gezeigt, wodurch das Problem der Versprödung verringert wurde. Eine weitere Herausforderung bei der kryogenen Wasserstoffspeicherung ist die bei dieser Temperatur erforderliche Isolierung. In der Regel wird für die Isolierung eine Superisolierung verwendet, da sie ein geringeres Abdampfen ermöglicht. Die Superisolierung ist nichts anderes als eine mehrschichtige Isolierung (Aluminiumfolie + Glasfaserpapier) in Gegenwart eines Vakuums von weniger als 1 Mikron, das alle drei Arten der Wärmeübertragung (Konduktion, Konvektion und Strahlung) von Umgebungstemperatur bis -253°C unterbricht.
Welche verschiedenen Wasserstoffspeichertechnologien gibt es auf dem Markt?
Wie wir wissen, hat Wasserstoff einen sehr hohen Heizwert (1.43.000 kJ/kg) und verursacht keine Kohlenstoffemissionen. Die Welt ist auf der Suche nach alternativen Brennstoffen. Aufgrund der geringen Dichte und der hohen Entflammbarkeit stellt die Energiespeicherung von Wasserstoff jedoch immer eine Herausforderung dar, wenn es darum geht, ein höheres Energie-Volumen-Verhältnis zu erreichen. Verschiedene Unternehmen haben unterschiedliche Arten von Wasserstofftanks und Speichersystemen entwickelt, um das Energie-Volumen-Verhältnis zu verbessern.
Die Gasspeicherung von Wasserstoff unter hohem Druck wird derzeit für kommerzielle Brennstoffzellenfahrzeuge verwendet. Druckbehälter des Typs IV und V werden zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff bei 35 MPa bzw. 70 MPa bei Umgebungstemperatur verwendet.
Toyota hat in Zusammenarbeit mit ausgewählten Partnerunternehmen auch einen Behälter für die Speicherung von kryokomprimiertem Wasserstoff entwickelt, der die Speicherung von Wasserstoff mit einem höheren Energie-Volumen-Verhältnis bei -40 °C und hohem Druck ermöglicht.
Auch Kryogener Wasserstoffspeicherung wurden von verschiedenen Unternehmen für unterschiedliche Speicherkapazitäten bei verschiedenen Drücken entwickelt. Dies ist vor allem für statische Speichersysteme nützlich, aber mit Hilfe einiger entwickelter Technologien wie der Tieftemperaturkühlung haben einige Unternehmen begonnen, ISO-Tanks für den Transport von flüssigem Wasserstoff herzustellen.
Das Festkörper-Wasserstoffspeichersystem ist eine weitere Option für die Speicherung von Wasserstoff in Metallhydridpulver, die sich jedoch vor allem wegen der kürzeren Lebensdauer nicht durchgesetzt hat.
Welche Designüberlegungen sind für eine moderne Kryogener Wasserstoffspeicherunglösung wichtig?
Bei der Konstruktion eines kryogenen Tanks in einem Flüssigwasserstoff-Speichersystem müssen mehrere Faktoren und Parameter berücksichtigt werden, um ein maximales Sicherheitsniveau zu erreichen. Bei der Konstruktion eines kryogenen Flüssigwasserstoffspeichers sind folgende Überlegungen anzustellen:
- Auslegungsdruck
- MAWP (Höchstzulässiger Betriebsdruck)
- Betriebsdruck
- Ausrichtung (vertikal oder horizontal)
- Entwurfscode
- Entwurf des Fundaments
- Entwurf eines Unterstützungssystems
Welches sind die wichtigsten Komponenten eines Kryogener Wasserstoffspeicherungsystems und welche Funktion haben diese Komponenten?
Um Wasserstoff in flüssiger Form in einem Kryogener Wasserstoffspeicherung bei 1 atm Druck und -253 °C zu speichern, sind einige wesentliche Komponenten erforderlich, um Wärmeverluste zu vermeiden und die Speicherung effektiv zu gestalten. Die verschiedenen Komponenten des Speichersystems, die zum Befüllen, Speichern und Entnehmen von Kraftstoff in einem Wasserstoffspeicher verwendet werden, sind:
- Inneres Gefäß
- Äußeres Gefäß
- Isolierung
- Ventile
- Druckaufbaueinheit (PBU)
- Unterstützung
- VJP (Vakuum ummanteltes Rohr)
- Scheitelbrecher
- Kryo-Kühler
a) Inneres Gefäß
Der Innenbehälter ist meist zylindrisch und enthält das Betriebsmedium, den Brennstoff Wasserstoff. Der Innenbehälter sollte auf der für die Lagerung der Flüssigkeit erforderlichen kryogenen Temperatur gehalten werden. Der Innenbehälter ist das Bauteil, das direkt mit dem eigentlichen Wasserstoffbrennstoff in Berührung kommt. Daher wird das Material des Innenbehälters auf der Grundlage der kryogenen Temperaturen ausgewählt.
b) Äußeres Gefäß
Das äußere Gefäß dient als Gehäuse für das innere Gefäß. Der Innenbehälter wird mit Hilfe von Stützplatten im Außenbehälter befestigt. Die Hauptfunktion des äußeren Behälters besteht darin, das Vakuum zu halten und eine gute Isolierung des inneren Behälters zu gewährleisten, indem Wärmeverluste reduziert oder beseitigt werden.
c) Ventile
Ventile sind wesentliche Bestandteile kryogener Wasserstoffspeichersysteme, um den Transfer des Wasserstoffs in und aus dem Tank zu erleichtern. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Ventile eingesetzt. Diese kryogenen Ventile werden verwendet, um Konstruktionsanforderungen zu erfüllen:
- Durchgangsventile
- Umlenkventile
- Sicherheitsventile
- Druckbegrenzungsventile.
d) Druckaufbaueinheit
Die Druckaufbaueinheit arbeitet als Wärmetauscher. Während der Flüssigkeitsentnahme kommt es zu einem Druckabfall im Inneren des Behälters. Bei einem Druckabfall im Inneren des Behälters sinkt die Sättigungstemperatur der Flüssigkeit bei Betriebsdruck, was zur Umwandlung von Flüssigkeit in Gas führt. Außerdem führt der Druckabfall zu einer Verringerung des Massendurchflusses bei der Entnahme von Flüssigkeit. Die PBU (Pressure building unit) entnimmt etwas Flüssigkeit aus der Druckleitung des Behälters und wandelt die kryogene Flüssigkeit in den erforderlichen kryogenen Dampf um, den sie in den Behälter zurückführt, um den erforderlichen Betriebsdruck aufrechtzuerhalten.
e) VJP (Vacuum Jacketed Pipe)
Bei einer kryogenen Temperatur von -253°C oder 20K wird flüssiger Wasserstoff in isolierten Transferleitungen übertragen. Bei der Verwendung normaler Rohre ist die Wärmeübertragung von der Umgebung auf die Flüssigkeit sehr hoch, was zum Sieden der Flüssigkeit führt. Vakuumummantelte Rohre oder vakuumisolierte Transferleitungen werden speziell zur Lösung dieses Problems eingesetzt.
Welche Kältemittel werden verwendet, um so niedrige Temperaturen von Wasserstoff zu erreichen?
Wasserstoff hat einen Siedepunkt von -253°C bei 1 bar. Für die Kühlung von Wasserstoff benötigen wir Flüssigkeiten oder Gase mit niedrigem Siedepunkt, um diese niedrige Temperatur des Wasserstoffs zu erreichen. Da diese Temperatur nicht direkt erreicht werden kann, müssen mehrere Stufen durchlaufen werden, um eine so niedrige Wasserstofftemperatur zu erreichen. Helium und Stickstoff sind die am häufigsten verwendeten Kältemittel, um solche niedrigen Temperaturen zu erreichen. Andere Kältemittel, wie z. B. Gemische aus Stickstoff, Methan, Ethan, Propan und n-Butan, können verwendet werden, um Temperaturen von bis zu 114 K zu erreichen.
Was sind die wichtigsten Anwendungsbereiche der kryogener Wasserstoffspeicherung?
Die Kryogener Wasserstoffspeicherung hat in der heutigen Welt ein breites Anwendungsspektrum. Kryogener Wasserstoff ist in der Raumfahrt weit verbreitet, während flüssiger Wasserstoff als Treibstoff für Weltraumjets und FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles) wie Fahrzeuge, Busse, Lastwagen usw. verwendet wird. Die wichtigsten Anwendungen für kryogene Wasserstoffspeichersysteme sind:
- Betankungsstationen
- Luft- und Raumfahrtstationen
- Automobilanwendungen
Die nachstehende Tabelle zeigt die wichtigsten Unterschiede, Vor- und Nachteile zwischen der Speicherung von flüssigem und gasförmigem Wasserstoff.
| Themen | Lagerung von Flüssigwasserstoff | Speicherung von gasförmigem Wasserstoff |
| Dichte | 70.899 kg/m3 bei atm Druck | 1,3164 kg/m3 bei atm Druck |
| Isolierung | Erforderlich | Nicht erforderlich |
| Kosten | Teuer | Weniger |
| Druck | Geringerer Druckanstieg | Stärkere Erhöhung des Drucks |
| Boil-off | High Boil-off | Kein Boil-off |
Vor- und Nachteile von Flüssigwasserstoffspeichern
| Vorteile der Speicherung von Flüssigwasserstoff | Nachteile von Flüssigwasserstoffspeicherung |
| Hohes Volumen und hohe Dichte | Erforderliche Isolierung |
| Weniger Druck | Mehr Boil-off |
| Weniger Gefahr durch weniger Druck | Mehr Ausrüstung zur Aufrechterhaltung der Flüssigkeitslagerung erforderlich |
Vor- und Nachteile von Tanks für gasförmigen Wasserstoff
| Vorteile der Speicherung von gasförmigem Wasserstoff | Nachteile der Speicherung von gasförmigem Wasserstoff |
| Isolierung nicht erforderlich | Mehr Gefahren durch hohen Druck |
| Weniger teuer & sofort einsatzbereit | Mehr Dicke ist erforderlich |
| Kein Abdampfen | Weniger Volumen und Dichte |
Wie wird der flüssige Wasserstoff in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt, bevor er im Brennstoffzellenstapel verbraucht wird?
Wasserstoff wird durch Kryokompression in flüssigem Zustand gespeichert, um eine höhere Speicherkapazität zu erreichen. Bei einigen Anwendungen, wie z. B. Brennstoffzellen, muss der zugeführte Wasserstoff jedoch in gasförmiger Form vorliegen. Zur Umwandlung des flüssigen Wasserstoffs in gasförmigen Wasserstoff wird ein kryogener Verdampfer verwendet. Kryogene Verdampfer sind phasenwechselnde Geräte, die flüssigen Wasserstoff bei gewünschtem Druck und Temperatur in gasförmigen Wasserstoff umwandeln.
Welches sind die Reinheitsgrade für flüssigen Wasserstoff?
Wasserstoff liegt in vielen physikalischen und chemischen Formen vor, aber es ist interessant, wie er von den Ausgangsformen getrennt wird. Die Abtrennung von Wasserstoff aus der Ausgangsform ist die Erzeugung von Wasserstoff. Der Reinheitsgrad des Wasserstoffs hängt von den Produktionsmethoden ab, d. h. von den Mitteln, die zur Gewinnung von Wasserstoff aus seinen Ausgangsstoffen eingesetzt werden. Im Allgemeinen gibt es drei Arten oder Reinheitsgrade von Wasserstoffgas: reiner Wasserstoff mit einem Reinheitsgrad von 99,99 %, hochreiner Wasserstoff mit einem Reinheitsgrad von 99,999 % und ultrareiner Wasserstoff mit einem Reinheitsgrad von 99,9999 %.
Was ist grüner flüssiger Wasserstoff?
Der grüne Wasserstoff ist der Wasserstoff, der durch die Spaltung von Wasser durch Elektrolyse erzeugt wird. Zu den Energiequellen gehören Sonne, Wind und Wasser. Dieser Wasserstoff wird als grüner Wasserstoff bezeichnet. Grüner Flüssigwasserstoff ist der Wasserstoff, der mit Energie aus erneuerbaren Quellen verflüssigt wird. Bei der Speicherung von grünem Wasserstoff werden keine Treibhausgasemissionen freigesetzt. Dieselben erneuerbaren Energiequellen werden während des gesamten Prozesses in verschiedenen Phasen eingesetzt, z. B. bei der kryogenen Kühlung, dem Antrieb des kryogenen Wasserstoffkompressors und anderen Prozessen, die zur Erzeugung von grünem kryokomprimiertem Wasserstoff erforderlich sind.
Was sind die wichtigsten Betriebsparameter der Kryogener Wasserstoffspeicherung?
Die Betriebsparameter eines kryogenen Wasserstoffspeichers werden wie folgt klassifiziert:
a) Verhalten des Betriebssystems
- Füllung (untere Füllung und obere Füllung)
- Pegelmesser
- Trycock-Leitung
b) Zustand der Entnahmeleitung oder Betriebszustand
- PBU (Druckaufbaueinheit)
- Verdampfer
- Kryopumpe
Welche Komponenten sind erforderlich, um ein Kryogener Wasserstoffspeicherung sicher zu machen?
Bei vielen bestehenden und neu entstehenden Anwendungen von Wasserstoff wird Wasserstoff in gasförmiger Form verwendet. Es gibt jedoch wichtige Anwendungen, die Wasserstoff als Flüssigkeit verwenden. Alle Sicherheitsüberlegungen und Gefahren im Zusammenhang mit gasförmigem Wasserstoff gelten auch für flüssigen Wasserstoff, da er leicht verdampft. Die Komponenten, die ein kryogenes System sicher machen, sind:
- Sicherheitsventil des Behälters
- Sicherheitsventil für die Leitung
- Flammenmelder
- Rauchmelder
- Wasserstoff-Lecksucher
- Ultraschall-Lecksucher
- Belüftung
- Brand/Explosion
- Entlüftungsschacht
- Wasserstoffsensoren
- Fechten
Welchen internationalen Normen/Normen/Zertifizierungen muss eine Speicherlösung für flüssigen Wasserstoff entsprechen?
Die internationalen Normen und Zertifizierungen für das Kryogener Wasserstoffspeicherung sind
- ASME Kessel- und Druckbehältercode Abschnitt VIII
- Spezifikationen und Vorschriften des US DOT (Department of Transportation)
- NFPA (Nationaler Brandschutzverband)
- ISO-Normen
- CGA (Verband für komprimiertes Gas)
Gibt es Tankstellen und Zapfpistolen für flüssigen Wasserstoff, und was sind die Sicherheitsaspekte?
Der Wasserstoff wird im Automobilbereich für Brennstoffzellen verwendet. Der Wasserstoff wird in einem Tank gespeichert. Dieser Tank wird an der Wasserstofftankstelle aufgefüllt. Die Wasserstoffzapfsäulen dienen zur Abgabe des flüssigen Wasserstoffs an die Kraftstoffspeicher. Es gibt viele Sicherheitsüberlegungen, die geübt werden müssen.
a) Sicherheitserwägungen für Betankungsstationen
- Brandsicherheit
- Leckagesicherheit
- Sicherheit bei der Lagerung
- Sicherheit bei der Abgabe
b) Sicherheitserwägungen für die Zapfpistole
- Perfektes Zusammenspiel von Fahrzeugdüse und Zapfpistole ist erforderlich
- Überlegungen zur Abnutzung (Abrasion) der Düse
- Druckverluste
- Austritt von Kraftstoff am Düsenausgang
Kann die kryogene Wasserstoffspeicherung für den Wasserstofftransport genutzt werden?
Der kryogene Speichertank ist eine der wichtigsten Anwendungen für den Transport von flüssigem Wasserstoff. Im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff kann flüssiger Wasserstoff mit hoher Kapazität im gleichen Volumen gespeichert werden. Flüssiger Wasserstoff kann mehr Kapazität aufnehmen. Für den Transport von Wasserstoff wird häufig ein kryogener Speichertank verwendet, so dass im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff eine größere Menge Wasserstoff auf weniger Raum transportiert werden kann.
Kryogener Wasserstoffspeicherung für den Einsatz in Wasserstoff-LKW
a) Was sind die Vorteile und welche Herausforderungen müssen noch bewältigt werden?
Wasserstoff-Lkw sind Fahrzeuge, die Wasserstoff als Kraftstoff verwenden. Ein Wasserstofftank ist in den Lkw integriert. Die Motoren von Wasserstoff-Lkw werden mit Wasserstoff betrieben.
b) Es gibt viele Vorteile für Wasserstoff-Lkw
- Keine Kohlenstoffemissionen
- In Hülle und Fülle vorhanden
- Schnelle Betankung
c) Zu bewältigende Herausforderungen
- Gewicht und Volumen
- Wirkungsgrad
- Dauerhaftigkeit
- Betankungszeit
- Kosten
- Lebenszyklus- und Effizienzanalyse
Wie viel aktive Kühlung ist erforderlich, um flüssigen Wasserstoff ordnungsgemäß zu speichern?
a) Ist es möglich, die Energie zu berechnen, die erforderlich ist, um den Wasserstoff in flüssiger Form zu halten?
Jede Flüssigkeit oder jedes Gas wechselt die Phase unter Verwendung von Wärme, die als latente Wärme bezeichnet wird. Die Energie kann mit Hilfe von Wärmeübertragungsgleichungen berechnet werden. Es würde also eine Phasenänderung des Stoffes aufgrund der vorhandenen latenten Wärme stattfinden. In einem kryogenen Wasserstoffspeicher muss die latente Wärme im Inneren des Tanks abgeführt werden, um den Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Gas zu vermeiden. Die latente Wärme wird durch aktive Kühlung, auch kryogene Kühlung genannt, des flüssigen Wasserstoffs abgeführt. Für diese aktive Kühlung des flüssigen Wasserstoffs zur ständigen Abfuhr der latenten Verdampfungswärme wird ein Kryokühler verwendet, der die erforderliche Temperatur liefert, damit sich die latente Verdampfungswärme nicht ansammelt. Das Medium wird also nur in flüssiger Form vorhanden sein.
b) Ist das Auslaufen von Wasserstoff ein Problem bei kryogenen Wasserstoffspeichern?
Flüssiger Wasserstoff in einem kryogenen Wasserstoffspeichersystem absorbiert Wärme aus der Umgebung. Durch diese absorbierte Leckagewärme wird der flüssige Wasserstoff zu gasförmigem Wasserstoff. Man muss sich darüber im Klaren sein, dass die Verflüssigung von Wasserstoff sehr teuer ist, da Wasserstoff im Vergleich zu anderen Gasen eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Außerdem wird die Isolierung des Kryokompressionsspeichersystems durch ein Wasserstoffleck beschädigt. Die Superisolierung beispielsweise ist teurer und besteht aus Glasfaserpapier und Aluminiumfolie. Die Aufrechterhaltung eines leckagefreien kryogenen Wasserstoffspeichersystems ist vorzuziehen oder nützlich, um solche Probleme zu vermeiden. Bei einem Gasleck in einem kryogenen Wasserstoffspeicher wird der flüssige Wasserstoff durch Abdampfen zu gasförmigem Wasserstoff. Dadurch verringert sich das Fassungsvermögen des Tanks und es besteht ebenfalls Explosionsgefahr. Daher ist es von größter Bedeutung, dass die Leckage des Tanks gestoppt wird.
Letzte Aktualisierung: 13.01.2023