Erforschung und Entwicklung eines neuartigen, anwendungsspezifischen und betriebssicheren Konzepts für eine skalierbare, dezentrale Wasserstoffverflüssigungsanlage
Projektdurchführung
Technische Universität Braunschweig
Institut für Thermodynamik (IfT)
Hans-Sommer-Str. 5
38106 Braunschweig
Zielsetzung
Wasserstoff gilt als großer Hoffnungsträger für die Energiewende. Eine besondere Rolle spielt dabei seine kryogene, flüssige Form (LH2). Die gegenüber Druckgasspeichern erhöhte volumetrische Speicherdichte von LH2 bietet sowohl beim Transport großer Mengen Wasserstoff als auch für Wasserstofftanksysteme u.a. in Luft- und Schwerlastverkehr erhebliche Vorteile.
Damit einher geht die zunehmende Bedeutung von Forschung und Entwicklung im Zusammenhang mit LH2 in vielfältigen Querschnittsthemen. Ein Beispiel sind mobile Speichertanks aus Verbundwerkstoffen und die Frage, wie Wasserstoff aus solchen Systemen schnell und zuverlässig für Brennstoffzellen und Gasturbinen bereitgestellt werden kann, die Entwicklung von kryogenen Pumpen, Ventilen und Wärmeübertragern inbegriffen. Weiterer Bedarf an Forschung und Entwicklung besteht in den Bereichen der Messtechnik für den Tieftemperaturbereich, Materialverträglichkeiten und Lebensdaueruntersuchungen sowie Supraleittechnik. In allen genannten Feldern ist außerdem die Entwicklung von Sicherheitskonzepten und die Etablierung von Sicherheitsstandards im Umgang mit LH2 essentiell.
Die Versorgung mit LH2 ist für Unternehmen und Forschungseinrichtungen jedoch mit hohen Kosten verbunden, da der zentral verflüssigte Wasserstoff nur in hohen Abnahmemengen geliefert wird und die Kunden eigene stationäre Speichersysteme installieren müssen. Für kleine mittelständische Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die keinen Zugang zu großen LH2-Speicheranlagen haben, kann eine dezentrale Versorgung mit LH2 das Feld für Forschung und Entwicklung in diesem Bereich öffnen.
Im hier vorgestellten Projekt wird eine Wasserstoffverflüssigungsanlage nach dem Linde-Hampson-Verfahren gebaut und untersucht. Die Betriebskosten und der Installationsaufwand für dieses Verfahren versprechen günstige Kilopreise für LH2 bei kleinen Abnahmemengen.
Nach der Installation und Inbetriebnahme der Anlage auf dem „Wasserstoff Campus Salzgitter“ soll auch der Aufbau direkt beim Verbraucher für eine lokale LH2-Erzeugung umgesetzt werden. Ziel ist es, den Zugang zu Forschung und Entwicklung LH2-basierter Technologien einem breiten Spektrum an Akteuren mit ihren individuellen Fragestellungen zu ermöglichen.
Arbeitsschritte
1. Kozeptphase:
Ein Anforderungskatalog für eine dezentrale Wasserstoffverflüssigungsanlage wird mit Hilfe der assoziierten Partner erstellt. Darauf basierend wird ein Anlagenkonzept erarbeitet. Wasserstoff soll nach dem Linde-Hampson-Verfahren verflüssigt werden. Dieses Konzept wird dann unter Nutzung der objektorientierten Programmiersprache Modelica simulativ umgesetzt und untersucht. Alternative Verflüssigerkonzepte werden hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile bewertet. Auch die mögliche Kopplung des Prozesses mit einer dezentralen Wasserstofferzeugung soll untersucht werden.
2. Entwurfsphase:
Modellbasiert werden eine Betriebsstrategie und die Regelungstechnik für den Prototypen des Linde-Hampson-Verflüssigers ausgearbeitet. Darauf aufbauend wird ein umfassendes Sicherheitskonzept für die Anlage erstellt. Auf Grundlage der imulationsbasierten Untersuchung sowie der erarbeiteten
Betriebs- und Sicherheitsstrategie wird ein Prototyp konstruktiv entworfen; erforderliche Konstruktionszeichnungen werden erstellt. Detailfragen zur Speichersystem-, Verbindungs-, Dichtungs-, Isolierungs- und Messtechnik werden beantwortet. Notwendige Prozesskomponenten und Messtechnik werden beschafft und Sonderanfertigungen werden in Auftrag gegeben.
3. Prototypphase:
Der Prototyp wird gemäß Betriebs- und Sicherheitsstrategie aufgebaut und die Machbarkeit demonstriert. Die Anlage wird verschiedenen sicherheitsrelevanten Tests unterzogen (Dichtigkeit, thermische und mechanische Wechselbeanspruchung, Sicherheitseinrichtungen). Dazu kommen zunächst Ersatzstoffe (z.B. Stickstoff) zum Einsatz. Nach Abschluss sicherheitsrelevanter Tests wird die Wasserstoffverflüssigung experimentell in einem Probelauf demonstriert. Der Prototyp wird quantitativ hinsichtlich der Verflüssigungsmenge sowie der physikalischen und ökonomischen Effizienz untersucht.
Ergebnisse
Die geplante Anlage zur dezentralen Verflüssigung von Wasserstoff wurde nahezu vollständig aufgebaut. Ein Anlagenkonzept, das simulationsbasiert umgesetzt und validiert wurde liegt vor. Das erarbeitete Sicherheitskonzept umfasst eine ausführliche Gefährdungsbeurteilung inklusive Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse, eine Fehlerbaumanalyse sowie eine Ereignisbaumanalyse. Bis zum Projektende ist jedoch noch keine Inbetriebnahme erfolgt. Grund für diese Abweichung vom Zeitplan sind die Finanzierung des Projekts sowie Schwierigkeiten bei der Beschaffung sicherheitskritischer Bauteile. Die Sachkosten für den Verflüssiger lagen deutlich über den ursprünglich angesetzten Kosten. Durch iterative Anpassungen des Prozesskonzepts bei der Erarbeitung des Sicherheitskonzeptes kam es ebenfalls zu Verzögerungen des Aufbaus.
Die gesetzten Ziele aus Konzept- und Entwurfsphase konnten erreicht werden, mit der Ausnahme der Beschaffung eines Sicherheitsventils für den Hochdruckbereich der Anlage bis Projektende. Der Prototyp wurde zu einem Großteil aufgebaut, Vorversuche sollen Ende 2025 beginnen.
Trotz der noch nicht erfolgten Inbetriebnahme sind wichtige Meilensteine für eine dezentrale Versorgung mit Flüssigwasserstoff im Raum Braunschweig erreicht worden. Die Umweltrelevanz des Projekts liegt in der zukünftigen, flexiblen Versorgung von Akteuren in Forschung und Entwicklung mit Flüssigwasserstoff (LH2). LH2 ist eine relevante Speicherform für Wasserstoff, der wiederum einen wichtigen Baustein der Energiewende darstellt. Die Fertigstellung des Verflüssigers ist bis Mitte 2026 geplant und zahlreiche Anschlussprojekte sind entstanden.
Öffentlichkeitsarbeit
Das Projektvorhaben wurde beim 12. Braunschweiger Energieseminar vom 20.-21. September 2023 durch eine Posterpräsentation vorgestellt. Projektergebnisse sind kontinuierlich in die Lehrveranstaltungen des Instituts für Thermodynamik an der TU Braunschweig eingeflossen. Im November 2024 wurden innerhalb eines Fachvortrags im Format "Deep Dive" des Wasserstoff Campus Salzgitter die LH2-bezogenen Forschungsaktivitäten der TU Braunschweig und der TLK Thermo GmbH, darunter auch der Aufbau einer dezentralen Versorgung mit LH2, vorgestellt. Zudem wurde das Projekt durch einen Konferenzbeitrag (Vortrag und Veröffentlichung) im Rahmen der Cryogenics 2025 vom 07.-11. April in Prag präsentiert.
Fazit
Im DEWAS-Projekt konnten wesentliche Ziele auf dem Weg zu einer dezentralen Versorgung mit LH2 im Raum Braunschweig erreicht werden. Ein Großteil des Linde-Hampson-Verflüssigers wurde bereits aufgebaut und für die Fertigstellung stehen zusätzliche finanzielle Mittel zur Verfügung. Die Inbetriebnahme des Linde-Hampson-Verflüssigers ist bis Mitte 2026 geplant.
Nch der Inbetriebnahme kann das Prozesskonzept umfassend bewertet und untersucht werden. Für Folgeprojekte zur dezentralen Verflüssigung von Wasserstoff wird das hier vorgestellte Konzept dann kritisch mit alternativen Methoden verglichen.