Bronkhorst
Applikationsbericht

Wasserstoffspeicherung in Metallhydrid

Wasserstoffbetriebene Lastwagen, Busse oder Autos ähneln den üblichen batteriebetriebenen "Elektro"-Autos, die wir jeden Tag mehr und mehr sehen, sehr. Auch wasserstoffbetriebene Fahrzeuge sind Elektrofahrzeuge, aber die Art des Antriebs ist etwas anders: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in einer Brennstoffzelle und erzeugen Strom, der einen Elektromotor antreibt. Während batteriebetriebene Fahrzeuge ihre Energie aus vorgeladenen Lithium-Ionen-Batterien beziehen, wird der Wasserstoff für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge heute in der Regel in bordeigenen Drucktanks gespeichert.

Für eine maximale Energiedichte muss der gespeicherte Wasserstoff auf Drücke von bis zu 700 bar verdichtet werden, um in das begrenzte Tankvolumen für eine ausreichende Laufleistung zu passen. Diese Tanks müssen stark genug sein, um dem hohen Druck standhalten zu können, und sie sollten auch für Wasserstoff undurchlässig sein, um ein Austreten des Gases zu verhindern. Zur Vermeidung von Sicherheitsproblemen im Zusammenhang mit diesem extremen Druck und zur Vermeidung von Energieverschwendung beim Komprimieren des Wasserstoffs auf diesen Druck wird jedoch nach Alternativen für diese Tanks gesucht.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart erforscht alternative Möglichkeiten zur Speicherung von Wasserstoff für den Einsatz in Brennstoffzellen oder Fahrzeugen. Der Bronkhorst Vertriebspartner Wagner Mess- und Regeltechnik wurde um eine Lösung zur Speicherung von Wasserstoff in Metallhydridbehältern gebeten, um eine kontrollierte Zufuhr von Wasserstoffgas in den Behälter zu liefern und das freigesetzte Wasserstoffgas aus dem Behälter zu messen.
 

Wasserstoffspeicherung in Metallhydrid

Anwendungsanforderungen

In Metallhydridbehältern wird Wasserstoff durch reversible chemische Reaktionen zwischen einer Metalllegierung und gasförmigem Wasserstoff gespeichert. Das feste Metallhydrid wirkt wie ein Schwamm, der den Wasserstoff aufnimmt und wieder abgibt. Um zu untersuchen, unter welchen Prozessbedingungen das Be-/Entladen von Wasserstoff am besten funktioniert, müssen Wasserstoffströme und der Prozessdruck genau gemessen und gesteuert werden. Da wir es zudem mit einer Forschungsumgebung zu tun haben, müssen die Soll- und Messwerte für Analysezwecke adäquat erfasst werden.

Wichtige Aspekte

  • Durchfluss-Druckregelung
  • Reproduzierbarkeit
  • Sichere Methode zur Speicherung von Wasserstoff
  • Anwendung bei relativ niedrigem Druck im Vergleich zu traditionellen Speichermethoden


Prozesslösung

Die Bronkhorst-Lösung besteht aus Durchflussinstrumenten an der Einlass- und Auslassseite des Metallhydridbehälters. Für die Einleitung von Wasserstoff in das Metallhydrid werden Durchflussmesser der IN-FLOW-Serie in Kombination mit Vary-P-Ventilen verwendet. Der Druck im Metallhydridbehälter wird mit einem bestimmten Druck geregelt, um die Speicherreaktion zu untersuchen.

Zu diesem Zweck sind an der Ein- und Auslassseite des Metallhydridbehälters Druckregler der Serie IN-PRESS vorhanden, die ebenfalls mit Vary-P-Ventilen verbunden sind. Das parallele Ventil auf der Auslassseite ist ein Kugelventil, das dazu dient, den Druck auf Atmosphärendruck zu reduzieren.

Das PROFIBUS-DP-Protokoll wird für die Kommunikation zwischen den Bronkhorst-Geräten und dem Steuerteil der Anlage verwendet. So können die Sollwerte eingestellt und die gemessenen Parameter für eine spätere Analyse ausgelesen werden. Der gesamte Aufbau ist ebenfalls für einen Gefahrenbereich der ATEX-Zone 2 erhältlich.
 

Durchfluss Schema Wasserstoffspeicherung in Metallhydrid
Durchfluss Schema

Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt darin, den Druck zu reduzieren und damit den Umgang mit Wasserstoff wesentlich sicherer zu machen. In dieser Forschungsumgebung werden Drücke bis zu 100 bar verwendet, aber 30 bar ist ein typischer Betriebsdruck für den zu betreibenden Metallhydridbehälter. Die Speicherung von Wasserstoff ist ein exothermer Prozess, bei dem die entstehende Wärme abgeführt werden muss. Auf der anderen Seite ist die Freisetzungsreaktion endotherm, d. h. Wasserstoff wird nur dann freigesetzt, wenn genügend Wärme zugeführt wird. Dies führt zu einem inhärent sicheren Einschluss des Wasserstoffgases in die Metallhydridverbindung.

Die Bezugsvariable für die Untersuchung ist in der Regel der Druck. An der Einlassseite des Metallhydridbehälters arbeiten der Druckregler und der Massendurchflussregler als Durchfluss-Druckregler zusammen. Beim Einleiten des Wasserstoffs werden die Ventile auf der Auslassseite geschlossen und die Wasserstoffspeicherung eingeleitet. Beim Ablassen des Wasserstoffs wird die Einlassseite geschlossen und die Ventile an der Auslassseite geöffnet. Ein vollständiges Experiment ist ein sequentieller Prozess: Zuerst wird der Wasserstoff eingeführt, dann wird geprüft, wie viel Wasserstoff unter bestimmten Bedingungen geladen werden kann, wie stabil der eingeführte Wasserstoff im Metallhydrid ist und wie reproduzierbar dieser Prozess durchgeführt werden kann. Bei der Freisetzung des Wasserstoffs wird untersucht, wie viel Wasserstoff unter bestimmten Bedingungen entfernt werden kann.
 
Auch hier sind Stabilität und Reproduzierbarkeit im Freigabeprozess entscheidend.
 

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Wasserstoffspeicherung in Metallhydrid mit der Hilfe von Durchflussmessern
Quelle: DLR Stuttgart - Institut für Technische Thermodynamik


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