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Wasserstoff in Brennstoffzellen und Fahrzeugen
Wasserstoffbetriebene Lastwagen, Busse und Autos ähneln den Elektroautos, die bereits gegenwärtig auf unseren Straßen unterwegs sind. Auch wasserstoffbetriebene Fahrzeuge sind Elektrofahrzeuge, nur haben sie eine andere Antriebsart: 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 heutzutage in der Regel in bordeigenen Drucktanks gespeichert.
Für eine möglichst hohe Energiedichte muss der gespeicherte Wasserstoff mit einem Druck von bis zu 700 bar verdichtet werden. Auf diese Weise kann das begrenzte Tankvolumen für eine zufriedenstellende Laufleistung ausreichen. Diese Tanks müssen stark genug sein, um dem hohen Druck standhalten zu können. Zudem sollten sie 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.
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
Wichtige Aspekte
Durchfluss-Druckregelung
Reproduzierbarkeit
Sichere Methode zur Speicherung von Wasserstoff
Anwendung bei relativ niedrigem Druck im Vergleich zu traditionellen Speichermethoden
Die Lösung
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 (welche für hohe und variierende Differenzdrücke geeignet sind) verwendet. Der Druck im Metallhydridspeicher wird präzise eingestellt, 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.
Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt darin, den Druck zu reduzieren und damit den Umgang mit Wasserstoff wesentlich sicherer zu machen. In dieser Forschungsumgebung wird meist ein Druck bis zu 100 bar verwendet. Bereits 30 bar sind ein typischer Betriebsdruck für den Metallhydridspeicher. Die Speicherung des Wasserstoffs 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.
Metallhydridspeichers arbeiten der Druckregler und der Massendurchflussregler als druckgeführter Durchflussregler zusammen. Beim Einleiten des Wasserstoffs werden die Ventile auf der Auslassseite geschlossen. Beim Ablassen des Wasserstoffs wird die Einlassseite geschlossen und die Ventile an der Auslassseite geöffnet. Ein vollständiges Experiment ist ein sequenzieller 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.
Dabei sind die Stabilität und die Reproduzierbarkeit des Freisetzungsvorgangs entscheidend.
Empfohlene Instrumente
IN-FLOW
Massedurchflussmesser/-regler für Gase in IP65-Ausführung
Für 0,014 mln/min bis 11.000 m3n/h
Genauigkeit ****
Multi-Gas/Multi-Range-Funktion (optional)
Geeignet für Drücke bis zu 700 bar
Serie ansehen
IN-PRESS
Wasserdichtes digitales elektronisches Druckmessgerät / Controller
Bis zu 400 bar
Geeignet für nicht inerte (reaktive) Gase
Nahtlose Integration mit Durchflussmessgeräten
Breites Angebot an Absolut-, Überdruck- und Differenzdruckmodellen
Serie ansehen
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