Modellierung und Simulation eines Metallhydridsystems zur thermischen Wasserstoffkompression

Kurzfassung

Boil-off stellt eine große Herausforderung bei der Speicherung kryogener Fluide, insbesondere von Wasserstoff dar. Durch Wärmeeinträge aus der Umgebung kommt es zur kontinuierlichen Verdampfung des Wasserstoffs, was zu Druckanstieg im Speicher, ökonomischen und ökologischen Verlusten führt. Zur Reduktion dieser Verluste können geeignete Verdichtungstechnologien eingesetzt werden, um den entstehenden Dampf wieder in das Speichersystem zurückzuführen oder in nachgelagerte Prozesse einzuspeisen. Ein vielversprechender Ansatz ist der Einsatz eines Metallhydridverdichters, der durch thermisch getriebene Absorptions- und Desorptionsprozesse arbeitet und somit ohne mechanisch bewegte Komponenten auskommt. Insbesondere kann hierbei die Abwärme einer Brennstoffzelle genutzt werden, wodurch eine hoher Ausnutzungsgrad und gute energetische Effizienz ermöglicht wird. Die folgende Forschungsarbeit modelliert und simuliert einen Metallhydridverdichter zur thermischen Wasserstoffkompression. Für den betrachteten Verdichter haben sich aus vorangegangenen Arbeiten im Bereich des Boil-off typische Betriebsbedingungen ergeben. Demnach liegt der relevante Ablassdruck des entstehenden Wasserstoffs im Bereich von 1–3 bar, während eine Einspeisung in nachgelagerte Systeme, wie eine Brennstoffzelle, bei 7–8 bar vorgesehen ist. Die hierfür nutzbare Abwärme bewegt sich im Temperaturbereich von etwa 70–80 ◦C, während für die Kühlseite untere Temperaturbereiche zwischen -10 ◦C und 10 ◦C angenommen werden. Diese Kennwerte definieren den thermodynamischen Arbeitsbereich des betrachteten Reaktors, der insgesamt zwischen 1 und 8 bar betrieben wird und Temperaturdifferenzen von bis zu 90 K aufweist. Mit diesen Kennwerten wird ein Simulationsmodell entwickelt, das die gekoppelten Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb des Reaktors abbildet. Zur Sicherstellung der Modellgüte wird dieses anhand experimenteller Temperaturverläufe kalibriert und zeitlichen Änderungen ein- und ausfließender Massenströme, Temperaturänderungen sowie Umsatzänderungen bewertet.