Modellbasierte Effizienzanalyse eines thermisch getriebenen Metallhydrid-Wasserstoffverdichters

Kurzfassung

Wasserstoff gilt als eines der Schlüsselelemente der Energiewende und ist ein energetisch und wirtschaftlich wertvoller Rohstoff. Im JaWoll-Projekt fallen an Elektrolyseund Brennstoffzellenprüfständen wasserstoffreiche Gasgemische an, die nicht ungenutzt an die Umgebung abgegeben, sondern weiterverwendet werden sollen. Dazu werden die Gasgemische zunächst durch einen elektrochemischen Verdichter aufgereinigt und anschließend über einen Metallhydridverdichter auf ein höheres Druckniveau komprimiert. Ein thermisch getriebener Metallhydridverdichter bietet sich dabei an, da er thermische statt elektrische Antriebsenergie nutzt. Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines recheneffizienten Simulationsmodells zur Auslegung dieses Verdichters sowie dessen wirtschaftliche Bewertung. Dafür wird ein 0D-Modell in Dymola entwickelt, welches die Rechenzeit gegenüber dem Vorgängermodell um rund zwei Größenordnungen reduziert. Anhand experimenteller Versuche wird der thermische Widerstand des Reaktors zu Rth = 36 1 K W−1 kalibriert und analytisch plausibilisiert. Anhand weiterer Versuchsdaten wird die Reaktionskinetik der Absorption kalibriert, wodurch der Literaturwert bestätigt wird. Insgesamt gibt das Modell das reale Verhalten zuverlässig wieder. Um den im Projekt geforderten Druckhub zu erreichen, ergibt sich für das Metallhydrid LaNi5 bei einer Absorptionstemperatur von etwa 40 ◦C eine Desorptionstemperatur von rund 150 ◦C. In einer umfangreichen Parameterstudie werden Betriebstemperaturen, Reaktorgeometrie und Leerraumanteil variiert und ihr Einfluss auf Wärmebedarf und Zykluszeit betrachtet. Dabei zeigt sich sowohl bei den Betriebstemperaturen als auch bei der Reaktorgeometrie ein Zielkonflikt, da eine Auslegung auf kurze Zykluszeiten jeweils den Wärmebedarf erhöht. Dieser Zielkonflikt wird über die Kenngröße Levelized Cost of Compression zu einem kostenoptimalen Auslegungspunkt aufgelöst. Bei einem Wärmepreis von 2 ct kWh−1 liegt dieser bei einem Innenradius von 5,5 mm und einer Temperaturdifferenz von 120 K mit spezifischen Verdichtungskosten von rund 24,5 ct kg−1. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die meisten Parameter die Verdichtungskosten kaum beeinflussen, mit Ausnahme des Wärmepreises. Bereits eine Änderung um 1 ct kWh−1 verschiebt den kostenoptimalen Auslegungspunkt und verändert das Kostenniveau um rund 34,6 %. Insgesamt hängt die Wirtschaftlichkeit somit maßgeblich davon ab, ob und zu welchem Preis die benötigte Abwärme zur Verfügung steht.