DE102011013577A1 - Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff und von magnetischer Energie sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff und von magnetischer Energie, aufweisend – einen supraleitenden magnetischen Energiespeicher (10), der aus mindestens einer Magnetspule (11) aufgebaut ist, dem über Stromzuführungen (12) zur mindestens einen Magnetspule (11) elektrische Energie zuführbar oder entnehmbar ist, der sich in einem mit einer Kühlvorrichtung (16) versehenen Kryotank (15) befindet und auf Betriebstemperatur gehalten wird, wobei sich im Feldbereich der mindestens einen Magnetspule (11) – ein mit einer weiteren Kühlvorrichtung (21) versehener Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff, – mindestens ein Regenerator (30), der mindestens ein Wärme aufnehmendes und abgebendes Speichermedium aufweist und in den von der warmen Seite (35) komprimierter Wasserstoff und von der kalten Seite (36) flüssiger Wasserstoff aus dem Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff zuführbar sind, und – ein Entspannungsventil (40) befinden, das mit der kalten Seite (36) des Regenerators (30) derart verbunden ist, dass der komprimierte Wasserstoff in das Entspannungsventil (40) einspeisbar und durch Entspannung als zumindest teilweise verflüssigter Wasserstoff dem Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff zuführbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb der genannten Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff und von magnetischer Energie sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb.
  • Die Ausweitung des Anteils an fluktuierenden regenerativen Energiequellen an der elektrischen Energieversorgung erfordert zusätzliche Maßnahmen zum Ausgleich von Einspeiseschwankungen. Verflüssigter Wasserstoff, der eine hohe volumetrische Energiedichte aufweist, eignet sich hierfür als Energiespeicher und Treibstoff. Gegenüber der Komprimierung von Wasserstoff ist jedoch zur Verflüssigung von Wasserstoff eine höhere elektrischen Energie erforderlich, die typischerweise ca. 30% des oberen Heizwerts von Wasserstoff beträgt, verglichen mit ca. 10% für die Komprimierung auf ca. 15 MPa bis 20 MPa.
  • Nach H. Quack, Die Schlüsselrolle der Kryotechnik in der Wasserstoff-Energiewirtschaft, TU Dresden, http://images.energieportal24.de/dateien/downloads/verfluessigung-dresden.pdf arbeiten großtechnische Wasserstoff-Verflüssiger üblicherweise mit mehreren kontinuierlichen Gasströmen, Wärmeübertragern (Rekuperatoren), die gleichzeitig im Gegenstrom durchströmt werden, mehreren Gasrückführungen, Expansionsmaschinen zur Kälteerzeugung bei intermediären Temperaturen und separaten Schleifen für die beim Wasserstoff erforderliche Ortho-Para-Umwandlung. Der schließlich in einem Entspannungsventil verflüssigte Wasserstoff kann dann entnommen und an seinen Einsatzort transportiert werden. Ein Großteil der elektrischen Energie, die für die Verflüssigung erforderlich ist, verbleibt bei der Aufwärmung am Einsatzort ungenutzt.
  • Verfahren, in denen ein Regenerator abwechselnd von der kalten und der warmen Seite mit einem Gas durchströmt wird, sind von Kleinkühlern bekannt, siehe R. Radebaugh, Cryocoolers: the state of the art and recent developments, J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 164219. Beim Stirling-Prozess kommt ein stationärer Regenerator und im kalten Teil ein mechanisch bewegter Entspannungskolben zum Einsatz. Beim Gifford-McMahon-Prozess wird ein mechanisch bewegter Regenerator als Verdränger eingesetzt. Bei Pulsrohr-Kühlern werden ebenfalls Kreisprozesse durchlaufen, allerdings ist hier der mechanische Kolben oder Verdränger durch eine pulsierende Gassäule ersetzt. Diesen Verfahren ist gemeinsam, dass sie auf Baugrößen maximal bis in den kW-Bereich beschränkt sind, bei Betriebsfrequenzen von 50 Hz bis zu 1 Hz arbeiten und sie primär zur Kälteerzeugung, nicht aber zur Gasverflüssigung eingesetzt werden.
  • Im Falle von Wasserstoff ist es erforderlich, die beiden Spin-Zustände des Wasserstoffmoleküls zu berücksichtigen, die sich energetisch durch eine Umwandlungswärme in Höhe von ca. dem 1,5-fachen der Verflüssigungs-Enthalpie unterscheiden. In der Praxis muss sich daher der Wasserstoff in jedem Verfahrensschritt, der mit Abkühlung, Speicherung und Wiederaufwärmung zusammenhängt, möglichst nahe am Ortho-Para-Gleichgewicht befinden. Um diese Bedingung zu erfüllen, werden nach R. Gross, W. Otto, A. Patzelt, M. Wanner, Flüssigwasserstoff für Europa – die Linde Anlage in Ingolstadt, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft 71/1994, S. 36–42, üblicherweise Katalysatoren für die Ortho-Para-Umwandlung während des Abkühlvorganges eingesetzt. Hierzu sind jedoch Gasrückführungen und die Bereitstellung von zusätzlicher Kälteleistung bei intermediären Temperaturen erforderlich.
  • Aus der DE 10 2007 042 711 A1 ist die Kombination von verflüssigtem Wasserstoff als Energiespeicher für längere Speicherzeiten und einem supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES) bekannt, der dort zur Kurzzeitspeicherung eingesetzt wird.
  • Die DE 38 43 065 A1 offenbart den Einsatz einer Magnetspule für eine magnetokalorische Verflüssigungsstufe. Das Magnetfeld dient hier dazu, um para- oder ferromagnetische Materialien in einem Kreisprozess sukzessive auf- und abzumagnetisieren, wobei der magnetokalorische Effekt Kälte erzeugt, die sich zur Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff einsetzen lässt.
  • Aus der DE 101 06 483 A1 ist die Vermeidung von Kälteleistung durch Umgehung zumindest eines Katalysators zur Ortho-Para-Umwandlung beim Verflüssigungsprozess bekannt. Dieses Verfahren ist dort vorteilhaft, wo nur kurze Speicherzeiten für den verflüssigten Wasserstoff erforderlich sind, insbesondere wenn dieser unmittelbar nach seiner Erzeugung in einem wasserstoffbetriebenen Fahrzeug verbraucht wird.
  • Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige und aus möglichst wenigen Komponenten bestehende Vorrichtung zur zwischenzeitlichen Speicherung von Wasserstoff und magnetischer Energie sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb bereitzustellen, die die Nachteile und Einschränkungen des Stands der Technik überwinden.
  • Insbesondere soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die den bisher bestehenden Wirkungsgradvorteil von komprimiertem Wasserstoff ausgleicht und zusammen mit der Zusatz-Funktion der elektrischen Energiespeicherung im supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES) eine energetisch vorteilhafte Art der Speicherung von Wasserstoff in verflüssigter Form vorsieht.
  • Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und im Hinblick auf das Verfahren zu ihrem Betrieb durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 5 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere
    • – einen supraleitenden Magnetspeicher (SMES), der aus mindestens einer Magnetspule aufgebaut ist, dem daher bei Betriebstemperatur elektrische Energie in Form eines Magnetfeldes zugeführt und wieder entnommen werden kann und der durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlt wird, auf sowie die folgenden Komponenten, die sich sämtlich im Feldbereich des Magnetfelds der mindestens einen Magnetspule befinden:
    • – einen Speichertank für verflüssigten (flüssigen) Wasserstoff (LH2),
    • – mindestens einen Regenerator (thermischer Massenspeicher), worin der Wasserstoff bei Zuführung gekühlt und bei Abnahme erwärmt wird, und
    • – ein Entspannungsventil, insbesondere ein Joule-Thomson-Entspannungsventil, zur Verflüssigung des komprimierten und im mindestens einen Regenerator vorgekühlten Wasserstoffs und zur anschließenden Zuführung in den Speichertank für flüssigen Wasserstoff (LH2),
    wobei – bedingt durch das Magnetfeld der mindestens einen Magnetspule – im mindestens einen Regenerator die Ortho-Para-Umwandlung bzw. die Para-Ortho-Rückumwandlung des Wasserstoffs unterstützt wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert einerseits auf dem Einsatz von Regeneratoren, also thermischen Massenspeichern, anstelle von Rekuperatoren, d. h. Gegenstrom-Wärmeübertragern, und das Magnetfeld der mindestens einen Magnetspule des supraleitenden Magnetspeichers (SMES) erlaubt andererseits den vollständigen Verzicht auf Katalysatoren sowohl für die Ortho-Para-Umwandlung als auch für die Para-Ortho-Rückumwandlung. Abgesehen von einfachen Absperrventilen, wird so auf bewegte Massen im kalten Bereich und auf Gasrückführungen verzichtet.
  • Der mindestens eine Regenerator, der sich in einer vorteilhaften Ausgestaltung zumindest teilweise in einer Kammer unter Vakuumbedingungen befindet, ist aus einem oder mehreren Wärme aufnehmenden und abgebenden Speichermedien aufgebaut. Da der Regenerator in einem sich verändernden starken Magnetfeld betrieben wird und daraus erzeugte Wärmeeinträge und Kühlverluste gering gehalten werden sollen, sind weitgehend unmagnetische und elektrisch isolierende Speichermedien mit gleichzeitig hoher Wärmekapazität besonders geeignet.
  • Typischerweise wird der mindestens eine Regenerator zwischen Umgebungstemperatur und einer Temperatur betrieben, die höchstens 35 K beträgt. Eine anschließende Entspannung des auf ausreichend hohen Druck komprimierten Wasserstoffs auf einen Druck von ca. 0,1 MPa ermöglicht damit bereits eine weitgehende Verflüssigung. Eine direkte Verflüssigung bei ca. 0,1 MPa würde demgegenüber erfordern, dass die gesamte Verflüssigungs-Enthalpie (Verdampfungswärme) genau beim Siedepunkt dem Wasserstoff entzogen werden müsste, was nicht nur schwer realisierbar, sondern auch sehr ineffizient sein würde. Daher ist es vorteilhaft, den Wasserstoff zunächst bei Umgebungstemperatur auf überkritische Drücke zu komprimieren und dann über ein Entspannungsventil zu verflüssigen.
  • Die Verflüssigungs- und Abkühlungs-Enthalpie des Wasserstoffs wird nach der Phase der Speicherung beim Aufwärmen dem mindestens einen Regenerator) entzogen, der später beim erneuten Abkühlen dem komprimierten Wasserstoff über einen weiten Temperaturbereich diese Enthalpien entziehen kann.
  • In einer besonderen Ausgestaltung ist der mindestens eine Regenerator räumlich so angeordnet, dass er sich oberhalb des Speichertanks für verflüssigten Wasserstoff befindet, wobei jeweils das kalte Ende des mindestens einen Regenerators der Flüssigkeitsoberfläche des Bads aus verflüssigtem Wasserstoff (LH2-Bad) zugewandt ist und auf diese Weise eine Abgabe des verflüssigten Wasserstoffs in den Speichertank erleichtert.
  • Um den mindestens einen Regenerator an seinem kalten Ende thermisch zu stabilisieren, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung ein thermischer Kontakt zwischen dem LH2-Bad und dem kalten Ende des mindestens einen Regenerators vorgesehen, über den sich zudem ein Teil des mindestens einen Regenerators auch mechanisch gehalten werden kann.
  • Um insbesondere den Wärmeeintrag in den Speichertank für verflüssigten Wasserstoff (LH2) zu reduzieren, wird dieser in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weitgehend mit einem mit flüssigem Stickstoff (LN2) gekühlten sog. Strahlungsschild umgeben. Gleichzeitig dient dieses Bad aus flüssigem Stickstoff (LN2-Bad) auch zur besseren thermischen Stabilisierung des mindestens einen Regenerators bei wechselnden Betriebszuständen, wobei sich dieser thermische Kontakt zum LN2-Bad weiterhin auch zur mechanischen Halterung zumindest von Teilen des mindestens einen Regenerators einsetzen lässt. Anstelle von flüssigem Stickstoff LN2 wird in einer alternativen Ausgestaltung flüssiger Sauerstoff LO2 eingesetzt.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist die Schritte a) bis d) auf.
  • Gemäß Schritt a) wird der Betriebsstrom für einen supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES), der aus mindestens einer Magnetspule aufgebaut ist, über Stromzuführungen eingestellt, wodurch der damit verbundenen Magnetspule elektrische Energie zugeführt, in ihr gespeichert oder aus ihr entnommen wird. Bereits mit diesem Schritt kann kurzzeitig Energie bereitgestellt werden.
  • Zur längerfristigen Bereitstellung von Energie kommt darüber hinaus der gespeicherte Wasserstoff zur Anwendung, der vorzugsweise in einem Elektrolyseur erzeugt und in einer Brennstoffzelle wieder in elektrischen Strom umgewandelt wird.
  • Wesentlich für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist, dass die Magnetfeldstärke an allen Orten des mindestens einen Regenerators, des (Joule-Thomson-)Entspannungsventils und des Speichertanks für den verflüssigten Wasserstoff eine festgelegte untere Grenze nicht unterschreitet. Nur damit ist sichergestellt, dass mittels des Magnetfeldes die Ortho-Para-Umwandlung bzw. die Para-Ortho-Rück-Umwandlung des Wasserstoffs so unterstützt werden, dass sich bei jeder Temperatur ein weitgehend thermisches Gleichgewicht zwischen den beiden Spin-Zuständen einstellt.
  • Gemäß Schritt b) wird komprimierter Wasserstoff bei Umgebungstemperatur über das warme Ende des mindestens einen Regenerators zugeführt, im mindestens einen Regenerator durch Wärmeabgabe an das mindestens eine, sich darin befindliche Speichermedium abgekühlt, dann im (Joule-Thomson-)Entspannungsventil auf einen niedrigeren Druck entspannt und dabei überwiegend verflüssigt, und schließlich gemäß Schritt c) als verflüssigter Wasserstoff als LH2-Bad im Speichertank aufgefangen und gelagert.
  • Gemäß Schritt d) wird bei Bedarf der verflüssigte Wasserstoff (LH2) dem LH2-Bad im Speichertank entnommen und dem kalten Ende des mindestens einen Regenerators zugeführt, darin durch Wärmeaufnahme aus dem mindestens einen Speichermedium aufgewärmt und über das warme Ende des mindestens einen Regenerators als gasförmiger Wasserstoff (GH2) ausgeleitet.
  • Um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, wird der mindestens eine Regenerator zusätzlich durch Kontakt zu Kältebädern thermisch stabilisiert:
    In einer ersten Ausgestaltung wird hierzu das kalte Ende des mindestens einen Regenerators auf das Temperaturniveau des LH2-Bades stabilisiert.
  • In einer anderen Ausgestaltung wird hierzu zumindest ein Teil des mindestens einen Regenerators auf das Temperaturniveau eines LN2- oder LO2-Bades stabilisiert.
  • Soll Sauerstoff zur thermischen Stabilisierung des mindestens einen Regenerators eingesetzt werden, wird dieser zusammen mit Wasserstoff in einem Hochdruck-Elektrolyseur erzeugt, dann zunächst durch Wärmeübertragung ebenfalls abgekühlt, druckentpannt und dabei weiter abgekühlt und/oder teilverflüssigt. Der Einsatz eines Hochdruck-Elektrolyseurs verringert die ansonsten für die Kompression erforderliche elektrische Energie.
  • Die vorgeschlagene Kombination aus Flüssig-Wasserstoff und supraleitendem Magnetspeicher (SMES) stellt Regelleistungen für das elektrische Netz auf Zeitskalen von Sekunden bis Stunden und Tagen bereit und trägt so zur Pufferung der steigenden Stromanteile von fluktuierender Wind- und Sonnenkraft bei. Insbesondere verstärkt dieser Ansatz den Anreiz, verflüssigten Wasserstoff anstelle von komprimiertem Wasserstoff einzusetzen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Hierbei enthalten die 1 bis 4 Ausführungsbeispiele für eine erfindungemäße Vorrichtung, während in den 5 bis 10 ein erfindungsgemäßes Verfahren zu ihrem Betrieb dargestellt ist. Bezüglich der Abkürzungen wird auf die Bezugszeichenliste verwiesen.
  • Die Figuren zeigen im Einzelnen:
  • 1 Schematische Darstellung einer erfindungemäßen Vorrichtung mit einem Regenerator mit separaten Strömungskanälen, von dem sich zumindest ein Teil im Speichertank unter GH2-Bedingungen befindet;
  • 2 Schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einem Regenerator mit LN2- und LH2-Stabilisierung und separaten Strömungskanälen sowie einem im LH2-Bad betriebenen supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES);
  • 3 Schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einem Regenerator mit LN2- und LH2-Stabilisierung, gemeinsamen Strömungskanälen und Ventilen im kalten Bereich sowie einem im LH2-Bad betriebenen SMES;
  • 4 Schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einem Regenerator mit LN2- und LH2-Stabilisierung und separaten Strömungskanälen sowie einem im LHe-Bad betriebenen SMES;
  • 5 Flussdiagramm mit dem Ablauf eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Speicherung von Wasserstoff;
  • 6 Beispiel für den Druckverlauf während des erfindungsgemäßen Abkühl- und des Aufwärmvorgangs;
  • 7 Beispiel für den Verlauf der Enthalpie während des erfindungsgemäßen Abkühl- und des Aufwärmvorgangs;;
  • 8 Beispiel für den Dichteverlauf während des erfindungsgemäßen Abkühl- und des Aufwärmvorgangs;
  • 9 Beispiel für die erfindungsgemäß aufzuwendende elektrische Energie zur Kompression des GH2 bei Umgebungstemperatur sowie zur Kühlung bei der Temperatur des siedenden LH2 am Ende des Abkühlvorganges;
  • 10 Flussdiagramm mit dem Ablauf eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Speicherung von Wasserstoff.
  • 1 zeigt schematisch, d. h. nicht maßstabsgetreu, ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung: In einem, mit einer Vakuumpumpe 39 bepumpten Kryobehälter befinden sich ein Kryotank 15 für den supraleitenden magnetischen Energiespeicher 10 sowie ein separater Speichertank 20 für flüssigen Wasserstoff LH2. Der Regenerator 30 ist mit separaten Strömungskanälen für vom warmen Ende 35 und vom kalten Ende 36 kommende Fluide ausgeführt, wobei sich zumindest ein Teil im Speichertank 20 unter GH2-Bedingungen befindet. Am kalten Ende 36 sind das Joule-Thomson-Entspamnnungsventil 40 sowie die Zufuhr des LH2 über eine Steigleitung angebracht. Am warmen Ende 35 befinden sich die Einleitung für komprimierten Wasserstoff zusammen mit dem Hochdruck-Absperrventil 70 sowie die Ausleitung für den Wasserstoff bei niedrigerem Druck und das ebenfalls bei Umgebungstemperatur betriebene Absperrventil 61. Der Niederdruckbereich ist weiterhin über das Absperrventil 64 mit Steuerelementen zur Druck-Kontrolle im LH2-Speichertank 20 verbunden. Als Puffer für Druckschwankungen dient ein Tank 80 für gasförmigen Wasserstoff, der einlassseitig über das Absperrventil 62, den Verdichter 71 und ein weiteres Absperrventil 63 aus dem kalten Bereich GH2 aufnimmt und der über das Absperrventil 65, den Verdichter 72 und das weitere Absperrventil 66 in den kalten Bereich GH2 abgibt. Die beiden Stränge für GH2 erlauben es, den Druck im LH2-Speicher zu verringern oder zu erhöhen und damit auch die Ausleitung von flüssigem Wasserstoff aus dem LH2-Speicher zu steuern. Der supraleitende magnetische Energiespeicher 10 und der LH2-Speichertank 20 werden durch die Kühlvorrichtungen 16, 21 (z. B. ein Kleinkühler) thermisch stabilisiert. Stromzuführungen 12 stellen die elektrische Verbindung zur Stromrichter- und Kontroll-Einheit für den Energiespeicher 10 her.
  • In einer alternativen Ausgestaltung ist anstelle eines Joule-Thomson-Entspannungsventils 40 eine Expansionsmaschine, hier eine Turbine, vorgesehen und an der Ausleitung des LH2 aus dem Speichertank zusätzlich eine kalte LH2-Pumpe angebracht. Nachteilig hieran ist, dass diese Ausgestaltung aufgrund von in einem starken Magnetfeld rotierenden Massen im kalten Bereich Wirbelströme induziert, die zu einem zusätzlichen Wärmeeintrag und damit zu einem Kühlverlust führen.
  • In 2 ist schematisch ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, bei der sich der Regenerator 30 vollständig in einer separaten Kammer unter Vakuumbedingungen befindet, wodurch der Wärmeeintrag in den Regenerator 30 durch freie Konvektion von Gasteilchen verringert wird. Der Regenerator 30 ist hier räumlich oberhalb des Speichertanks 20 für LH2 angeordnet, und das kalte Ende 36 des Regenerators 30 ist über einen thermischen Kontakt 25, der hier auch zur mechanischen Halterung des Regenerators 30 dient, mit dem LH2-Bad direkt verbunden. Weiterhin ist ein Außentank 50 für flüssigen Stickstoff LN2 als Strahlungsschild vorgesehen, der über den Zugang 59 mit LN2 befüllbar ist und zusätzlich über die weitere Kühlvorrichtung 51 (z. B. ein Kleinkühler) thermisch stabilisiert wird. Gleichzeitig wird ein Teil des Regenerators 30 über den thermischen Kontakt 53 zum LN2-Bad auf die Temperatur des LN2 stabilisiert, wobei hier die in der Behälterwand verankerte Halterung gleichzeitig zur räumlichen Fixierung des Regenerators 30 dient.
  • Der supraleitende magnetische Energiespeicher 10 wird bei der Temperatur des verflüssigten Wasserstoffs LH2 betrieben. Der Kryotank 15 des Energiespeichers 10 stellt einen nach oben hin offenes Teil des Speichertanks 20 für LH2 dar, der über das Joule-Thomson-Entspannungsventil 40 mit verflüssigtem Wasserstoff LH2 versorgt wird und der über einen LH2-Überlauf 29 mit dem Hauptteil des Speichertanks 20 verbunden ist. Dieser Aufbau gewährleistet, dass selbst bei einer teilweisen Entleerung des LH2-Speichers 20 und der daraus folgenden Absenkung des Flüssigkeitsspiegels 22 der Energiespeicher 10 immer noch vollständig gekühlt wird.
  • Das Ausführungsbeispiel in 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel gemäß 2 darin, dass das vom warmen Ende 35 kommende Fluid und das vom kalten Ende 36 kommende Fluid im Gegenstrom einen oder mehrere, z. B. mit Schüttgut befüllte, Strömungskanäle des Regenerators 30 gemeinsam, jedoch zeitlich versetzt durchlaufen. Hierzu sind am kalten Ende des Regenerators 30 zwei Absperrventile vorgesehen, und zwar das Ventil 75, über das der komprimierte Wasserstoff dem Joule-Thomson-Entspannungsventil 40 zugeführt wird, und das ebenfalls im kalten Bereich betriebene Ventil 76, über das der flüssige Wasserstoff LH2 dem Regenerator 30 zugeführt wird. Die beiden Ventile 70 und 61, die am warmen Ende 35 des Regenerators 30 die Einleitung des komprimierten Wasserstoffs sowie die Ausleitung des Wasserstoffs bei niedrigerem Druck steuern, sind beide mit einem gemeinsamen Strömungskanal verbunden.
  • 4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 der supraleitende magnetische Energiespeicher 10 bei der Temperatur des flüssigen Heliums LHe betrieben wird. Dazu wird der separate Kryotank 15 für den Energiespeicher 10 zwar von einer als Wärmeschild fungierenden Kammer des Speichertanks 20 für LH2 umschlossen, bleibt aber von dieser getrennt. Über den Zugang 19 ist der Kryotank für den Energiespeicher 10 befüllbar und lässt sich über eine Kühlvorrichtung 16' für flüssiges Helium (z. B. ein Kleinkühler) zusätzlich thermisch stabilisieren.
  • In 5 ist das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms dargestellt. Gasförmiger Wasserstoff GH2 wird in einem Kompressor 1 auf einen Druck typischerweise oberhalb des kritischen Drucks komprimiert, durchläuft dann den Regenerator 30, wird anschließend im Joule-Thomson-Ventil 40 entspannt und verflüssigt, und dann solange in einem LH2-Speichertank 20 gelagert, bis er bei Bedarf über den Regenerator 30 wieder aufgewärmt und als gasförmiger Wasserstoff GH2 bei niedrigerem Druck wieder ausgespeist wird. Das in 5 nicht eingezeichnete Magnetfeld des supraleitenden magnetischen Energiespeichern 10 stellt auch ohne Katalysator sicher, dass sich die beiden Spin-Zustände des Wasserstoffs während jedes Prozessschritts weitgehend im thermischen Gleichgewicht befinden.
  • In den 6 bis 9 ist das erfindungsgemäße Betriebsverfahren vorgestellt. 6 zeigt schematisch ein Beispiel für einen Druckverlauf des Wasserstoffs während des Abkühlvorganges im Regenerator 30, der Entspannung im Joule-Thomson-Entspannungsventil 40 und dem sich anschließenden Aufwärmvorgang im Regenerator 30. Hierbei wurde angenommen, dass Wasserstoff bei Umgebungstemperatur bei einem Druck von ca. 1,5 MPa zugeführt und bei einem Druck von ca. 0,1 MPa wieder entnommen wird und dass die Temperatur des verflüssigten Wasserstoffs während der Speicherphase bei ca. 20 bis 23 K gehalten wird. Die Druckverluste, die sich beim Durchströmen des Regenerators 30 ergeben, sind angedeutet.
  • In 7 ist der Verlauf der Enthalpie des Wasserstoffs während des Verfahrens gemäß 6, beginnend bei Umgebungstemperatur, dargestellt. Alle Werte sind auf den oberen Heizwert des Wasserstoffs normiert. Das Magnetfeld des supraleitenden magnetischen Energiespeichers 10 stellt dabei sicher, dass sich während des Verfahrens bei jeder durchlaufenen Temperatur ein weitgehendes Gleichgewicht zwischen Ortho- und Para-Wasserstoff einstellt. Die Änderungen der Enthalpie, die bei den tiefsten Temperaturen auftreten, sind zur Verdeutlichung in 7 vergrößert dargestellt: Nach Durchlaufen des Regenerators beim Abkühlvorgang folgt die Joule-Thomson-Entspannung, bei der die Enthalpie weitgehend konstant bleibt (entspricht dem horizontalen Bereich der Abkühlkurve). Dabei wird bereits der größte Teil des Wasserstoffs verflüssigt. Ein kleinerer Teil verbleibt jedoch noch gasförmig und muss dann mit zusätzlicher Kühlleistung nachverflüssigt werden (siehe auch 9). Beim Verdampfen des flüssigen Wasserstoffs wird dem Regenerator die als vertikale Linie erkennbare Verflüssigungs-Enthalpie als Verdampfungswärme entzogen, und der Regenerator dabei vom kalten Bereich abgekühlt. Der verdampfte Wasserstoff wird dann weiter aufgewärmt und entzieht hierbei auch den zur warmen Seite des Regenerators angeordneten Elementen weitere Wäre. Der so abgekühlte Regenerator eignet sich für einen späteren Abkühlvorgang zur Vorkühlung. Wegen des unvollständigen Wärmeübertrags zwischen dem Regenerator 30 und dem Wasserstoff verlässt der Wasserstoff den Regenerator 30 bei einer Temperatur, die unterhalb der Eintrittstemperatur für den Abkühlvorgang liegt. Dieser Effekt ist in 7 bei 300 Kelvin angedeutet.
  • 8 zeigt den Verlauf der Dichte des Wasserstoffs während desselben Verfahrens. Unterhalb von ca. 50 K nimmt die Dichte des komprimierten Wasserstoffs beim Abkühlvorgang stark zu, um dann bei der Entspannung wegen der nur unvollständigen Verflüssigung wieder leicht abzunehmen und schließlich mit zusätzlich bereitgestellter Kühlleistung die Dichte des flüssigen Wasserstoffs zu erreichen. Die Verdampfung beim Aufwärmvorgang ist dann wieder mit einer starken Verringerung der Dichte des Wasserstoffs verbunden.
  • 9 deutet die beiden Hauptanteile der elektrischen Energie an, die erforderlich sind, um das in den 6 bis 8 dargestellte Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff auszuführen. Dies ist zum einen die elektrische Energie, die zur Kompression des GH2 bei Umgebungstemperatur benötigt wird. Den zweiten Hauptanteil an elektrischer Energie stellt die Kälteleistung dar, die bei der Temperatur des siedenden LH2 am Ende des Abkühlvorgangs zur Nachverflüssigung des bei der Entspannung nicht verflüssigten Wasserstoffs benötigt wird. Weitere Anteile an elektrischer Energie, die zur thermischen Stabilisierung der kryogenen Einheit oder zu deren Steuerung erforderlich sind, wurden nicht dargestellt. Summiert man die beiden Hauptanteile auf, so ergibt sich ein elektrischer Energiebedarf von ca. 8% des oberen Heizwertes von Wasserstoff, der zum einen deutlich niedriger liegt als der Anteil in Höhe von ca. 30%, der für die Verflüssigung in größeren Anlagen benötigt wird, und der zum anderen mit dem Wert in Höhe von ca. 10%, der typischerweise für die Komprimierung auf 15 auf 20 MPa benötigt wird, vergleichbar ist.
  • 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Verfahren zur Wasserstoffspeicherung in Form eines Flussdiagramms. Gegenüber 5 wurde das Verfahren durch eine Vorkühlung mit Sauerstoff erweitert. Gasförmiger Sauerstoff wird in einem weiteren Kompressor verdichtet oder kann alternativ in einem Hochdruck-Elektrolyseur bereits gemeinsam mit Wasserstoff auf hohem Druck erzeugt werden, durchläuft dann ebenfalls den Regenerator, wird anschließend in einem weiteren Joule-Thomson-Ventil entspannt und dabei abgekühlt oder verflüssigt, und trägt so zur thermischen Stabilisierung des Regenerators bei, der vom Wasserstoff durchströmt wird.
  • Besonders vorteilhafte Ausführungen ergeben sich bei der Wahl folgender Parameter:
    Der supraleitende magnetische Energiespeicher 10 wird lokal mit Magnetfeldern von 1–30 T, bevorzugt von 4–11 T, betrieben, während der Betriebsstrom im Bereich von 30% bis 100% geändert wird, wobei die Magnetfeldstärke an allen Orten des mindestens einen Regenerators, des (Joule-Thomson-)Entspannungsventils und des Speichertanks für den verflüssigten Wasserstoff eine untere Grenze bevorzugt von 0,1 T, besonders bevorzugt von 1 T nicht unterschreitet.
  • Supraleitende Materialien, die sich für die Erzeugung von Magnetfeldern bereits bei der Temperatur des verflüssigten Wasserstoffs einsetzen lassen sind insbesondere BiSrCaCuO, YBaCuO oder MgB2. Eine unmittelbare Synergie zwischen der Speicherung von LH2 und dem Betrieb des supraleitenden magnetischen Energiespeichers 10 ergibt sich daher, wenn gemäß 2 und 3 der Energiespeicher 10 bei der Temperatur des verflüssigten Wasserstoffs betrieben wird, und der Kryotank des SMES ein Teil des Speichertanks 20 für LH2 ist.
  • Gemäß 4 wird der Energiespeicher 10 in einer alternativen Ausführung mit klassischen Supraleitern, bevorzugt auf Basis von NbTi, bei der Temperatur des flüssigen Heliums LHe betrieben. Hierzu wird ein separater LHe-Kryotank für den Energiespeicher 10 eingesetzt, der zur besseren Wärmeabschirmung zumindest teilweise von einer Kammer des Speichers für LH2 umschlossen ist, die dann wieder über eine LH2-Überlaufleitung mit dem anderen Teil des Speichertanks 20 verbunden ist.
  • Die Speichermedien des mindestens einen Regenerators 30 besitzen vorteilhaft eine magnetische Suszeptibilität mit einem Absolutwert unterhalb von 10–5, einer elektrischen Leitfähigkeit geringer als 10–8 S/m und einer volumenbezogenen spezifischen Wärmekapazität oberhalb von 20 MJ/M3·K. Diese Eigenschaften weisen insbesondere Teflon oder andere Materialien auf der Basis von festen Kohlenwasserstoffen auf.
  • Der über das warme Ende des mindestens einen Regenerators 30 zugeführte komprimierte Wasserstoff wird vorzugsweise auf einen Druck oberhalb von 1,3 MPa verdichtet und nach dem Durchlaufen des mindestens einen Regenerators 30 im (Joule-Thomson-)Entspannungsventil 40 auf einen Entspannungsdruck unterhalb von 0,1 MPa entspannt. Da die Druckniveaus vom Soll-Druck des auszuspeisenden Wasserstoffs abhängen, wird über die Druck-Kontrolle der Druck im Speichertank 20 so eingestellt, dass er während der Speicherphase den Entspannungsdruck um höchstens 0,2 MPa übersteigt. Ebenfalls über die Druck-Kontrolle sowie die am Speichertank 20 angebrachte Kühlvorrichtung 21 wird die Temperatur des verflüssigten Wasserstoffs so eingestellt, dass sie im Bereich 18–35 K gehalten wird. Beim Verlassen des mindestens einen Regenerators 30 nach der Speicherphase weist der Wasserstoff eine Temperatur auf, die höchstens 30 K unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.
  • Bezugszeichenliste
    • GH2
    gasförmiger Wasserstoff
    LH2
    verflüssigter Wasserstoff
    LN2
    verflüssigter Stickstoff
    LHe
    verflüssigtes Helium
    1
    Kompressor zur Verdichtung auf Einspeise-Druck
    10
    supraleitender magnetischer Energiespeicher
    11
    Magnetspule des Energiespeichers 10
    12
    Stromzuführungen zur Stromrichter- und Kontroll-Einheit für den Energiespeicher 10
    15
    Kryotank für den Energiespeicher 10
    16
    Kühlvorrichtung für den SMES
    19
    Zufuhr und Druck-Kontrolle für LHe
    20
    Speichertank für LN2
    21
    Kühlvorrichtung für das LH2-Bad
    22
    Flüssigkeitsspiegel im Speichertank 20
    23
    Thermischer Kontakt zum LN2-Bad
    25
    Thermischer Kontakt zum LH2-Bad
    29
    Überlauf für LH2
    30
    Regenerator
    35, 36
    warmes Ende bzw. kaltes Ende des Regenerators
    39
    Anschluss zur Vakuum-Pumpe
    40
    Joule-Thomson-Entspannungsventil
    50
    Außentank für LN2
    51
    Kühlvorrichtung für den Außentank 50
    59
    Zufuhr und Druck-Kontrolle für LN2
    61, 62, ...
    Absperrventile im warmen Bereich für Schaltvorgänge bei niedrigem Druck
    70
    Absperrventil für den Hochdruckbereich bei Umgebungstemperatur
    71, 72
    GH2-Verdichter bei niedrigem Druck im warmen Bereich zur Druck-Kontrolle im LH2-Kryo-Speicher
    75
    Absperrventil für den Hochdruckbereich im kalten Bereich
    76
    Absperrventil für den Zufluss von LH2 im kalten Bereich
    80
    Speichertank für GH2 bei Umgebungstemperatur
    81
    Komprimierter Wasserstoff
    82
    Wasserstoff bei niedrigem Druck
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007042711 A1 [0006]
    • DE 3843065 A1 [0007]
    • DE 10106483 A1 [0008]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • H. Quack, Die Schlüsselrolle der Kryotechnik in der Wasserstoff-Energiewirtschaft, TU Dresden, http://images.energieportal24.de/dateien/downloads/verfluessigung-dresden.pdf [0003]
    • R. Radebaugh, Cryocoolers: the state of the art and recent developments, J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 164219 [0004]
    • R. Gross, W. Otto, A. Patzelt, M. Wanner, Flüssigwasserstoff für Europa – die Linde Anlage in Ingolstadt, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft 71/1994, S. 36–42 [0005]

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff und von magnetischer Energie, aufweisend – einen supraleitenden magnetischen Energiespeicher (10), der aus mindestens einer Magnetspule (11) aufgebaut ist, dem über Stromzuführungen (12) zur mindestens einen Magnetspule (11) elektrische Energie zuführbar oder entnehmbar ist, der sich in einem mit einer Kühlvorrichtung (16) versehenen Kryotank (15) befindet und auf Betriebstemperatur gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Feldbereich der mindestens einen Magnetspule (11) – ein mit einer weiteren Kühlvorrichtung (21) versehener Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff, – mindestens ein Regenerator (30), der mindestens ein Wärme aufnehmendes und abgebendes Speichermedium aufweist und in den von der warmen Seite (35) komprimierter Wasserstoff und von der kalten Seite (36) flüssiger Wasserstoff aus dem Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff zuführbar ist, und – ein Entspannungsventil (40) befinden, das mit der kalten Seite (36) des Regenerators (30) derart verbunden ist, dass der komprimierte Wasserstoff in das Entspannungsventil (40) einspeisbar und durch Entspannung als zumindest teilweise verflüssigter Wasserstoff dem Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff zuführbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mindestens eine Regenerator (30) räumlich oberhalb des Speichertanks (20) für verflüssigten Wasserstoff befindet, wobei das kalte Ende (36) des mindestens einen Regenerators (30) der Flüssigkeitsoberfläche (22) des flüssigen Wasserstoffs zugewandt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff und der kalten Seite (36) des Regenerators (30) ein thermischer Kontakt (25) besteht.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Kryotank (15) für den supraleitenden magnetischen Energiespeicher (10), der Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff und der mindestens eine Regenerator (30) zumindest teilweise von einem mit einer Kühleinrichtung (51) verbundenen Bad aus flüssigem Stickstoff oder Sauerstoff umgeben sind, wobei zwischen der Kühleinrichtung (51) und dem mindestens einen Regenerator (30) ein weiterer thermischer Kontakt (53) besteht.
  5. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff und von magnetischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit den Schritten a) Einstellen des Betriebsstroms für einen supraleitenden magnetischen Energiespeicher (10), der aus mindestens einer Magnetspule (11) aufgebaut ist, über damit verbundene Stromzuführungen (12), wodurch der mindestens einen Magnetspule (11) elektrische Energie derart zugeführt oder entnommen wird, dass sich in der mindestens einen Magnetspule (11) ein Magnetfeld ändert, dessen Feldstärke im Bereich mindestens eines Regenerators (30), eines Entspannungsventils (40) und eines Speichertanks (20) für verflüssigten Wasserstoff eine untere Grenze nicht unterschreitet, die für die Ortho-Para-Umwandlung und die Para-Ortho-Rückumwandlung notwendig ist. b) Zuführen von komprimiertem Wasserstoff bei Umgebungstemperatur über das warme Ende (35) in den mindestens einen Regenerator (30), worin der Wasserstoff durch Wärmeabgabe an mindestens ein sich darin befindliches Speichermedium abgekühlt wird, und Entspannen des Wasserstoffs im Entspannungsventil (40), wodurch sich der Wasserstoff überwiegend verflüssigt, c) Auffangen und Lagern des verflüssigten Wasserstoffs als LH2-Bad im Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff, d) Zuführen von Wasserstoff in flüssiger Form über das kalte Ende (36) des mindestens einen Regenerators (30), worin der Wasserstoff durch Wärmeaufnahme aus dem mindestens einen Speichermedium aufgewärmt wird und dadurch in die gasförmige Phase übergeht, und Ausleiten des gasförmigem Wasserstoffs über das warme Ende (35) des mindestens einen Regenerators (30), wobei während der Schritte b) und d) das Magnetfeld der mindestens einen Magnetspule (11) des supraleitenden magnetischen Energiespeichers (10) die Ortho-Para-Umwandlung oder die Para-Ortho-Rückumwandlung des Wasserstoffs so unterstützt, dass sich bei jeder Temperatur weitgehend ein thermisches Gleichgewicht einstellt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das kalte Ende (36) des mindestens einen Regenerators (30) auf das Temperaturniveau des LH2-Bades im Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff thermisch stabilisiert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei zumindest Teile des mindestens einen Regenerators (30) auf das Temperaturniveau eines Bades aus flüssigem Stickstoff oder Sauerstoff, das zumindest den Speichertank (20) für verflüssigten Wasserstoff und den mindestens einen Regenerator (30) zumindest teilweise umgibt, thermisch stabilisiert werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Wasserstoff zusammen mit dem Sauerstoff in einem Hochdruck-Elektrolyseur erzeugt wird, und der Sauerstoff zunächst durch Wärmeübertragung abgekühlt, dann druckentspannt und dabei weiter abgekühlt und/oder teilverflüssigt wird, wodurch er zur thermischen Stabilisierung zumindest eines Teils des mindestens einen Regenerators (30) beiträgt.
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