DE2536993C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung eines Gases, insbesondere Wasserstoff, an einer auf tiefer Temperatur gehaltenen Adsorbersubstanz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung eines Gases, insbesondere Wasserstoff, an einer auf tiefer Temperatur gehaltenen Adsorbersubstanz, bei welchem der Wasserstoff zur Speicherung abgekühlt und nach der Speicherung wieder erwärmt wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer durch eine Kühlung auf tiefer Temperatur gehaltenen Adsorbersubstanz.

In einer zukünftigen Fnergietechnik ist damit zu rechnen, daß Wasserstoff die Rolle eines bedeutsamen Sekundärenergieirägers übernehmen wird. Ils ist dabei nötig, größere Mengen von Wasserstoff zu speichern, /.. B. um Hedarfsspitzen befriedigen zu können.

Zur .Speicherung großer Mengen von Wa;:sorstoffgas

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eignen sich eine Reihe von Adsorptionssubstanzen beispielsweise Aktivkohle - deren Adsorptionsvermögen mit fallender Temperatur zunimmt. Diese Eigenschaft von Adsorbersubstanzen ist bekannt und wird beispielsweise bei Adsorptionskuhlfallen von Gasreinigungsanlagen oder bei Sorptionspumpen verwendet. Eine sehr günstige Arbeitstemperatur für den Adsorber liegt im Bereich von etwa 77 K, der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffes. Einerseits ist nämlich dieser Temperaturbereich technologisch und wirtschaftlich gut beherrschbar, andererseits ninmt bei weiterer Absenkung der Adsorbertemperatur die Adsorptionsfähigkeit nicht in dem gleichen Maße zu.

Es stellt sich bei dieser Art der Wasserstoffspeicherung also das Problem, das Wasserstoffgas von der Umgebungstemperatur, die üblicherweise bei etwa 300 K liegt, auf die Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs abzukühlen und anschließend wieder auf etwa 300 K aufzuwärmen. Dazu müssen dem Wasserstoff zunächst erhebliche Wärmemengen entzogen und anschließend wieder zugeführt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren anzugeben, mit dem die Abkühlung und die anschließende Wiedererwärmung des Wasserstoffs durchgeführt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine wirtschaftlich arbeitende Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zu schaffen.

Die Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß man den Wasserstoff zur Abkühlung mit mindestens einem flüssigen kryogenen Medium in Wärmetauschkontakt bringt, ihm dabei durch Verdampfen derselben eine Wärmemenge entzieht und diese in dem verdampften kryogenen Medium speichert und daß man den abgekühlten Wasserstoff nach der Ablösung von der Adsorbersubstanz zur Wiedererwärmung wieder in Wärmetauschkontakt mit demselben, die dem Wasserstoff beim Abkühlen entzogene Wärmemenge speichernden kryogenen Medium bringt. Dadurch wird das vorher verdampfte kryogene Medium wieder kondensiert und die beim Abkühlen des Wasserstoffs gespeicherte Wärmemenge weilgehend wieder an diesen abgegeben.

Bei einer weiteren Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß man das Wasserstoffgas nacheinander mit mehreren kryogenen Medien immer tieferer Temperatur und beim Aufwärmen mit denselben, die dem Wasserstoff beim Abkühlen entzogene Wärmemenge speichernden Medien in umgekehrter Reihenfolge in Wärmetauschkontakt bringt. Dabei kann das Wasserstoffgas vorteilhaft zunächst durch flüssiges Ammoniak bei einer Temperatur von etwa 240 K, dann durch flüssiges Äthylen bei einer Temperatur von etwa 170K und sichließlich durch flüssiges Argon bei einer Temperatur von etwa 87 K geführt werden.

Die Aufgabe wird vorrichtungsgemäß entsprechend der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Adsorber mindestens ein als Wärmetauscher ausgebildeter, ein kryogenes Medium enthaltender Druckbehälter vorgeschaltet ist, durch den sowohl die den Wasserstoff dem Adsorber zuführende als auch die ihn wieder abführende Leitung geführt ist. Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß dem Absorber mehrere solche Druckbehälter in Reihe vorgeschaltet sind, die kr\ogene Medien mit immer tieferer Temperatur enthalten. Fs ist günstig), wenn die Wasserstofl'zuführleitung und die Wasserstoffabführlcitung identisch sind.

Die nachfolgende Beschreibung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung, die schematisch den Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt, dor weiteren Erläuterung. s

Von einer Wasserstoffpipeline 1 zweigt eine zu einem Ticftemperaiur-Adsorber führende Leitung 3 ab. Sie führt nacheinander durch eine konventionelle Kühloinheit 4 bekannter Bauart und durch Druckbehälter 5,6,7, die jeweils mit einer kryogenen Flüssigkeit gefüllt sind. Im Innern der Druckbehälter ist die Leitung 3 als Wärmetauscher ausgebildet, so daß ein guter Wärmeübergang zwischen dem durch die Leitung 3 geleiteten Wasserstoff und dem kryogenen Medium in den Druckbehältern gewährleistet ist. Die Temperatur des kryogenen Mediums des vom Adsorber 2 am nächsten gelegenen Druckbehälters 7 liegt der durch eine schematisch angedeutete Kühlung 8 erzeugten Adsorbertemperatur — z. B. 77 K — am nächsten; das Medium des weiter entfernten Druckbehälters 6 weist eine höhere, das des noch weiter entfernten Druckbehälters 5 eine noch höhere Temperatur auf. Der Druckbehälter 5 enthält in dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel flüssiges Ammoniak mit einer Temperatur von etwa 240 K, der Druckbehälter 6 flüssiges Äthylen mit einer Temperatur von etwa 170 K und der Druckbehälter flüssiges Argon mit einer Temperatur von etwa 87 K.

Zur Speicherung von Gas wird dieses aus der Pipeiine 1 über die Leitung 3 nach einer Vorkühlung in der Kühlcinheit 4 zunächst dem Druckbehälter 5 zugeführt. Im Wärmeaustausch mit der aarin befindlichen kryogenen Flüssigkeit wird deren Temperatur geringfügig erhöht. Außerdem wird ein Teil der Flüssigkeit verdampft, wodurch dem Wasserstoffgas die zur Verdampfung nötige Vcrdampfungswümie entzogen und latent im Dampf des kryogenen Mediums gespeichert wird. In gleicher Weise werden dem Wasserstoffgas in den folgenden Druckbehältern 6 und 7 weitere Wärmemengen entzogen, so daß das Gas weiter abgekühlt wird. Ks wird schließlich unter Druck in an sich bekannter Weise an dem Adsorbcrmittcl festgehalten.

Zur Erwärmung durchströmt das kalte Gas in umgekehrter Reihenfolge die Druckbehälter 5, 6, 7. Dabei senkt es die Temperatur des Kryomediums wieder etwas ab und kondensiert die vorher verdampfte Menge des Kryomediums. Die durch die Kondensation freiwerdende Wärmemenge erwärmt das Wasserstoffgas, so daß es nach Durchlaufen der drei Druckbehälter wieder im wesentlichen die gleiche Temperatur aufweist wie vor dem Abkühlen. Das Gas kann dann über die Pipeline t einem Verbraucher zugeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abkühlen und wieder Aufwärmen von Wasserstoffgas arbeitet infolge der Speicherung der abgegebenen Wärmemenge in den kryogenen Medien äußerst sparsam. Lediglich die auf unzureichende thermische Isolierung sowie aut die thermodynamischen Eigenschaften des Adsorbermaterials zurückzuführenden Verluste müssen ersetzt werden, so daß eine zur Erhaltung der kryogenen Speichertemperatur erforderliche kryogene Kühlanlage relativ klein gehalten werden kann. Die Zah' der hintereinander geschalteten Wärmeaustauscher kann je nach Bedarf variiert werden, ebenso die in ihnen enthalten kryogenen Medien. Das hier im Zusammenhang mit Wasserstoffgas beschriebene Verfahren kann selbstverständlich auch für andere Gas Verwendung finden, die in der gleichen Weise zunächst abgekühlt und anschließend wieder erwärmt werden sollen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

3 25 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Speicherung eines Gases, insbesondere Wasserstoff, an einer auf tiefer Temperatur gehaltenen Adsorbersubstanz, bei welchem das Gas zur Speicherung abgekühlt und nach der Speicherung wieder erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas zur Abkühlung mit mindestens einem flüssigen, kryogenen Medium in Wärmetauschkontakt bringt, ihm dabei durch Verdampfen desselben eine Wärmemenge entzieht und diese in dem verdampften kryogenen Medium speichert und daß man das abgekühlte Gas nach der Ablösung von der Adsorbersubstanz zur Wiedererwärmung wieder in Wärmetauschkontakt mit demselben, die dem Gas beim Abkühlen entzogene Wärmemenge speichernden kryogenen Medium bringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas beim Abkühlen nacheinander mit mehreren kryogenen Medien immer tieferer Temperatur und beim Aufwarmen mit denselben, die dem Gas beim Abkühlen entzogene Wärmemenge speichernden Medien in umgekehrter Reihenfolge in Wärmetauschkontakt bringt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas zunächst durch flüssiges Ammoniak bei einer 7'emperatur von etwa 240 K, dann durch flüssiges \thylen bei einer Temperatur von etwa 170K und schließlich durch flüssiges Argon bei einer Temperatur von etwa 87 K führt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Ansprüche 1 bis 3 mit einer durch eine Kühlung auf tiefer Temperatur gehaltenen Adsorbersubstanz, dadurch gekennzeichnet, daß dem Adsorber (2) mindestens ein als Wärmetauscher ausgebildeter, ein kryogenes Medium enthaltender Druckbehälter (5, 6,7) vorgeschaltet ist, durch den sowohl die das Gas dem Adsorber (2) zuführende als auch die es wieder abführende Leitung (3) geführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Adsorber (2) mehrere solche Druckbehälter (5, 6, 7) in Reihe vorgeschaltet sind, die kryogene Medien mit immer tieferer Temperatur enthalten.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführleitung und die Gasabführleitung identisch sind.