Verflüssigung von H2

Die Speicherung von Wasserstoff im flüssigen Zustand bringt von allen Varianten das geringste Gewicht mit sich, während das notwendige Tankvolumen (gegenüber konventionellen Kraftstoffen) zwar deutlich größer, aber noch akzeptabel ist. Besonders in der Luft- und Raumfahrt kommen alle anderen Speichertechniken wegen ihres Gewichtes nicht in Frage. Die Erzeugung und Speicherung von LH2 (liquid hydrogenous) hat jedoch auch Nachteile.

Grundlagen

Arbeitsaufwand:
Um gasförmigen Wasserstoff ( GH2 - gaseous hydrogenous) zu verflüssigen, muss er auf auf -253�C (20K) abgekühlt, und ihm dann bei dieser Temperatur die Kondensationswärme entzogen werden.

In der Praxis wird dazu das Gas in einem gekühlten Verdichter V komprimiert, mit Hilfe von flüssigem Stickstoff (LN2), der sich mit deutlich weniger Aufwand verflüssigen läßt, auf -192�C gekühlt und anschließend in einen Joule-Thomson (J-T) Ventil wieder entspannt. Bei der Expansion kühlt sich das Gas noch weiter ab und ein Teil kondensiert. Der nicht verflüssigte Anteil wird im Gegenstrom zu Kühlung des ankommenden Gases genutzt, und anschließend wieder dem Verdichter zugeführt. Zwischen den einzelnen Schritten erfolgt noch mehrmals die Ortho- Parawasserstoff-Konvertierung.

Verflüssigung
Quelle: [ 2. ]


Um bei der Umgebungstemperatur T1 von 300K aus einem Medium mit der Temperatur T2 von 20K (Siedepunkt von H2 die Wärmemenge Q abzuführen, ist in einem Carnot-Prozess die Arbeit A notwendig.
Carnot
Quelle: eigene Darstellung


Mit der Abkühlung allein ist es jedoch nicht getan. Das Kernproton des H-Atoms besitzt einen Spin. Als Folge gibt es 2 Formen des Wasserstoff-Moleküls. Beide Formen stehen miteinander im dynamischen Gleichgewicht.

Orthowasserstoff <-> Parawasserstoff + Energie

Kernspin
Quelle: [ 5 ]

Gleichgewicht bei Zimmertemperatur : 75% Orthowasserstoff - 25%Parawasserstoff
Gleichgewicht bei -253�C : 100% Parawasserstoff


Wird die Verflüssigung ohne ortho-para-Konvertierung durchgeführt, stellt sich das Gleichgewicht im flüssigen Wasserstoff erst allmählich (nach Tagen) ein. Bei Umwandlung von Ortho- in Parawasserstoff wird ca. die 1,5-fache Verdampfungsenergie freigesetzt. Bei 75% Orthowasserstoff ist die Folge eine vollständige allmähliche Verdampfung ohne äußere Energiezufuhr.

Der theoretischer Energiebedarf für die Verflüssigung beträgt damit insgesamt: 3,92 kWh je kg H2. Da keiner dieser Prozesse einen Wirkungsgrad von 100% hat, werden in der Praxis etwa 10 kWh pro kg H2 benötigt. Bei einem Energiegehalt von 33.3 kWh je kg H2 ist dies fast ein Drittel der gespeicherten Energie

Weitere Energieverluste beim Umgang mit LH2:
  • langsame Verdampfung durch Erwärmung im Tank
  • Verdampfungsverluste bei jedem Umfüllvorgang
  • weiter


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