SI/502953

Schlussbericht

Flüssigwasserstoff (LH2) gewinnt als Energieträger zunehmend an Bedeutung, insbesondere dort, wo hohe Energiedichten, saisonale Energiespeicherung oder der emissionsarme Transport grosser Energiemengen erforderlich sind, zum Beispiel für Anwendungen in Mobilität, Luftfahrt und Energiespeicherung. Insbesondere für die Rückverflüssigung von Wasserstoff sowie für dezentrale und kleinskalige Verflüssigungssysteme besteht Bedarf an kompakten, effizienten und ölfreien Technologien zur Bereitstellung von Kälte bei rund 20 K. Vor diesem Hintergrund untersuchte das Projekt «CryoLH2 – Systembausteine für Tieftemperatur-Kältemaschinen zur Wasserstoff-Verflüssigung» die technologischen Grundlagen modularer Turbo-Brayton-Kryokühler (TBKK) für zukünftige Wasserstoffverflüssiger und weitere Kryoanwendungen im Leistungsbereich von 100 W bis 1 kW bei einer Kühltemperatur von 20 K. Ziel des Projekts war die Definition eines Referenzsystems, die thermodynamische Auslegung des Kälteprozesses sowie die Spezifikation der wesentlichen Schlüsselkomponenten als Grundlage für nachfolgende Entwicklungsprojekte. Ausgehend von einer Analyse zukünftiger Anwendungsfelder wurden die Anforderungen an einen modularen TBKK abgeleitet und ein Referenzsystem mit einer Kälteleistung von 500 W bei 20 K definiert. Darauf aufbauend wurde ein mehrstufiger Reverse Turbo-Brayton-Prozess thermodynamisch ausgelegt und hinsichtlich Energiebedarf und Wirkungsgrad bewertet. Ergänzend wurden die Anforderungen an die Schlüsselkomponenten – insbesondere Verdichter, Rekuperatoren und einen kryogenen Turbo-Expander mit Generatorbremse – systematisch untersucht und spezifiziert. Die Arbeiten zeigten, dass gasgelagerte Turbo-Brayton-Kryokühler ein vielversprechendes Konzept für zukünftige Kryoanwendungen darstellen. Während für die Verdichter weitgehend auf bestehende Hochgeschwindigkeitstechnologien aufgebaut werden kann, wurden die Rekuperatoren sowie der kryogene Expander als zentrale Entwicklungsschwerpunkte identifiziert. Insbesondere die Auslegung der Wärmeübertrager besitzt einen wesentlichen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad und die spätere industrielle Umsetzbarkeit. Die Projektergebnisse schaffen die wissenschaftlich-technische Grundlage für die Entwicklung und experimentelle Validierung zukünftiger modularer Turbo-Brayton-Kryokühler sowie deren Integration in kleinskalige Wasserstoffverflüssiger und weitere kryogene Energiesysteme. Kernbotschaften («Take-Home Messages») Das Projekt hat ein Referenzsystem eines modularen Turbo-Brayton-Kryokühlers für eine Kälteleistung von 500 W Kälteleistung bei 20 K als Grundlage für zukünftige Entwicklungsarbeiten definiert. Die thermodynamische Auslegung bestätigt das Potenzial gasgelagerter Turbo-Brayton-Kryokühler für energieeffiziente Wasserstoffverflüssiger und weitere Kryoanwendungen. Als Schlüsselkomponenten mit besonderem Entwicklungsbedarf wurden die Rekuperatoren sowie der kryogene Turbo-Expander mit Generatorbremse identifiziert. Die Projektergebnisse schaffen die Grundlage für die experimentelle Validierung und die Integration modularer Turbo-Brayton-Kryokühler in zukünftige kleinskalige Wasserstoffverflüssiger.