27.04. | Wie Wasserstoff hergestellt und zwecks Transport verflüssigt werden kann, ist prinzipiell bekannt – aber die Verfahren müssen hochskaliert werden, wenn Wasserstoff die Basis eines globalen Energiemarkts werden soll. Dafür fehlt es bislang noch an Grundlagenforschung. Prof. Dr. Roland Span von der Ruhr-Universität Bochum (RUB) entwickelt Stoffdatenmodelle, die die Eigenschaften von Wasserstoff unter verschiedenen Bedingungen beschreiben und die Grundlage für Simulationen von Verflüssigungsanlagen sind.
Der Europäische Forschungsrat ERC fördert Prof. Spans Arbeiten mit einem Advanced Grant, welcher mit 2,5 Millionen Euro für fünf Jahre dotiert ist. Das Projekt startet im Oktober 2022.
Unsicherheit bei Wasserstoffeigenschaften
Um Verfahren für die Wasserstoff-Produktion und -Verflüssigung hochzuskalieren, sind Simulationen erforderlich. Diese wiederum beruhen auf Stoffdatenmodellen. Im Gegensatz zu anderen Stoffen ist Wasserstoff bislang nur unzureichend vermessen. Seit den 1980er-Jahren entwickelte Verfahren zur Messung von Stoffeigenschaften können bisher nicht bei so tiefen Temperaturen angewendet werden, wie sie für flüssigen Wasserstoff charakteristisch sind. Berechnungen der Eigenschaften von Wasserstoff sind daher mit Unsicherheiten behaftet, die größer sind als etwa bei Methan oder Stickstoff.
„Unser Projekt ‚ThermoPropHy – Thermodynamic Properties for Hydrogen Liquefaction and Processing‘ wird uns die Gelegenheit geben, grundlegende und sehr ambitionierte Arbeiten im Bereich der Stoffdatenforschung für die Wasserstofftechnologie und vor allem für die großskalige Verflüssigung von Wasserstoff in Angriff zu nehmen“, sagt Roland Span, Leiter des Lehrstuhls für Thermodynamik.
Über die Förderung des ERC hinaus unterstützt die RUB sein Team mit Investitionsmitteln in Höhe von 450.000 Euro, die über einen Großgeräteantrag für Forschungsinfrastruktur bereitgestellt werden. „Damit haben wir auch international gesehen die Chance, ganz vorne bei dieser Forschung dabei zu sein“, so Span.
Durchflüsse bestimmen und Anlagen auslegen
Für die Praxis ist es beispielsweise wichtig, die Dichte und die Geschwindigkeit, mit der sich Schall in Wasserstoff ausbreitet, genau zu kennen – auch bei sehr tiefen Temperaturen. Die Dichte muss bekannt sein, um die Menge des verbrauchten Wasserstoffs bestimmen und abrechnen zu können. Die Schallgeschwindigkeit ist interessant, weil Durchflüsse mit akustischen Verfahren gemessen werden können. Darüber hinaus bilden Messwerte für Dichte und Schallgeschwindigkeit die Grundlage für die Entwicklung von Stoffdatenmodellen, aus denen alle anderen thermodynamischen Eigenschaften berechnet werden können. Die benötigt man, um technische Anlagen zu optimieren. Darum wollen die Bochumer Forschenden Dichte und Schallgeschwindigkeit bis zu einer Temperatur von ungefähr 14 Kelvin erfassen, weit unter die Grenzen des bislang zugänglichen Temperaturbereichs.
Feste Phasen von Verunreinigungen im Wasserstoff wird Spans Team mit Modellen beschreiben, welche mit denen der flüssigen Phasen konsistent sind. Außerdem wollen die Forschenden thermodynamische Eigenschaften von Gemischen aus Helium, Neon und Argon modellieren. Diese Modelle bilden die Grundlage für die Simulation und die technische Umsetzung energetisch hocheffizienter Verflüssigungsprozesse für Wasserstoff, die als „Mixed Fluid Cascade“-Prozesse bezeichnet werden.
Insgesamt sollen die Arbeiten Prozesssimulationen im Bereich der Wasserstofftechnologie künftig genauer und zuverlässiger machen.
(RUB/2022)
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