Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3571
Bonhoff, Klaus
Auslegung und Bau eines thermischen Wasserstoffkompressors auf der Basis von Metallhydriden
131 S., 1998
In der vorliegenden Arbeit wird die thermische Wasserstoffkompression auf der Basis von Metallhydriden als Alternative zu konventionellen Wasserstoffverdichtungsverfahren für geringe Durchsätze von einigen Normkubikmetern pro Stunde untersucht. Die Absorptions- und Desorptionsreaktion der Metalle bzw. Legierungen mit Wasserstoff (Hydrierung) erfolgt temperaturabhängig bei unterschiedlichen Gleichgewichtsdrücken. Dieses Verhalten wird genutzt, um Wasserstoff unter Aufwendung thermischer Energie zu verdichten.
Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die experimentelle Untersuchung eines zweistufigen thermischen Wasserstoffkompressors, mit dem Wasserstoff auf bis zu 120 bar verdichtet wird. Die verwendeten Metallhydride sind AB2-Legierungen mit den Hauptlegierungselementen Titan und Mangan. Die Wahl der Metallhydride erfolgte unter der Randbedingung, daß für die Desorption Wärme mit einer Temperatur von etwa 100 °C zur Verfügung steht.
Die Versuche bilden die Grundlage für die Modellierung des Betriebsverhaltens des thermischen Wasserstoffkompressors. Das Modell beschreibt in guter Übereinstimmung mit den Experimenten die Abhängigkeit des Durchsatzes und des spezifischen Wärmebedarfs von den Desorptionsparametern Druck und Temperatur sowie von der Desorptionszeit.
Eine Optimierung des Betriebsverhaltens kann unter Berücksichtigung sicherheitstechnischer Aspekte durch die Verringerung des Hohlraumanteils im Metallhydridreaktor sowie durch eine veränderte Konstruktion der Reaktoren erreicht werden.
Im Hinblick auf den Einsatz eines thermischen Wasserstoffkompressors spielt die Zyklusstabilität der verwendeten Metallhydride eine große Rolle. Die Langzeitversuche, in denen das Metallhydrid unter Verwendung unterschiedlicher Wasserstoffqualitäten zyklisch be- und entladen wurde, zeigen, daß eine Reinigung des in einer Elektrolyse produzierten Wasserstoffs im Hinblick auf die Erhaltung der Kapazität zwingend notwendig ist.
Schließlich zeigen die Auslegungsrechnungen der thermischen Wärmeversorgung mit Vakuum-Röhrenkollektoren, daß die Bedingung einer 100-prozentigen solaren Deckung des Wärmebedarfs zu großen Kollektorflächen führt, so daß die Kosten der Wärmeversorgung in etwa die Hälfte der Gesamtinvestitionen ausmachen.
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