Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Wasserstoff gilt als ein Haupt-Energieträger der Zukunft und als eine mögliche Lösung, die Klimaziele hinsichtlich Einsparung von CO2 zu erreichen. Diese Einsparungen erreicht man jedoch nur mit der Verwendung von grünem Wasserstoff, also aus nachhaltiger, CO2-neutraler Herstellung. Diese kann unter Anderem unter Nutzung von biologischen Organismen wie z.B. Algen erfolgen oder mit Hilfe von erneuerbaren Energien. Hierzu zählt lokaler Strom aus der Überschussproduktion an sonnigen und windigen Tagen oder auch ökologisch und ökonomisch sinnvolle Standorte für die grüne Wasserstoffproduktion. Hier werden unter anderem Gebiete wie Nordafrika, China oder der Nahe Osten genannt.
Die Einsatzgebiete von Wasserstoff sind vielfältig. Zunächst sei die Nutzung von aus Überschussstrom produziertem Wasserstoff genannt. Dieser kann den Erdgasleitungen zugeführt werden und dann während Dunkelflauten in Gaskraftwerken wieder zu Strom gewandelt werden oder für die Heizung von Gebäuden. Die Verträglichkeit der Leitungen und Geräte schränkt jedoch den Anteil von Wasserstoff im Erdgasnetz laut einer Studie auf maximal ca. 10% ein. Besser ist es, den Wasserstoff in anderen Bereichen zu nutzen. Hier sei als nächstes beispielhaft die industrielle Stahlproduktion genannt, die für einen merklichen Anteil der CO2-Emission verantwortlich ist. Die Herausforderung zum Einsatz von grünem Wasserstoff ist hier die hohe geforderte Reinheit für die Nutzung in Direktreduktionsanlagen. Weiterhin kann Wasserstoff in mobilen Anwendungen als Kraftstoff dienen, einerseits zur Erzeugung von Strom in Brennstoffzellen, andererseits die direkte Verbrennung in Motoren oder Turbinen. Für Landfahrzeuge, Schiffe oder auch Flugzeuge stehen dabei die Speicherkapazität und der Bauraum im Vordergrund.
Für den Transport des produzierten Wasserstoffs zu seinem Ort der Nutzung werden verschiedene Formen diskutiert. Hierbei sei zunächst die Umwandung des Wasserstoffs zu flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC) oder Ammoniak genannt. Einen Vorteil zeigt sich im Umgang mit diesen Stoffen, sie sind unter normalen Umgebungsbedingungen flüssig, was die Anforderungen an die Transport- und Speichersysteme senkt. Jedoch muss der Wasserstoff am Zielort wieder gewonnen werden, das benötigt Energie und führt zu einigen Verunreinigung des Wasserstoffs. Als Gas wird Wasserstoff in Reinform in Drucktanks gespeichert und unter anderem in Bündeln transportiert. Der Nachteil des benötigten Bauraums bzw. der Speicherkapazität wird nur teilweise durch den sehr hohen Druck von bis zu 800 bar kompensiert und stellt ein zusätzliches Sicherheitsrisiko im Fehlerfall dar. Die Nachteile der oben genannten Transport- und Speicherformen können durch die Verwendung von flüssigem Wasserstoff (LH2) kompensiert werden. Er liegt in reiner Form vor und der benötigte Bauraum wird durch die Verflüssigung deutlich reduziert. Den grössten Vorteil erzielt man, Wasserstoff in der gesamten Lieferkette in flüssiger Form genutzt wird. Der Transport über längere Strecken hat laut einiger Studien einen Kostenvorteil und die Speicherung hat den geringsten Platzbedarf.
Innerhalb der gesamten Lieferkette werden Pumpen zur Förderung benötigt. Nach der Verflüssigung in den Prozessanlagen zum Befüllen der Speicher, für die anschliessende Förderung des LH2 in das Transportfahrzeug und zum Entladen desselben in Speichertanks vor Ort. Für die Betankung von Fahrzeugen an Tankstellen, in Häfen oder auch Flughäfen aus den Speichertanks. Weitere Anwendungsfälle sind denkbar. Im Rahmen dieses Projektes wird eine Pumpe entwickelt, passend für diverse Stationen der Lieferkette. Nach dem Abschluss des Projektes steht ein Prototyp zur Verfügung, der dann in den verschiedensten Anwendungen als Demonstrator oder Teil eines Versuchs Verwendung finden kann.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Hydrogen is considered to be a main energy carrier of the future and a possible solution to achieve the climate targets regarding CO2 savings. However, these savings can only be achieved by using green hydrogen, i.e. from sustainable, CO2-neutral production. This can be done using biological organisms such as algae or with the help of renewable energies. This includes local electricity from surplus production on sunny and windy days, or ecologically and economically viable locations for green hydrogen production. Areas such as North Africa, China or the Middle East are mentioned here.
The areas of application for hydrogen are manifold. First of all, the use of hydrogen produced from surplus electricity should be mentioned. This can be fed into natural gas pipelines and then converted back into electricity in gas-fired power plants during dark periods, or for heating buildings. However, according to one study, the compatibility of pipelines and equipment limits the share of hydrogen in the natural gas grid to a maximum of about 10%. It is better to use hydrogen in other areas. Here, the next example is industrial steel production, which is responsible for a noticeable share of CO2 emissions. The challenge to use green hydrogen here is the high purity required for use in direct reduction plants. Furthermore, hydrogen can serve as a fuel in mobile applications, on the one hand for the generation of electricity in fuel cells, on the other hand the direct combustion in engines or turbines. For land vehicles, ships or even airplanes, the storage capacity and installation space are of primary importance.
For the transport of the produced hydrogen to its place of use, different forms are discussed. First of all, the conversion of hydrogen to liquid organic hydrogen carriers (LOHC) or ammonia should be mentioned. An advantage is shown in the handling of these substances, they are liquid under normal ambient conditions, which lowers the requirements for the transport and storage systems. However, the hydrogen must be recovered at the destination, which requires energy and leads to some contamination of the hydrogen. As a gas, hydrogen is stored in its pure form in pressurized tanks and transported in bundles, among other things. The disadvantage of the required installation space or storage capacity is only partially compensated by the very high pressure of up to 800 bar and represents an additional safety risk in case of failure. The disadvantages of the above-mentioned forms of transport and storage can be compensated for by the use of liquid hydrogen (LH2). It is available in pure form and the required installation space is significantly reduced by liquefaction. The greatest advantage is achieved when hydrogen is used in liquid form throughout the supply chain. Transportation over longer distances has a cost advantage, according to some studies, and storage has the smallest footprint.
Pumps are needed throughout the supply chain to pump it. After liquefaction at the process plants to fill the storage tanks, for subsequent pumping of the LH2 into the transport vehicle and for unloading the same into storage tanks on site. For refueling vehicles at service stations, ports or even airports from the storage tanks. Further applications are conceivable. Within this project a pump will be developed, suitable for various stations of the supply chain. After completion of the project, a prototype will be available, which can then be used in various applications as a demonstrator or part of a trial.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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L'hydrogène est considéré comme l'une des principales sources d'énergie de l'avenir et comme une solution possible pour atteindre les objectifs climatiques en matière d'économies de CO2. Ces économies ne peuvent toutefois être réalisées qu'en utilisant de l'hydrogène vert, c'est-à-dire issu d'une production durable et neutre en CO2. Celle-ci peut notamment être réalisée à l'aide d'organismes biologiques tels que les algues ou à l'aide d'énergies renouvelables. Il s'agit notamment de l'électricité locale issue de la production excédentaire les jours ensoleillés et venteux ou encore de sites écologiquement et économiquement judicieux pour la production d'hydrogène vert. On cite ici entre autres des régions comme l'Afrique du Nord, la Chine ou le Proche-Orient.
Les domaines d'application de l'hydrogène sont multiples. On peut tout d'abord citer l'utilisation d'hydrogène produit à partir d'électricité excédentaire. Celui-ci peut être acheminé vers les conduites de gaz naturel, puis reconverti en électricité dans des centrales à gaz pendant les périodes de faible activité, ou utilisé pour le chauffage des bâtiments. Selon une étude, la compatibilité des conduites et des appareils limite toutefois la part d'hydrogène dans le réseau de gaz naturel à environ 10% au maximum. Il est préférable d'utiliser l'hydrogène dans d'autres domaines. Citons ensuite l'exemple de la production industrielle d'acier, qui est responsable d'une part notable des émissions de CO2. Le défi de l'utilisation de l'hydrogène vert est ici la grande pureté requise pour l'utilisation dans les installations de réduction directe. En outre, l'hydrogène peut servir de carburant dans des applications mobiles, d'une part pour la production d'électricité dans des piles à combustible, d'autre part pour la combustion directe dans des moteurs ou des turbines. Pour les véhicules terrestres, les bateaux ou même les avions, la capacité de stockage et l'espace de construction sont ici au premier plan.
Pour le transport de l'hydrogène produit vers son lieu d'utilisation, différentes formes sont discutées. On peut citer tout d'abord la transformation de l'hydrogène en vecteurs organiques liquides (LOHC) ou en ammoniac. La manipulation de ces substances présente un avantage : elles sont liquides dans des conditions ambiantes normales, ce qui réduit les exigences posées aux systèmes de transport et de stockage. Cependant, l'hydrogène doit être récupéré à destination, ce qui nécessite de l'énergie et entraîne quelques impuretés de l'hydrogène. En tant que gaz, l'hydrogène est stocké sous forme pure dans des réservoirs sous pression et transporté, entre autres, en faisceaux. L'inconvénient de l'espace de construction nécessaire ou de la capacité de stockage n'est que partiellement compensé par la pression très élevée (jusqu'à 800 bars) et représente un risque de sécurité supplémentaire en cas de défaillance. Les inconvénients des formes de transport et de stockage susmentionnées peuvent être compensés par l'utilisation d'hydrogène liquide (LH2). Il se présente sous forme pure et l'espace de construction nécessaire est nettement réduit par la liquéfaction. L'avantage le plus important est l'utilisation de l'hydrogène sous forme liquide tout au long de la chaîne d'approvisionnement. Selon certaines études, le transport sur de longues distances présente un avantage en termes de coûts et le stockage nécessite le moins d'espace possible.
Tout au long de la chaîne d'approvisionnement, des pompes sont nécessaires pour le transport. Après la liquéfaction dans les installations de traitement pour le remplissage des réservoirs, pour le transport ultérieur du LH2 dans le véhicule de transport et pour le déchargement de celui-ci dans des réservoirs de stockage sur place. Pour le ravitaillement des véhicules dans les stations-service, les ports ou même les aéroports à partir des réservoirs de stockage. D'autres cas d'application sont envisageables. Dans le cadre de ce projet, une pompe est développée, adaptée à diverses stations de la chaîne d'approvisionnement. Une fois le projet terminé, un prototype sera disponible et pourra être utilisé comme démonstrateur ou partie d'un essai dans les applications les plus diverses.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft, da er den Weg für eine signifikante Reduzierung der Treibhausgasemissionen ebnet, vorausgesetzt, die Produktion ist CO2-neutral. Wasserstoff könnte insbesondere als Brennstoff im Straßen-, Schiffs- und Luftverkehr verwendet werden, indem fossile Energien ersetzt werden. Auch seine Verwendung in der Stahlproduktion, die hohe CO2-Emissionen verursacht, ist sehr vielversprechend. Die in Wasserstoff gespeicherte Energie kann direkt durch Verbrennung in einem Verbrennungsmotor oder einer Turbine umgewandelt werden. Sie kann auch durch eine Brennstoffzelle in Strom umgewandelt werden. Eine der größten Herausforderungen bei der Nutzung von Wasserstoff ist seine Speicherung und sein Transport, die in verschiedenen Formen erfolgen können: gasförmig, flüssig oder umgewandelt (flüssiger Wasserstoffträger). Alle drei Formen haben ihre Vor- und Nachteile. Die Energiedichte von Wasserstoff in gasförmiger Form ist gering und erfordert Behälter, die hohen Drücken standhalten. Flüssige Wasserstoffträger können bei Raumtemperatur und -druck gespeichert werden, erfordern jedoch einen Prozess zur Extraktion des Wasserstoffs vor der Nutzung. Flüssiger Wasserstoff ist sehr vielversprechend, da er eine gute Energiedichte bietet und eine Speicherung bei niedrigem Druck ermöglicht, ohne dass der Wasserstoff aus einem Träger extrahiert werden muss. Die Verwendung von Wasserstoff in dieser Form ist jedoch nicht ohne Schwierigkeiten aufgrund seiner kryogenen Temperatur von etwa -253 °C.
Die Nutzung von flüssigem Wasserstoff im großen Maßstab erfordert verschiedene Infrastrukturen, die noch entwickelt werden müssen. Der Einsatz von Pumpen in der Lieferkette scheint unvermeidlich, um schnelle und kontrollierte Transfers zu gewährleisten. In diesem Kontext hat Sefco Technology die Initiative ergriffen, eine Zentrifugalpumpe für flüssigen Wasserstoff zu entwickeln. Die Wahl dieser Pumpentechnologie erklärt sich durch ihre Einfachheit und Zuverlässigkeit im Vergleich zu den bereits auf dem Markt verfügbaren Kolbenpumpen. Diese Art von Pumpe ermöglicht es, hohe Durchflussraten zu erreichen und eignet sich hervorragend für Transferanwendungen. Die Einsatzmöglichkeiten einer solchen Pumpe sind daher zahlreich. Die Entwicklung einer solchen Pumpe stellt aufgrund der Eigenschaften der Flüssigkeit zahlreiche Herausforderungen dar. Ihre Temperatur, Dichte, Entflammbarkeit und Reaktion mit verschiedenen Materialien schließen den Einsatz bestehender Produkte auf dem Markt aus. Die Entwicklung der Zentrifugalpumpe für flüssigen Wasserstoff begann daher mit der Suche nach technischen Lösungen für die wesentlichen Funktionen wie Antrieb (Motor), Wellenlagerung und Dichtungen unter Berücksichtigung der zahlreichen mit flüssigem Wasserstoff verbundenen Einschränkungen. Nachdem die technischen Lösungen ausgewählt wurden, wurden zahlreiche Berechnungen und Simulationen durchgeführt, um einen Prototyp zu entwerfen. Der Prototyp wurde im gesamten Betriebsbereich auf einem Pumpenprüfstand mit flüssigem Stickstoff bei -196 °C getestet. Der Test ermöglichte es, das mechanische und hydraulische Design zu validieren. Die Testergebnisse zeigten, dass die entwickelte Pumpe die gewünschten Leistungen erreicht, ohne unerwartete Abnutzungserscheinungen zu zeigen, selbst bei den höchsten Betriebsdrehzahlen und Antriebsleistungen. Ein zukünftiger Betriebstest mit flüssigem Wasserstoff wird derzeit vorbereitet.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Hydrogen is considered an energy carrier of the future because it paves the way for a significant reduction in greenhouse gas emissions, provided that its production is CO2-neutral. Hydrogen could particularly be used as a fuel in road, maritime, and air transport by replacing fossil fuels. Its use in the steel production sector, which is highly CO2-emitting, is also very promising. The energy contained in hydrogen can be directly converted by combustion in a combustion engine or turbine. It can also be converted into electricity through a fuel cell. One of the major challenges in using hydrogen is its storage and transport, which can be done in various forms: gaseous, liquid, or transformed (liquid hydrogen carrier). All three forms have their advantages and disadvantages. The energy density of hydrogen in gaseous form is low and requires containers that can withstand high pressures. Liquid hydrogen carriers can be stored at ambient temperature and pressure but require a process to extract the hydrogen before use. Liquid hydrogen is very promising because it offers good energy density and allows for storage at low pressure, without the need to extract the hydrogen from a carrier before use. However, using hydrogen in this form is not without difficulties due to its cryogenic temperature, around -253 °C.
The use of liquid hydrogen on a large scale requires various infrastructures that still need to be developed. The use of pumps in the supply chain seems inevitable to ensure rapid and controlled transfers. It is in this context that Sefco Technology took the initiative to develop a centrifugal pump dedicated to liquid hydrogen. The choice of this pump technology is explained by its simplicity and reliability compared to piston pumps, which are already available on the market. This type of pump allows high flow rates and is ideal for transfer applications. Therefore, the potential uses of such a pump are numerous. The development of such a pump presents many challenges due to the nature of the liquid. Its temperature, density, flammability, and reaction with various materials prevent the use of existing products on the market. The development of the centrifugal pump for liquid hydrogen therefore started with finding technical solutions for essential functions such as drive (motor), bearing, and seals, considering the numerous constraints related to liquid hydrogen. Once the technical solutions were selected, numerous calculations and simulations were performed to design a prototype. The prototype was tested across its entire operating range on a pump test bench with liquid nitrogen at -196 °C. The test allowed for the validation of its mechanical and hydraulic design. The test results showed that the developed pump achieves the desired performance without any unexpected wear, even at the highest operating speeds and drive power. A future operational test with liquid hydrogen is currently being prepared.
Main findings («Take-Home Messages»)
- A compact single-stage centrifugal pump effectively fulfills customer's performance requirements for liquid hydrogen transfer operations.
- The integration of the electric drive inside the pump casing enables a compact design with high performance.
- A design featuring components compatible with liquid hydrogen was been successfully validated at high rotational speeds.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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L’hydrogène est considéré comme un vecteur d’énergie du futur car il ouvre la voie à une réduction significative des émissions de gaz à effet de serre, à condition d’une production neutre en émissions de CO2. L’hydrogène pourrait notamment être utilisé comme carburant dans le secteur du transport routier, maritime et aérien en remplaçant les énergies fossiles. Son utilisation dans le secteur de la production d’acier, très émetteur en CO2, est également très prometteuse. L’énergie contenue dans l’hydrogène peut être convertie directement par sa combustion dans un moteur à combustion ou une turbine. Elle peut également être convertie en électricité par l’intermédiaire d’une pile à combustible. L’un des challenges majeurs de l’utilisation de l’hydrogène est son stockage et son transport qui peut se faire sous différentes formes : gazeuse, liquide ou transformée (liquide porteur d’hydrogène). Ces trois formes présentent toutes des avantages et des inconvénients. La densité énergétique de l’hydrogène sous forme gazeuse est faible et nécessite des contenants résistant aux hautes pression. Les liquides porteurs d’hydrogène peuvent être stockés à température et pression ambiantes, mais nécessitent un procédé pour extraire l’hydrogène avant utilisation. L’hydrogène liquide est très prometteur car il offre une bonne densité énergétique et permet un stockage à pression faible, sans nécessité d’extraire l’hydrogène d’un porteur avant utilisation. L’utilisation de l’hydrogène sous cette forme n’est cependant pas sans difficulté en raison de sa température cryogénique, de l’ordre de -253 °C.
Une utilisation de l’hydrogène sous forme liquide et à grande échelle nécessite diverses infrastructures qui restent à développer. L’utilisation de pompes dans la chaine d’approvisionnement semble inévitable pour garantir des transferts rapides et maitrisés. C’est dans ce contexte que Sefco Technology a pris l’initiative de développer une pompe centrifuge dédiée à l’hydrogène liquide. Le choix de cette technologie de pompe s’explique par sa simplicité et sa fiabilité en comparaison aux pompes à piston, déjà disponibles sur le marché. Ce type de pompe permet notamment d’atteindre de hauts débits et convient parfaitement à des applications de transfert. Les domaines d’utilisation d’une telle pompe sont donc nombreux. Le développement d’une telle pompe présente de nombreux challenges en raison de la nature du liquide. Sa température, sa densité, sa nature inflammable et sa réaction avec divers matériaux ne permettent pas l’utilisation de produits existants sur le marché. Le développement de la pompe centrifuge pour hydrogène liquide a donc commencé par la recherche de solutions techniques pour les fonctions essentielles que sont l’entrainement (moteur), le guidage de l’arbre et les jointures, en tenant compte des nombreuses contraintes liées à l’hydrogène liquide. Une fois les solutions techniques sélectionnées, de nombreux calculs et simulations ont été effectuées afin de concevoir un prototype. Le prototype a été testé dans l’ensemble de son domaine de fonctionnement sur un banc d’essai de pompe avec de l’azote liquide à la température de -196 °C. Le test a permis de valider son design mécanique et hydraulique. Les résultats des tests ont montré que la pompe développée atteint les performances souhaitées sans présenter de forme d’usure inattendue, et ce même aux vitesses de fonctionnement et puissance d’entrainement les plus élevées. Un test opérationnel futur avec de l’hydrogène liquide est en préparation.
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