CryoLH2 – Systembausteine für Tieftemperatur-Kältemaschinen zur Wasserstoff-Verflüssigung

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502953
• Projekttitel Englisch: CryoLH2 – Cryocooler Building Blocks for hydrogen liquefaction

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Wasserstoff ist ein zentraler Pfeiler der Energiewende und der Energie- und Mobilitätsstrategien. Die Speicherung in flüssiger Form durch Kühlung ist eine Basistechnologie für verschiedene Anwendungen, wobei die Verflüssigung in der Regel in Großanlagen erfolgt. Allerdings nimmt die dezentrale Wasserstoffproduktion zu, wodurch auch die Nachfrage nach dezentralen Speichermöglichkeiten steigt. Dies erfordert kleinere Verflüssigungsanlagen und damit kompaktere Tieftemperatur-Kryokühler für die Wasserstoffverflüssigung, die derzeit nicht verfügbar sind und über die nur wenig Forschungsergebnisse vorliegen. Dieses Projekt untersucht die Machbarkeit von Kryokühlern mit geringerer Kapazität und liefert einen Energievergleich mit bestehenden Großanlagen zur Verflüssigung.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Hydrogen is a central pillar of the energy transition and energy and mobility strategies. Storage in liquid form by cooling is a basic technology for various applications, such liquefaction is usually carried out in large-scale plants. However, decentral hydrogen production is increasing and subsequently the demand for decentralized storage is also increasing, which requires smaller liquefaction plants and thus more compact low-temperature cryocoolers for hydrogen liquefaction, which are not available and Little research is available. This project investigates the feasibility of smaller capacity cryocoolers and provides an energy comparison with existing large-scale liquefaction plants.

Kurzbeschreibung (Französisch)

L'hydrogène est un pilier central de la transition énergétique et des stratégies en matière d'énergie et de mobilité. Le stockage sous forme liquide par refroidissement est une technologie de base pour diverses applications, et cette liquéfaction est généralement réalisée dans des usines à grande échelle. Cependant, la production décentralisée d'hydrogène est en augmentation et, par conséquent, la demande de stockage décentralisé augmente également, ce qui nécessite des usines de liquéfaction plus petites et donc des refroidisseurs cryogéniques à basse température plus compacts pour la liquéfaction de l'hydrogène, qui ne sont pas disponibles et font l'objet de peu de recherches. Ce projet étudie la faisabilité de refroidisseurs cryogéniques de plus petite capacité et fournit une comparaison énergétique avec les usines de liquéfaction à grande échelle existantes.

Schlussbericht (Deutsch)

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.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht [PDF] 1'280 kB

Schlussbericht (Englisch)

Liquid hydrogen (LH2) is gaining increasing importance as an energy carrier, particularly in applications requiring high energy density, seasonal energy storage, or the low-emission transport of large amounts of energy, such as mobility, aviation, and energy storage. In particular, hydrogen boil-off re-liquefaction as well as decentralized and small-scale hydrogen liquefaction systems require compact, efficient, and oil-free technologies capable of providing refrigeration at around 20 K. Against this background, the project «CryoLH2 – Building Blocks for Cryogenic Refrigeration Systems for Hydrogen Liquefaction» investigated the technological foundations of modular Reverse Turbo-Brayton cryocoolers (TBCCs) for future hydrogen liquefaction systems and related cryogenic applications in the cooling capacity range from 100 W to 1 kW at 20 K. The project focused on defining a representative reference system, performing a thermodynamic process design and specifying the key system components required for future development activities.

Based on an assessment of future application requirements, a reference cryocooler providing 500 W of cooling power at 20 K was defined. A multi-stage Reverse Turbo-Brayton process was subsequently designed and analysed with respect to energy consumption and overall efficiency. Furthermore, the requirements for the key components – high-speed compressors, recuperative heat exchangers and a cryogenic turbo-expander with generator braking – were systematically evaluated and specified. The investigations demonstrated that gas-bearing Turbo-Brayton cryocoolers represent a promising technology for future cryogenic applications. While the compressor technology can largely build upon existing high-speed turbomachinery, the recuperators and the cryogenic turbo-expander were identified as the main development challenges. In particular, the heat exchangers were found to have a decisive influence on overall system efficiency and industrial implementation.

The project provides the scientific and technological basis for the further development and experimental validation of modular Turbo-Brayton cryocoolers and their future integration into small-scale hydrogen liquefaction systems and other cryogenic energy applications.

Schlussbericht (Französisch)

L’hydrogène liquide (LH2) prend une importance croissante en tant que vecteur énergétique, en particulier pour les applications nécessitant une forte densité énergétique, le stockage saisonnier de l’énergie ou le transport à faibles émissions de grandes quantités d’énergie, par exemple dans les domaines de la mobilité, de l’aviation et du stockage de l’énergie. En particulier, la reliquéfaction de l’hydrogène évaporé ainsi que les systèmes de liquéfaction d’hydrogène décentralisés et de petite capacité nécessitent des technologies compactes, efficaces et exemptes d’huile permettant de produire du froid à environ 20 K. Dans ce contexte, le projet «CryoLH2 – Composants de systèmes frigorifiques cryogéniques pour la liquéfaction de l’hydrogène» a étudié les bases technologiques de réfrigérateurs cryogéniques modulaires à cycle inverse de Turbo-Brayton destinés aux futurs systèmes de liquéfaction de l’hydrogène ainsi qu’à d’autres applications cryogéniques dans une plage de puissance frigorifique comprise entre 100 W et 1 kW à une température de 20 K. L’objectif du projet était de définir un système de référence, de réaliser son dimensionnement thermodynamique et de spécifier les principaux composants nécessaires aux développements futurs.

À partir d’une analyse des besoins des applications visées, un système de référence fournissant une puissance frigorifique de 500 W à 20 K a été défini. Un procédé multi-étagé à cycle inverse de Turbo- Brayton a ensuite été dimensionné et évalué du point de vue de la consommation d’énergie et du rendement global. Les exigences applicables aux principaux composants – compresseurs à grande vitesse, échangeurs de chaleur régénératifs et turbo-détendeur cryogénique avec freinage par générateur – ont également été étudiées de manière systématique.

Les résultats montrent que les réfrigérateurs cryogéniques à Turbo-Brayton sur paliers à gaz constituent une technologie prometteuse pour les applications cryogéniques futures. Alors que les compresseurs peuvent largement s’appuyer sur des technologies existantes, les échangeurs de chaleur et le turbodétendeur cryogénique ont été identifiés comme les principaux axes de développement. Les résultats du projet constituent une base scientifique et technologique pour les futurs projets de développement et de validation expérimentale de cette technologie.