Frage an die Physiker unter euch zur Wasserstoffspeicherung

['Xander]

Da ich noch niergendwo eine Antwort darauf gefunden habe...

Angenommen, man würde Wasserstoff cyrogen verflüssigt tanken.

Wo würde sich der Druck bei Raumtemperatur einpendeln, bzw. welchem Druck müsste der Tank ohne Boil-off Möglichkeit standhalten?

Wäre einfach mal interessant zu wissen.
Ebenfalls, ob das technisch machbar wäre, bzw. ggf. rentabel wäre.



Des Weiteren wäre interessant zu wissen, ob die die Gaskonstante überhaupt noch eine Rolle spielt, da der Zustand ja überkritisch wird.

Hier ist Gas und Flüssigkeit nicht mehr unterscheidbar.

Nochmal kurz:

Welcher Druck, würde sich in dem Medium aufbauen, wenn es cyrogen getankt werden würde der Tank keine Boil-off Möglichkeit hätte und unendlich stabil wäre, beim langsamen erwärmen auf Raumtemperatur (ca. 20 Grad)?


Bitte keine Diskussionen zu alternativen Speichermöglichkeiten, ich habe im Netz bisher noch keine eindeutige Antwort gefunden.

Wurde so etwas überhaupt schon einmal ausprobiert, unabhängig von der Rentabilität?
Wie könnte man das berechnen?

gruss

 

[simpsonsfan]

Ca. 1900-2000bar.
Rechenweg:
- Dichte im Flüssigzustand ausrechnen (ca. 72kg/m³ bei 20K und 10bar)
- Druck bei 72kg/m³ und 293,15K berechnen: Ist ca. 1960bar.

Was eigentlich gar nicht so tragisch viel ist, bei der gasförmigen Speicherung verwendet man ja meist 700bar nominal und der Tank selbst hält dann grob das doppelte aus.

 

[Bennomatico]

@simpsonsfan

Thermo ist ein paar Tage her. Kann das nicht mehr nachvollziehen.Mit welchen Gesetzen hast du gerechnet?

 

[Nowareeng]

Wasserstoff hat einen Kritischen Punkt bei - 240°C also 32,2K
Die Dampfdruck Tabellen unter Googlesuche enden bei 32.2K.......Ich gaub deine Idee Physikalisch nicht durchführbar......

 

[simpsonsfan]

@Bennomatico Die Werte entstammen der NIST-Datenbank bzw dem Tool Refprop.
Eine Art Standardtool für Realgase.
Da sind (für unterschiedliche Geltungsbereiche) verschiedene Gleichungen implementiert, die dort auch als Quelle angegeben sind, die ich aber jetzt am Handy nicht zur Hand habe.
Die kostenlose Version mit einer Hand voll Standardmedien (u.a. Wasserstoff) kann jeder frei herunterladen.

@Nowareeng Also Cryo-Wasserstofftanks gibt es (bzw mindestens Prototypen). Die haben eben üblicherweise das angesprochene Boil-Off-System (oder wie auch immer man es nennen möchte) um hohe Drücke bei Erwärmung zu vermeiden.
Ein Stück weit ein Problem ist sicherlich, dass die Tanks dann normalerweise vakuumisoliert sind und man das Gewicht auch im Rahmen halten möchte. Der innere Tank ist dann nicht auf enorm hohe Drücke ausgelegt.

 

[Skysnake]

Stelle mir auch schwierig vor bei so hohen Drücken kontrolliert eine gewisse Menge Gas zu entnehmen. Du musst ja auch aufpassen das dein Ventil nicht vereist.

Btw am Anfang hab ich gedacht was ne Frage, aber je länger ich drüber nachdenke desto spannender und besser finde ich Sie.

 

['Xander]

Könnte man bei der Entnahme nicht auch noch eine Mini-Turbine zwischenschalten, die zusätzlich die Traktionsbatterie lädt und so die im Druck gespeicherte Energie nutzbar macht? Würde sich evtl. auch bei der Druckgasspeicherung bei ca. 700 Bar lohnen.

Gruss

 

[xxlrider]

Wenn Wasserstoff bei kryogenen Temperaturen (-253°C) verflüssigt wird, kann es in einem isolierten Tank aufbewahrt werden. Der Druck im Tank hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Temperatur, des Volumens des Tanks und der Menge des Wasserstoffs.

Bei einer typischen Betriebstemperatur von etwa -253°C und einem Volumen von 1 m^3 beträgt der Sättigungsdampfdruck von flüssigem Wasserstoff etwa 0,12 bar. Das bedeutet, dass sich der Druck im Tank auf diesem Niveau einpendeln würde, wenn der Tank vollständig mit flüssigem Wasserstoff gefüllt ist und die Umgebungstemperatur bei Raumtemperatur (ca. 20°C) liegt.

Ergänzung (3. März 2023)

Könnte man bei der Entnahme nicht auch noch eine Mini-Turbine zwischenschalten, die zusätzlich die Traktionsbatterie lädt und so die im Druck gespeicherte Energie nutzbar macht? Würde sich evtl. auch bei der Druckgasspeicherung bei ca. 700 Bar lohnen.

Gruss

Ja, es ist möglich, bei der Entnahme von Wasserstoff aus einem Drucktank eine Mini-Turbine zwischenzuschalten, um die Energie aus dem Druck zu nutzen und die Traktionsbatterie aufzuladen. Diese Art von Technologie wird als "Pressure Retarded Osmosis" bezeichnet und ist bereits in einigen Anwendungen im Einsatz.

Die Idee ist, dass die Druckenergie des Wasserstoffs genutzt wird, um eine Turbine anzutreiben, die mit einem Generator gekoppelt ist, der elektrische Energie erzeugt. Diese Energie kann dann genutzt werden, um die Traktionsbatterie eines Fahrzeugs aufzuladen.

In Bezug auf die Speicherung von Wasserstoff bei 700 bar kann diese Technologie ebenfalls angewendet werden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Effizienz dieser Technologie von mehreren Faktoren abhängt, einschließlich des Druckverlusts, der Reibung und des Wirkungsgrads der Turbine und des Generators. Es muss sorgfältig geprüft werden, ob die Vorteile dieser Technologie die Kosten und den zusätzlichen Platzbedarf rechtfertigen.

 

[Faluröd]

Bei einer typischen Betriebstemperatur von etwa -253°C und einem Volumen von 1 m^3 beträgt der Sättigungsdampfdruck von flüssigem Wasserstoff etwa 0,12 bar. Das bedeutet, dass sich der Druck im Tank auf diesem Niveau einpendeln würde, wenn der Tank vollständig mit flüssigem Wasserstoff gefüllt ist und die Umgebungstemperatur bei Raumtemperatur (ca. 20°C) liegt.

Ist am Thema vorbei: Die Frage ist nicht, was bei -253°C Wasserstofftemperatur passiert, sondern wenn alles Raumtemperatur annimmt.

Ja, es ist möglich, bei der Entnahme von Wasserstoff aus einem Drucktank eine Mini-Turbine zwischenzuschalten, um die Energie aus dem Druck zu nutzen und die Traktionsbatterie aufzuladen. Diese Art von Technologie wird als "Pressure Retarded Osmosis" bezeichnet und ist bereits in einigen Anwendungen im Einsatz.

Da passt auch was nicht, denn Pressure Retarded Osmosis hat nach https://en.wikipedia.org/wiki/Pressure-retarded_osmosis mit Membranen und Salzlösungen zu tun, von Turbinen steht da gar nichts

Meine persönliche Meinung: Die fachlichen Ungenauigkeiten zusammen mit dem Sprachstil hören sich stark nach ChatGPT an.

 

[Restart001]

Probier mal ChatGPT, die Mühle weis ziemlich viel.

 

[simpsonsfan]

Könnte man bei der Entnahme nicht auch noch eine Mini-Turbine zwischenschalten

Das sind so Fragen, die ich von Herstellern solcher Tanks ebenfalls gehört habe. Problem ist halt immer auch das Gesamtgewicht und der Aufwand des Systems. Im PKW-Bereich, wo H2-Drucktanks schon etwas länger eingesetzt werden, hätte man definitiv keinen Platz dafür. Im Nutzfahrzeugbereich muss man sich u.a. auch die Frage stellen, ob es nicht sinnvoller ist, den Platzbedarf einer solchen Turbine bspw. einfach in einen etwas größeren Tank zu stecken. Die Druckenergie ist ggü. dem Brennwert jetzt auch nicht besonders hoch.

Grobe Abschätzung: Druckenergie: 70 MPa / 40 kg/m³ = 1,75 MJ/kg.
Lower Heating Value = 120 MJ/kg

Solche Systeme befinden sich aber derzeit in Entwicklung und da wird sich sicher auch noch einiges tun.

 

[Skysnake]

Ich denke auch nicht, dass das für so kleine Tanks sinnvoll ist. Das kann man bei festen Installationen für die Langteitspeicherung machen oder bei großen Transportschiffen.

 

[xxlrider]

Ist am Thema vorbei: Die Frage ist nicht, was bei -253°C Wasserstofftemperatur passiert, sondern wenn alles Raumtemperatur annimmt.

Das ist mit "einpendeln" ja auch so gemeint, also wenn man Deutsch verstehen kann.
Und ja richtig es ist von Chat GPT.
:-)

 

[Piktogramm]

Zu den Turbinen.
Wasserstoff ist sowieso eklig, weil es bereits mit statischen Dichtungen nur schwer abzudichten ist. Bei dynamischen Dichtungen wie sie in einer Turbine notwendig wären, eskaliert der Aufwand und damit der Preis.

Wenn man kryogenen Wasserstoff bei Umgebungsdruck nutzen wollte um damit eine Turbine anzutreiben müsste man ersteinmal eine gescheite Druckdifferenz zur Umgebung herstellen. Es wäre also flüssiges h² in einen Wärmetauscher zu verbringen, der Wärmetauscher müsste Wärme aus der Umgebung[1] in den Wasserstoff verbringen und die daraus resultierenden Drücke aushalten und in die Turbine leiten. Viel Spaß dabei sowas kostengünstig zu bauen, in ein modernes Autodesign zu verbringen und das Ganze irgendwie Unfallsicher durch die Abnahme zu bekommen.

Ansonsten noch eine kleine Betrachtung zum Massestrom, der überhaupt durch die Turbine gehen würde. Toyotas Mirai kann 5,6kg H2 laden und kommt damit ~500km. Über den Daumen gehen da also 1kg/h bzw bei schwerem Fuß 2kg/h an Masse durchs Kraftstoffsystem bzw. einer hypothetischen Turbine. Das ist sehr wenig! Damit aus so kleinen Masseströmen gescheit Energie extrahiert werden kann, müssen (wieder) extrem hohe Drücke zur Anwendung kommen, die man bis (fast) Astmospherendruck entspannt. Das geht in der Regel nicht mit einer Turbine, sondern nur mit mehreren und wahrscheinlich auch nur, wenn man den Wasserstoff zwischendurch immer wieder erwärmt, da sich dieser bei der Expansion ja abkühlt.

Das ist sehr viel Aufwand um im besten Fall unter maximalem Kraftstoffbedarf wenige hundert Watt an Leistung zu "gewinnen". Bei einem Fahrzeug, welches wie die meisten KfZ >90% ihrer Zeit nur herumstehen.

Für den Fall, dass man Wasserstoff unter hohem Druck auf Raumtemperatur lagert, also in überkritischem Zustand (oder Schlimmeren) eine Turbine betreiben wollte. Aus dem was ich bei Thermo1/2 gelernt habe würde ich schätzen, dass man da in "interessante" Probleme rennt und entsprechende Systeme schnell derart komplex aussehen, dass H²-Cryopumpen für Raketentriebwerke wie lowtech Spielzeug aussehen im Vergleich.

[1]Würde die Wärme aus der Mitgeführten Energie des Fahrzeugs kommen wäre es energetisch Schwachsinn

 

[Müs Lee]

Und ja richtig es ist von Chat GPT.

ChatGPT ist ein Sprachmodell und kann außer Quasseln eigentlich nix. Es hat keinerlei Ahnung von Physik und versteht nicht, was es von sich gibt. Bei Fragen in meinem Fachgebiet war ein beträchtlicher Anteil der Informationen schlicht falsch, was man auch von vielen anderen Usern hört - frei erfundene Quellen und Gaslighting en masse dazu. Es ist erstaunlich nah am Verhalten des Menschen, aber es benimmt sich leider wie ein trotziger Jugendlicher mit oberflächlichem Wissen zu allen möglichen Themen und aufgeblasenem Ego. Es ist noch weit davon entfernt irgendeinem die Arbeit abzunehmen, also besser das eigene Hirn eingeschaltet lassen.

Was eigentlich gar nicht so tragisch viel ist, bei der gasförmigen Speicherung verwendet man ja meist 700bar nominal und der Tank selbst hält dann grob das doppelte aus.

Als gar nicht so tragisch würde ich das nicht bezeichnen wollen. Das ist fast der dreifache Druck, damit bei gleichen Tankdimensionen auch die dreifache Spannung und mit den geforderten Sicherheitsfaktoren (sicherlich mindestens 2, wenn nicht mehr) ist man bei recht teuren Materialien oder ziemlich fetten Wanddicken. Bei 200MPa Druck ergibt sich in einem zylindrischem Tank mit 40mm Wanddicke und 230mm Durchemsser (fix ergoogelt, könnte real abweichen) eine Misesspannung von gut 600MPa. Das macht mit dem Sicherheitsfaktor von 2 schon eine erforderliche Streckgrenze von mindestens 1200MPa, an den Radien und am Stutzen ggf. wesentlich mehr. Da ist noch gar keine zyklische Belastung berücksichtigt. Mit hydrogen embrittlement und betriebsfester Auslegung eines solchen Tanks unter Beachtung aller Auflagen eher nicht mehr trivial und wohl arschteuer. Ich bin aber kein Tankexperte und irre mich möglicherweise hier. Ich habe nur eine kurze Weile im maritimen Transport von kryogenem Ethylen gearbeitet und der Aufwand beim Tankbau sowie dessen Auflagen war schon erheblich. Die Tanks waren teils riesig bei niedrigem Druck (bis 30.000m³ bei knapp unter 2 Bar, glaube ich). Alleine die Stahlauswahl war durch den hohen erforderlichen Nickelanteil eingeschränkt und kostspielig. Wasserstoff ist sicherlich noch eine Ecke ekliger, weil es aus allen Ecken und Enden raussickert und das Materialgefüge nachteilig ändert. Bei dem hohen Druck könnte das noch weiter beschleunigt werden.

 

[simpsonsfan]

Das macht mit dem Sicherheitsfaktor von 2 schon eine erforderliche Streckgrenze von mindestens 1200MPa [...]

Die Festigkeit geht mich nichts an, ich bin für die Fluidseite zuständig
Aber ja, die Druckspeicher haben schon ganz ordentlich Material (CFK) um den Drücken standzuhalten. Für die Dichtigkeit sorgt dann innen eine Lage Kunststoff. (Der dann auch wieder nicht zu heiß werden darf beim Befüllen, was ein wesentlicher begrenzender Faktor für die Betankungsgeschwindigkeit ist...)

Und sagen wir mal so, es hat aus Festigkeitssicht sicher seine Gründe, warum eben ein Boil-Off-System verwendet wird, um die Drücke zu begrenzen. Ich hatte nur bisher selbst die obige Rechnung noch nicht angestellt und hätte eigentlich deutlich höhere Drücke erwartet. In diesem Kontext ist mein Kommentar dann zu verstehen.

[...] der Wärmetauscher müsste Wärme aus der Umgebung[1] in den Wasserstoff verbringen und die daraus resultierenden Drücke aushalten und in die Turbine leiten

Auch das haben wir uns übrigens bei den Druckspeichern mal angeschaut, weil die aufzubringende Energie (der Tankstelle) zur Kompression die oben genannten 1,75 MJ/kg durchaus übersteigt (wenn ich grade alles richtig im Kopf hab), dabei aber zwangsläufig Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Ich fand den Gedanken sehr erheiternd, dass bei der Entnahme aus dem Tank dann Umgebungswärme in den Tank nachströmen kann und mit einer solchen Turbine nutzbar wäre.
Vorläufiges Fazit aus den ganzen Überlegungen war aber, wie oben angedeutet, lieber mehr Tankvolumen zu verwenden.

 

[Nowareeng]

https://link.springer.com/article/10.1007/s12034-018-1722-z#:~:text=However, the pair-correlation function,a pressure of 490 GPa.

Ergänzung (5. März 2023)

Das sind doch 4,9*10⁶bar oder ?
Also ca. 4.9millionen ATÜ 🎉

 

[xxlrider]

ChatGPT ist ein Sprachmodell und kann außer Quasseln eigentlich nix. Es hat keinerlei Ahnung von Physik und versteht nicht, was es von sich gibt. Es ist erstaunlich nah am Verhalten des Menschen, aber es benimmt sich leider wie ein trotziger Jugendlicher mit oberflächlichem Wissen zu allen möglichen Themen und aufgeblasenem Ego.

Nun wir haben auch einen Kinderbuchautor als Kanzlervize, und eine Außenministerin die behauptet (was war es nochmal konkret ? ), die behauptet, das hier irgentwas auf der Erde "Hundertausende Kilometer" entfernt wäre.

Wenn wir ChatGPT jetzt noch als "ausgewiesenen Experten" durchgehen lassen kommen wir aus den Negativ Schlagzeilen wieder raus oder ?

 

[Müs Lee]

Und wie man sieht, blubbert ChatGPT auf genau die gleiche ahnungslose Art vor sich hin und es kommt so was wie dein obiger Beitrag raus. Nochmal: Hirn nicht ausschalten und nur dann was schreiben wenn man über relevantes Wissen verfügt, dann wird das auch was.

 

[xxlrider]

Wäre schön wenn du uns minder bemittelte noch teilhaben lassen würdest, was und an wen du konkret adressieren wolltest.
So läuft das in der Kommunikation.