Modellierung einer dreistufigen Wärmeübertrager-Kaskade zur Verflüssigung von Wasserstoff

Die Bedeutung von Wasserstoff fur die Energiewirtschaft nimmt seit einigen Jahren stetig zu. Er kann nicht nur aus erneuerbaren Energien gewonnen werden, sondern setzt bei der Verwendung auch keine schadlichen Emissionen frei. Fur die Lagerung und den Transport im flussigen Zustand ist die Abkuhlung des Wasserstoffs auf ca. 20 K notig. Dabei spielt die Energiefreisetzung infolge der Umwandlung von Ortho- in Parawasserstoff wahrend der Verflussigung eine wichtige Rolle, die durch den Einsatz von Katalysatoren realisiert wird. Ohne diese Ortho-Para-Konversion wurde der verflussigte Wasserstoff schnell wieder verdampfen. Am Institut fur Technische Physik des KIT wird eine bestehende Helium-Kalteanlage mit einem Wasserstoffverflussiger erweitert. In diesem sollen pro Stunde ca. 100 L Wasserstoff in drei Stufen von 300 K auf 16 K abgekuhlt und anschliesend durch Expansion verflussigt werden. Die Ortho-Para-Konversion erfolgt dabei an einem Eisenoxid-Katalysator. Die Modellierung der Warmeubertrager-Kaskade zur Wasserstoffverflussigung erfordert sowohl die genaue Kenntnis der druck- und temperaturabhangigen Stoffdaten, als auch die Berucksichtigung der Kinetik der Ortho-Para-Konversion. In diesem Beitrag werden diese Aspekte der Auslegung genauer beleuchtet. Das um die Katalyse erweiterte Warmeubertragermodell wird beschrieben und die Ergebnisse der Auslegung werden vorgestellt.