Tieftemperatur-Kältetechnik für die Wasserstoffinfrastruktur

Blick in den Maschinen­raum einer Tiefkälte­anlage für die Wasser­stoff-Aufbereitung mit zwei leistungsstarken Schraubenverdichtern. Die Anlage arbeitet mit dem natürlichen Kältemittel Propen (R1270) und ist auf ­besonders hohe Effizienz bei tiefen Temperaturen ausgelegt.

© L&R Kältetechnik

Die Technologie ist lange bekannt und erprobt – nun scheint sie in der Praxis anzukommen: Der Wasserstoffhochlauf in Deutschland hat Fahrt aufgenommen. Auf allen Ebenen der Prozesskette – Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Nutzung – werden zunehmend Projekte umgesetzt. In der Mobilität dominieren dabei öffentliche Wasserstofftankstellen sowie „On-site“-Anlagen bei Logistikunternehmen und Verkehrsbetrieben. In der Chemieindustrie entstehen Elektrolyseure zur Gewinnung des Rohstoffs Wasserstoff, und die Stahlerzeuger ersetzen im Zuge der Dekarbonisierung zunehmend den Energieträger Kohle.
Für Hersteller industrieller Kälteanlagen ist diese Entwicklung spannend, da sowohl bei der Entnahme des Wasserstoffs aus Kavernen und der Einspeisung in Pipelines als auch bei der Betankung von Fahrzeugen Wärme entzogen werden muss.

Je kälter der Wasserstoff, desto schneller kann getankt werden

Der Grund: Durch die adiabate Verdichtung beim Speichern können unzulässig hohe Temperaturen entstehen. Dem wirkt man durch Kühlung entgegen – und verkürzt gleichzeitig die Betankungszeit. Je kälter der Wasserstoff ist, desto schneller kann getankt werden.
Die Ursache dafür liegt in der Thermodynamik des Prozesses: Beim Befüllen erwärmt sich der Wasserstoff durch Kompression und Reibung. Beginnt der Tankvorgang bereits mit einer niedrigeren Ausgangstemperatur, lassen sich die in der Norm SAE J2601 festgelegten Temperaturgrenzwerte einhalten, ohne die Durchflussrate drosseln zu müssen. So verkürzt sich die Betankungszeit deutlich.

Direktverdampfung oder Zwischenkühlung?

L&R Kältetechnik hat in den vergangenen Jahren (Tief-)Kälteanlagen für diverse H₂-Tankstellenprojekte projektiert und gebaut – sowohl für private als auch öffentliche Anlagen in Deutschland, Frankreich, England und Spanien. Grundsätzlich kommen dabei zwei unterschiedliche Konzepte zur Anwendung.
Bei öffentlichen H₂-Tankstellen mit größerem und diskontinuierlichem Bedarf bewährt sich das Prinzip der Direktverdampfung bzw. Durchlaufkühlung. Die Kälteanlage – entsprechend groß dimensioniert – kühlt hierbei den Wasserstoff über einen H₂-Wärmetauscher direkt und bedarfsgerecht.
Wenn die Tankstelle dagegen nur zu be­stimmten Zeiten oder unregelmäßig genutzt wird, ist es wirtschaftlicher, die Abkühlung über einen „Energiespeicher“ in Form einer tiefkalten Spezialflüssigkeit vorzunehmen. Dieser Speicher wird während der Tankpausen durch die Kältemaschine aufgeladen. Dazu ist ein Zwischenkreislauf erforderlich. Die Technik ist zwar aufwendiger, ermöglicht jedoch den Einsatz einer Kälteanlage mit kleinerer Leistung und senkt dadurch die Investitionskosten.
Die zentralen Parameter der Betankung – Kraftstofftemperatur, Betankungsgeschwindigkeit, Enddruck – sind in der Norm SAE J2601 festgelegt. Sie definiert sogenannte Fueling Protocols, die Temperatur- und Druckverläufe während des Tankvorgangs regeln. Je nach gewählter Temperaturkategorie (-20, -30 oder -40 °C) ergeben sich unterschiedliche maximale Betankungsraten. Diese Standardisierung stellt sicher, dass weltweit einheitliche Sicherheits- und Effizienzanforderungen erfüllt werden.
Als Kältemittel setzt L&R Kältetechnik bei diesen Anwendungen auf natürliche Kohlenwasserstoffe: Propan (R290) in den positiven Temperaturstufen und Propen/ Propylen (R1270) für tiefere Temperaturen bis -40 °C. Beide Medien sind effizient, PFAS-frei und langfristig regulatorisch unbedenklich.

Energieeffiziente Großkälteanlagen für Kavernenspeicher

Blick auf eine vormontierte L&R-Kälteanlage mit zwei halbhermetischen Verdichtern, die als Grundmodul für Wasserstoff-H₂-Aufbereitungs- und Kühlprozesse in Kavernenprojekten eingesetzt wird.

© L&R Kältetechnik

Aktuell werden viele Wasserstofftankstellen noch mit H₂-Flaschen beliefert; die Pipeline-Infrastruktur befindet sich im Aufbau. An deren Anfang stehen Elektrolyseure, die in der Nähe von Kavernenspeichern lokalisiert sind. Von dort wird der Wasserstoff bedarfsweise über Pipelines an die Verbraucher abgegeben. An der Übergabe­station von der Kaverne ins Netz – oder in Tankwagen – übernehmen die Kälteanlagen eine andere Aufgabe als bei der Betankung: Sie sind Teil der Aufbereitungstechnik, die den Wasserstoff entfeuchtet, Begleitgase auskondensiert und ihn normengerecht für die Einspeisung bzw. Weiterverarbeitung aufbereitet.
Solche Anlagen für einen Kavernenspeicher im Nordwesten Deutschlands baut L&R Kältetechnik derzeit im Werk Sundern. Je drei Anlagen kühlen das Gas zunächst auf +10 °C, anschließend weiter auf -10 °C. Alle sechs Anlagen verfügen über mehrere Kältekreisläufe, um die Leistung bedarfsorientiert skalieren zu können. Dank drehzahlgeregelter Verdichter lassen sich selbst kleine Kälteleistungen – bis herab zu 10 % der Nennleistung – mit hoher Effizienz bereitstellen.

Natürliche Kältemittel auch für die Tiefkälteerzeugung

Die Anlagen sind mit natürlichen, zukunftssicheren Kältemitteln befüllt. In der ersten Kältestufe kommt Propen (R1270) zum Einsatz, im Tiefkältebereich (2. Stufe) Ethan (R170), mit dem sich bei Temperaturen unter -70 °C besonders effiziente und stabile Kältekreisläufe realisieren lassen. Beide Kältemittel zeichnen sich durch einen extrem niedrigen GWP-Wert (< 5) aus und sind PFAS-frei. Im Hinblick auf die F-Gase-Verordnung sind sie langfristig rechtssicher und regulatorisch unbedenklich einsetzbar. Darüber hinaus profitieren Betreiber neuer Anlagen mit natürlichen Kältemitteln von BAFA-Fördermitteln – ein zusätzlicher Anreiz für den Einsatz klimafreundlicher Technologien. Wie beim Wasserstoff selbst gilt: Der Explosionsschutz muss gewährleistet sein – etwa durch kontinuierliche Lüftung, Gaswarnsysteme und teilweise ex-geschützte Komponenten.

Forschungsprojekt: Kombinierte Nutzung von Wasserstoff und Sauerstoff

Forschungsprojekt mit der Fa. HySON: Tieftemperaturanlage zur Sauerstofftrocknung

© HySON

Parallel zum Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur werden in Forschungsvorhaben neue Möglichkeiten der wirtschaftlichen Erzeugung und Nutzung des Energieträgers untersucht. Auch hier ist L&R Kältetechnik beteiligt – unter anderem im Projekt „PEMO2dry“ des HySON-Institutes Sonneberg, das die Effizienzsteigerung von Elektrolyseuren durch Sektorenkopplung zum Ziel hat. Der bei der Elektrolyse neben Wasserstoff erzeugte Sauerstoff wird meist nicht genutzt, da er mit Wasserdampf gesättigt ist. Das Projekt PEMO2dry verfolgt das Ziel, diesen Nebenstrom sinnvoll zu verwerten – etwa in Krankenhäusern, wo ein hoher Bedarf an reinem Sauerstoff besteht.
Im vom BMBF geförderten Verbundvorhaben entwickelt HySON gemeinsam mit L&R Kältetechnik eine Demonstrationsanlage zur Sauerstofftrocknung im mittleren Durchsatzbereich von 10 bis 100 Nm³/h. Während der Wasserstoff vor Ort zur Betankung von Rettungsfahrzeugen genutzt wird, soll der aufbereitete Sauerstoff (Reinheitskategorie 5.0) für medizinischen Sauerstoff (“Oxygenium“ [Monographie 417 Ph. Eur.) oder zur Ozonerzeugung (“Oxygenium“ [Monographie 417 Ph. Eur.) oder zur Ozonerzeugung verwendet werden.

Sauerstoff-Trocknung durch Kühlung auf -75 °C

Dieser Zusatznutzen – die gekoppelte Nutzung von Wasserstoff und Sauerstoff – senkt die Wasserstoffgestehungskosten und erhöht die Wirtschaftlichkeit im Wettbewerb mit fossilen Energieträgern. Die von L&R Kältetechnik entwickelte Anlage kühlt den Sauerstoff auf bis zu -70 bis -75 °C ab. Dabei werden Feuchteanteile sowie Spurengase, insbesondere Wasserdampf und Kohelndioxid, ausgefroren und abgeschieden. Der so getrocknete Sauerstoff erfüllt die Anforderungen an medizinische Atemluft der höchsten Reinheitsklasse.

Fazit: Ein anspruchsvoller neuer Markt für Industriekälteanlagen

Der Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur und die zunehmende Nutzung dieses Energie­trägers werden sich aller Voraussicht nach als anspruchsvoller und wachstumsstarker Markt für die industrielle Kältetechnik etablieren. Das gilt für Wasserstofflagerung und -betankung ebenso wie für neue Anwendungen, etwa die gekoppelte Erzeugung von Wasserstoff und medizinischem Sauerstoff. Anlagenbauer mit spezifischem Wasserstoff-Know-how können hier entscheidend zur Effizienz und Sicherheit dieser Zukunftstechnologie beitragen – und auch zum Markterfolg der Wasserstoff-Infrastruktur.