Kryo-

Warum Wasserstoff?

Deutschland ist ein Energieimportland und wird voraussichtlich auch in Zukunft einen erheblichen Anteil seiner benötigten Energie aus dem Ausland beziehen müssen. Die etablierten Importwege nutzen dabei hauptsächlich Energieträger, bei denen die Energie chemisch gebunden ist. Diese Energieträger befinden sich entweder bereits in flüssiger Form oder werden gezielt verflüssigt, um eine wirtschaftlich wie energetisch effiziente Nutzung entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu ermöglichen. Besonders im Fokus der aktuellen Forschung und Entwicklung steht Wasserstoff, insbesondere der verflüssigte Wasserstoff (LH2 für Liquid Hydrogen). Dieser Energieträger enthält keine kohlenstoffhaltigen Verbindungen und kann daher keine klimaschädlichen CO₂-Emissionen verursachen. Diese Eigenschaft macht ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für eine nachhaltige Energiezukunft.

Funktionsweise Kryo-TEG

Um Wasserstoff in Primärenergiewandlern wie Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen nutzen zu können, muss er zuvor erwärmt und verdampft werden. Aktuelle Systeme verwenden dazu die Abwärme des Kühlwassers. Diese Funktion könnte zukünftig durch ein Kryo-Thermoelektrischen Generator (Kryo-TEG) übernommen werden.

Funktionsweise eines Kryo-TEG – Bildquelle: DLR

Ein solcher Thermoelektrischer Generator bietet den großen Vorteil, dass neben der Bereitstellung von Wärme zusätzlich elektrische Energie gewonnen wird. Hierfür wandeln thermoelektrische Module die dem Kühlwasser entnommene Abwärme in elektrischen Strom um. Die Erwärmung stellt eine kontinuierliche Versorgung einer Brennstoffzelle oder eines Wasserstoffmotors mit gasförmigem Wasserstoff sicher. Zudem entlastet der Kryo-TEG den Kühlmittelkreislauf, was besonders bei Antrieben mit Brennstoffzellen erhebliche Vorteile bietet. Die eingespeiste elektrische Energie erhöht die Effizienz der Wasserstoffanwendung und reduziert sowohl den Wasserstoffverbrauch als auch die Betriebskosten.

Projektziele

Das Projektziel besteht darin, die Kryo-TEG-Technologie in Zusammenarbeit mit der Daimler Truck AG zu untersuchen. Besonders herausfordernd sind dabei die Entwicklung der Wärmeübertragungsstrukturen sowie die Auswahl leistungsfähiger thermoelektrischer Module, insbesondere unter Berücksichtigung der extrem niedrigen Temperaturen von bis zu -253 °C.

Nutzfahrzeug mit Integration eines Kryo-TEG am LH2-Tank Bildquelle: DLR

Die Systemauslegung erfolgt mithilfe validierter Simulationsmodelle und basierend auf zuvor charakterisierten thermoelektrischen Modulen. Nach erfolgreicher virtueller Konzeptphase folgt der Aufbau eines generischen Funktionsmusters, das anschließend an einem speziell hierfür entwickelten Kryo-Prüfstand vermessen wird. Dieses Funktionsmuster ist sowohl messtechnisch als auch konstruktiv so gestaltet, dass die Ergebnisse auf verschiedene Wasserstoffanwendungen übertragbar sind. Im Rahmen der Zusammenarbeit mit der Daimler Truck AG liegt der Schwerpunkt auf der Anwendung in Nutzfahrzeugen. Dazu wird ein 1-D-Modell des LH2-Systems und des kostennutzen-optimierten Kryo-TEGs entwickelt. Mit diesem Modell wird das Potenzial des Kryo-TEGs anhand realer Fahrdaten abgeschätzt und bewertet. Konkret bedeutet dies, dass die vom TEG bereitgestellte elektrische Energie und der eingesparte Wasserstoff quantifiziert werden. Daraus lässt sich schließlich ableiten, welches Effizienzsteigerungs- und Kostensenkungs-potential durch den Einsatz des Kryo-TEGs erzielt werden kann.

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