Magnetische Kühlung im Industriemaßstab

Gemessen am heutigen Verbrauch verfünf­facht sich Schätzungen zufolge der weltweite Wasserstoff-Bedarf bis 2050 auf 550 Millionen Tonnen. Bei der Verflüssigung geht jedoch ein Drittel des Energie­inhalts von Wasserstoff verloren. Im Rahmen des mit etwa fünf Millionen Euro geförderten Horizont Europa-Projekts HyLICAL will jetzt ein Team unter Mitwirkung des HZDR, der TU Darmstadt und Magnetotherm Techno­logien zur Speicherung von Flüssig­wasserstoff deutlich verbessern. Dafür setzt das Team auf magneto­kalorische Materialien: Stoffe, die ihre Temperatur ändern, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht werden.

„In dem Gemeinschafts­projekt wollen wir mit Partnern aus neun europäischen Ländern den Energie­verbrauch sowie die Investitions- und Betriebs­kosten bei der Wasserstoff-Verflüssigung entscheidend senken“, sagt Tino Gottschall vom Hochfeld-Magnetlabor Dresden am HZDR. Dafür wollen die Partner ihr Fachwissen auf den Gebieten Material­forschung, Anlagen­entwick­lung sowie Simulation bündeln und in eine neue Technologie überführen.

Flüssiger Wasserstoff hat eine siebzig Prozent höhere volumetrische Energiedichte als der an Wasserstoff­tankstellen komprimierte gasförmige Wasserstoff. Das macht den Transport und die Speicherung großer Mengen Flüssig­wasser­stoffs so attraktiv. Wasserstoff könnte künftig eine größere Rolle im Verkehr spielen – bis hin zum Energieträger in der Schwerlast­mobilität. Die Verflüssigung von Wasserstoff, wie sie im Vorhaben geplant ist, soll die techno­logische Machbar­keit zur Handhabung großer Mengen Wasserstoff erkunden.

„Wir wollen eine alternative Technologie zur Verflüssigung etablieren, die auf dem Prinzip der magnetischen Kühlung beruht. Wenn wir das mit dem herkömmlichen Kühlprozess bildhaft vergleichen wollen, würde ein Magnet die Rolle des Kompressors übernehmen und das magneto­kalorische Material die des Kühlmittels. Ihr Zusammen­spiel ermöglicht es uns, die für die Wasserstoff-Verflüssigung nötigen tiefen Temperaturen zu erreichen“, umreißt Oliver Gutfleisch vom Institut für Material­wissen­schaft an der TU Darmstadt kurz die dem Projekt zugrunde­liegende Idee.

Aus langjährigen gemeinsamen Vorarbeiten heraus wurde 2019 die Firma Magnetotherm aus der TU Darmstadt ausgegründet. Das große Ziel des Start-ups: die Markt­einführung der magnetischen Kühlung. Mit einem Getränke­kühler für industrielle Anwendungen gibt es bereits ein kommerzielles Produkt. HyLICAL ist nun der nächste Schritt in Richtung Tief­temperatur-Anwendung. Die Forscher wollen einen Prototyp bauen, mit dessen Hilfe die magnetische Kühlung Einzug in die industrielle Wasserstoff-Verflüssigung halten soll. Das Team kann dabei auf die langjährige Expertise am sowohl in der Entwicklung und Herstellung von Magnet­spulen als auch in der Kryotechnik zurückgreifen.

„Wir haben bereits viele magnetische Materialien in hohen Feldern untersucht – diese Material­bibliothek ist ein Erfahrungs­schatz, auf dem wir aufbauen können“, sagt Gottschall. An der TU Darmstadt entwickeln Wissenschaftler bereits magneto­kalorische Materialien, die im angestrebten Temperatur­bereich arbeiten. „Zur Wasserstoff-Verflüssigung benötigen wir -253 Grad Celsius. Diesen sehr tiefen Temperaturen nähern wir uns durch Vorkühlung mit flüssigem Stickstoff, mit dem wir bis auf -196 Grad kommen. Die Differenz muss dann unser magneto­kalorisches Material schaffen“, erklärt Gutfleisch.

Mit der Pilotanlage möchte das Team demonstrieren, dass die Wasserstoff-Verflüssigung mit dem magneto­kalorischen Prinzip im Industrie­maßstab umsetzbar ist, das heißt konkret: für eine Produktion von mehr als fünf Tonnen am Tag. Zudem wollen die Forscher den Material­einsatz an kritischen Rohstoffen zurück­fahren. Das Team erwartet einen bis zu fünfzig Prozent geringeren Energie­verbrauch bei der Verflüssigung, verglichen mit der momentan etablierten konven­tio­nellen Technologie.

All das soll Flüssig­wasser­stoff deutlich kosten­günstiger machen. Darüber hinaus gestattet das Konzept die Umsetzung von Verflüssigungs­anlagen, die in kleinem Maßstab und dezentral arbeiten können. Dieser Betriebs­modus macht die Technologie deshalb auch interessant für den Ausbau erneuerbarer Energie­quellen. Ebenfalls oftmals dezentral gewonnen, ließe sich deren Energie so vorteil­haft über den Umweg Flüssig­wasserstoff zwischen­speichern.

HZDR / RK

Weitere Infos

• HyLICAL – Development and validation of a new magnetocaloric high-performance hydrogen liquefier prototype, Europäische Union
• Hochfeld-Magnetlabor Dresden, Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf
• Institut für Materialwissenschaft, Technische Universität Darmstadt