Verbundprojekt: Sichere Speicherung und Transport von kryogenem Wasserstoff; Teilvorhaben: Betriebsverhalten katalytischer Rekombinatoren - STACY

Abstract

Die großtechnische Speicherung und der Transport von verflüssigtem (kryogenem) Wasserstoff (LH2) aufgrund der hohen Speicherdichte wird voraussichtlich eine grundlegende Rolle in einer künftigen Wasserstoffwirtschaft spielen. Das übergeordnete Ziel des Projekts war daher, einen Beitrag zur Sicherheit von LH2-Speicherung und -Transport zu leisten, durch (1) die experimentelle Bestimmung grundlegender sicherheitsrelevanter Parameter der Wasserstoffverbrennung, die für sehr niedrige Temperaturen noch nicht verfügbar sind, (2) die Entwicklung und Qualifizierung neuartiger Katalysatoren für katalytische Rekombinatoren zur Verhinderung der Bildung entzündlicher Gasgemische bei Wasserstoff-Leckagen, (3) die Anwendung fortschrittlicher numerischer Werkzeuge zur Untersuchung von Szenarien potenzieller Wasserstofflecks und zur Bewertung der Effizienz von Sicherheitsmaßnahmen. Der gemeinsame Förderaufruf der European Interest Group CONCERT-Japan „Joint Call on Sustainable Hydrogen Technology as Affordable and Clean Energy“ zielte zudem darauf ab, nachhaltige und multilaterale Forschungszusammenarbeiten zu unterstützen, insbesondere durch die Förderung der grenzüberschreitenden Mobilität zwischen europäischen und japanischen Forschern. Die STACY-Partner organisierten daher drei gemeinsame Symposien bzw. Workshops, die in Kobe/Japan (2022), Orléans/Frankreich (2023) und Jülich/Deutschland (2024) stattfanden und den beteiligten Studenten und jungen Forschern einzigartige Gelegenheiten boten, sich interkulturell auszutauschen. Die gemeinsame japanisch-europäische Finanzierung ermöglichte zudem mehrere gemeinsame Versuchskampagnen, bei denen eine japanische Delegation von Studenten und ihrem Professor von der KGU in jedem Projektjahr eine Woche lang im Wasserstofflabor des FZJ in Deutschland verbrachte. Im deutschen Teilprojekt wurde eine Doktorandin über das Vorhaben finanziert, die ihre Promotion erfolgreich abschließen konnte. Zwei mehrwöchige Forschungsaufenthalte der Jülicher Doktorandin beim CNRS in Orléans ermöglichten vertiefte reaktionskinetische Studien, die zu einem wertvollen Baustein für die Anfertigung der Dissertation wurden. Die Verbrennung von Wasserstoff und die Phänomene, die zur Auslösung einer Explosion führen, sind aufgrund jahrzehntelanger Forschung für eine große Bandbreite von Druck- und Temperaturbedingungen gut erforscht. Das französische Teilprojekt „Grundlagen der Verbrennung“ befasste sich mit der bisher wenig untersuchten Explosionsneigung von Wasserstoff unter kryogenen Bedingungen. Hierzu wurden grundlegende Verbrennungs-parameter bei niedrigen Temperaturen bestimmt. CNRS-ICARE hat durch Experimente bei niedrigen Temperaturen in einer zylindrischen Brennkammer das Verständnis der wesentlichen Verbrennungseigenschaften in Bezug auf die Sicherheit erweitert. Die Verdünnung und Belüftung von Wasserstofffreisetzungen in geschlossenen Raumbereichen sind die wirksamsten Mittel, um die Bildung entzündlicher Gemische zu vermeiden. In schlecht belüfteten Bereichen, z.B. auf einem maritimen Wasserstofftransporter, können katalytische Rekombinatoren darüber hinaus eine wichtige Wasserstoff-senke darstellen. In diesem Zusammenhang verfolgte das vorliegende deutsche Teilprojekt „Betriebsverhalten katalytischer Rekombinatoren“ das Ziel, Katalysatoren zu qualifizieren sowie Rechenmodelle zu entwickeln, die eine Bewertung der Effektivität der Sicherheitsmaßnahmen ermöglichen sollen. Die Testergebnisse zeigen, dass die direkte Übertragung der Rekombinatortechnologie auf Anwendungen außerhalb von Kernkraftwerken nicht unmittelbar möglich ist. Insbesondere zum Starten werden erheblich höhere Eingangskonzentrationen benötigt. Sobald der Katalysator aktiviert ist, bleibt er nur bis zu Temperaturen von etwa -40 °C aktiv. Die Senkung der Einlasstemperatur hatte dabei keinen signifikanten Einfluss auf den Rekombinationsprozess. Eine kontinuierliche elektrische Erwärmung der Katalysatoren könnte einen schnelleren Start des Rekombinatorbetriebs ermöglichen. Es wird daher empfohlen, bei der zukünftigen Betrachtung von Rekombinatoren auch beheizte Katalysatoren zu berücksichtigen. Das japanische Teilprojekt „Katalysatorentwicklung“ hatte zum Ziel, einen neuartigen Katalysator zu entwickeln, der speziell unter den Randbedingungen von LH2-Anwendungen bei niedrigen Temperaturen funktioniert. Die Forschung an der Kwansei Gakuin University konzentrierte sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Katalysatortechnologien mit dem Ziel, die katalytische Aktivität bei niedrigen Temperaturen zu verbessern, die Reaktivität unter sauerstoffarmen Bedingungen zu erhöhen, die Zündung durch Unterdrückung der katalytischen Aktivität zu verzögern und die Widerstandsfähigkeit gegen Katalysatorvergiftung sicherzustellen. Darüber hinaus wurden in den REKO-Einrichtungen des Forschungszentrums Jülich Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluss niedriger Temperaturen auf die Start- und Umwandlungseffizienz von Katalysatoren zu untersuchen und so Daten für die Entwicklung von Rekombinatorsimulationen zu generieren. Das spezifische Ziel des französischen Teilprojekts „Bewertung der Sicherheitsmethodik“ bestand darin, bewährte Codes zur Simulation der Wasserstoffverteilung und -vermischung anzuwenden, um potenzielle Modellierungslücken zu ermitteln, mögliche Unfallszenarien zu untersuchen und Informationen über potenzielle Randbedingungen und räumliche Anordnungen für zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen zu liefern. IRSN hat hierzu Risikobewertungsmethoden und -codes aus der Bewertung von Kernkraftwerken genutzt, um die Anwendbarkeit und Grenzen bestehender numerischer Simulationswerkzeuge zu demonstrieren. Hierbei wurde das im deutschen Teilprojekt entwickelte numerische Modell verwendet, um die Effizient der Installation von Rekombinatoren im Maschinenraum eines LH2-Transportschiffs zu simulieren. Im Laufe des Projekts wurden die im Rahmen von STACY durchgeführten Arbeiten von den STACY-Partnern kontinuierlich auf relevanten Konferenzen vorgestellt. Die Netzwerkaktivitäten des STACY-Projekts umfassten auch die Teilnahme an Treffen thematisch verwandter Projekte. Intensive Diskussionen mit der internationalen Wasserstoffsicherheitsgemeinschaft über den Arbeitsplan und die Ergebnisse des Projekts fanden bei den internationalen Research Priorities Workshops statt, die von der International Association on Hydrogen Safety (IA HySafe) organisiert wurden.