Zo werkt een liquefier voor waterstof

It’s all about Cryogenius.

hoe werkt een waterstofcondensator1

In onze vorige blogs over waterstof hebben we het meermaals gehad over het verschil tussen gasvormige- en vloeibare waterstof. Na productie in gasvorm wordt waterstof vaak in vloeibare vorm opgeslagen of getransporteerd, waarna het al dan niet opnieuw gasvormig wordt gemaakt voor gebruik.

In deze blog kijken we naar de liquefier, ofwel de toepassing die gasvormige waterstof omzet in vloeibare waterstof. We bespreken waar de liquefier voor wordt gebruikt en kijken naar drie verschillende technieken die het mogelijk maken om waterstof zodanig af te koelen dat het vloeibaar wordt.

Wat is een liquefier voor waterstof?

Een liquefier is een toepassing die kan worden gebruikt om waterstofgas vloeibaar te maken. Waterstof wordt vloeibaar wanneer dit de extreem lage temperatuur van -252,9 ℃ bij atmosferische druk bereikt, en de liquefier is dan ook simpelweg een koelsysteem waarmee deze temperatuur onder de juiste omstandigheden wordt behaald.

Het bereiken van cryogene temperaturen is niet makkelijk. Er wordt echter actief onderzoek gedaan naar de beste technieken voor extreme koeling, en er zijn diverse goed functionerende liquefiers beschikbaar. Enkele voorbeelden hiervan zijn de Pulse tube, de Stirling cryogenerator, de Joule- Thomson cooler en de Gifford-McMahon (GM) cryocooler.

Drie soorten liquefiers uitgelicht

Drie bekende liquefiers die met succes worden ingezet voor het vloeibaar maken van waterstof zijn de GM cryocooler, de Stirling cryogenerator en de (Joule-Thomson) liquefier die waterstof vloeibaar maakt met behulp van een medium dat nóg kouder is dan de benodigde -252,9 ℃.

De GM cryocooler

De eerste liquefier die met slimme technieken extreem lage temperaturen bereikt, is de Gifford-McMahon (GM) cryocooler. De GM cooler is een efficiënt koelsysteem dat gebruik maakt van een zogenaamde cooling cycle. Door waterstofgas langs het koudste deel de cryocooler te leiden, kan dit voldoende worden afgekoeld om de vloeibare vorm te bereiken.

Hoe werkt dit? De GM cryocooler maakt gebruik van een werkmedium, in dit geval helium. De werking en de cooling cycle van het systeem worden verklaard aan de hand van een schematische weergave. De cyclus omvat vier stappen:

  • Tijdens de eerste stap is de hogedrukzijde van de compressor via een roterende klep aangesloten op de ‘cold head,’ met daarin de displacer (verdringer), de regenerator en de warmtewisselaars. De koude warmtewisselaar staat in contact met waterstof, dat condenseert. De displacer beweegt naar de meest linker positie, waardoor warm helium van de warme ruimte via de regenerator naar de de koude ruimte wordt verplaatst. De helium staat onderweg tijdelijk warmte af aan de regenerator en bereikt de koude ruimte met temperatuur Te.
  • Vervolgens is tijdens de tweede stap de grootte van de koude ruimte maximaal, en wordt de cold head via de roterende klep aangesloten op de lagedrukzijde van de compressor. Een deel van het helium stroomt terug naar de warme kant van de cold head. Al het helium expandeert isotherm, waarbij warmte via de warmtewisselaar in de koude ruimte wordt onttrokken aan de waterstof.
  • Tijdens de derde stap beweegt de displacer naar de rechter positie en stroomt koud gas via de regenerator, waar het weer opwarmt, naar de warme ruimte.
  • Tijdens de vierde stap wordt tenslotte de warme ruimte door de roterende klep aangesloten op de hogedrukzijde van de compressor. De warmte die bij de isotherme compressie vrijkomt, wordt via de warmtewisselaar aan de warme zijde van de cold head afgevoerd., waarna de cyclus zich herhaalt.

De GM cryocooler werd al in 1963 ontwikkeld door Gifford-McMahon en wordt sindsdien in verschillende vormen ingezet voor voornamelijk kleinschalige systemen, zoals MRI-apparaten, cryopompen én het vloeibaar maken van gassen zoals waterstof.

hoe werkt een waterstofcondensator2

Een schematische weergave van de werking van een GM cryocooler.

Bron: Wikipedia

De Stirling cryogenerator

Een tweede liquefier die zeer geschikt is voor het vloeibaar maken van waterstof is de Stirling cryogenerator. Ook deze koeler bereikt dermate lage temperaturen, dat waterstofgas vloeibaar wordt wanneer dit langs de koeler wordt geleid.

De Stirling cryogenerator is gebaseerd op een zeer oude methode, de Stirling Cycle genoemd, die al in 1816 werd ontwikkeld door Robert Stirling. Net als de GM cryocooler is de cryogenerator in staat vrijwel alle gassen en vloeistoffen af te koelen tot extreem lage temperaturen (lager dan -253 ℃).

Hoe werkt dit? De cryogenerator is een gesloten systeem dat gebruik maakt van heliumgas voor het afkoelen van een ander medium of een andere stof, zoals waterstof. De koeling wordt bereikt door het afwisselend comprimeren en expanderen van het heliumgas. De compressie vindt plaats bij kamertemperatuur om het afvoeren van warmte mogelijk te maken, terwijl de expansie plaatsvindt bij (en zorgt voor) een vereiste lage temperatuur.

Het gas wordt met behulp van een verdringer door het systeem geleid, waarbij het diverse warmtewisselaars en een regenerator passeert. Dit slimme systeem is in staat zeer efficiënt extreme kou te bereiken, zonder giftige gassen uit te stoten. Dit maakt de methode erg milieuvriendelijk.

Net als de Gifford-McMahon (GM) cryocooler, wordt ook de Stirling cryogenerator voornamelijk ingezet voor kleinschalige systemen. Voor grootschalige systemen wordt meestal gebruik gemaakt van Joule-Thomson systemen, zoals beschreven in het volgende deel van deze blog.

https://www.youtube.com/watch?v=GqIapDKtvzc&t=438s

En oud, maar zeer interessant filmpje van Philips Cryogenics over de ontwikkeling en techniek van de cryogenerator.

Meer weten over de werking van de Stirling cryogenerator en de GM cryocooler? Dit artikel, gepubliceerd in Cold Facts, gaat uitgebreid in op de overeenkomsten en verschillen tussen de twee methoden.

Liquefying met behulp van een nog kouder materiaal

Als laatste kan waterstof vloeibaar worden gemaakt door dit te koelen met een nóg koudere stof dan vloeibare waterstof: vloeibare helium. Vloeibare helium heeft een temperatuur van maar liefst -269 ℃ (bij atmosferische druk) en is dus aanzienlijk kouder dan vloeibare waterstof met -252,9 ℃. Helium wordt in dit soort installaties vloeibaar gemaakt met een Joule-Thomson systeem.

Een mooi voorbeeld van een project waarbij deze methode werd toegepast is een onderzoek van de European Spallation Source (ESS). Een aantal jaar geleden deed de ESS onderzoek naar de beste inrichting van een liquefier voor waterstof, waarbij gebruik werd gemaakt van vloeibare helium als koelmiddel. De vloeibare waterstof zou uiteindelijk worden ingezet als koelmiddel tijdens verstrooiingsexperimenten

Hoe werkt deze liquefier? Het ontwerp van de ESS bestaat uit twee losse delen, één voor de vloeibare helium en één voor de waterstof. De helium koeler wordt met relatief lange transferleidingen gelinkt aan een turbine expansiesysteem, dat in verbinding staat met de cold box voor waterstof. Deze is vervolgens gekoppeld aan een moderator reflector plug, ook met de nodige transferleidingen.

hoe werkt een waterstofcondensator3

Voorgesteld stroomschema voor cryogene waterstofcirculatie en de helium cooler binnen het ESS-project.

Bron: Physics Procedia (2015)

Om de gewenste temperatuur te bereiken voor het koelen van de waterstof, wordt de helium door een circuit geleid en hierin op de juiste manier bewerkt. Het gas passeert diverse warmtewisselaars en wordt onder de juiste druk opgewarmd én gekoeld zodat het uiteindelijk de benodigde temperatuur bereikt en behoudt.

Vanwege de stralingsveiligheidsmaatregelen binnen dit project zijn de locaties en afstanden tussen de helium cooler en het turbine expansiesysteem onder de waterstof cold box vrij lang. De onderdelen van het systeem worden verbonden met lange transferleidingen, en dit is waar Demaco een rol speelt.

Demaco is expert in het ontwerpen en bouwen van transferleidingen voor cryogene vloeistoffen en was dan ook de perfecte partij om bij dit project betrokken te zijn. Binnen projecten zoals het ESS-project denken wij mee over complexe vraagstukken, onder meer met betrekking van het vervloeien van waterstof. Geen uitdaging is ons te groot en we zijn trots op de expertise die we binnen diverse waterstofprojecten hebben opgedaan.

Meer weten over het ESS-project? In dit artikel in Physics Procedia gaan Klaus en collega’s uitgebreid in op alle details van de geavanceerde liquefier.

Meer weten?

Heb je vragen over ons werk? Neem gerust contact met ons op of neem een kijkje tussen onze producten en projecten voor meer informatie.

Meer weten over ons werk met vloeibare waterstof? Bekijk dan deze pagina of onze recente blogs over boil-off gas en waterstof pijpleidingen eens. Hierin lees je alles over de kenmerken van vloeibare waterstof en de betrokkenheid van Demaco bij het ontwikkelen van de beste cryogene infrastructuren.

Verwante berichten

Neem contact met ons op voor meer informatie

Subscribe to Demaco