Ziel der Entwicklung

Tiefkalt verflüssigte Gase liegen fast immer im siedenden Zustand vor, da sie durch die nicht perfekte thermische Isolation von Lager- oder Transportbehältern mit Umgebungswärme aufgeheizt werden. Zur Entnahme und zur Verwendung müssen sie häufig auf Drücke gebracht werden, welche oberhalb des Berstdrucks der Behälter liegt. Dies kann energie-effizient durch das Pumpen in der flüssigen Phase erfolgen, da durch die hohe spezifische Dichte deutlich weniger Arbeit verrichtet werden muss als wenn Gas gepumpt würde.Gleichzeitig können Druckerhöhungen > 10 bar nicht direkt erzeugt werden, da das verflüssigte, jedoch siedende Medium schnell in die Gasphase übergeht. Deshalb müssen entweder aufwändige Unterkühler eingesetzt werden, oder mehrere Pumpenstufen mit puffernden Zwischenbehältern sind notwendig. Alle Komponenten sind für tiefkalte Temperaturen isoliert auszuführen.Die Entwicklung löst die Problemstellung durch eine zweistufige Druckerhöhung, welche im Innern des Lagertanks platziert werden kann. Aufwändig thermisch isolierte Transportleitungen zwischen den Komponenten oder Pufferbehälter werden vermieden.

Vorteile und Lösungen

Die Konstruktion der zweistufigen Pumpe ist derart gestaltet, dass sie in den Lagertank integriert betrieben werden kann: Eine erste Stufe, welche in die Flüssigkeit eingetaucht ist, fördert das Fluid synchronisiert der zweiten Pumpenstufe zu. Dabei wird eine geringfügige Druckerhöhung durchgeführt, was den Übergang in die Gasphase zuverlässig verhindern kann trotz Aufnahme von Wärme.Die zweite Stufe, welche geometrisch weiter oben in der Gasphase oder gar im Halsrohr des Tanks positioniert wird, erzeugt dann den gewünschten hohen Druck. Dabei kommt es unvermeidlich zur Erzeugung von Kompressionswärme, außerdem erzeugt die Kolbendichtung Reibungswärme. Beides führt zum Aufheizen der Hochdruckpumpe; die Zuführung von bereits überdrücktem / unterkühltem Medium von der ersten Pumpenstufe verhindert jedoch die Phasenumwandlung, entsprechend hoch ist der massestrom-bezogene Wirkungsgrad der Pumpe.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Entwicklung kann überall eingesetzt werden, wo kryogen verflüssigte Gase auf Drücke (weit) oberhalb 10 bar gebracht werden müssen. Beispiele hierfür sind das Abfüllen von Luft-Gasen wie Stickstoff, Sauerstoff, Argon auf Druckgasflaschen, da diese Gase durch das Verflüssigen der Luft und anschließende Destillationstrennung als flüssige Phase gewonnen werden. Ein weiterer Markt ist im Automotive- und Transport-Bereich zu finden, wo zwecks Erhöhung der Speicherdichte beispielweise Methan oder Wasserstoff in tiefkalt verflüssigter, jedoch siedender Form gelagert und mitgeführt werden. Diese müssen vor der Injektion in Verbrennungs-Kraftmaschinen auf hohe Drücke gebracht werden, um in ausreichend kurzer Zeit in die Motorzylinder eingeblasen zu werden. Für Brennstoffzellen, mit Wasserstoff betrieben, werden zwar geringe Drücke im Bereich von 20 bar benötigt, aber auch diese Drücke übersteigen üblicherweise die Druckfestigkeit der kryogenen Tanks.Mit dieser Entwicklung werden keine zusätzlichen Anlagenteile für die Druckerhöhung benötigt, da sämtliche Komponenten in den Lager- oder Transporttank integriert sein können. Lediglich der Antrieb der Pumpe wir zweckmäßigerweise bei Raumtemperatur außen am Tank montiert.