Was ist Kryotechnik?

Kryotechnik gilt als die Wissenschaft der niedrigen Temperaturen und basiert auf der Abkühlung von Elementen unter -100º und der daraus resultierenden Verflüssigung von Gasen. Der kryogene Sektor umfasst die gesamte Wertschöpfungskette; von der Konstruktion bis zur Fertigung, Montage und Wartung von Kryoanlagen.

Der erste Dewar wurde vor fast 130 Jahren mit dem Ziel erfunden, verflüssigte Gase bei extrem niedrigen Temperaturen einzuschließen. Wir schreiben das Jahr 1892 und James Dewar war bereits in sein Studium flüssiger Gase vertieft. Wenige Jahre später, im Jahr 1898, gelang es ihm noch im Zuge seiner Tieftemperaturforschung, als erster Mensch flüssigen Wasserstoff herzustellen.

Seitdem ist viel passiert, so viel, dass Lagertanks (immer noch als Dewars bezeichnet) und Kryotechnik zu einem grundlegenden Bestandteil von unschätzbaren Sektoren und Industrieprojekten geworden sind.

Entwicklung in den letzten Jahren der Kryotechnik

Verschiedene globale Berichte, darunter eine im letzten Jahr in APNews veröffentlichte Studie, bestätigen, dass der Kryotechnikmarkt zwischen 2020 und 2029 aufgrund der steigenden Nachfrage nach verschiedenen Anwendungen zur Steigerung der betrieblichen Effizienz ein lukratives Wachstum aufweisen wird.

Beim dringenden Übergang zu saubereren Energien hat die Notwendigkeit, stabile und hochproduktive Prozesse zu erreichen, die Forschung zu fortschrittlichen Kryogenisierungstechniken in den Mittelpunkt gerückt, die wir später in diesem Artikel erläutern werden.

Im Einklang mit dem Beitrag zur Beschleunigung des Dekarbonisierungsprozesses und zur Bekämpfung des Klimawandels durch sauberere Energie sprach Cristina González, Direktorin für Innovation und Interessenvertretung bei FEIQUE, in einem von Ambientum geführten Interview über die kryogene Abscheidung von CO2, um zu verhindern, dass es die Atmosphäre verlässt anlässlich des Forums „Smart Chemistry, Smart Future“ 2021.

Neben der kryogenen Bedeutung, die mit der für eine bessere Zukunft notwendigen Nachhaltigkeit und Erhaltung verbunden ist, boomt der kryogene Sektor in einer Vielzahl von Branchen mit sehr unterschiedlichen Naturen.

Sektoren, die am häufigsten kryogene Technologie einsetzen

Luft-und Raumfahrtindustrie

Kryo-Kältemaschinen für den Weltraum haben bisher eine hervorragende Leistung und Kapazität gezeigt, was zu einem verstärkten Einsatz aktiver Kühlung im Weltraum geführt hat.

Die Verwendung von Supraleitern, kryogenen Wasserstoffsystemen zum Antrieb von Elektroflugzeugen, Wasserstoffbrennstoffzellen und Wasserstoff als Treibstoff für Raketenantriebe revolutionieren die Industrie.

Nahrungsmittelindustrie

Verschiedene Lebensmittelindustrien wie Fleisch, Milchprodukte, Landwirtschaft oder Fisch profitieren zunehmend von der kryogenen Lebensmittelverarbeitung für ihre Konservierung. Die Verwendung von kryogenen Reingasen findet Anwendung beim Kühlen, Gefrieren und Stabilisieren aller Arten von Lebensmitteln und Getränken, einschließlich der Herstellung von Speiseeis.

Durch die Verwendung von flüssigem Stickstoff oder CO2 in Lebensmittelqualität ist es möglich, die Temperatur der Produkte auf unter -18 °C zu senken, wodurch ihre Nährwert- und Geschmackseigenschaften erhalten bleiben.

Metallurgischer Sektor

Diese Gase werden in der Schweiß- und Schneidindustrie verwendet, um die Temperatur und Reaktionen von Materialien zu regulieren und ihre Haupteigenschaften erheblich zu verbessern. Kryotechnik wird hauptsächlich in Materialien und Prozessen mit hoher thermischer Belastung eingesetzt.

Am Beispiel der Bearbeitung von Materialien wie rostfreien Stählen und gehärteten Stählen zeigen die Ergebnisse, dass die mit kryogenen Werkzeugen durchgeführten Arbeiten bessere Qualitäten aufweisen; hauptsächlich in Bezug auf Verschleiß, Maßtoleranzen und Oberflächenbeschaffenheit.

Lesen Sie weiter: Tipps zur Gewährleistung der Lagerung und des Transports von kryogenen Gasen

Neue Fortschritte für die Zukunft der Kryotechnik

1. HMI-Technologie

Die Einbeziehung der „Human-Machine-Interface“-Technologie (HMI) stellt dank der Kombination aus digitaler Transformation und Kryotechnik eine neue Ebene der Raffinesse bei kryogenen Prozessen dar.

Diese fortschrittliche Technologie ermöglicht es, direkt an den Prozessen der kryogenen Systeme und an den Maschinen, die sie ermöglichen, zu arbeiten und die Prozesse in Echtzeit zu überwachen und zu steuern. Dank einer leicht zugänglichen, intuitiven und programmierbaren digitalen Schnittstelle werden die Informationen auf einem intuitiven Bildschirm an den Bediener übermittelt.

2. CCS-Technologie

Die kryogene Destillation ist eine vielversprechende Technologie zur Erreichung der Energie- und Klimaziele. Wie bereits erwähnt, umfasst es eine integrierte Reihe von Technologien, die verhindern können, dass große Mengen an CO2 durch die Verwendung beliebter und schädlicher fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre freigesetzt werden. 

Die CCS-Kette besteht aus drei Teilen: der Abscheidung von Kohlendioxid, seinem Transport zu einem Speicherort und seiner Verwendung als Ressource zur Herstellung wertvoller Produkte und Dienstleistungen oder zur unterirdischen Speicherung in geologischen Formationen.

3. Kryogene Destillationsverfahren

Die kryogene Destillation hat mehrere proprietäre Verfahren entwickelt, und ihre Forschung konzentrierte sich hauptsächlich auf die Kostenoptimierung. Der kryogene Destillationsprozess trennt CO2 von anderen leichten Gasen, es wird bei einem hohen Druck von 100- bis 200-fachem Atmosphärendruck komprimiert, und die Menge an zurückgewonnenem CO2 kann 90-95 % des Rauchgases erreichen.

Da die Destillation bei extrem niedriger Temperatur und hohem Druck durchgeführt wird, handelt es sich um einen energieintensiven Prozess, der auf 600-660 kWh pro Tonne in flüssiger Form zurückgewonnenem CO2 geschätzt wird, was ihn für hohe CO2-Gehalte geeignet macht. Das Ergebnis sind große Vorteile beim Transport von CO2, da keine Kompressoren benötigt werden, sondern Pumpen verwendet werden.

4. Neue Treibstoffe in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Luft- und Raumfahrtbehörden wechseln von traditionellen und giftigen erdölbasierten Antriebssystemen zu flüssigkeitsbasierten Elektroantrieben; Verwendung sauberer Brennstoffe wie Wasserstoff oder Sauerstoff.

Die Verwendung von flüssigem Stickstoff und die Kombination von flüssigem Sauerstoff und Methan bei Temperaturen zwischen -200 °C und -160 °C war ein großer Fortschritt für den Luft- und Raumfahrtantrieb. Beide Substanzen werden als Treibmittel verwendet, ersetzen also den traditionellen Raketentreibstoff und erreichen überlegene Eigenschaften und mehr Schub für jedes kg Treibmittel.

5. Tieftemperaturstrom als Brennstoff

Über Flugzeuge und Raketen hinaus stellt kryogener flüssiger Wasserstoffbrennstoff einen Durchbruch für die Energiewirtschaft in Bezug auf Effizienz und Kosten im großen Maßstab dar. Wie ein Artikel in National Geographic erklärt, rückt die grüne Luftfahrt immer näher an die Realität. Und es ist so, dass ein NASA-Projekt daran arbeitet, ein Flugzeug zu entwickeln, das mit einem kryogenen Brennstoffzellensystem arbeiten wird.

Die Brennstoffzelle wandelt chemische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff aus der Umgebung um, um Strom in Elektromotoren zu erzeugen. Wasserstoffbasierte Flugzeugsysteme werden komprimierten Wasserstoff enthalten, um den PEM-Brennstoffzellenprozess zu starten, und werden in der Lage sein, eine größere Reichweite zu bieten.

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