TurboHeTra – Zweiflutiges kryogenenes Transfersystem mit Pumpe zur verlustreduzierten Flüssigheliumversorgung

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Haberstroh
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566285956

Flüssighelium (LHe) ist unverzichtbar zur Kühlung bei 4 K, nahe des Absoluten Nullpunkts, wie benötigt für Grundlagenforschung, Materialentwicklung und fast heutigen Anwendungen der Supraleitung. Entsprechende, selbstbetriebene Heliumverflüssiger sind daher Standard an fast allen Universitäten und diesbzgl. Instituten. Solche Heliumanlagen sind kostenintensiv (typ. 2 M€ pro Anlage), die Heliumrückverflüssigung ist recht energieintensiv (2 - 5 kWh pro Liter LHe, ohne Nebenaggregate; thermodynamisch zwangsläufig bedingt durch Carnotfaktor, überdies durch realisierbare Anlagenwirkungsgrade). Zentral in tiefkalt-flüssigen Zustand gebrachtes LHe muss in mobile Isolierkannen abgefüllt werden zur Verbringung an die jeweiligen Nutzungsstellen. Gerade hier liegt ein großer Verlustfaktor: Standard heute ist der Einsatz einflutiger vakuumisolierter Transferheber. Der Transfer wird bewirkt durch eine Druckbeaufschlagung im Starttank. Resultierend sind große Abdampfverluste. Beim Abfüllen einer bestimmten LHe-Menge fallen weitere 30 % dieser Menge als Abdampfverlust ("Flashgas") an - Gas, welches beim Abfüllvorgang mit einigem Aufwand aufgefangen und erneut komplett prozessiert werden muss. Allein deutschlandweit sind ca. 100 solcher meist zentral betriebenen Heliumanlagen im Einsatz (umfassend jeweils Helium-Rückgewinnungs, Rückverflüssigungs und LHe-Abfüllanlagen). Typische Abgabemengen liegen bei 80 000 - 200 000 l LHe/Jahr, welche bei der jeweils betroffenen Institution als Kälteträger benötigt werden. Es geht also um erhebliche Mengen. Das erneute Prozessieren der Abdampfverluste - umfassend Auffangen, Zwischenlagern, auf Hochdruck verdichten, Hochdruckspeicher, Reinigen und erneutes Verflüssigen ist sehr energieintensiv, hinzu kommen laufzeitabhängige Service-, Personalkosten etc. Ein erheblicher Teil der jeweiligen Gerätekapazität ist zwangsläufig mit dieser Flashgasprozessierung belegt. Viele dieser Heliumanlagen laufen (aufgrund im Allgem. überall steigender LHe-Bedarfe) bereits an der Kapazitätsgrenze, müssten normal gegen größere Neuanlagen ausgetauscht werden aus diesem Grund. Vom Antragsteller, verantwortlich für die zentrale Heliumanlage der TU Dresden und die dortige LHe-Versorgung, konnte an der eigenen Anlage bereits eine extrem verbesserte Abfülleinrichtung realisiert werden. Gearbeitet wird mit einem zweiflutigen vakuumisolierten Transferheber. Der Massenstrom wird nicht mehr durch Druckbeaufschlagung bzw. Differenzdruck zw. Start- und Zieldewar bewirkt, sondern durch eine selbstentwickelte Turbopumpe. Damit können fast alle der beim o.g. einflutigen Abfüllprozess zwangsläufigen Verlustfaktoren überwunden bzw. sehr stark vermindert werden (auf letztendlich wenige % der abgefüllten Menge). Ziel des Vorhabens ist es, diese Technologie dergestalt weiterzuentwickeln, dass solche zweiflutigen Transfereinrichtungen quasi als "Umrüstsatz" bei der Mehrzahl der genannten Heliumanlagen eingesetzt werden können.

• DFG-Verfahren: Weitere Gerätebezogene Förderung
• Großgeräte: zweiflutiger LHe-Transferheber (2 Ausf.)
• Gerätegruppe: 8590 Sonstige Kälteanlagen und -geräte (außer 850-858)