Sichere, kostengünstige Technologie für die Wasserstoffabgabe an Brennstoffzellenfahrzeuge
Wasserstofftankstellen sind das Schlüsselelement einer jeden Versorgungskette für Wasserstoffbrennstoff und fungieren als Schnittstelle zwischen verschiedenen möglichen Konzepten für die Wasserstoffversorgung und den zu betankenden Fahrzeugen. Die Kernfunktion der Wasserstofftankstelle ist die kostengünstige, effiziente und zuverlässige Verdichtung sowie die Pufferung von Hochdruckwasserstoff im Hinblick auf dessen Abgabe. Die derzeitige Verdichtungstechnologie ist mechanisch und wurde ursprünglich für Industrieumgebungen entwickelt, in denen der Betrieb stabil ist und genau definierte Wartungsanforderungen eingehalten werden. Der Einsatz einer solchen Technologie an Tankstellen, wo kein durchgängiger Betrieb stattfindet und die Überwachung nur begrenzt möglich ist, wirft jedoch Kosten- und Zuverlässigkeitsprobleme auf.
Ein neuer Ansatz
Das EU-finanzierte Projekt H2REF befasste sich mit dieser Verdichtungs- und Pufferungsfunktion für die Betankung von wasserstoffbetriebenen Personenkraftwagen mit Brennstoffzelle, um so einen neuen Verdichtungs- und Pufferungsprozess voranzutreiben. „Basis hierfür ist der Einsatz pneumatischer Hydrospeicher, die eine zuverlässigere und wirtschaftlichere Lösung bieten und gleichzeitig eine stark verbesserte Leistung erbringen“, so Projektkoordinator Frédéric Barth. Ziel des Konsortiums war die Entwicklung und Validierung einer neuartigen Lösung für die Betankung von mit gasförmigem Wasserstoff betriebenen leichten Nutzfahrzeugen, die auf Blasenspeichern zur Wasserstoffverdichtung und -pufferung basiert. „Die Abgabe von Wasserstoff an leichte Nutzfahrzeuge umfasst neben der Verdichtung auch die Pufferung, da vor der Abgabe Hochdruckwasserstoff angesammelt werden muss. Tatsächlich wäre es nämlich wenig wirtschaftlich, die gesamte erforderliche Verdichtung erst während der Abgabe durchzuführen“, erklärt Barth. Die Projektpartner untersuchten die Verdichtungs- und Pufferungsfunktion für die Betankung von Personenkraftwagen mit 70 MPa (700 bar). Dies beinhaltete alle notwendigen Maßnahmen zur Weiterentwicklung eines neuartigen auf Hydraulik basierenden Verdichtungs- und Pufferungssystems, das vom Technologie-Reifegrad der Stufe 3 (experimentell erprobtes Konzept) bis zum Technologie-Reifegrad der Stufe 6 (Technologie in einer relevanten Umgebung demonstriert) äußerst kostengünstig und zuverlässig ist.
Bewältigte Herausforderungen
Die Prozessgestaltung erforderte die Bewältigung einer Reihe großer Herausforderungen. „Zum Beispiel wurden noch nie zuvor Blasenspeicher entwickelt, die mit dem für die Wasserstoffabgabe erforderlichen erhöhten Druck (bis zu 900 bar) betrieben werden können, da die große Öffnung, die für den Blasenwechsel erforderlich ist, dies erheblich erschwerte“, stellt Barth fest. Darüber hinaus kann der Elastomerwerkstoff (Gummi), aus dem der Blasenspeicher besteht, durch den vom Werkstoff absorbierten Wasserstoff stark beschädigt werden, indem bei Druckabfall Wasserstoff innerhalb des Werkstoffes freigesetzt wird. Die Forschenden testeten daher verschiedene Elastomerwerkstoffe, um herauszufinden, welche von ihnen den Betriebsbedingungen standhalten können. Zudem dringt durch die Blasenwände auch Wasserstoff in das Hydrauliköl ein. „Der Betrieb eines Hydrauliksystems mit Wasserstoff war völlig neu, weshalb erst noch eine Lösung zur Aufrechterhaltung der Sicherheit unter solchen Bedingungen gefunden werden musste“, kommentiert Barth. „H2REF hat gezeigt, dass die mit diesem Ansatz verbundenen technischen Herausforderungen durch die Bereitstellung eines vollständig entwickelten Prozesses sowie eines containerisierten industriellen Prototypsystems in Originalgröße, das erfolgreich in einem geschlossenen Kreislauf betrieben und evaluiert wurde, bewältigt werden könnten.“ Dank ihrer Skalierbarkeit ist die von H2REF entwickelte neuartige Kombination ausgereifter Technologien (Hydraulik und Speicher) ein potenzieller Wegbereiter, um die Anforderungen an die Haltbarkeit und Kapazität der Wasserstoffabgabe sowohl für leichte als auch für schwere Nutzfahrzeuge zu erfüllen und deren Markteinführung voranzutreiben. „Die gewonnenen Erkenntnisse werden es nachfolgenden Entwicklungsvorhaben ermöglichen, sich auf die Optimierung der Komponenten, die Planung des Herstellungs- und Wartungsverfahrens, die weitere Demonstration und die Entwicklung einer Produktpalette für verschieden große Tankstellen zu konzentrieren und diese Innovation schließlich auf den Markt zu bringen“, so Barth abschließend.
Schlüsselbegriffe
H2REF, Wasserstoff, Verdichtung, Pufferung, Betankung, Speicher, Brennstoffzellenfahrzeug, Blasenspeicher
