Revolution Wasserstoff

Die Wasserstoffindustrie ist in aller Munde. Spricht man mit Ingenieuren und Technikern schütteln die meisten nur den Kopf um den Hype der batterieelektrischen Fahrzeuge und die Investitionen, die hier in Batteriezellenforschung, -entwicklung und -produktion gesteckt werden. Die tonnenschweren Batterien müssen nicht nur über den gesamten Lebenszyklus mit im Fahrzeug bewegt werden, auch die Herstellung der Batterien verbraucht Unmengen an Ressourcen und verlagert die Abhängigkeit an Rohstoffen nur.

Hier bietet Wasserstoff einen entscheidenden Vorteil: Ist die kosteneffiziente Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff gegeben, lässt sich quasi ortsunabhängig aus Strom und Wasser der Energieträger der Zukunft produzieren. Bleibt die Frage, wie sich der flüchtige Wasserstoff speichern lässt.

Für die Speicherung von Wasserstoff stehen verschiedene technologische Ansätze zur Verfügung, die auch eine mobile Nutzung des Energieträgers in Fahrzeugen möglich machen kann. Vergleichbar werden die Speichertechnologien neben den Kostenaspekten vor allem über zwei physikalische Bewertungsmethoden.

1. Gravimetrische Energiedichte, also die Speicherdichte in kWh pro Kilogramm
2. Voumentrische Energiedichte, also die Speicherdichte in kWh pro Liter

Benzin und Diesel bewegen sich in Bereich 10-11 kWh/kg und ca. 9 kWh/l, was auf das Volumen bezogen von keiner Wasserstofftechnologie erreicht wird.

• Wasserstoffspeicherung gasförmig (CGH2): Bei Speicherung von Wasserstoff unter 700bar beträgt die gravimetrische Energiedichte ca. 33 kWh/kg (40kg/m³). Volumetrisch liegt die Energiedichte bei ca. 1 kWh/l.
• Flüssige Speicherung von Wasserstoff (LH2): Die Dichte ist zwar mit 71kg/m³ deutlich höher, allerdings muss der Wasserstoff bei -253°C gespeichert werden. Die gravimetrische Energiedichte ist vergleichbar zur gasförmigen Speicherung. Volumetrisch ist der Wert mit etwa 3 kWh/l allerdings deutlich höher.
  
• Speicherung von Wasserstoff mit Metallhybriden: Be- und Entladung an der Oberfläche von Metallhybriden erfolgt bei 30-60bar. Diese Systeme sind sehr schwer und werden daher nur in Spezialanwendungen, beispielsweise bei U-Booten eingesetzt. Die gravimetrische Enerdichte liegt bei unter 2 kWh/kg.

Übersicht zu Speichertechnologien für Wasserstoff [Quelle]

Die Speicherung von Wasserstoff in gasförmiger Form ist somit die Präferenzlösung für mobile Anwendungen, wie z.B. bei Fahrzeugen. Als Zielwerte werden dabei vom US-Energieministerium folgende Ziele für die Entwicklung von Drucktanks vorgegeben:

• 1.5 kWh/kg system (4.5 wt.% hydrogen)
• 1.0 kWh/L system (0.030 kg hydrogen/L)
• $10/kWh ($333/kg stored hydrogen capacity)

Speichereffizienz von Wasserstoffdrucktanks [Quelle: CIKONI GmbH]

Für die gasförmige Speicherung von Drucktanks stehen verschiedene Systeme zur Verfügung, die sich anhand der eingesetzten Materialien - und damit auch in ihrer Leistungsfähigkeit - unterscheiden.

Typ I Druckbehälter bestehen aus einem Vollstahlmantel. Entsprechend sind diese Systeme kosteneffizient, erreichen aber nur eine sehr schlechtes Verhältnis von Eigengewicht zu gespeicherten Wasserstoff. Trotzdem machen sind etwa 90% des Marktvolumens aus.

Da Druckbehälter laut Kesselformel (auch "Wurstformel") doppelt so hohe Umfangsspannungen wie Längsspannungen aufweisen, bietet es sich an, den metallischen Druckbehälter bezüglich der notwendigen Wandstärke auf die niedrigeren Längsspannungen auszulegen und dafür im zylindrischen Bereich die höheren Umfangsspannungen durch eine Faserverstärkung (z.B. aus GFK, CFK) aufzunehmen. Das Leistungsgewicht ist entsprechend höher als bei Typ I Drucktanks, da Faserverbundwerkstoffe eine deutlich höhere dichtespezifische Festigkeit aufweisen.

Bei Typ III Drucktanks wird der Faserverbundanteil auf den Domkappenbereich ausgeweitet, der Metallkern (sog. "Liner") allerdings beibehalten. Damit können auch die wirkenden Biegespannungen durch leistungsfähige Faserverbundwerkstoffe aufgenommen werden. Der Wickelprozess ist allerdings deutlich aufwendiger, da gegenüber dem reinen 2-Achswickeln bei Type 2 Drucktanks 3- oder 4-Achswickelsysteme benötigt werden. Auch der Dimensionierungs- und Entwicklungsaufwand wächst aufgrund der komplexen Faserarchitektur im Dombereich deutlich an.

Die leistungsfähigsten am Markt verfügbaren Wasserstoffdruckspeicher sind Systeme vom Typ IV. Diese Tanks weisen einen Kunststoffliner (meist HD-PE) auf, der die Gasdichtigkeit des Drucktanks sicherstellt. Aufgrund der geringeren Dichte dieser Kunststoffe gegenüber Stahl oder Aluminium sind diese Drucktanks deutlich leichter als vergleichbare Systeme mit Stahlliner.

Die Gewichtseffizienz kann über 8 Gewichtsprozent betragen, wenn auf den Kunststoffliner verzichtet werden kann (sog. Type 5 Drucktanks). Diese Systeme sind allerdings aktuell in der Entwicklung und noch nicht am Markt verfügbar.

Da die Spannungsaufnahme fast ausschließlich durch den Faserverbundanteil gewährleistet wird, muss die Entwicklung und Auslegung dieser Tanks durch Experten für Faserverbundtechnologie erfolgen. Für die Berechnung der Typ 4 Drucktanks werden spezielle Softwareprogramme und komplexe Simulationsmethodiken verwenden, die den mehrskaligen Charakter der Faserverbundwerkstoffe gerecht wird.

Ein paar Anbieter im Bereich Faserverbund-Drucktanks sind:

Anbieter kompletter Systeme:

• Hexagon
• Faurecia
• Plastic Omnium
• Magna
• NPROXX

Anbieter für die Zertifizierung von Drucktanks:

• TÜV Süd
• Dekra

Anbieter für das Engineering (Entwicklung) von Drucktanks:

• CIKONI GmbH

Anbieter von Kohlefaser für die Fertigung von Drucktanks:

• Toray
• Mitsubishi
• Toho Tenax

Anbieter von Brennstoffzellen

• Michelin

• Towards Efficient Composite Pressure Vessel Design: https://www.altair.com/resource/towards-efficient-composite-pressure-vessel-design
• Werk für Brennstoffzellen : Es kommt ins Rollen https://www.faz.net/aktuell/technik-motor/technik/brennstoffzellen-fuer-wasserstoffautos-michelin-baut-werk-in-europa-17334233.html?utm_source=pocket-newtab-global-de-D E
• CW Tech Days webinar explores composites in the hydrogen economy: https://www.compositesworld.com/news/cw-tech-days-webinar-explores-composites-in-the-hydrogen-economy 
• Hydrogen Storage Overview: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/hydrogen-storage