Große Speicher für den Wasserstofftransport mit Gas zu befüllen und sie wieder zu entleeren sind sehr komplexe Vorgänge. Damit diese sicher sind, müssen sie innerhalb der zugelassenen Druck- und Temperaturfenster erfolgen. Ein weltweit operierendes Energieunternehmen hat für seine Speicher Analysen und thermodynamische Modellierungen durchgeführt und das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH mit deren Validierung in physikalischen Tests beauftragt.
Wasserstofftankstellen, die zur Betankung von brennstoffzellenelektrischen Fahrzeugen (engl.: fuel cell electric vehicles; FCEVs) genutzt werden, müssen den benötigten Wasserstoff entweder vor Ort selbst produzieren oder sich über verschiedene Distributionswege beliefern lassen. Eine Möglichkeit, den Wasserstoff zu einer Tankstelle zu transportieren, sind Hochkapazitäts-Trailer, die mit mehreren Hochdruckspeichern für den Transport von gasförmigem Wasserstoff ausgestattet sind.
Der Betrieb dieser Speicher muss sowohl während der Befüllung als auch bei der Entleerung zugelassene Temperatur- und Druckbereiche einhalten und vor allem sicher sein. Um das zu gewährleisten, hat ein weltweit operierendes Energieunternehmen Analysen und thermodynamische Modellierungen der Befüll- und Entleerungsvorgänge eines selbstentwickelten Wasserstofftrailers für Verbundflaschen vom Typ IV erarbeitet.
Experimentelle Untersuchungen
Zur Validierung dieser Analysen wurde das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik mit den physikalischen Tests eines Einzelspeichers beauftragt. Auf dem H2-Testfeld des ZBT in Duisburg wurde der 2 m³ große Trailerspeicher, der einen Betriebsdruck von über 500 bar und eine gespeicherte Wasserstoffmenge von etwa 70 Kilogramm aufweist, erfolgreich getestet. Der aus Kompositwerkstoffen hergestellte Typ-IV-Speicher ist sechs Meter lang, hat einen Durchmesser von etwa 80 Zentimetern und wiegt knapp über eine Tonne. Die experimentellen Untersuchungen beinhalteten sowohl die Befüllung als auch die Entleerung mit variierenden Betriebsparametern.
Der untersuchte Speicher wurde speziell für diese Testreihen angefertigt und hierzu mit einer Reihe von Thermoelementen an und in der Kohlefasermatrix ausgestattet. Diese Vielzahl an Messstellen gab Auskunft über das Erwärmungsverhalten während der Befüllung sowie das Auskühlungsverhalten bei der Entleerung.
Dehnung unter Druck
Für die Untersuchungen wurde der Speicher zusätzlich mit Dehnungssensoren ausgestattet. Ziel war es, die Ausdehnung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung in Abhängigkeit des Drucks zu untersuchen, um so das Konzept für die Lagerung und Anordnung der Speicherflaschen auf dem Trailer zu überprüfen. Eine Ausdehnung des Speichers wurde vor allem in axialer Richtung festgestellt. Radial beschränkte sich diese auf ein Minimum.
Um den Verbrauch an Wasserstoff während der Tests möglichst gering zu halten, wurde auf dem H2-Testfeld eine Rückführung installiert. Mittels dieser konnte der Großteil des Wasserstoffs nach jedem Test wieder in die Vorlagebehälter des Testfelds rezirkuliert und so ein unnötig hoher Ausstoß von Wasserstoff in die Atmosphäre vermieden werden.
Testreihe
Bei der Befüllung umfassten die variierten Betriebsparameter neben der Temperatur der Vorkühlung des einströmenden Wasserstoffs auch den Startdruck des Speichers sowie die Befüllgeschwindigkeit. Hierbei stand im Vordergrund, den Tank nicht mit den üblichen geregelten Druckrampenraten zu befüllen, sondern die Betankung mit einem konstanten Massenstrom durchzuführen.
Für die Entleerung wurden wiederum Tests mit konstanten Druckrampenraten durchgeführt. Dies führte in Bezug auf das Temperaturverhalten des Gases sowohl im Speicher als auch im Gasstrom aus dem Speicher heraus zu interessanten Ergebnissen.
Die Abbildungen zeigen beispielhafte grafische Analysen für einen Befüll- und einen Entleerungsvorgang. Beide Darstellungen zeigen den gemessenen Tankdruck und die Messwerte der verschiedenen eingebetteten Thermoelemente während des Tests.
Betriebsparameter für sicheren Betrieb identifiziert
Nach der Auswertung der Messwerte zeigte sich, dass ein Betrieb innerhalb der vorgegebenen Temperatur- und Druckbereiche sicher und effizient möglich ist. Die Variation der Befüllparameter ergab keine Konfiguration, die einen Zustand nahe den Grenzbereichen zur Folge hatte. Allerdings erreichte die Temperatur des ausströmenden Gases während der Entleerungen des Speichers Werte von unter -40 °C, was wiederum dazu führte, dass zum Schutz nachgeschalteter Baugruppen definierte Abschaltgrenzen erreicht wurden.
Es konnte beobachtet werden, dass auch bei Entleerungen mit geringen Massenströmen eine starke Auskühlung des Speichers, nachvollziehbar über die Temperatur des ausströmenden Gases, auftritt. Die Tests wurden bei Umgebungstemperaturen von etwa 10 bis 15 °C durchgeführt, womit sich besonders für die Entleerung solcher Speicher bei kälteren Umgebungsbedingungen mitunter starke Einschränkungen in Bezug auf die maximalen Entleerungsgeschwindigkeiten ergeben.
Autoren: Alexander Kvasnicka, a.kvasnicka@zbt.de
Christian Spitta, c.spitta@zbt.de, Lukas Willmeroth
l.willmeroth@zbt.de, alle vom Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH, Duisburg
ZBT
Das ZBT ist eines der führenden europäischen Forschungseinrichtungen für Brennstoffzellen, Wasserstofftechnologien und Energiespeicher. In der europäischen und nationalen Spitzenforschung und in Industrieprojekten mit Schwerpunkten auf automotive Anwendungen, Distribution/Speicherung und stationäre Energiewandlung ist das ZBT ein gefragter Forschungs- und Entwicklungspartner. Für die ca. 170 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am ZBT steht eine umfangreiche technische Infrastruktur zur Verfügung, die unter anderem Produktionsanlagen, Testanlagen, chemische Labore und High-Tech-Analytik umfasst.
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