Wasserstoffspeicher sicher befĂŒllen

Bildtitel: Der geprĂŒfte Speicher auf dem Wasserstoff-Testfeld des ZBT
Autor: Alexander Kvasnicka, Christian Spitta, Lukas Willmeroth



21. August 2023

Wasserstoffspeicher sicher befĂŒllen

Große Speicher fĂŒr den Wasserstofftransport mit Gas zu befĂŒllen und sie wieder zu entleeren sind sehr komplexe VorgĂ€nge. Damit diese sicher sind, mĂŒssen sie innerhalb der zugelassenen Druck- und Temperaturfenster erfolgen. Ein weltweit operierendes Energieunternehmen hat fĂŒr seine Speicher Analysen und thermodynamische Modellierungen durchgefĂŒhrt und das Zentrum fĂŒr BrennstoffzellenTechnik GmbH mit deren Validierung in physikalischen Tests beauftragt.

Wasserstofftankstellen, die zur Betankung von brennstoffzellenelektrischen Fahrzeugen (engl.: fuel cell electric vehicles; FCEVs) genutzt werden, mĂŒssen den benötigten Wasserstoff entweder vor Ort selbst produzieren oder sich ĂŒber verschiedene Distributionswege beliefern lassen. Eine Möglichkeit, den Wasserstoff zu einer Tankstelle zu transportieren, sind HochkapazitĂ€ts-Trailer, die mit mehreren Hochdruckspeichern fĂŒr den Transport von gasförmigem Wasserstoff ausgestattet sind.

Der Betrieb dieser Speicher muss sowohl wĂ€hrend der BefĂŒllung als auch bei der Entleerung zugelassene Temperatur- und Druckbereiche einhalten und vor allem sicher sein. Um das zu gewĂ€hrleisten, hat ein weltweit operierendes Energieunternehmen Analysen und thermodynamische Modellierungen der BefĂŒll- und EntleerungsvorgĂ€nge eines selbstentwickelten Wasserstofftrailers fĂŒr Verbundflaschen vom Typ IV erarbeitet.

Experimentelle Untersuchungen

Zur Validierung dieser Analysen wurde das Zentrum fĂŒr BrennstoffzellenTechnik mit den physikalischen Tests eines Einzelspeichers beauftragt. Auf dem H2-Testfeld des ZBT in Duisburg wurde der 2 mÂł große Trailerspeicher, der einen Betriebsdruck von ĂŒber 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 ĂŒber eine Tonne. Die experimentellen Untersuchungen beinhalteten sowohl die BefĂŒllung als auch die Entleerung mit variierenden Betriebsparametern.

Der untersuchte Speicher wurde speziell fĂŒr diese Testreihen angefertigt und hierzu mit einer Reihe von Thermoelementen an und in der Kohlefasermatrix ausgestattet. Diese Vielzahl an Messstellen gab Auskunft ĂŒber das ErwĂ€rmungsverhalten wĂ€hrend der BefĂŒllung sowie das AuskĂŒhlungsverhalten bei der Entleerung.

Dehnung unter Druck

FĂŒr die Untersuchungen wurde der Speicher zusĂ€tzlich mit Dehnungssensoren ausgestattet. Ziel war es, die Ausdehnung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung in AbhĂ€ngigkeit des Drucks zu untersuchen, um so das Konzept fĂŒr die Lagerung und Anordnung der Speicherflaschen auf dem Trailer zu ĂŒberprĂŒfen. Eine Ausdehnung des Speichers wurde vor allem in axialer Richtung festgestellt. Radial beschrĂ€nkte sich diese auf ein Minimum.

Um den Verbrauch an Wasserstoff wĂ€hrend der Tests möglichst gering zu halten, wurde auf dem H2-Testfeld eine RĂŒckfĂŒhrung installiert. Mittels dieser konnte der Großteil des Wasserstoffs nach jedem Test wieder in die VorlagebehĂ€lter des Testfelds rezirkuliert und so ein unnötig hoher Ausstoß von Wasserstoff in die AtmosphĂ€re vermieden werden.

Testreihe

Bei der BefĂŒllung umfassten die variierten Betriebsparameter neben der Temperatur der VorkĂŒhlung des einströmenden Wasserstoffs auch den Startdruck des Speichers sowie die BefĂŒllgeschwindigkeit. Hierbei stand im Vordergrund, den Tank nicht mit den ĂŒblichen geregelten Druckrampenraten zu befĂŒllen, sondern die Betankung mit einem konstanten Massenstrom durchzufĂŒhren.

FĂŒr die Entleerung wurden wiederum Tests mit konstanten Druckrampenraten durchgefĂŒhrt. Dies fĂŒhrte 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 fĂŒr einen BefĂŒll- und einen Entleerungsvorgang. Beide Darstellungen zeigen den gemessenen Tankdruck und die Messwerte der verschiedenen eingebetteten Thermoelemente wĂ€hrend des Tests.

Betriebsparameter fĂŒr 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 BefĂŒllparameter ergab keine Konfiguration, die einen Zustand nahe den Grenzbereichen zur Folge hatte. Allerdings erreichte die Temperatur des ausströmenden Gases wĂ€hrend der Entleerungen des Speichers Werte von unter -40 °C, was wiederum dazu fĂŒhrte, dass zum Schutz nachgeschalteter Baugruppen definierte Abschaltgrenzen erreicht wurden.

Es konnte beobachtet werden, dass auch bei Entleerungen mit geringen Massenströmen eine starke AuskĂŒhlung des Speichers, nachvollziehbar ĂŒber die Temperatur des ausströmenden Gases, auftritt. Die Tests wurden bei Umgebungstemperaturen von etwa 10 bis 15 °C durchgefĂŒhrt, womit sich besonders fĂŒr die Entleerung solcher Speicher bei kĂ€lteren Umgebungsbedingungen mitunter starke EinschrĂ€nkungen 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 fĂŒr BrennstoffzellenTechnik GmbH, Duisburg

ZBT
Das ZBT ist eines der fĂŒhrenden europĂ€ischen Forschungseinrichtungen fĂŒr Brennstoffzellen, Wasserstofftechnologien und Energiespeicher. In der europĂ€ischen und nationalen Spitzenforschung und in Industrieprojekten mit Schwerpunkten auf automotive Anwendungen, Distribution/Speicherung und stationĂ€re Energiewandlung ist das ZBT ein gefragter Forschungs- und Entwicklungspartner. FĂŒr die ca. 170 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am ZBT steht eine umfangreiche technische Infrastruktur zur VerfĂŒgung, die unter anderem Produktionsanlagen, Testanlagen, chemische Labore und High-Tech-Analytik umfasst.

Quellenangabe: ZBT

0 Kommentare

Einen Kommentar abschicken

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

preloader