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Metallische Bipolarplatten effektiv und effizient reinigen Geringes Gewicht und Volumen, gute Kaltstartfähigkeit sowie eine vergleichsweise günstige...
Der Schweizer Energiekonzern Axpo hat Wasserstoff als strategisches Wachstumsfeld definiert. Die Wasserstoffanlage beim Kraftwerk Reichenau ist eine...
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Wie entwickelt sich die türkische Energiewirtschaft?
Manchmal reicht der Gang aufs Dach, um sich einen Überblick über die wesentlichen Anlagen für Energiewende und Klimaschutz zu verschaffen: Auf dem Technologiezentrum der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW) stehen 26 Männer und Frauen, überwiegend Fachleute für erneuerbare Energien aus dem türkischen Izmir, zwischen Solarmodulen, roten Stahlflaschen mit Wasserstoff und einer Pilotanlage zur CO2-Aufnahme aus der Luft. Alles stößt auf lebhaftes Interesse und wird fotografiert, auch der Blick zum nahegelegenen Forschungswindpark. Die Delegation der Deutsch-Türkischen Industrie- und Handelskammer (AHK) erfährt hier in Hamburg-Bergedorf, wie die Freiluft-Komponenten mit den Anlagen im Gebäude zusammenwirken – etwa mit dem Elektrolyseur und der Methanisierungsanlage – wie in einer Art Miniatur-Wunderland der Energiewende.
Nicht, dass es solche Anlagen nicht auch in der Türkei gäbe; zumal das Land seit Anfang diesen Jahres eine eigene Wasserstoffstrategie hat. Auch dort ist das Ziel, die heimische Industrie mit Hilfe des flüchtigen Elements zu defossilisieren. Aber die Systemintegration und Prozessoptimierung in Hamburg beeindrucken die Ingenieure aus Izmir sichtlich und so fragen sie beim Austausch mit HAW-Wissenschaftlern detailliert nach.
Die Informationsreise der Gäste aus der drittgrößten Stadt der Türkei zu den wichtigsten Erneuerbare-Energien-Projekten und -Unternehmen in der Metropolregion Hamburg dient neben dem fachlichen Austausch auch der Anbahnung von gemeinsamen Energiewende-Projekten. Die Region um Izmir will eine Drehscheibe für erneuerbare Energien und grünen Wasserstoff werden. Ähnlich wie das hanseatische Pendant prägen Hafen, Industrie und Handel die an der Ägäis gelegene Stadt samt Umgebung. Weitere Städte und Regionen in der Türkei, die sich für Wasserstoff in Position bringen wollen, sind zum Beispiel Istanbul, Antalya und die südliche Marmara-Region.
Im Januar 2023 präsentierte das Ministerium für Energie und natürliche Ressourcen der Türkei die Strategien für den Ausbau von Wasserstofftechnologien – mit Fokus auf grünem Wasserstoff. Bis zum Jahr 2030 soll eine Kapazität von zwei GW erreicht werden, bis 2035 sollen es fünf GW sein und 70 GW bis 2053. Das ist am Anfang ziemlich wenig. Wahrscheinlich werden die Ziele noch erhöht. Die Türkei will Wasserstoff nämlich nicht nur lokal herstellen, um die eigene Industrie zu dekarbonisieren, sondern: „Der Überschuss an grünem Wasserstoff soll exportiert werden.“ So teilte es die AHK auf Nachfrage mit.
Deutsch-türkische Zusammenarbeit
Bundeswirtschaftsminister Robert Habeck und der türkische Energieminister Fatih Dönmez unterzeichneten passend dazu bereits im Oktober 2022 in Berlin eine Absichtserklärung „zur vertieften Zusammenarbeit im Bereich grüner Wasserstoff“, wie ein Sprecher des BMWK erläutert. „Die Vereinbarung wurde anlässlich des vierten Deutsch-Türkischen Energieforums abgeschlossen, einer wichtigen Plattform für den Dialog zwischen Vertretern aus Politik, Wirtschaft und Zivilgesellschaft beider Länder im Klima- und Energiebereich.“
Um die Türkei beim Klimaschutz zu unterstützen, stellt Deutschland über die KfW Kredite in Höhe von 200 Mio. Euro zur Verfügung, die „über türkische Partnerbanken dem Markt verfügbar gemacht werden sollen und insbesondere zur Förderung von EE und Energieeffizienz in der Türkei eingesetzt werden. Über die Internationale Klimaschutzinitiative (IKI) werden weitere 20 Mio. Euro für verbesserte Finanzierungskonditionen besonders innovativer Klimaschutzmaßnahmen zur Verfügung gestellt“, so das BMWK.
Abb. 3: Besichtigung des Elektrolyseurs im CC4E
Größtes Solarkraftwerk Europas
Und weil zur Herstellung von grünem Wasserstoff Ökostrom notwendig ist, will die Türkei ihre Windenergiekapazitäten auf knapp 30 GW bis 2035 erhöhen. Im Solarenergiebereich ist ein noch stärkerer Anstieg geplant: Von 9,4 GW (2022) auf rund 53 GW im Jahr 2035. Relativ unbemerkt von der deutschen Öffentlichkeit ging Anfang Mai in der zentraltürkischen Provinz Konya das größte Solarkraftwerk Europas (inklusive Kleinasiens) in Betrieb. Mit einer Leistung von 1,35 GW gehört es auch zu den größten weltweit. Rund drei Milliarden Kilowattstunden Strom pro Jahr soll die Photovoltaik-Anlage in Karapınar liefern; genug für den Bedarf von zwei Millionen Menschen in der Türkei, teilt das Unternehmen Kalyon PV mit.
Mit Hilfe von Sonne, Wind, Wasser, Geothermie und Biomasse könnte das Land seinen Strombedarf in Zukunft komplett selbst decken, heißt es in einer Analyse der türkischen Wasserstoff-Gesellschaft (NHA). Zudem solle grüner Wasserstoff dazu beitragen, erst die eigene Industrie zu dekarbonisieren, insbesondere in den Bereichen Stahl, Zement und Düngemittelproduktion, um dann schließlich den weltweit begehrten Grundstoff und Energiespeicher auch exportieren zu können.
Deutsche Kooperationspartner gesucht
„Für deutsche Unternehmen bieten sich Potenziale in den Bereichen Know-how, Projektentwicklung und Technologielösungen“, so die AHK Türkei. Wie groß die Potenziale in dem südosteuropäischen Land tatsächlich sind, das immerhin mehr als doppelt so groß wie die Bundesrepublik ist, zeigt bereits ein Blick auf den derzeitigen Stand der erneuerbaren Energien: Denn trotz seiner Größe und trotz guter Windbedingungen ist die installierte Leistung an Windkraftanlagen mit 11,4 GW (im Jahr 2022) noch relativ gering. Eine Chance also für die deutsche Windenergieindustrie, um mit türkischen Partnern ins Geschäft zu kommen? Ja, heißt es aus der Delegation, und damit meinen die Teilnehmer nicht nur große Anlagenhersteller, sondern auch kleinere und mittelgroße Unternehmen, Zulieferer und Dienstleister.
„Mit der Ankündigung der Ausbauziele für Offshore-Wind gewinnt der türkische Windmarkt neue Dynamik und Bedeutung für den Export deutscher Technologie und Know-how“, bestätigt Jan Rispens, Geschäftsführer des Branchennetzwerks Erneuerbare Energien Hamburg (EEHH), das rund 240 Unternehmen aus Norddeutschland zu seinen Mitgliedern zählt. „Seit vielen Jahren ist die Türkei ein wichtiger Windmarkt für deutsche und Hamburger Unternehmen.“ So seien beispielsweise Nordex, TÜV Nord und EnBW entweder durch eigene Niederlassungen oder Joint-Ventures mit türkischen Geschäftspartnern dort aktiv.
Doch die Umstellung von konventionellen auf erneuerbare Energien wird dauern. In den vergangenen Jahren hat das Land enorm viel Geld für die Einfuhr fossiler Rohstoffe ausgegeben, vor allem Erdgas und Öl. „Rund 97 Milliarden US-Dollar kostete der Import von Energie allein im letzten Jahr“, sagt Yıldız Onur, Handelsattaché im türkischen Generalkonsulat in Hamburg und Begleiterin der Izmir-Delegation. Damit seien die Kosten im Vergleich zum Vorjahr um beinahe 90 Prozent gestiegen. Schon aus wirtschaftlichen Gründen sei es daher sinnvoll, mehr auf Eigenproduktion von Energie zu setzen, um weniger abhängig von Importen zu sein.
Abb. 4: Methanisierungsanlage im CC4E
Nähe zu Russland
Dazu gehört für die Regierung Erdoğan bekanntlich auch Atomkraft. Ende April weihte der Staatspräsident das erste AKW des Landes ein, gebaut vom russischen Staatskonzern Rosatom, weshalb auch Kreml-Chef Wladimir Putin per Video an der Zeremonie teilnahm. Die fand übrigens am selben Tag statt, als in Deutschland und anderen Ländern die Wahllokale für die im Ausland lebenden Türken zur Stimmabgabe öffneten. Erdoğan hatte bei der AKW-Einweihung zugleich den Ausbau der Atomkraft angekündigt sowie die Ausbeutung neuer Gasvorkommen.
Das Oppositionsbündnis CHP war zwar nicht prinzipiell gegen Atomenergie, und auch nicht gegen die Suche nach neuen Gasfeldern im Schwarzen Meer. Allerdings kritisierte es die Abhängigkeit von Russland und wollte stattdessen auf „türkische Technologie“ setzen. Neue Kohlekraftwerke sollten jedoch nicht gebaut werden. Laut ihrem Programm setzte die CHP auf eine grüne Energiewende in allen Sektoren, auch in der Landwirtschaft.
Obwohl das Land am Bosporus mit der Wahl im Mai 2023 die alte Regierung bestätigt hat – am grünen Wasserstoff wird wohl trotzdem kein Weg vorbeiführen. Davon ist zumindest der Unternehmer Ali Köse überzeugt, nicht zuletzt wegen des Green Deal der Europäischen Union und dem Instrument des „Carbon Border Adjustment Mechanism“ (CBAM), wodurch in Zukunft Ausgleichszahlungen für CO2-Emissionen fällig würden. Köse ist Gründungs- und Vorstandsmitglied im türkischen Wasserstoffverband H2DER und CEO der Firma H2Energy Solutions. Das erklärte Ziel seiner Firma lautet, die Türkei „fit“ für grünen Wasserstoff zu machen und diesen nach Deutschland zu exportieren. Beispielsweise arbeitet das Unternehmen an einem H2-Mobilitäts-Projekt in Istanbul.
Auch andere Unternehmer aus diesem Bereich sondieren den Markt in der Türkei, so Köses Beobachtung. Sie vernetzen sich und bauen Partnerschaften auf. Noch fehlen allerdings die Rahmenbedingungen, um Planungssicherheit für Investoren zu schaffen. Und noch hemme die Bürokratie sogar den Ausbau von Dachsolaranlagen. „In der Türkei sind weniger Dächer mit PV belegt als in Deutschland“, sagt Ali Köse, der regelmäßig zwischen beiden Ländern pendelt. „Dabei lässt sich hier aufgrund der Sonneneinstrahlung mit jedem Megawatt an installierter PV-Leistung ungefähr doppelt so viel Strom generieren wie in Deutschland.“
H2-Brennstoffzellensysteme haben sowohl für den Bereich der Mobilität als auch für stationäre Anwendungen maßgebliche Vorteile gegenüber bereits etablierten Technologielösungen. Insbesondere zeichnen sie sich durch den emissionsfreien Betrieb, eine lange Lebensdauer sowie hohe erreichbare Wirkungsgrade aus. Oft schrecken jedoch vergleichsweise hohe Anschaffungskosten potentielle Anwender ab. Um diese Kosten zu reduzieren, sollen großserientechnisch herstellbare Bipolarplatten besonders materialsparend gestaltet werden. Durch ein innovatives Kühlkonzept können Anwendungen nicht nur günstiger, sondern auch kleiner und leichtgewichtiger realisiert werden.
Eine Verringerung des Bauraums resultiert in einer Steigerung der Leistungsdichte des Systems wie auch in einer Erhöhung der in dem System vorhandenen Wärmestromdichte. Hieraus ergeben sich große Herausforderungen hinsichtlich der effizienten Temperierung von Brennstoffzellensystemen. Neben etablierten Luft- und Flüssigkeitskühllösungen ist eine Kühlung mittels Änderung des Aggregatzustandes des Kühlmediums ein besonders vielversprechender Ansatz. Durch eine gezielte Gestaltung der geometrischen Oberflächeneigenschaften von Bipolarplatten lassen sich einerseits höhere Energiemengen abführen und andererseits die Temperaturverteilung entlang einer Bipolarplatte gezielt einstellen. Innerhalb des HZwo:FRAME-Verbundprojekts „Innovative Kühlsysteme für Brennstoffzellen“ konnte ein auf dem Phasenübergang eines Kühlmediums basierendes Kühlkonzept entwickelt und der Funktionsnachweis im Labormaßstab erbracht werden.
Höhere Anforderungen an Wärmeabfuhr
Für den effizienten Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist eine effektive und zielgenaue Temperierung von zentraler Bedeutung. Derzeit werden in kommerziell erhältlichen BZ-Stacks zwei Kühlmethoden angeboten: Luft- und Flüssigkeitskühlung [1].
Eine Luftkühlung zeichnet sich vor allem durch ihre konstruktive Einfachheit aus. Der technische Aufwand ist hierbei gegenüber flüssigkeitsbasierten Kühlsystemen deutlich geringer, da neben einem Lüfter keine zusätzlichen Elemente erforderlich sind. Limitiert werden die Einsatzmöglichkeiten der Luftkühlung in erster Linie durch die verhältnismäßig niedrige abführbare Wärmemenge. Außerdem führen luftgekühlte Systeme häufig zu einer stark inhomogenen Temperaturverteilung innerhalb der Brennstoffzellen, was deren Wirkungsgrad und Langzeitstabilität negativ beeinflussen kann. Aktiv luftgekühlt werden meist Stacks mit einer elektrischen Leistung unter 5 kW, die beispielsweise für stationäre Anwendungen genutzt werden.
Für die Temperierung von Brennstoffzellen-Stacks mit einer elektrischen Gesamtleistung von mehr als 5 kW, beispielsweise für Fahrzeuge, hat sich die Flüssigkeitskühlung etabliert. In flüssiggekühlten BZ-Systemen wird das Kühlmedium innerhalb eines Kreislaufs durch spezielle Kühlkanäle, welche in die Brennstoffzellen integriert sind, gepumpt. Das Kühlmedium muss die hier aufgenommene Wärme in einem nachgeschalteten Wärmetauscher wieder an die Umgebung abgeben.
Im Rahmen aktueller Entwicklungen rücken zunehmend dünne metallische Bipolarplatten in den Fokus, da solche Bipolarplatten in Zukunft kostengünstig in Serie produziert werden können. Gleichzeitig kann die Leistungsdichte von Brennstoffzellen erhöht und somit neue Anwendungsbereiche und Miniaturisierungsmöglichkeiten von Brennstoffzellensystemen adressiert werden. Vor diesem Hintergrund werden allerdings die beschriebenen konventionellen Kühllösungen, basierend auf reiner Konvektion, in Zukunft nicht mehr dazu ausreichen, die erforderlichen Wärmemengen über die noch zur Verfügung stehenden Flächen abzuführen.
Eine Zweiphasenkühlung (auch Siedekühlung genannt) bietet die Möglichkeit, die hohen erforderlichen Wärmestromdichten, d. h. die Wärmeenergie bezogen auf die Fläche und das Zeitintervall zur Kühlung von miniaturisierten Brennstoffzellen, zu erreichen. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass beim Phasenübergang des Kühlmediums in den gasförmigen Zustand ein hoher Energiebetrag – die Verdampfungsenthalpie – benötigt wird, welcher der Brennstoffzelle während des Phasenübergangs an der Oberfläche der Bipolarplatten entzogen wird und daher in erheblichem Maße zur Kühlwirkung beiträgt. Da dieses leistungsfähige Kühlkonzept auf geringe Volumenströme des Kühlmediums angewiesen ist, kann damit auch die Leistung der erforderlichen Peripherie, wie etwa der Pumpen im Vergleich zu Luft- oder Flüssigkeitskühlungen, deutlich reduziert werden [2].
Bearbeitung mittels Laserstrahlabtragen
Die Forschungsarbeiten sind insbesondere durch das große Potential der Siedekühlung für das effiziente Wärmemanagement von Brennstoffzellensystemen motiviert. Hierbei stand die metallische Bipolarplatte als ein wesentliches Funktionselement der Brennstoffzelle im Fokus. Im Rahmen der Entwicklung mussten Designkonzepte für die neue Kühlmethode entwickelt und umgesetzt werden, wie etwa die simulationsbasierte Berechnung einer optimierten Kühlmediumströmung oder die Gestaltung beständiger Dichtungen. Schlussendlich war es vorgesehen, die metallischen Bipolarplatten aus einem 100 Mikrometer dicken Ausgangsblech umformtechnisch herzustellen und diese anschließend hinsichtlich der Anforderungen des neuen Kühlkonzepts zu modifizieren.
Ein Ziel, das im Rahmen des Projekts verfolgt wurde, war eine homogene Temperaturverteilung auf der Bipolarplatte. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine geeignete Oberflächenfunktionalisierung als Methode zur Beeinflussung des Wärmeübergangskoeffizienten gewählt. Eine solche Oberflächenfunktionalisierung konnte durch die Einbringung von Mikrostrukturen in Form von Einzelpulsabträgen mittels Laserstrahlbearbeitung realisiert werden. Derartige Mikrostrukturen bewirken zum einen eine Vergrößerung der realen Oberfläche der Bipolarplatte und zum anderen eine Erhöhung der Keimstellenzahl für die Blasenbildung beim Phasenübergang.
Als ein relevanter Gestaltungsparameter wurde in diesem Zusammenhang die sogenannte Mikrostrukturdichte (Anzahl Mikrostrukturen pro Fläche) durch Variation des räumlichen Abstandes zwischen den einzelnen Pulsabträgen untersucht. In Abb. 1 sind Ergebnisse der Mikrostrukturierung von Probewerkstücken bei unterschiedlichen Pulsabständen von 5 µm bis 35 µm gezeigt.
Funktionsnachweis im Labormaßstab
Zur Untersuchung des Wärmeübergangs der modifizierten Bipolarplatten wurde ein Laborprüfstand entwickelt und umgesetzt (s. Abb. 2). Der Messstand wurde derart konzipiert, dass die technischen Bedingungen denen des realen Anwendungsfalls entsprechen und im Bereich realistischer Lastveränderungen variiert werden können. Eine transparente Prozesskammer und eine Bipolarplatte hüllen die Kühlkanäle ein und ermöglichen dabei, ablaufende Strömungs- und Siedeprozesse des Kühlmediums optisch zu erfassen. Zusätzlich wurden mittig in Strömungsrichtung drei abgeschirmte Thermoelemente gleichmäßig über der Bipolarplatte verteilt, welche zur messtechnischen Erfassung der Temperaturverteilung im Kühlmedium genutzt wurden.
Abb. 2 Prüfstand: Prozesskammer mit integrierter Bipolarplatte und Temperatursensorik
Innerhalb der Experimente wurden unter anderem eine geprägte Referenz-Bipolarplatte sowie eine laserstrukturierte, beschichtete Bipolarplatte charakterisiert. Um eine möglichst homogene Temperaturverteilung entlang der Strömungsrichtung zu erreichen, wurde die Mikrostrukturdichte in Abhängigkeit der Strömungsrichtung und Strömungslänge variiert.
Abb. 3: Strukturierte Bipolarplatte mit in Fließrichtung sinkender Dichte der Mikrostrukturen (links); Detailansicht Wellenstruktur (mittig); Detailansicht Mikrostrukturierung (rechts)
Anhand des Prüfstandes konnte experimentell der Einfluss der Oberflächenfunktionalisierung auf das Phasenübergangsverhalten gezeigt und untersucht werden. Siedevorgänge auf der strukturierten Oberfläche waren hierbei weniger intensiv ausgeprägt als auf der unstrukturierten Referenzplatte (s. Abb. 4). Auch die Messungen mittels der Temperatursensoren bestätigten, dass die maximal auftretenden Temperaturen durch die Oberflächenfunktionalisierung der Bipolarplatte verringert werden konnten. Zudem war die Temperaturverteilung entlang der Strömungsrichtung des Kühlmediums deutlich gleichmäßiger: Die Temperaturerhöhung ∆T entlang der strukturierten und beschichteten Platte war für alle untersuchten Parametersätze im Vergleich zur Referenz-Bipolarplatte geringer.
Abb. 4: Ergebnisse der optischen Untersuchung: Intensität der Blasenbewegung (dunkelblaue Bereiche) im Flussfeld der Referenzplatte (oben) sowie der strukturierten und beschichteten Platte (unten) bei Prozessparametern (Einlasstemperatur des Kühlmediums und Wärmestromdichte von Bipolarplatte): 78 °C und 0,5 W/cm2 (links); 78 °C und 2 W/cm2 (rechts)
Es konnte somit nachgewiesen werden, dass die thermodynamischen Eigenschaften der Bipolarplatten, insbesondere im Bereich der Verdampfungszonen, durch die Mikrostrukturierung beeinflusst und eingestellt werden können. Die im Rahmen dieses Projekts erzielten Ergebnisse stellen einen weiteren Schritt in Richtung kostengünstiger und gleichzeitig platzsparender Brennstoffzellenstacks dar.
Über das Projekt
Im Rahmen des Vorhabens wurden grundlegende und anwendungsrelevante Erkenntnisse für die Gestaltung sowie für die technologische Umsetzung eines auf dem Verdampfungsprinzip basierenden Brennstoffzellenstacks mit metallischen Bipolarplatten erarbeitet und unter realitätsnahen Bedingungen validiert. Zur Erreichung der Projektziele haben folgende Projektpartner zusammengearbeitet: WätaS Wärmetauscher Sachsen GmbH, Fischer Werkzeugbau GmbH, CeWOTec Chemnitzer Werkstoff- und Oberflächentechnik gGmbH, Professur Mikrofertigungstechnik und Professur Alternative Fahrzeugantriebe an der Technischen Universität Chemnitz.
Förderung und Projektträger: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) / Sächsische Aufbaubank (SAB)
Literatur
[1] A. Fly and R. H. Thring, A comparison of evaporative and liquid cooling methods for fuel cell vehicles, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 41, no. 32, pp. 14217–14229, 2016, ISBN: 0360-3199, ISSN: 03603199, DOI:10.1016/j.ijhydene.2016.06.089
[2] G. Zhang and S. G. Kandlikar, A critical review of cooling techniques in proton exchange membrane fuel cell stacks, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 37, no. 3, pp. 2412–2429, Feb. 2012, ISSN: 03603199, DOI:10.1016/j.ijhydene.2011.11.010
Autoren:
Igor Danilov, M. Sc, igor.danilov@mb.tu-chemnitz.de
Dipl.-Ing. (FH) Ingo Schaarschmidt, M. Sc, ingo.schaarschmidt@mb.tu-chemnitz.de
Dr.-Ing. Philipp Steinert, philipp.steinert@mb.tu-chemnitz.de
Metallische Bipolarplatten effektiv und effizient reinigen
Geringes Gewicht und Volumen, gute Kaltstartfähigkeit sowie eine vergleichsweise günstige Serienproduktion sind Vorteile, mit denen metallische Bipolarplatten aufwarten können. Diese Kernelemente von Brennstoffzellen-Stacks übernehmen mit der Medienversorgung, elektrischen Anbindung und Kühlung entscheidende Aufgaben. Wie gut sie diese erfüllen, hängt unter anderem von der Sauberkeit des Materials sowie der gefügten Platte ab. Um eine möglichst effektive und wirtschaftliche Reinigung zu ermöglichen, hat Ecoclean Untersuchungen mit verschiedenen Verfahren durchgeführt.
Brennstoffzellen zählen zu den Schlüsseltechnologien für die Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben und spielen auch bei der Energiewende als stationäre Energiequelle eine wesentliche Rolle. Kern eines Brennstoffzellensystems sind zu Stapeln (Stacks) verschaltete Bipolarplatten, die aus Anode und Kathode mit einer dazwischenliegenden protonenleitfähigen Folie bestehen.
Bipolarplatten erfüllen unterschiedliche Aufgaben: Sie verbinden die Anode einer Zelle mit der Kathode der benachbarten Zelle physikalisch und elektrisch. Zuständig ist die Bipolarplatte auch für die Zuführung der Reaktionsgase Wasserstoff (Anodenseite) und Luft (Kathodenseite). Die Platten verfügen dafür auf beiden Seiten über eingearbeitete Strömungsprofile (Flowfield), deren Gestaltung entscheidend für den Wirkungsgrad des gesamten Aggregats ist. Darüber hinaus regeln die Bipolarplatten die Abgabe elektrischer Energie und den Abtransport von Wasserdampf. Eine weitere Funktion besteht im Wärmemanagement.
Die Fertigung der Platten kann aus unterschiedlichen Materialien erfolgen: hochkonzentriertes Grafit, Grafit-Kunststoff-Mischungen und Metallen. Insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen bieten metallische Bipolarplatten Vorteile. Sie liegen im geringen Gewicht und Volumen sowie einer guten Kaltstartfähigkeit. Darüber hinaus bieten metallische Bipolarplatten das Potenzial für eine vergleichsweise kosteneffiziente Serienproduktion, die durch Skaleneffekte noch verbessert werden kann.
Sauberkeit sichert Qualität und Wirkungsgrad
Die Fertigung der Anode und Kathode metallischer Bipolarplatten erfolgt überwiegend aus 0,1 bis 0,2 mm dünnen Folien aus Edelstahllegierungen. Das Material wird üblicherweise von einem Coil abgewickelt, dessen Oberflächen aus der Herstellung mit unterschiedlichen Walz- und Ziehfetten, Ölen, Emulsionen und nicht bekannten Fremdstoffen verunreinigt sind. Im nächsten Schritt werden die Anoden- und Kathodenfolien mechanisch oder im Hydroforming präzise umgeformt und die Außenkonturen beispielsweise durch Stanzen oder Lasern geschnitten.
Aus diesen Prozessen verbleiben ebenfalls Reste der Bearbeitungsmedien (Öle und/oder Emulsionen) auf den Platten. Beim anschließenden Fügen der Anoden- und Kathodenplatte, was häufig in einem Laserschweißprozess erfolgt, entstehen zudem Schmauchspuren und Oxide. Abschließend werden die Bipolarplatten beschichtet. Spätestens davor ist ein Reinigungsschritt erforderlich, um eine homogene Beschichtung mit guter Haftfestigkeit sicherzustellen.
Bei eng gepackten Brennstoffzellen, mit denen auf kleinstem Raum eine hohe Leistung erzielt werden soll, empfiehlt es sich, bereits vor dem Fügen eine Reinigung durchzuführen. Sie verhindert, dass Verunreinigungen zwischen Anode und Kathode eingeschlossen werden, die sich durch die unweigerlich entstehende hohe Wärmeentwicklung lösen und die Mikrostrukturen der Flowfields verstopfen können. Dies würde zu einer Verringerung des Wirkungsgrads führen. Gleichzeitig reduziert der zwischengeschaltete Reinigungsschritt die Oberflächenverschmutzung aus Schmauch und Oxiden durch den Laserschweißprozess.
Das richtige Verfahren wählen
Wesentliche Herausforderung bei der Reinigung metallischer Bipolarplatten sind die meist unsichtbaren, chemisch-filmischen Rückstände auf den Oberflächen. Es handelt sich dabei um Öle, Fette, Emulsionen und weitere Chemikalien, deren Zusammensetzung häufig unbekannt ist. Diese unspezifischen Kontaminationen machen eine Reinigungslösung erforderlich, die deren zuverlässige und bedarfsgerechte Entfernung sicherstellt. Dafür hat die Ecoclean GmbH Untersuchungen mit der Laser-, CO2-Schneestrahl-, nasschemischen Lösemittelreinigung und Dampfstrahlen durchgeführt.
Abb. 2: Die Dampfreinigung basiert auf dem Zusammenspiel von Dampf mit einem exakt auf die Reinigungsaufgabe abgestimmten Flüssigkeitsanteil, einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom und einem angepassten Düsensystem
Sowohl mit dem Laser als auch mit der CO2-Schneestrahlreinigung lassen sich Schmauch und Oxide sowie chemisch-filmische Verunreinigungen und Partikel von den Schweißnähten der gefügten Bipolarplatten punktuell innerhalb weniger Sekunden gut entfernen. Bei der Reinigung der kompletten Oberflächen der Bipolarplatten werden mit beiden Verfahren ebenfalls gute Ergebnisse erzielt. Da mit dem Laser die Oberfläche Zeile für Zeile abgefahren werden muss, ist die Reinigung zeitintensiv. Bei der CO2-Schneestrahlreinigung kann das System mit einer entsprechenden Anzahl von Strahldüsen ausgestattet werden, so dass eine zügige Bearbeitung der gesamten Oberfläche möglich ist.
Durch die nasschemische Reinigung mit Lösemittel im Flutverfahren konnten Öle und Fette sowie Partikel gut entfernt werden. Für die Abreinigung von Emulsionen, Schmauch und Oxiden ist das Verfahren dagegen nicht anwendbar. Eine nasschemische Tauchreinigung mit wasserbasierten Medien ist aufgrund der erforderlichen Trocknung nur bedingt und mit sehr hohem Aufwand möglich.
Gute Ergebnisse wurden bei der Abreinigung filmisch-chemischer und partikulärer Verschmutzungen sowie von Schmauch und Oxiden mit dem Dampfstrahlen erreicht. Die Reinigungswirkung basiert bei diesem Verfahren auf dem Zusammenwirken von Dampf mit einem exakt auf die Reinigungsaufgabe abgestimmten Flüssigkeitsanteil, einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom und einem angepassten Düsenkonzept. Der Reinigungsprozess beansprucht ebenfalls nur wenige Sekunden.
Abb. 3: Die Analyse der IR-Spektroskopie zeigt, dass mit der Dampfreinigung die Rückstände der Referenzverschmutzung komplett entfernt wurden
Kontrollierte Reinigungsvalidierung
Die Kontrolle der Reinigungsergebnisse erfolgt anhand der Oberflächenspannung mit den Messtechniken Kontaktwinkelmessung und Testtinten, durch Fluoreszenzmessung sowie Infrarotspektroskopie. Die Fluoreszenzmesstechnik erwies sich aufgrund nicht fluoreszierender Verunreinigungen als nicht geeignet. Bei den Eingangsmessungen der Oberflächenspannung zeigten die Bipolarplatten sehr unterschiedliche Verschmutzungswerte, die nach der Reinigung signifikant verringert waren.
Eine generelle Aussage, ob das Bauteil die für den nächsten Prozessschritt erforderliche Sauberkeit aufweist, lässt sich nicht treffen. Dafür sind entsprechend prozessspezifische Anforderungen zu ermitteln. Für die Infrarotspektroskopie werden an den Proben (Coilabschnitte und Bipolarplatten) zunächst alle Rückstände entfernt, also eine Referenzsauberkeit hergestellt. Nach der mittels IR-Spektroskopie erfolgten Analyse der Oberflächen werden die Proben mit einer Referenzverschmutzung verunreinigt, die Reinigung durchgeführt und danach erneut analysiert. Diese Analyse zeigt dann, dass mit der Dampfreinigung die filmisch-chemischen Verschmutzungen zuverlässig entfernt werden konnten.
Entsprechende Reinigungsversuche und -kontrollen führen die Experten für Bauteilreinigung und Oberflächenbearbeitung im Monschauer Testzentrum mit den genannten und weiteren Verfahren durch.
Automatisierte Reinigung
Für einen effizienten Workflow kann die Reinigung vor dem Fügen und/oder dem Beschichten in Fertigungslinien integriert werden. Die Automatisierung lässt sich dabei optimal auf die spezifischen Anforderungen und Gegebenheiten der jeweiligen Produktionslinie anpassen.
Ecoclean gehört zur SBS Ecoclean Group, die zukunftsorientierte Anlagen, Systeme und Services für die industrielle Bauteilreinigung und Oberflächenbearbeitung entwickelt, produziert und vertreibt. Deren Lösungen unterstützen weltweit Unternehmen aus der Automobil- und Zulieferindustrie sowie dem breit gefächerten industriellen Markt bei effizienten und nachhaltigen Produktionsprozessen. Die Unternehmens-Gruppe ist mit zwölf Standorten weltweit in neun Ländern vertreten und beschäftigt mehr als 900 Mitarbeiter/innen.
Schwedischer Hafen auf Insel Tjörn will komplett grün werden
Kunststoffabfälle sind ein riesiges Problem für die Umwelt. Eines, das mit jedem Tag wächst und wächst. Auf der anderen Seite benötigt die globale Energiewende sauberen Wasserstoff in großen Mengen. Warum also nicht die Abfälle für eine CO2-neutrale Erzeugung des Gases nutzen? Innovative Technologien und Projekte zeigen, wie es gehen könnte. Sie leisten Pionierarbeit und lösen mehrere Probleme zugleich.
Die Gemeinde Tjörn nördlich von Göteborg an der schwedischen Westküste hat einen Beschluss gefällt: Sie will eine lokale Energieerzeugung frei von fossilen Brennstoffen. Helfen soll dabei die Technologie von Boson Energy aus Luxemburg. Diese nutzt nicht verwertbare Abfälle, um diese in Ökostrom und grünes Methanol umzuwandeln. Grünes Methanol könnte der Chemie- und Kunststoffindustrie helfen, fossile Brennstoffe zu ersetzen.
Der Clou: Sowohl der Strom als auch der Kraftstoff für den Hafen sollen demnach CO2-negativ sein, weil das Verfahren von Boson Energy sowohl eine CO2-Abscheidung als auch die -Speicherung ermöglicht. Der einzige feste Rückstand aus dem Prozess bleibt eine Art Schlacke. Diese kann jedoch als umweltfreundliches Füllmaterial verwendet oder zu klimafreundlichem Dämmmaterial weiterverarbeitet werden.
Die erste Phase des Projekts erforderte eine Investition von 100 Mio. Euro – die Gesamtkosten werden sich auf rund 450 Mio. Euro belaufen. „Das Projekt in Wallhamn wird es uns ermöglichen, alle Aspekte unserer Vision der Kreislaufwirtschaft zu demonstrieren“, freut sich Jan Grimbrandt, Gründer und CEO Boson Energy. Der Schwede ist ein grüner Pionier. Er war bereits Mitgründer des Unternehmens Mobotec Europe, das Kohlekraftwerke für einen Betrieb mit 100 Prozent Biomasse ertüchtigte. 2008 gründete Grimbrandt die Firma Boson Energy.
Einsatz im Hafen und in Gewächshäusern
Das Projekt auf der Insel Tjörn soll nun einen Umstieg für Bereiche und Anwendungen aufzeigen, in denen eine Dekarbonisierung ebenfalls schwierig ist: bei Treibstoffen für Schiffe, in der chemischen Industrie, bei Düngemitteln sowie bei der lokalen Lebensmittelproduktion in Gewächshäusern. „Dieses Projekt wird ein globales Vorbild sein“, ist sich Grimbrandt sicher. Und das nicht nur für Häfen, sondern auch für Städte und Inseln, die mit Problemen des Energiezugangs konfrontiert sind und weg von fossilen Brennstoffen wollen.
Abb. 2: Unterzeichnung der Absichtserklärung – Torbjörn Wedebrand, CEO Wallhamn AB, und Jan Grimbrandt, CEO Boson Energy SA (r.)
Boson Energy hat bereits eine Vereinbarung mit dem Startup Ecopromt unterzeichnet. In einer Kooperation soll ein Gewächshaus für Gemüseanbau in der Nähe des Hafens entstehen. Das von Ecopromt entwickelte Konzept sieht dabei eine zirkuläre und flächeneffiziente Gemüseproduktion vor – ohne Auswirkungen auf die Umwelt. Durch die Errichtung der Anbaufläche in der Nähe der Anlage von Boson Energy können Strom, Kohlendioxid und Kühlung direkt an die Anlage geliefert werden, was einen energie- und klimaeffizienten Anbau ermöglicht.
Geplant sind 70.000 t grünes Methanol aus eigenem Kohlenstoffdioxid und aus Wasserstoff sowie etwa 60.000 m2 autonome Gewächshausanlagen, die mit Strom, grünem CO2 sowie Wärme und Kälte versorgt werden. Zusätzlich wird thermische Energie an die Hafengebäude geliefert. Das in den Brennstoffzellen erzeugte Wasser wird ebenfalls zurückgewonnen und wieder genutzt – in einem geschlossenen Kreislauf.
Die Gemeinde hat unter anderem geeignete Industriegrundstücke in Gebieten geprüft, die von dem laufenden detaillierten Planungsverfahren erfasst werden. Sie profitiert immerhin von einer fossilfreien Energieversorgung und von nachhaltigen Arbeitsplätzen.
Eines der Ziele ist, dass der Umschlaghafen Wallhamn durch dieses Vorhaben zum ersten CO2-negativen Hafen der Welt werden soll. Die Erzeugung von lokalem Strom bedeutet, dass alle Fahrzeuge im Hafen in Zukunft sauber aufgeladen und betrieben werden. Auch Landstromanschlüsse für ankommende Schiffe sollen angeboten werden. Grimbrandt rechnet mit insgesamt 30 bis 40 GWh Ökostrom aus Wasserstoff. Dieser deckt die DC-DC-Ladung von Schwerlastschiffen, den Strom für den Hafenbetrieb sowie die Landstromanschlüsse und sorgt für die Glättung von Spitzenlastzeiten im Betrieb durch ein Energiemanagement.
Aus Müll wird grüner Wasserstoff
Aber nicht nur Grimbrandt und Boson Energy arbeiten daran, sauberen Wasserstoff aus Abfall zu produzieren. Mithilfe der technischen Lösung der Firma H2-Enterprises aus New York soll organischer Müll, einschließlich Kunststoffen, Klärschlamm und vorhandenem Deponiemüll, durch Verbrennung in sauberen Wasserstoff gewandelt werden. H2-Enterprises nutzt dabei ein H2-Thermolyse-Verfahren, das Kunststoffe und organischen Müll bei hohen Temperaturen unter Ausschluss von Sauerstoff in Wasserstoff und CO2 umwandelt.
Es handelt sich hierbei um einen zweistufigen Prozess: Erst erfolgt die Dampfreformierung, anschließend folgt die Wassergas-Shift-Reaktion und die Trennung von H2 und CO2. Am Ende des Prozesses wird der Wasserstoff nach Bedarf noch gereinigt. Das abgeschiedene CO2 kann für kommerzielle Zwecke genutzt oder gespeichert werden. Ebenso wie das aus dem Prozess gewonnene, saubere H2-Gas als flüssiger organischer Wasserstoffträger (LOHC) transportiert und gespeichert werden kann. Das grüne Gas kann so an internationale Abnehmer verkauft werden – oder wird zu synthetischen Kraftstoffen wie e-Diesel oder nachhaltigem Flugzeugtreibstoff (SAF) weiterverarbeitet.
100 kg H2 aus einer Tonne Abfall
Diese Lösung klingt fast zu schön, um wahr zu sein. Denn sie leistet gleich von zwei Seiten einen Beitrag für den globalen Umweltschutz: Zur Beseitigung von Müll und für die Produktion von grünem H2. Beides ist dringend nötig. Laut der Internationalen Energieagentur IEA könnte der weltweite Bedarf an Wasserstoff im Jahr 2030 bei über 200 Mio. t überschreiten, um die vereinbarten Klimaziele zu erreichen. Neben der schieren Menge muss der emissionsfreie Wasserstoff jedoch auch zu einem wettbewerbsfähigen Preis angeboten werden.
Auf der anderen Seite kalkuliert die Weltbank, dass jährlich rund 2 Mrd. t Hausmüll anfallen, die nicht oder nur teilweise auf umweltverträgliche Weise entsorgt werden. Zum Vergleich: Dies entspricht etwa einem Drittel der gesamten Müllentsorgung. Jede Minute wird eine Müllmenge der Kapazität eines Müllwagens ins Meer gekippt. Bei diesem Tempo gibt es bis 2050 demnach mehr Plastik als Fische im Meer. Schon aus einer Tonne Abfall ließen sich 100 kg H2 gewinnen.
Ein elektrisches Leichtkraftrad mit 150 km Reichweite und Betankung in unter einer Minute? Dass dies mit Brennstoffzelle und Wasserstofftank als Range Extender machbar ist, zeigt die gemeinsame Studie „Pocket Rocket H2“ der Dualen Hochschule Baden-Württemberg und der SOL Motors GmbH aus Böblingen.
Elektrofahrräder, Elektroroller und E-Scooter sind bereits Teil des Stadtbildes geworden. Bei kleinen Motorrädern, sogenannten Leichtkrafträdern, ist der Aufbau im Elektrosektor gerade im Gange. Mit einem auffälligen Design kommt im Herbst dieses Jahres die Pocket Rocket des Start-ups SOL Motors auf den Markt.
Die batterieelektrische Version gibt es in zwei Varianten mit Höchstgeschwindigkeiten von 45 km/h oder 80 km/h. In beiden Fällen liegt die Reichweite bei 50 bis 80 km und es dauert etwa drei Stunden, bis die Batterie an einer Haushaltssteckdose aufgeladen ist. Nutzt man die Pocket Rocket für die tägliche Fahrt zur Arbeit, reicht das in der Regel völlig aus.
Allerdings gibt es auch Fälle, in denen man sich eine möglichst kurze Ladezeit und eine hohe Reichweite wünscht. Beispielsweise kann man sich einen Einsatz von Leichtkrafträdern im Katastrophenschutz vorstellen; neben einer hohen Reichweite wird hierfür eine durchgehende Verfügbarkeit gefordert. Bedingungen, die ein Brennstoffzellenfahrzeug erfüllt.
E-Fahrzeuge: Batterie oder Brennstoffzelle?
Die große Mehrzahl der Elektrofahrzeuge weltweit, vom e-Scooter bis zum leichten Nutzfahrzeug, ist heutzutage batterieelektrisch angetrieben. Die Brennstoffzelle kommt dann ins Spiel, wenn sowohl große Leistungen als auch große Energiemengen gefragt sind. Typische Beispiele sind schwere Nutzfahrzeuge, Züge, Schiffe oder Flugzeuge. Durch die Aufteilung in Wasserstofftank und Brennstoffzelle sind bei einem BZ-Antrieb Energie(menge) und Leistung entkoppelt. Auch für kleinere Fahrzeuge ergeben sich bei einem Brennstoffzellenantrieb mehrere Freiheitsgrade für die Systemauslegung.
Bei einem Brennstoffzellenantrieb kann man nicht ganz auf die Batterie verzichten, da sie zum Starten des Systems und zur Rekuperation benötigt wird. Im Zusammenspiel mit der Brennstoffzelle gibt es verschiedene Varianten für die Auslegung der Batterie: Wenn die gesamte Antriebsleistung von der Batterie bereitgestellt wird, dient die Brennstoffzelle lediglich als Range Extender. Quasi das Gegenteil davon wäre ein reiner Brennstoffzellenantrieb mit kleiner Starterbatterie, welche die Bremsenergie zwischenspeichern kann. Wenn beide Leistungsquellen zusammenarbeiten, spricht man von einem Hybridbetrieb.
Vor diesem Hintergrund stand im Projekt Pocket Rocket H2 zunächst die Auslegungsfrage im Fokus, da vergleichbare Fahrzeuge (noch) nicht auf dem Markt sind. Ausgangspunkt für die Berechnungen war der WLTP-Zyklus, der zusammen mit den Fahrzeugdaten der Pocket Rocket (Variante mit maximal 45 km/h) Leistung und Energie aus Abb. 2 liefert. Daraus resultierte die Entscheidung für eine Brennstoffzelle als Range Extender.
Bild: Ermittelter Leistungs- und Energiebedarf der Pocket Rocket (Variante mit 45 km/h max.) aus dem WLTP-Zyklus
Als Range Extender wird die Brennstoffzelle lediglich dazu verwendet, die Batterie zu laden. Damit wird praktisch nicht in die Regelung des batterieelektrischen Fahrzeugs eingegriffen. Als Range Extender muss die Brennstoffzelle lediglich eine Leistung von bis zu 1.000 W liefern; Spitzenlasten werden durch die Batterie abgedeckt. Gleichzeitig wird die Reichweite nur durch die Größe des Wasserstofftanks begrenzt. Für Brennstoffzellen in der Leistungsklasse bis 1.000 W genügt eine einfache Luftkühlung, ab rund 2,5 kW wäre eine aufwändige Wasserkühlung nötig. Als Range Extender kann die Brennstoffzelle mit konstanter Leistung betrieben werden und gleichzeitig die Batterie vor Tiefentladung schützen. Beides erhöht die Lebensdauer dieser Komponenten.
Einziger Nachteil der gewählten Konfiguration: Die Batterie muss so groß ausgelegt sein, dass auch mehrere Kilometer mit Leistungen über 1.000 W, z. B. bei Bergfahrten, möglich sind.
Demonstrator im Labor
Im Projekt wurde das System aus Batterie und BZ-Range-Extender als Labormuster aufgebaut. Dazu wurde ein PEM-Brennstoffzellensystem der Hydrogen Air Technologies Ltd. eingesetzt (Abb. 3).
Bild: Kompaktes BZ-System mit 1.000 W Dauerleistung. Rechts im Bild sind die Ventilatoren für die Luftkühlung zu sehen. Der Schlauch zwischen den Ventilatoren dient zum Purgen mit Stickstoff.
Das System mit seinen 65 Zellen wird mit einfachen, drehzahlgeregelten Ventilatoren luftgekühlt und liefert die beschriebene maximale elektrische Leistung von 1.000 W. Die Spannung variiert, abhängig von der Leistung, zwischen 65 V (Leerlauf) und 35 V (maximale Leistung). Es handelt sich um ein sogenanntes Dead-End-System, d. h., es wird nur so viel Wasserstoff zugeführt, wie auch verbraucht wird.
Im Dead-End-System sammelt sich auf der Wasserstoffseite (Anode) durch Diffusion relativ schnell Stickstoff an, der über ein Spülventil abgelassen werden muss (purgen). Purgen verringert den Wirkungsgrad des Systems, da auch unverbrauchter Wasserstoff ausgetragen wird. Das untersuchte Brennstoffzellensystem hat bei 1.000 W einen Wirkungsgrad von etwa 35 Prozent. Umgerechnet auf den Wasserstoffverbrauch entspricht dies 85 g Wasserstoff pro Stunde.
Elektrische Verschaltung
Der Einsatz des Brennstoffzellensystems als Range Extender erlaubt eine sehr einfache elektrische Verschaltung. Wie in Abbildung 4 dargestellt, muss lediglich ein DC-DC-Wandler die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf die Ladeschlussspannung der Batterie anpassen. Die Batterie kann dann kontinuierlich mit konstanter Spannung geladen werden. Die Regelung der Brennstoffzelle passt deren Ausgangsleistung an den aktuellen Ladestrom an. Das Steuergerät des Antriebs bleibt von dem Ladevorgang durch die Brennstoffzelle unberührt.
Bild: Verschaltung der elektrischen Komponenten der Brennstoffzelle (BZ) als Range Extender
Durch das Brennstoffzellensystem kann die Batterie bei gleicher Motorleistung von 2,5 kWh auf 0,35 kWh verkleinert werden. Die Reichweite wird dann prinzipiell nur durch das Tankvolumen, sprich die Menge an Wasserstoff im Tank, begrenzt. Der Leistungsbedarf mittels WLTP-Zyklus ergibt zusammen mit dem Systemwirkungsgrad einen Wasserstoffverbrauch von ca. 200 g auf 100 km. Mit 1 kg Wasserstoff könnte die Pocket Rocket in der Brennstoffzellenversion also 500 km weit fahren!
Sorgenkind Wasserstoffdrucktank
Leider ist die Speicherung von Wasserstoff für mobile Anwendungen noch unbefriedigend. Wasserstoff ist rund 14-mal leichter als Luft. Um also signifikante H2-Mengen zu speichern, muss dieser komprimiert werden. Aber selbst bei einem Druck von 700 bar nimmt 1 kg Wasserstoff ein Volumen von fast 40 Liter ein. Zusätzlich bringt ein 700-bar-Drucktank, der 1 kg Wasserstoff speichert, ein Gewicht von rund 24 kg auf die Waage. Umso erstaunlicher, dass die Pocket Rocket H2 gegenüber dem batterieelektrischen Fahrzeug nur etwa 2 kg schwerer wird – und das bei doppelter Reichweite.
Durch die Verkleinerung der Batterie von 2,5 kWh auf 0,35 kWh verringert sich deren Gewicht von rund 14 kg auf nur noch etwa 2 kg. In Summe ergeben sich etwa 16 kg, die sich auf Brennstoffzelle (4 kg), Tank (9 kg), Batterie (2 kg) und weitere Komponenten (1 kg) wie DC-DC-Steller und Verbindungskomponenten verteilen. Der H2-Drucktank ist dabei nicht nur die größte, sondern auch die schwerste Komponente. Das liegt vor allem an den hohen Sicherheitsanforderungen für den Einsatz im Straßenverkehr.
Hochdrucktanks für Wasserstoff bestehen heutzutage aus einem Kunststoffliner, der mit in Epoxydharz getränkten Kohlefasern umwickelt ist. Um die gewünschten Anforderungen, wie zum Beispiel einen 2,35-fachen Berstdruck, zu erreichen, ist die Kohlefaserschicht mehrere Zentimeter dick. Fertigungsbedingt können so nur runde oder zylindrische Tanks hergestellt werden. Für die Unterbringung am Rahmen der Pocket Rocket würde man sich allerdings flexiblere Tankgeometrien wünschen, die aktuell allerdings jeden Kostenrahmen sprengen würden.
Zum Abschluss des Projektes wurde in einem CAD-Modell die Unterbringung der Komponenten des Range Extenders am Rahmen der Pocket Rocket untersucht (Bild 5).
Bild: Studie zur Anordnung der einzelnen Komponenten des BZ-Range-Extenders am Rahmen der Pocket Rocket H2. Den größten Bauraum nehmen die Drucktanks für Wasserstoff ein.
Die Batterie, die sich in der batterieelektrischen Variante im oberen Querrohr befindet, ist nun deutlich kleiner und könnte in eines der V-Rohre wandern. Wasserstoff würde in dieser Variante in zwei Tanks, sowohl im Querrohr als auch in einem separaten Tank, gespeichert. Allerdings ließen sich im oberen Tank bereits fast die gesamten 350 g Wasserstoff speichern, die für eine Verdopplung der Reichweite benötigt werden. Der zweite Tank würde nur zum Einsatz kommen, wenn Wasserstoff bei „nur“ 350 bar gespeichert werden soll. Übrigens dauert die Betankung mit 6 kg Wasserstoff bei Pkws vier Minuten. Die Pocket Rocket H2 wäre also in etwa 14 Sekunden wieder vollgetankt.
Fazit und Ausblick
Im Projekt Pocket Rocket H2 wurde gezeigt, wie sich durch Brennstoffzelle und Wasserstofftank die Reichweite eines Leichtkraftrads verdoppeln lässt. Statt langer Ladezeiten lässt sich das „Wasserstoffmotorrad“ in kürzester Zeit betanken. Überraschend ist, dass trotz relativ schwerem H2-Tank das Gesamtgewicht der Pocket Rocket in der BZ-Variante reduziert werden kann, da die Batterie deutlich kleiner ausgelegt wird. Schließlich stellt die elektrische Verschaltung als Range Extender einen minimalen Eingriff in das Regelungssystem dar und eignet sich besonders für die „Nachrüstung“ von batterieelektrischen Fahrzeugen. An der DHBW Horb wurden die Projektergebnisse bereits auf die Auslegung von Transportdrohnen mit Brennstoffzellenantrieb übertragen.
In einem Nachfolgeprojekt werden Laboraufbau und Pocket Rocket zu einem echten Wasserstoffleichtkraftrad zusammengeführt. Das Projekt „Pocket Rocket H2“ wurde im Rahmen der Innovation Challenge 2021 vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst des Landes Baden-Württemberg gefördert.
ICM Innovation Challenge
Der Innovationscampus Mobilität der Zukunft, eine gemeinsame Initiative des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Stuttgart, stärkt mit seiner ersten Innovation Challenge Mobilität und Produktion den direkten Austausch mit der Industrie. Das schnelle und unkomplizierte Förderformat für explorative Innovationsvorhaben hat im November 2021 Wirtschaft und Wissenschaft zusammengebracht, um sieben Forschungsfragen in den Feldern Mobilität und Produktion gemeinsam zu lösen. Die Challenges kamen von innovationsorientierten Unternehmen, die Lösungsansätze von den teilnehmenden Hochschulen und die Förderung im schnellen und kompakten Förderformat vom InnovationsCampus. Das neuartige Förderformat ist speziell auf kleine Unternehmen zugeschnitten: In der Ausschreibungsrunde 2021 wurden Konsortien von Unternehmen und Forschungseinrichtungen mit mehr als 900.000 Euro gefördert.
Autor: Prof. Dr. Volker P. Schulz, Volker.Schulz@dhbw-mannheim.de
Kai Tornow, DHBW Mannheim
Prof. Wolf Burger, DHBW Stuttgart
Manuel Messmer, SOL Motors GmbH
Der Technikkonzern Bosch verstärkt sein Engagement bei der Wasseraufbereitung für grünen Wasserstoff. Neben dem Prinzip der Umkehrosmose entwickelt Bosch an den Standorten Renningen, Stuttgart-Feuerbach und Budweis neue Anlagen, die besonders robust und wartungsarm sind und speziell für abgelegene Gebiete und Offshore-Standorte geeignet sind.
Über thermische und elektrochemische Verfahren entziehen diese Anlagen dem Wasser Mineralien. Dank dieses Aufbereitungsprozesses ohne Filtermedien sei es für Betreiber möglich, komplett auf Chemikalien zu verzichten. Erste externe Pilotprojekte sollen im Laufe dieses Jahres aufgenommen werden. Der Marktstart der Anlagen ist für 2024 geplant.
Die Wasseraufbereitung ist in der H2-Wertschöpfungskette das erste und grundlegende Bindeglied, denn die Elektrolyseure benötigen in der Regel hochreines Wasser. Mithilfe der neuen Technologie wird die Wasseraufbereitung auch in entlegenen Gebieten wirtschaftlich und umweltschonend realisiert, erklärte Stefan Hartung, Vorsitzender der Bosch-Geschäftsführung.
