Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

1 Einleitung: Rettet Wasserstoff das Klima?
Druckbehaelter

Teil 5.1 | Gasdruckbehälter

Da Wasserstoff bei Umgebungstemperatur gasförmig vorliegt, ist es naheliegend, diesen Stoff auch gasförmig zu speichern. Gemäß den thermodynamischen Regeln lässt sich das Volumen von Gasen verringern, wenn der Druck erhöht wird. Je höher aber der Druck wird, desto größer wird auch die Beanspruchung des Gasbehälters. Dementsprechend nimmt das Gewicht der Gasflaschen mit zunehmendem Druck deutlich zu.

Die Speicherung von Wasserstoff geschieht – ähnlich wie die Druckgasspeicherung von Erdgas – in der Regel bei Drücken zwischen 200 und 300 bar. Im Fahrzeugsektor sind inzwischen auch Speicherdrücke von bis zu 700 bar Stand der Technik. Das Problem bei diesem hohen Druckniveau ist jedoch, dass rund 15 Prozent des Energieinhaltes des Gases in die Komprimierung investiert werden müssen.

Während die Bauform bei Niederdrucktanks noch weitgehend frei gestaltbar ist (z. B. Flüssiggasautos), kommen bei hohen Drücken hauptsächlich Zylinder oder Kugeln in Frage. Eine Kugel hat von allen geometrischen Formen die kleinste Oberfläche pro Volumeneinheit. Außerdem verteilt sich die Last am besten. Nachteilig bei Kugeltanks ist jedoch die aufwendige Herstellung. Außerdem ist beispielsweise bei LPG-Tanks die freie Oberfläche der Flüssigkeit im Inneren eines teilweise leeren Kugeltanks größer als bei einem stehenden Zylinder. Deshalb haben sich zylinderförmige Gasflaschen durchgesetzt. Nur bei großen, stationären Gasbehältern werden mitunter Kugeltanks eingesetzt. Sicherheitstechnisch weisen Kugeln und Zylinder keine wesentlichen Unterschiede auf.

Für Drucktanks hat man verschiedene Sicherheitsvorkehrungen getroffen: Sie verfügen in der Regel über ein Absperrventil, womit sie bei Bedarf (z. B. Ein- und Ausbau, Wartung, Gasverlust in der Leitung) geschlossen werden können. Im Falle einer etwaigen Beschädigung des Leitungssystems verhindert ein Durchflussmengenbegrenzer die schlagartige Entleerung der Gastanks. Eine Schmelzlotsicherung stellt eine Druckentlastung bei hohem Wärmeeintrag (im Brandfall) sicher, indem das Lot bei hohen Temperaturen zu schmelzen beginnt, so dass das Ventil nach einem vorgegebenen Zeitraum öffnet und eine Druckentlastung eintritt.

Darüber hinaus verfügen Druckbehälter über Sicherheitsventile, die für einen Druckausgleich sorgen, falls der Behälterdruck zu sehr ansteigt. Um dieses Ventil noch zusätzlich abzusichern, werden mitunter Berstscheiben eingesetzt, die für Entspannung sorgen, bevor der Berstdruck des Behälters erreicht ist.

 

Tab. 3: Gängige Flaschengrößen

Rauminhalt [l]

2

10

20

50

Fülldruck [bar]

200

200

200

200

Prüfdruck [bar]

300

300

300

300

Gasinhalt bei 15°C, 1 bar [m3]

0,4

2

4

10

Außendurchmesser [mm]

117

140

204

229

Länge [mm]

336

970

970

1640

Gewicht [kg]

3,2 (Alu)

12 (Alu)

36,5 (Stahl)

65 (Stahl)

Quellen: Linde, Air Liquide

Handelsübliche Stahlflaschen sind mit einem Volumen von zwei bis 50 Litern und für Drücke von 100 bis 300 bar erhältlich. Sie bestehen meist aus Chrom-Molybdän-Stahl und wiegen meist deutlich mehr als ihr Inhalt.

Zum Zwecke der Gewichtsreduzierung wurden Stahlflaschen in den letzten Jahren in einigen Bereichen durch Composite-Tanks ersetzt. Diese sind leichter, aber auch teurer. Sie verfügen im Inneren über einen sogenannten Liner. Das ist ein Innenbehälter aus Aluminium, Stahl oder Kunststoff, der für die Dichtigkeit verantwortlich ist. Dieser ist von einem Netz aus Kohlenstofffasern umgeben, das für die notwendige Festigkeit sorgt. Wasserstoff in 300-bar-Druckflaschen und -Flaschenbündeln wird heute beispielsweise für Brennstoffzellen eingesetzt. Wasserstofftanks mit einem Druck von 700 bar sind heute das übliche Medium für Wasserstofffahrzeuge.

Abb. 20: Composite-Flasche für 700 bar
Composite-Behälter_bearbeitet.jpg

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