Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 5.2

Teil 5.2 | KryogenbehÀlter

Selbst bei hoher Komprimierung bleibt die Energiedichte von gasförmigem Wasserstoff (GH2) vergleichsweise gering. Es liegt also nahe, ihn in flĂŒssiger Form zu speichern. FlĂŒssiger Wasserstoff (Liquid Hydrogen, LH2) war bereits zur Jahrtausendwende als Pkw-Kraftstoff im GesprĂ€ch. Exemplarische Fahrzeugtanks fassten bis zu 120 Liter bzw. 8 kg flĂŒssigen Wasserstoff bei 5 bar. Dies entspricht einem BenzinĂ€quivalent von 32 Litern. Damit war zuletzt eine Reichweite von 300 Kilometern realisierbar. Solch ein LH2-Tank wog leer etwa 140 Kilogramm mitsamt allen Armaturen. Wegen des hohen Aufwands und der auftretenden Abdampfverluste (s. u.) hat sich LH2 fĂŒr Pkw-Tanks aber nicht durchgesetzt. In den 2000er Jahren schwenkten nahezu alle Hersteller auf 700-bar-Druckspeicher um.

Jetzt kommt flĂŒssiger Wasserstoff allerdings wieder als Energiespeicher fĂŒr die Belieferung von H2-Tankstellen ins GesprĂ€ch. Außerdem prĂŒfen einige Hersteller, ob LH2 als Kraftstoff fĂŒr Wasserstoff-Trucks eingesetzt werden kann. Elementarer Vorteil ist die im Vergleich zu GH2 höhere Energiedichte, die fĂŒr H2-Lkw eine grĂ¶ĂŸere Reichweite ermöglicht.

Wasserstoff gehört wie Helium, Sauerstoff, Stickstoff und Erdgas zu den kryogenen Medien: Das sind Substanzen, die erst bei sehr niedrigen Temperaturen flĂŒssig werden. Die SpeicherbehĂ€lter mĂŒssen daher angemessen gekĂŒhlt oder mithilfe einer speziellen Schicht isoliert werden:

Tanks fĂŒr kryogene Medien bestehen, Ă€hnlich wie eine Thermoskanne, aus einem Innen- und einem AußenbehĂ€lter. Der Raum zwischen den beiden BehĂ€ltern ist zur Reduzierung des WĂ€rmestroms evakuiert. Außerdem ist eine wenige Zentimeter dicke Isolationsschicht eingelegt. Sie besteht aus bis zu 70 Lagen Aluminiumfolie im Wechsel mit Glasfibermatten. Sie bewirkt einen Isolationsgrad entsprechend dem eines neun Meter dicken Styropormantels. Der fĂŒr diese Tanks meistens verwendete Edelstahl wird im Gegensatz zu den meisten anderen Werkstoffen auch bei sehr niedrigen Temperaturen nicht spröde.

Trotz dieser optimierten WĂ€rmedĂ€mmung gibt es immer einen WĂ€rmeeintrag, so dass ein gewisser Prozentsatz des flĂŒssigen Kraftstoffes verdampft. Weil ein Gas ein grĂ¶ĂŸeres Volumen einnimmt als eine FlĂŒssigkeit, nimmt dadurch der Druck innerhalb des BehĂ€lters allmĂ€hlich zu. Steigt der Druck so weit an, dass der maximale Betriebsdruck erreicht ist, öffnet das Sicherheitsventil und es wird Gas abgelassen (Abblasen = Blow-off oder auch Boil-off). Diese abgegebene Gasmenge wird auch als Abdampfverlust bezeichnet. Je besser die Isolierung ist, desto spĂ€ter muss das Sicherheitsventil in Aktion treten.

Wird Kraftstoff entnommen, sinkt der Druck im Inneren. Wird also ein mit LH2 betriebenes Auto regelmĂ€ĂŸig gefahren, treten keine Abdampfverluste auf. Erst beim Parken des Fahrzeugs ĂŒber einen lĂ€ngeren Zeitraum hinweg stellt das abdampfende Wasserstoffgas ein Problem dar. Mithilfe eines zusĂ€tzlichen KĂŒhlmantels mit FlĂŒssigluft wurde die Standzeit von etwa drei auf bis zu zwölf Tagen verlĂ€ngert. Ganz verhindern konnte man die Abdampfverluste bisher aber nicht.

Abb. 21: LH2-Tank von 2003
LH2-Lindetank.jpg
Quelle: Linde

Der Betriebsdruck in vakuumisolierten Tanks betrĂ€gt in der Regel zwischen 1,2 und 3,5 bar. Der absolute Druck im Tankinneren kann von 0,05 bar (Evakuierung: -0,95 bar gegenĂŒber dem Umgebungsdruck) bis 5 bar (Überdruck) schwanken. Die Betriebstemperatur variiert zwischen 21 und 25 Kelvin. Beim Reinigen mit flĂŒssigem Helium können jedoch auch 4 Kelvin auftreten. Beim Trocknen mit heißem Stickstoffgas können andererseits auch 420 Kelvin erreicht werden. Die Tankkomponenten mĂŒssen also eine große Belastungsbandbreite abdecken.

Wesentlicher Bestandteil eines LH2-Kraftstofftanks ist das Druckregelsystem, das den Tankinnendruck möglichst konstant hÀlt. Wird Kraftstoff entnommen, sinkt der Druck ab. Um eine kontinuierliche H2-Versorgung sicherzustellen, muss das Druckniveau wiederhergestellt werden.

Ein weiterer wichtiger Faktor beim Umgang mit kryogenen Medien ist die Sicherheit. Dazu gehört auch, dass die BehĂ€lterisolierung die Umgebung vor der extremen KĂ€lte schĂŒtzt. Ein BerĂŒhren tiefkalter Komponenten wĂŒrde ansonsten sofort zu Verletzungen fĂŒhren. Doch selbst der Luftkontakt mit tiefkalten Materialien ist problematisch. In der Ă€ußeren Umgebung wĂŒrde der Wassergehalt in der Luft kondensieren (Nebelbildung) und gefrieren. DarĂŒber hinaus wĂŒrde sich der Luftsauerstoff bei Temperaturen unter 90 Kelvin verflĂŒssigen, wodurch es in diesem Bereich zu einer ungewollten Anreicherung von Sauerstoff kĂ€me, so dass sich das Brandrisiko erhöhen könnte. Verfestigen wĂŒrde sich Sauerstoff bei 50 K. Bei Stickstoff liegt der Siedepunkt bei 77 K und der Schmelzpunkt bei 63 K.

Sicherheitsversuche mit LH2-Fahrzeugtanks wurden bereits in den 1990er Jahren an doppelwandigen Tanks aus unterschiedlichen Materialien und mit unterschiedlichen WandstĂ€rken durchgefĂŒhrt. Selbst bei einem 70 Minuten dauernden Brandversuch mit durchgĂ€ngig ĂŒber 900 °C an der gesamten TankoberflĂ€che funktionierten die Sicherheitsvorrichtungen einwandfrei: Mit steigendem Druck im Inneren entwich der Wasserstoff durch die Sicherheitsventile und verbrannte langsam, ohne Explosion. Auch dem Aufprall stumpfer und spitzer GegenstĂ€nde, starkem RĂŒtteln und Beschleunigungsversuchen mit bis zu vierfacher Erdbeschleunigung (4 g) hielten die Tanks stand.

Im unwahrscheinlichen Fall des Versagens der Sicherheitsvorrichtungen verhindern speziell dafĂŒr vorgesehene Sollbruchstellen das Bersten der Tanks. Das Sicherheitsprinzip basiert auf der Regel „Leck vor Bruch“. Der Ansprechdruck der Sollbruchstelle (ca. 25 bar) ist ausreichend weit entfernt vom maximalen Betriebsdruck (5 bar) und vom Berstdruck (100 bar).

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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