Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 7.3

Teil 7.3 | Fahrzeugbetankung

7.3.1 Betankung mit gasförmigem Wasserstoff

Der Umgang mit komprimiertem Gas ist heutzutage Alltag. Die Betankung von Erdgasfahrzeugen ist bereits seit dem Ende des letzten Jahrhunderts Stand der Technik und wird mittlerweile an rund 1.000 Tankstellen deutschlandweit durchgefĂŒhrt. Die Dauer zum BefĂŒllen von Pkw-GasbehĂ€ltern betrĂ€gt etwa drei Minuten. Die maximale Durchflussmenge liegt bei drei Kilogramm pro Minute.

Die fĂŒr den Tankvorgang mit GH2 verwendeten Kupplungen an den ZapfsĂ€ulen orientieren sich an der bereits bewĂ€hrten Technik der Erdgastankstellen und sind einfach zu bedienen und sicher.

Im Vergleich zur Erdgastechnik (200 bis 350 bar) ist der Druck bei GH2 mit 700 bar deutlich höher. Technisch scheint bei diesem Druck vorerst das Ende der Fahnenstange erreicht: Ein Speicherdruck von 700 bar setzt einen Betriebsdruck von 1.000 bar und damit einen PrĂŒfdruck von 1.500 bar voraus, was nach heutigem Ermessen das obere Ende der Drucktechnik bedeutet. Außerdem muss die Betankungseinheit in der Lage sein, einen höheren Druck als in den Tanks aufzubauen, damit eine vollstĂ€ndige BefĂŒllung möglich ist und das Gas nicht wieder zurĂŒckströmt. Zudem steigt die Speicherdichte nicht linear zum Druck, so dass der Vorteil einer weiteren Steigerung des Drucks begrenzt ist.

Tab. 4: Vergleich der Speicherdichten

Medium LH2

GH2

700 bar

GH2

350 bar

relative
Energiemenge
100 % 58 % 35 %
spezifische
Energiemenge
8,49 MJ/l 4,93 MJ/l 2,95 MJ/l

Abb. 31: Betankung an einer Hamburger H2-Tankstelle
Betankung-HEW.jpg
Quelle: Hamburger Hochbahn

Der hohe Druck und die damit verbundene WĂ€rmefreisetzung sind eine Herausforderung: Bei der Verdichtung des Gases wĂ€hrend des Betankens wird Arbeit verrichtet, so dass die Gastemperatur bis auf 140 °C ansteigt. KĂŒhlen sich Kraftstoff und Tank spĂ€ter wieder ab, nimmt dementsprechend der Druck im Inneren ab, so dass das Druckniveau danach niedriger liegt. Aus diesem Grund muss bis auf einen Druck von 850 bar betankt werden, damit anschließend noch 700 bar Speicherdruck ĂŒbrigbleiben.

Wenn schnell betankt wird, besteht die Gefahr, dass die Temperatur zu schnell zu hoch wird. Im Innenraum von Fahrzeugen sind maximal 85 °C zugelassen. Deswegen muss auf einen entsprechenden WĂ€rmeausgleich geachtet werden, wodurch die Betankung von 850 bar durchaus drei Minuten dauern kann. Um die Betankungszeit zu verkĂŒrzen, wird der Kraftstoff deshalb vorgekĂŒhlt. Aus diesem Grund ist es durchaus sinnvoll, gasförmigen Wasserstoff aus der Gasphase stationĂ€rer LH2-Tanks zu entnehmen, sofern diese vorhanden sind. Auf diese Weise erspart man sich die energieintensive AbkĂŒhlung des Gases und kann gleichzeitig kurze Betankungszeiten realisieren.

7.3.2 Betankung mit flĂŒssigem Wasserstoff

FĂŒr flĂŒssigen Wasserstoff sind Spezialkonstruktionen notwendig, damit der kryogene Kraftstoff sicher getankt werden kann. Bereits die Verbindungsherstellung (Ankuppeln des Tankstutzens) ist ein schwieriger Prozess, weil die tiefkalten Leitungselemente nicht mit Luft in Kontakt kommen dĂŒrfen.

Im Jahr 1992 dauerte die Betankung mitsamt An- und Abkupplung, Reinigung und WĂ€rmeausgleich rund 18 Minuten. Bis Mitte des ersten Jahrzehnts des 21. Jahrhunderts reduzierte sich die Betankungszeit auf drei Minuten. Mit konventionellen Kraftstoffen betrĂ€gt die Betankungszeit je nach TankgrĂ¶ĂŸe ein bis zwei Minuten (max. Durchflussmenge an deutschen Tankstellen: 50 l/min).

Der LH2-Betankungsprozess lĂ€uft grĂ¶ĂŸtenteils vollautomatisch ab und beinhaltet viele automatisierte Sicherheitsvorkehrungen. FĂŒr die Nutzer ist der Vorgang unkompliziert: Die Verkupplung kann bei Umgebungstemperatur hergestellt werden. Nachdem die mechanische Verbindung hergestellt worden ist, wird ein Schleusenraum in der Tankkupplung mit Helium gespĂŒlt und gereinigt. Erst danach werden die Ventile auf beiden Seiten der Kupplung gleichzeitig geöffnet. Vor dem Start des eigentlichen Betankungsablaufs wird neben der mechanischen auch eine elektrische Verbindung hergestellt, damit alle Komponenten geerdet sind und kein Funkenschlag stattfinden kann. Bevor die eigentliche Betankung vonstattengeht, wird mithilfe eines Druckstoßes mit Helium ĂŒberprĂŒft, ob das Tanksystem dicht und die Kupplung korrekt befestigt ist. Durch einen sogenannten Cold-Finger im Inneren der Zapfpistole fließt dann flĂŒssiger Kraftstoff, wĂ€hrend gleichzeitig das Gas in den stationĂ€ren Tank zurĂŒckgefĂŒhrt wird. Der Tank wird nur bis zu einem FĂŒllgrad von 85 Prozent des Maximalvolumens befĂŒllt. Ein restliches Gaspolster im Inneren ist notwendig, damit es bei einer ErwĂ€rmung nicht zu FlĂŒssigkeitsdruck kommen kann.

Diese besondere Betankungstechnik fĂŒhrt dazu, dass es von außen nicht wahrnehmbar ist, wenn durch die Tankkupplung tiefkalter Wasserstoff mit einer Temperatur von -253 °C fließt. Das Metall kann problemlos wĂ€hrend und auch nach der Betankung berĂŒhrt werden, so dass direkt anschließend ein weiterer BefĂŒllvorgang stattfinden kann.

Aus SicherheitsgrĂŒnden ist die Betankungsgeschwindigkeit begrenzt. Es dĂŒrfen maximal 66 Gramm Wasserstoff pro Sekunde befördert werden. Bei der Erstbetankung eines neuen Systems mĂŒssen vor dem Ankuppeln grundsĂ€tzlich sĂ€mtliche Leitungssysteme mehrfach mit einem Inertgas (Stickstoff) evakuiert und gespĂŒlt werden. Luft oder Wasserdampf im System könnten sonst zu Vereisungen und damit zu Leitungs- und Ventilblockaden fĂŒhren. Danach wird mehrmals mit GH2 gespĂŒlt. Dazu wird erst warmes und dann kaltes Gas genommen, um das System herunterzukĂŒhlen. Durch jeden SpĂŒlvorgang reduziert sich die Menge der Verunreinigungen, bis kaum noch störende MolekĂŒle vorhanden sind. Nach der Reinigung und der AbkĂŒhlung kann dann LH2 getankt werden.

Wenn am Tanksystem Wartungsarbeiten notwendig sind, muss es zunĂ€chst erwĂ€rmt und gereinigt werden. Dabei wird der oben beschriebene Reinigungsprozess umgekehrt. Warmes GH2 wird in diesem Fall zum ErwĂ€rmen der Komponenten und warmes Stickstoffgas zum Reinigen durch das System geleitet, bis der Wasserstoff auch in der letzten Ecke des Kraftstoffsystems ausreichend verdĂŒnnt ist und kein zĂŒndfĂ€higes Gemisch mehr vorhanden ist.

Da dieses ganze Prozedere mit flĂŒssigem, tiefkaltem Wasserstoff sehr aufwendig und somit teuer ist, konzentrieren sich die Arbeiten mittlerweile auf gasförmigen Wasserstoff. Im Nutzfahrzeugsektor könnte LH2 aber wieder ein Thema werden.

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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