Sichere und leichte Hochdrucktanks für Speicherung und Transport von Grünem Wasserstoff

17.4.2019

Grüner Wasserstoff spielt eine Schlüsselrolle für die Energiewende, denn er kann das verbindende Element zwischen den Sektoren Strom, Mobilität und Industrie bilden. Damit sich diese Potenziale entfalten können, sind effiziente Verfahren zur Speicherung und zum Transport von Grünem Wasserstoff notwendig. Die vier Projektpartner Hexagon Purus GmbH, RayScan Technologies GmbH, Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM arbeiten gemeinsam an der Entwicklung von sicheren und leichten Hochdrucktanks, in denen Wasserstoff bei einem Betriebsdruck bis 1000 bar gespeichert und transportiert werden kann. Das ermöglicht eine deutlich effizientere Verteilung und Nutzung dieses nachhaltigen Energieträgers.

Tank H2 Leichtbau
© Hexagon

Hochdruckbehälter (300 bar) für Wasserstoffspeicherung und -transport.

H2 Wasserstoff Tank Druck
© Hexagon

Schnittmodell eines Wasserstoff-Druckbehälters aus faserverstärktem Kunststoff mit nichttragendem Kunststoffliner.

Das Gemeinschaftsvorhaben ist Teil des Innovationsprojekts HYPOS, in dem sich mehr als 100 Partner zusammengeschlossen haben, um die Nutzung von Grünem Wasserstoff in den Bereichen Chemieindustrie, Raffinerie, Mobilität und Energieversorgung voranzutreiben. Ausgangspunkt für Grünen Wasserstoff ist Strom aus erneuerbaren Energien, der zur Elektrolyse genutzt wird, bei der Wasserstoff entsteht. So wird grüner Strom grundlastfähig und kann bedarfsgerecht genutzt werden. Zugleich wird Wasserstoff als wichtiger Rohstoff aus erneuerbaren Quellen gewonnen, nicht mehr auf Basis fossiler Rohstoffe. 

Grüner Wasserstoff kann in Großspeichern verwahrt und in Pipelines transportiert werden. Damit er auch zum Endkunden in ländlichen Gebieten oder Tankstellen in der Innenstadt gelangen und kurzfristig zwischengelagert werden kann, sind zusätzlich entsprechende Speicher- und Transporttanks notwendig. Weil gasförmiger Wasserstoff eine geringe volumenspezifische Energiedichte hat, bieten Hochdrucktanks eine praktikable Speicherlösung: Der Wasserstoff wird darin hoch komprimiert. In einen gleich großen Tank passt bei 1000 bar fast 600 Mal so viel Wasserstoff wie im unkomprimierten Zustand und mehr als doppelt so viel wie in einen 350-bar-Behälter. Für die Kompression wird zwar ebenfalls Energie verbraucht, aber deutlich weniger als beispielsweise bei der Verflüssigung des Wasserstoffs und der Speicherung in Kühlbehältern bei Temperaturen unter -250 °C. 

Auf dem Markt für Wasserstofftransport üblich sind Druckbehälter mit 200-350 bar, teilweise 500 bar. Diesen Wert wollen die Projektpartner deutlich steigern. Ziel sind besonders sichere und leichte Behälter, die bei einem Betriebsdruck bis 1000 bar eingesetzt werden können. 

»Ein höherer Betriebsdruck bietet enorme Vorteile für eine effiziente Verteilung und Zwischenspeicherung von Wasserstoff, ebenso wie für leistungsfähige Tanksysteme. Damit das gelingt, ist ein abgestimmtes, optimiertes Werkstoff- und Bauteilkonzept für den Druckbehälter notwendig«, sagt Fabian Richter, Entwicklungsingenieur bei Hexagon, der das bis 30. November 2021 laufende Projekt koordiniert. 

Besonders geeignet, um dieses Ziel zu erreichen, sind Kunststoff-Hybridtanks. Ummantelt werden solche Behälter von einem faserverstärkten Kunststoff als lasttragender Struktur. Innen liegt ein thermoplastischer Kunststoff-Liner, der die Gasdichtheit gewährleistet. Dazu kommen Metall-Elemente an den Enden des Behälters. »Dieser Multimaterialcharakter bringt einige Herausforderungen mit sich. Alleine die Ummantelung selbst ist wiederum ein Hybridverbund aus kohlenstoff- und glasfaserverstärkten duroplastischen Kunststoffen«, erklärt Richter. 

Einige Probleme wie Wasserstoffversprödung oder Korrosion sind zwar ausgeschlossen, weil für den Liner kein metallischer Werkstoff, sondern Kunststoff eingesetzt wird. Für den Betrieb bei bis zu 1000 bar gibt es dennoch einige offene Forschungsfragen: Wie verhält sich das Laminat aus faserverstärktem Kunststoff, wenn der Tank befüllt oder entleert wird? Bleibt der Verbund zwischen Liner und der Ummantelung stabil, auch bei extremen Temperaturschwankungen und anderen Belastungen? Wie interagiert der Wasserstoff mit den verschiedenen Materialien und welche Effekte hat das auf deren Alterung und Lebensdauer? Wie lassen sich fertigungsbedingte Fehlstellen (etwa Lagendickentoleranzen, Faserwinkelabweichungen, Poren, trockene Fasern) vermeiden und wie lassen sich ihre Auswirkungen auf den Betrieb des Behälters bewerten? 

Für diese Fragen erforschen die Projektpartner die materialwissenschaftlichen Grundlagen. Sie möchten zudem skalierte Modellbehälter-Strukturen und Großbehälter-Modelle fertigen und umfassend charakterisieren. Nicht zuletzt soll eine geeignete Prüf-Infrastruktur für die neuartigen Behälter etabliert werden, um mit angepassten Belastungstests die Betriebssicherheit demonstrieren zu können. 

Damit die neuen Hochdruck-Tanks ihre Leistungsfähigkeit beweisen können, soll beispielsweise ein verbessertes thermoplastisches Linermaterial entwickelt und in das Behälterkonzept integriert werden, das auch bei hohen Speicherdrücken eine niedrige Wasserstoffpermeationsrate sicherstellt. Die Projektpartner wollen, basierend auf dem Materialverständnis bis hin zur Mikrostruktur der eingesetzten Werkstoffe, ein neuartiges makroskopisches und für die verlässliche Vorhersage des Bauteilverhaltens anwendbares Schädigungsmaterialmodell entwickeln. Dazu kommen zahlreiche, vor allem zerstörungsfreie Prüfverfahren zum Einsatz, die im Zuge des Projekts ebenfalls weiterentwickelt werden sollen. Ziel sind Konzepte für eine effiziente 3D-Röntgen-Prüfung, die eine 100%-Qualitätsüberwachung produktionsbegleitend im späteren Serien-Fertigungsprozess von Kunststoff-Hybrid-Druckbehältern möglich machen. 

»Mit sicheren und leichten Hochdrucktanks können wir das ökologische Potenzial des Grünen Wasserstoffs mit weiteren Pluspunkten kombinieren: Zum Transport der gleichen Menge an Energie sind weniger Fahrzeuge oder weniger Fahrten nötig, zugleich steigern wir die Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten – und nicht zuletzt bieten sich erhebliche Kostenvorteile für die Unternehmen«, sagt Richter.