Recyclingfähige, formflexible Wasserstofftanks für Brennstoffzellen-Autos

Ein Leichtmetallhydrid-Wasserstofftank der Geesthachter Werstoffforscher. Foto: HZG

Sie könnten ein weiterer Schritt in Richtung Energiewende auch auf der Straße sein: Fahrzeuge, die Wasserstoff tanken und über eine Brennstoffzelle den Elektromotor antreiben. Denn der notwendige Wasserstoff lässt sich klimafreundlich durch Windkraft oder Solarenergie erzeugen.

Eine Herausforderung dabei ist die Speicherung von ausreichend Wasserstoff im Fahrzeug. Heute erfolgt dies in Gasdrucktanks, die ein relativ großes Volumen aufweisen und sich nur schwer im Fahrzeug unterbringen lassen. Außerdem sind zur Beladung hohe Drücke von bis zu 900 bar notwendig. Dadurch müssen diese Tanks aus besonders hochwertigem, aber nicht recyclingfähigem Material sein.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) fördert daher mit rund 2,4 Millionen Euro das Projekt „H2HybridTank“. Wissenschaftler und Techniker der Volkswagen AG, des Helmholtz-Zentrums Geesthacht sowie der Panco GmbH forschen gemeinsam an einem neuen Wasserstoff-Tank auf Basis von Leichtmetallhydriden. Dem HZG stehen dabei circa 1,8 Millionen Euro an Förderung zur Verfügung.

Von der Grundlagenforschung bis zum Prototypen
Die Vorteile eines solchen Tanks erläutert der Projekt Koordinator Dr. Klaus Taube, Wissenschaftler im HZG: „Unsere Hydride speichern viel Wasserstoff in weniger Volumen bei wesentlich geringeren Drücken. Sie lassen sich trotzdem schnell beladen und geben den Wasserstoff bei technisch akzeptablen Temperaturen wieder frei.

Damit können wir bei geringerem Platzbedarf mehr Wasserstoff als in Hochdrucktanks speichern.“ Außerdem könnten durch den geringeren Druck recyclingfähige Tankhüllen eingesetzt werden, der Energieaufwand für Kompression gesenkt, auf Vorkühlung verzichtet und der Tank besser in die Fahrzeugform integriert werden.

Bei der Wasserstoffspeicherung in Leichtmetallhydriden wird Wasserstoff in das Gitter der Metall-Kristalle eingebaut und erreicht so höhere Dichten als bei der Hochdruckspeicherung. Doch es gibt viele Herausforderungen – dazu Dr. Klaus Taube: „Den Wärmebedarf der Hydride für die Wasserstoff-Freisetzung und ihren Kühlbedarf während der Betankung in ein kompaktes, leichtes und kostengünstiges Konzept umzusetzen, ist technisch äußerst anspruchsvoll.“

Aber machbar, denn erste Untersuchungen der Wasserstoff-Forscher im HZG zeigen: Die neuartigen Hydride können grundsätzlich auf einem für Brennstoffzellenfahrzeuge akzeptablen Temperaturniveau arbeiten. Ziel der Arbeiten ist es, anhand eines feststehenden Demonstrator-Tanksystems die Betankung mit fünf Kilogramm Wasserstoff in höchstens zehn Minuten zu zeigen und eine Fahrzeugbrennstoffzelle, zunächst während des neuen WLTP-Fahrzyklus, mit ausreichend Wasserstoff zu versorgen, indem nahezu ausschließlich die Abwärme der Brennstoffzelle für die Wasserstofffreisetzung genutzt wird.

„Nach Abschluss des Projektes“, so hofft Dr. Tobias Lösche-ter Horst, der in der Konzernforschung der Volkswagen AG den Bereich Antriebs- und Energiesysteme leitet, „werden wir wissen, für welchen Fahrzeugtyp die Hydridspeicher-Technologie sinnvoll zur Wasserstoffspeicherung eingesetzt werden könnte.“

Weitere Schritte werden dann eng mit der AUDI AG abgestimmt, welche für dieses Innovationsfeld die Entwicklungsverantwortung im Volkswagen-Konzern hat. Die AUDI AG entwickelt derzeit die sechste Technologie-Generation der Brennstoffzelle. Sitz des Brennstoffzellen-Kompetenzzentrums ist der Standort Neckarsulm.

Starke Partner im Projekt

Im H2HybridTank-Projekt kooperieren die Konzernforschung der Volkswagen AG (Schwerpunkt Fahrzeugintegration), die mittelständische Panco GmbH (Schwerpunkt Wärmemanagement) und das Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH (Institut für Werkstoffforschung, Werkstofftechnologie, Schwerpunkt Speichermaterialsynthese, Tankdesign, -bau und Test).

Die Stühff GmbH (Apparatebau) wird wesentliche Beiträge zum Projekt beisteuern. Die Partner sind davon überzeugt, dass die speziellen Eigenschaften der Leichtmetallhydride und der darauf basierenden Tanksysteme den mittelständischen Druckgeräteherstellern und Apparatebauern große Chancen bieten, um im Zukunftsmarkt der emissionsfreien Mobilität auf Basis von Wasserstoff neue Marktchancen zu entwickeln.
H2HybridTank: Eine Maßnahme im 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung

H2HybridTank – „Demonstration eines kostengünstigen hybriden Druck-Festkörper-Wasserstoffspeicherfunktionsmodells für zukünftige Anwendung im PKW “ ist ein Projekt im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung. Damit werden unter anderem neue chemische und elektrochemische Energiespeichersysteme gefördert.

https://www.hzg.de/public_relations_media/news/077973/index.php.de

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Dr. Torsten Fischer Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung

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Die Materialwissenschaft bezeichnet eine Wissenschaft, die sich mit der Erforschung – d. h. der Entwicklung, der Herstellung und Verarbeitung – von Materialien und Werkstoffen beschäftigt. Biologische oder medizinische Facetten gewinnen in der modernen Ausrichtung zunehmend an Gewicht.

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