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Die Thermodynamik des Flüssigwasserstofftanks

Für den automobilen Einsatz von Wasserstoff als Energieträger ist die Speicherung eine der zentralen Fragen. Bei der Flüssigspeicherung wird Wasserstoffgas durch Abkühlung auf -253 Grad C verflüssigt und als siedende Flüssigkeit in einem aufwendig isolierten Behälter bei einem Druck zwischen 2 und 8 bar gespeichert. Da Systeme heutiger Auslegung über keine aktive Kühlung verfügen, ist ein geringer Wärmeeintrag unvermeidlich. Dieser führt zu einem stetigen Druckanstieg, usw.

Teilvorhaben O0, Teilvorhaben J1

Das geplante Forschungsvorhaben adressiert die Hauptziele der Bekanntmachung 'Kopernikus-Projekte für die Energiewende' des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Aufgrund der gestiegenen Umwelt- und Klimaschutzanforderungen sollen eine langfristige Dekarbonisierung der Energiesysteme und eine Speicherung und Nutzung des 'Überschussstromes' aus erneuerbaren Quellen erfolgen. Das Vorhaben soll im Erfolgsfall als Teil des Kopernikus-Projektes 'P2X' einen signifikanten Beitrag zu den Zielen der deutschen Energiewende leisten. Ziel des Vorhabens ist es, Lösungen zu erarbeiten, zu demonstrieren und zu implementieren, mit denen unter Einsatz erneuerbar erzeugter elektrischer Energie stoffliche Energieträger und chemische Produkte für Anwendungen in den industriellen Leitmärkten Energie, Transport/Verkehr und Chemie wirtschaftlich, zeitlich flexibel und auf die gesellschaftlichen Bedürfnisse abgestimmt produziert werden. Die Linde AG bearbeitet hierbei die im Forschungsclusters FC-A1 und A3. FC-A1: Die PEM Elektrolyse FC-A3: Die Hochtemperatur Co-Elektrolyse von Kohlendioxid und Wasserdampf. Zudem ist Linde als assoziierter Partner im Cluster B1 zur Nutzung von 'Liquid Organic Hydrogen Carriers' für Transport und Speicherung von Wasserstoff aktiv.

ChemEFlex - Umsetzbarkeitsanalyse zur Lastflexibilisierung elektrochemischer Verfahren in der Industrie, Teilvorhaben: Studie zur Erhöhung der Flexibilität durch unterstützende Batteriespeicher sowie durch alternative Nutzungsmöglichkeiten des Wasserstoffs

Dieses Projekt hat das Ziel, die Flexibilitätspotenziale der Chlor-Alkali-Elektrolyse (CAE) zu bestimmen und wirtschaftlich zu bewerten. Das Teilvorhaben befasst sich mit der Untersuchung des möglichen Einsatzes von Batteriespeichern und anderen Technologien zur Wasserstoffnutzung zum Erhöhen der Flexibilität von CAE Anlagen. Von den Technologien zur Wasserstoffnutzung steht die Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methanol im Hauptfokus. Erweiterte Geschäftsmodelle über die Integration eines Batteriespeichers oder einer Anlage zur Methanolherstellung stehen auch im Fokus der technoökonomischen Betrachtung.

Zwanzig20 - HYPOS - INES - Integrative Erhöhung des Sicherheitsniveaus in der Wertschöpfungskette für Wasserstoff, Teilprojekt 2: Risikoabschätzungen für technisches und menschliches Versagen und sicherheitstechnische Optimierungsempfehlungen

Ziel des Verbundvorhabens INES ist die integrative Erhöhung des Sicherheitsniveaus der Wertschöpfungskette des Innovationsprojektes HYPOS. HYPOS (Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany) umfasst die Entwicklung innovativer Lösungen zur wirtschaftlichen Bereitstellung von strombasiertem Grünen Wasserstoff. Ausgehend davon fokussieren sich die Arbeiten der Technischen Universität Dresden auf qualitative und quantitative Risikoabschätzungen für technisches und menschliches Versagen. Darüber hinaus werden Analysen zu Auswirkungen externer Ereignisse auf die Sicherheit von Einzelanlagen und vernetzten Anlagenketten erstellt. Aufbauend auf den daraus erhaltenen Risikobewertungen werden Optimierungsempfehlungen für einzelne Anlagenkomponenten bzw. deren technisch-technologischer Verkettung erarbeitet. Zur Sicherstellung einer effizienten Nutzung der im Gesamtprojekt H2-INES zusammengestellten Daten und erarbeiteten Ergebnisse werden diese in dem Leitfaden 'Wasserstoff-Sicherheit' zusammengefasst und grundlegende sicherheitstechnische und organisatorische Maßnahmen definiert, die den Betrieb von wasserstofferzeugenden, -transportierenden, -speichernden und -verwertenden Anlagen mit hinreichend geringem Risiko ermöglichen sollen.

H2Hybridtank - Demonstration eines kostengünstigen hybriden Druck-Festkörper-Wasserstoffspeicherfunktionsmodells für zukünftige Anwendung im PKW, Teilvorhaben: Speicher-Material-Synthese, Speichersystemsimulation, -design und -test

Gegenüber heutigen Hochdruck-H2-Komposittanks soll durch einen wesentlich niedrigeren Beladedruck von höchstens 300 bar und eine preisgünstigere, recyclingfähige Tankhülle aus Stahl oder Aluminium eine deutliche Kostensenkung und bessere Lebenszyklus-Bilanz erreicht werden. Schwerpunkte des Teilvorhabens sind die Auswahl, Optimierung und Identifizierung von Kostensenkungspotenzialen des/der Wasserstoffspeichermaterials/ien und der Synthese für das Demonstrator-Tanksystem, die thermochemische und wärmetechnische Simulation des Wasserstoffspeichersystems für dessen Designoptimierung, sowie Konstruktion und Bau eines Demonstrator-Tanksystems.

NIP II: DELFIN - Erforschung alternativer Materialien und Fertigungsprozesse für kosten- und gewichtsreduzierte Druckbehälter aus endlosfaserverstärktem Kunststoff, NIP II - DELFIN: Erforschung alternativer Materialien und Fertigungsprozesse für kosten- und gewichtsreduzierte Druckbehälter aus endlosfaserverstärktem Kunststoff

Zwanzig20 - HYPOS - INES - Integrative Erhöhung des Sicherheitsniveaus in der Wertschöpfungskette für Wasserstoff, Teilprojekt 5: Sicherheitsbetrachtungen von Elektrolysesystemen

Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung einer Methodik für eine integrative Sicherheitsbetrachtung der technisch-technologischen Wertschöpfungskette von HYPOS 'Power-to-X'-Technologien insgesamt sowie der einzelnen Subsysteme. Einbezogen werden die Wertschöpfungsstufen der Wasserstofferzeugung, des Transportes, der Speicherung und der Verwertung, insbesondere auch unter den Aspekten der Überführung der eingesetzten Technologien in die großindustrielle Nutzung (Upscaling). Das Gesamtziel des Teilvorhabens der Fraunhofer IMWS ist die erfolgreiche sicherheitstechnische Bewertung von Materialien, die in der kompletten Wasserstoffwertschöpfungskette zum Einsatz kommen. Dabei sehen wir es als Hauptaufgabe das Projektkonsortium im Bereich der sicherheitstechnischen Bewertung von elektrochemischen Prozessen und den dort eingesetzten Materialien wissenschaftlich zu begleiten.

Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP): BeZel: Betrieb und Zuverlässigkeit eines Brennstoffzellensystems für Verkehrsflugzeuge, Teilvorhaben C

In enger Zusammenarbeit erarbeiten ZAL Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung GmbH und Airbus Konzepte und Vorschläge für eine Wasserstoffversorgung am Flughafen unter Einbeziehung aller potentieller Nutzer. Hierbei sollen auch Anwender über die Grenzen des Flughafens hinaus Berücksichtigung finden. Eine technisch sinnvolle und ökonomisch vertretbare Infrastruktur ist die Grundvoraussetzung für die weitere Verbreitung der umweltfreundlichen Brennstoffzellentechnologie innerhalb der Luftfahrtbranche, wobei hier von den bereits laufenden Entwicklungen (2.B. CEP oder H2Mobility) gelernt werden soll ('lessons learned'). Ziel der Arbeiten ist ein Modell zur Berechnung der jeweiligen Wasserstoffbedarfe bei einer schrittweisen Umstellung der Verbraucher auf Wasserstoff, sowie eine Abschätzung der dafür notwendigen Anlagen. Für die grobe Auslegung einer Infrastruktur sind verschiedene Teilaufgaben zu realisieren: 1) Identifikation aller Verbraucher und ihres Verbrauchsmusters; 2) Varianten der Wasserstoffbereitstellung am Flughafen; 3) Verteilung des Wasserstoffs auf dem Flughafen (insbesondere dem Vorfeld); 4) Einbindung flughafenfremder Anwender (z.B. ÖPNV und Individualverkehr); 5) Vorschläge für Demonstrationsprojekte in Deutschland oder Europa.

FORMEN - Fortschrittliche Metallhydridspeicher für den Energie- und Kraftstoffmarkt, Teilvorhaben: In-Operando-Untersuchungen zur Wasserstoffverteilung in Metallhydridspeichern

Im hier vorgeschlagenen F/E-Verbundvorhaben sollen fortschrittliche MH-Speichermodule entwickelt werden, in denen optimierte leicht-metallbasierte HGV (basierend auf Mg- und Ti-haltigen Legierungen) zum Einsatz kommen sollen. Die gesamt Wertschöpfungskette von der Werkstoffherstellung und -charakterisierung über die Auslegung bis zur Erprobung von fortschrittlichen MH-Speichermodulen soll im Vorhaben abgebildet werden, um eine spätere industrielle Umsetzung mit den relevanten industriellen Partnern zeitnah und direkt zu ermöglichen. Als Projektziel soll die Übertragung der erlernten Erkenntnisse und Fähigkeiten hinsichtlich der großtechnischen Umsetzbarkeit an einer ausgewählten Demonstratoranwendung validiert werden. Die Aufgabe der TU Berlin ist dabei vor allem die in-operando-Untersuchung der Wasserstoff-Verteilung zur Optimierung der Materialstruktur. Mit diesen Untersuchungen wird das Hauptziel verfolgt, technisch relevante Systemlösungen abzuleiten, HGV derart herzustellen und in entsprechende Speicherbehälter so zu integrieren, dass sie dauerhaft form- und damit alterungsbeständig bleiben, was den Weg für deren technische Nutzung auf industriellem Maßstab ebnet. Zur Erreichung der Vorhabenziele werden in diesem Teilvorhaben tomographische und radiographische in-situ Methoden eingesetzt, die es ermöglichen die Wasserstoffverteilung sowie die Mikrostruktur und -morphologie der Materialien zwei- bzw. dreidimensional während der Hydrierung und Dehydrierung zu untersuchen. Hierbei werden sowohl schnelle Echtzeitmessungen als auch sehr hochortsaufgelöste (bis 1 Mikro m) in-situ Neutronen Tomographie- und element-selektive ex-situ Synchrotron-Tomographie-Untersuchungen durchgeführt. Unter anderem wird dabei auch erstmalig ein hochortsauflösendes Detektorsystem aufgebaut und eingesetzt, um die 3D-Struktur-Eigenschaftsbziehungen zwischen Gefügemorphologie und Wasserstoffverteilung aufzudecken.

FORMEN - Fortschrittliche Metallhydridspeicher für den Energie- und Kraftstoffmarkt, Teilvorhaben: Anwendungen und Fertigungstechnik von fortschrittlichen Metallhydridspeichern

Im hier vorgeschlagenen F/E-Verbundvorhaben sollen fortschrittliche Metallhydrid (MH)-Speichermodule entwickelt werden, in denen optimierte Hydrid-Graphit-Verbundwerkstoffe HGV (basierend auf Mg- und Ti-haltigen Legierungen) zum Einsatz kommen sollen. Die gesamte Wertschöpfungskette von der Werkstoffherstellung und -charakterisierung über die Auslegung bis zur Erprobung von fortschrittlichen MH-Speichermodulen soll im Vorhaben abgebildet werden, um eine spätere industrielle Umsetzung mit den relevanten industriellen Partnern zeitnah und direkt zu ermöglichen. Als Projektziel soll die Übertragung der erlernten Erkenntnisse und Fähigkeiten hinsichtlich der großtechnischen Umsetzbarkeit an einer ausgewählten Demonstratoranwendung validiert werden. GKN wird an der Anwendungsanalyse, Konzepterstellung und seiner Umsetzung von vorne an aktiv teilnehmen. Mit Know-How im Bereich Pulverherstellung und seine Verarbeitung wird GKN die HGV mitentwickeln, herstellen und testen, mit dem Hinblick auf spätere großtechnischen Markteinführung. Parallel zu den Messungen an HGV werden die FEM-Simulationen durchgeführt, die mit Erkenntnissen aus In-operando Methoden übereinstimmt und optimiert werden. Für die ausgewählte Anwendung wird ein Demonstrator entwickelt und gebaut.

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