Materialeffiziente und taktzeitoptimierte Industrialisierung von H2-Drucktanks

Wasserstoff ist ein wichtiger Bestandteil auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Mobilität und spielt eine zentrale Rolle für die Zukunft der Energiewende. Als emissionsfreier Energieträger bietet Wasserstoff eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen. Im Straßenverkehr ermöglicht Wasserstoff z. B. den Betrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen wie Pkw, Bussen und Nutzfahrzeugen. Die Umwandlung von Wasserstoff in Elektrizität in Brennstoffzellen erzeugt lediglich Wasserdampf als Abfallprodukt, was Wasserstoff zu einer sauberen und nachhaltigen Lösung für den Verkehrssektor macht. Die Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff sind jedoch nicht auf den Straßenverkehr beschränkt. In der Luftfahrt kann der Wasserstoffantrieb die Entwicklung von CO2-emissionsfreien Flugzeugen ermöglichen. Diese könnten einen bedeutenden Beitrag zur Reduzierung der Emissionen im Luftverkehr leisten.

Trotz der vielversprechenden Vorteile von Wasserstoff stehen wir vor einigen Herausforderungen. Insbesondere bei der effizienten und sicheren Speicherung sind noch einige Hürden zu überwinden. Gängige Methoden wie Druckspeicherung und kryogene Speicherung erfordern fortschrittliche Technologien, um den Wasserstoff in ausreichenden Mengen und bei akzeptablen Drücken zu speichern. Um die breite Akzeptanz von Wasserstoff als umweltfreundliche Energiequelle in mobilen Anwendungen voranzutreiben, ist es wichtig, kostengünstige und leistungsstarke Wasserstoffspeichertechnologien zu entwickeln. Dabei sind insbesondere die hohen Materialkosten zu berücksichtigen, die bei der Nutzung von Kohlenstofffasern entstehen. Im Projekt MaTaInH2 - Materialeffiziente und taktzeitoptimierte Industrialisierung von H2-Drucktanks wird diese Problemstellung adressiert und es wird ein Beitrag zur Überwindung der gesamten Herausforderungen geleistet.

Der Drucktank ist eine Schlüsselkomponente für Straßenfahrzeuge. Das Projekt konzentriert sich auf die Industrialisierung des Wasserstoffdrucktanks. Um die angestrebte Kostenreduktion bei der Herstellung von 700 bar-Drucktanks zu erreichen, sollen vorimprägnierte Kohlenstofffaser-Halbzeuge und ein darauf abgestimmter Verarbeitungsprozess eingesetzt werden. Ein wichtiger Bestandteil des Projektes war die eingehende Untersuchung und Charakterisierung von Referenzmaterialien für das Nasswickeln und das Towpregwickeln. Die Proben wurden gemäß den geltenden Normen hergestellt, was detaillierte statisch-mechanische Tests ermöglichte. Diese Prüfungen lieferten grundlegende Erkenntnisse über verschiedene Einflussfaktoren des Nasswickel- und Towpregwickel-Prozesses. Insbesondere die Nutzung von Zug-Druck-Torsions-Probekörper (vgl. Abbildung 2) trug zu einem besseren Verständnis für die Materialeigenschaften bei. Das Ziel war die Erstellung einer umfassenden Materialkarte, die alle relevanten mechanischen und prozesssensitiven Kennwerte zusammenfasst. Die Analyse dieser Referenzmaterialien bildete eine solide Grundlage, um die Auslegungsparameter zu verifizieren und die Zuverlässigkeit der Wickelprozesse sicherzustellen. Gleichzeitig wurden Ermüdungsversuche durchgeführt, um das Langzeitverhalten der Werkstoffe zu bewerten. Dynamisch-mechanische Untersuchungen, insbesondere Laststeigerungsversuche am Ringprüfkörper, lieferten wertvolle Erkenntnisse über die Belastbarkeit und Haltbarkeit der Werkstoffe unter realen Bedingungen.

Im Projekt lag ein weiterer Schwerpunkt auf der Ertüchtigung der Anlagentechnik zur Verarbeitung von Towpregs. Dazu wurde die bestehende Wickelanlage am IVW erfolgreich umgerüstet und erweitert, um den spezifischen Anforderungen von Towpreg-Halbzeugen gerecht zu werden. Insbesondere wurde ein 8-fach Spulenständer der neuesten Generation mit geregelter Zugspannungsüberwachung und angepassten Towpreg-Wickelkopf mit Einzelrollenführung der Rovings installiert. Diese Anpassungen ermöglichen die Integration von Towpreg-Materialien unter seriennahen Prozessbedingungen. Damit wird die industrielle Vergleichbarkeit der entwickelten Technologien und der Ergebnisse der Untersuchungen erhöht.

Die Planung und Durchführung von Wickelversuchen zur Herstellung eines Drucktanks waren entscheidende Meilensteine im Projektverlauf. Um die optimale Struktur und Festigkeit der Drucktanks zu ermitteln, wurden umfangreiche Versuchsreihen sowohl im Towpreg- als auch im Nasswickelprozess durchgeführt. Insgesamt wurden ca. 50 Tanks hergestellt, die anschließend für Berstversuche verwendet wurden. Basierend auf den Ergebnissen der Berstversuche wurde der Laminataufbau der Drucktanks in einem iterativen Prozess optimiert. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse lieferten wertvolle Informationen über die Schwachstellen und Belastungsgrenzen der Tanks. So konnte der Laminataufbau gezielt angepasst und verbessert werden.

Neben den kommerziell erhältlichen Towpreg-Materialien wurde eine Towpreg-Eigenentwicklung der Technischen Universität München in das Versuchsprogramm aufgenommen. Bei dem Material handelt es sich um ein Epoxidharz-basiertes Towpreg, das an der TUM hergestellt und optimiert wurde. Mit diesem Material wurden am Ende des Projektes mehrere Tanks produziert und der Lagenaufbau für das Towpreg angepasst und ebenfalls optimiert.

Das Projekt MaTaInH2 trägt maßgeblich zur Weiterentwicklung von Wasserstoff als Schlüsseltechnologie in der Mobilität bei. Durch die Fokussierung auf die Industrialisierung des Wasserstoffdrucktanks und die Integration neuer Technologien wie Towpregs werden die Herausforderungen im Bereich der Wasserstoffspeicherung adressiert. Die Untersuchung und Charakterisierung von Referenzmaterialien, die Ertüchtigung der Anlagentechnik sowie die Planung und Durchführung von Wickelversuchen zeigen die ganzheitliche Herangehensweise innerhalb des Projektes. Die Optimierung des Laminataufbaus und die Herstellung von ca. 50 Drucktanks für Berstversuche unterstreichen den praktischen Beitrag zur effizienten und sicheren Nutzung von Kohlenstofffasern bei der Herstellung von Wasserstoffdrucktanks in mobilen Anwendungen.