Konzeptentwicklung innovativer und bauraumoptimierter Leichtbau-Tanks

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Am Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe werden mit dem Projekt „LH2-Flatlight“ aktuelle Herausforderungen bei der Speicherung von Wasserstoff als Energieträger in der emissionsfreien Mobilität adressiert. Hierzu zählt die verhältnismäßig geringe volumetrische Energiedichte von Wasserstoff im Vergleich zu fossilen Flüssigkeitskraftstoffen wie Benzin oder Diesel. Aus Abbildung 1 ist ersichtlich, dass für die gleiche Menge an Energie im Reinstoff Benzin das ca. 4-fache Volumen benötigt wird, wenn es sich stattdessen um Wasserstoff in flüssiger Form bei 2 bar handelt. Diese Eigenschaft führt zu ungeeigneten Größenverhältnissen heutiger Wasserstoffdruckbehälter für den Einsatz in Kraftfahrzeugen und zukünftigen Flugzeugarchitekturen.

Klassischerweise hat ein Drucktank eine zylindrische Form, da diese neben der Kugelform eine besonders geringe Oberfläche im Verhältnis zum gespeicherten Volumen erfordert. Darüber hinaus wirken sich beide Geometrien äußerst günstig auf die inneren Beanspruchungen aus. Diesen Vorteilen steht entgegen, dass die meisten Bauräume rechteckige Querschnitte aufweisen. Hierdurch verschlechtert sich die Packungsdichte bzw. die Tankanzahl, vgl. Abbildung 2, da in der Regel jeder einzelne Druckspeicher mit Anschlusselementen wie Schläuchen, Sensorik, Druckminderer und Ventilen ausgerüstet werden muss. Diese Rahmenbedingungen führen dazu, dass flache Tankkonzepte für flüssigen Wasserstoff besonders vielversprechend sind. Ziel des Projektes „LH2-Flatlight“ ist die Ausarbeitung mehrerer Konzepte für flache Leichtbau-Tanks zur Speicherung von Flüssigwasserstoff. Die primäre Zielsetzung besteht darin, die Möglichkeit flexibler Tankgeometrien für den Einsatz in mobilen Anwendungen zu realisieren. Das Projekt strebt über den Stand der Technik hinausgehende Entwicklungen an, um im Kontext der Flüssigwasserstoffspeicherung die folgenden Projektziele zu erreichen:

  • die Auswahl und Evaluierung geeigneter Werkstoffe
  • die Erarbeitung innovativer Bauweisen
  • die Entwicklung effizienter Fertigungsverfahren
  • die Implementierung von Monitoring-Technologien

Die Entwicklung am IVW bietet durch einen ganzheitlichen Ansatz, der von verschiedenen Fachabteilungen verfolgt wird, zahlreiche Vorteile. Es besteht die Möglichkeit, Materialkennwerte zu messen und auf vielfältige Anlagentechnologien im Bereich der Prozess- und Verarbeitungstechnologie zurückzugreifen. Diese Ressourcen werden durch numerische Simulationsmethoden ergänzt. Im Rahmen des Projekts werden neue Anlagentechnologien beschafft, die es ermöglichen, die Permeabilitätseigenschaften verschiedener Materialien in Bezug auf Wasserstoffdiffusion zu untersuchen. Zudem wird eine kryogene Versuchsinfrastruktur aufgebaut, um mechanische Kennwerte im Niedrigtemperaturbereich zu messen. So können damit bei gefügten Bauteilen z. B. die Diffusionseigenschaften in der Fügezone quantifiziert werden, die  durch veränderte Faserorientierung bzw. Gefüge unterschiedliche Eigenschaften gegenüber dem Kernmaterial aufweisen, vgl. Abbildung 3. Dieser Aspekt ist z. B. für das Induktionsschweißen von Baugruppen relevant

Das Projekt LH2-FlatLight wird vom Land Rheinland-Pfalz über das Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit gefördert (Förderkennzeichen 724-0027#2023/0003-1501 15404)

 

Quellen:

[1]

M. Klell, H. Eichlseder und A. Trattner, Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik: Erzeugung, Speicherung, Anwendung. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden, 2018

 

Überblick der volumetrischen Energiedichte verschiedener Reinstoffe bzw. Systeme, aus [1]

Packungsdichten runder gegenüber rechteckigen Tankkonzepten in gleichen Bauraum

Induktionsschweißen zur Faserkunststoffverbundbaugruppe

Kontakt

M.Sc.

Alexander Nuhn

Wiss. Mitarbeiter Press- und Fügetechnologien