LH2-Flatlight- Ganzheitliche Konzeptentwicklung flacher Leichtbau-Tanks zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff

Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind aufgrund ihres hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht die bevorzugte Wahl für Wasserstofftanks. Heutige Tanks für komprimierten gasförmigen Wasserstoff sind in der Regel kugel- oder zylinderförmig und dadurch in ihrer Geometrie stark eingeschränkt, so dass sie für zukünftige Fahrzeugarchitekturen wenig flexibel einsetzbar sind.

Das Projekt LH2-Flatlight hat zum Ziel, flache und leichte thermoplastische, faserverstärkte Tanks für die Speicherung von flüssigem Wasserstoff zu entwickeln. Mit einem flachen Tank ist es z.B. möglich, den Wasserstoff im Unterboden des Fahrzeugs zu speichern, ohne Stauraum zu verlieren. Dazu werden verschiedene Designkonzepte (Bild 1) analysiert und bewertet, um schließlich das am besten geeignete Tankkonzept detailliert auszuarbeiten. In einem ersten Schritt erfolgt eine Grobstrukturierung der Konzepte auf Basis vorgegebener Rahmenbedingungen und konstruktiver Vorgaben. Anschließend werden diese mittels FEM (Finite Elemente Methode) strukturell untersucht und geeignete Fertigungskonzepte erarbeitet. Die Strukturanalyse (siehe Bild 2) dient dazu, die Festigkeit des Tanks zu bewerten und mögliche Schwachstellen im Design zu identifizieren. Besonders kritische Bereiche sind dabei die Rippen, die ein Ausbeulen des Tanks verhindern, sowie die Domkappen. Diese Bereiche werden im weiteren Projektverlauf gezielt untersucht.

Die Speicherung von Wasserstoff unter kryogenen Bedingungen stellt hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien. Insbesondere die starken Temperaturschwankungen von ca. -250 °C bei der Befüllung bis zu +70 °C im Betrieb setzen die Werkstoffe erheblichen Belastungen aus. Diese extremen Bedingungen können die Bildung von Mikrorissen begünstigen und bei hohen Lastwechseln zu Leckagen und damit zum Versagen des Tanks führen. Daher spielt die Charakterisierung des Werkstoffverhaltens bei tiefen Temperaturen eine zentrale Rolle im Projekt. Ziel ist es, die Konstruktion so zu optimieren, dass thermomechanisches Versagen vermieden wird.

Zur Untersuchung der Materialeigenschaften werden spezialisierte Messmethoden eingesetzt - darunter am Institut bereits vorhandene Verfahren wie die Röntgenmikroskopie sowie im Rahmen des Projekts neu angeschaffte Technologien wie eine Permeationsmesszelle. Diese Methoden ermöglichen eine gezielte Analyse der Mikrorissbildung sowie der Wasserstoffpermeationsbeständigkeit der Werkstoffe.

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