Neuartiges modulares Leichtbau-Wasserstofftankdesign für maximale Bauraumausnutzung

Moderne Leichtbau-Tanks zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff werden heute schon in Faserverbundbauweise hergestellt (Typ 4-Behälter). Dabei übernimmt ein Kunststoff-Liner die weitgehende H₂-Permeationsdichtigkeit, die Faserarmierung (meist Kohlenstofffaser, die im Wickelverfahren aufgebracht wird) sorgt für die erforderliche Festigkeit. Durch die Herstellung im Wickelverfahren ergeben sich allerdings hinsichtlich der Geometrie deutliche Einschränkungen. Zum einen kann ein solcher zylindrischer Typ 4-Behälter nicht beliebig klein im Durchmesser werden, da die Fasern am Dombereich des Druckbehälters über eine Wendezone geführt werden müssen, um metallische Lasteinleitungselemente (Bossteile) in die Bauweise zu integrieren und eine ausreichende Tragfähigkeit in axialer Richtung sicherzustellen. Zum anderen müssen solche gewickelten Typ 4-Behälter durch den überwickelten Dombereich geschlossen hergestellt werden, dabei kann eine nachträgliche Zugänglichkeit zum Innenraum (z.B. zur Wartung oder Systemintegration) nur begrenzt realisiert werden. Ebenso ist es nicht möglich, im Wickelverfahren Fasern rein in axialer Richtung auf dem Behälter zu platzieren, man muss zwingend einen Wickelwinkel einhalten, um die Wendezone im Dombereich realisieren zu können. Wäre es möglich, in einem wirtschaftlichen Verfahren sehr schlanke und lange Leichtbau-Tanks herzustellen, könnten diese Tanks im selben Raum verbaut werden, in dem bei E-Fahrzeugen die Batterien untergebracht sind. Ein weiterer Nachteil gängiger Typ 4-Behälter ist die Notwendigkeit der Herstellung eines Liners, der schon vor dem Wickelprozess die Geometrie des Druckbehälters hat. Nachträgliche Änderungen der Dimensionen (Länge, Durchmesser) bedingen immer die Herstellung einer neuen Linergeometrie.

Im vom BMWK geförderten Verbundprojekt WaVe (Wasserstoffverbrennung) wird von den Projektpartnern Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) GmbH, Daimler Truck AG, Commercial Vehicle Cluster – Nutzfahrzeug GmbH, comlet Verteilte Systeme GmbH, HYDAC Process Technology GmbH, Photonik-Zentrum Kaiserslautern e. V., Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik (IFOS) GmbH und Thomas Magnete GmbH ein Tanksystem für einen wasserstoffbetriebenen UNIMOG entwickelt. Das IVW entwickelt dabei eine neuartige Druckbehälterbauweise zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff (700 bar), die die Nachteile herkömmlicher Typ 4-Bauweisen überwindet. Die Ausleitung der Last aus den axialen Lagen im zylindrischen Bereich des Druckbehälters erfolgt lagenweise mit Hilfe der vom IVW patentierten „IVW-Krafteinleitung“. So werden die metallischen Dombereiche, die sowohl geschlossen als auch geöffnet sein können, lastgerecht integriert. Als Liner fungiert ein in der Länge und im Durchmesser flexibles Metall- oder Kunststoffrohr, das bei Änderungen der Behältergeometrie leicht ersetzt werden kann. In umfangreichen numerischen Simulationen konnte gezeigt werden, dass die neuartige Bauweise durch ihren Aufbau mit rein axialen und in Umfangsrichtung aufgebrachten Fasern maximale Leichtbaugüte besitzt und ebenso sehr dünn hergestellt werden kann. Erste Demonstratoren wurden gefertigt und zeigen im Rahmen von Strukturtests die Eignung als Druckbehälter auf. Im Rahmen des Projektes WaVe ist es geplant, die neuartige Bauweise als Tankmodul einzusetzen. Dazu werden je sieben Druckbehälter zu einem Tankmodul zusammengefasst (conformable tank), das über ein OTV (on tank valve) betankt werden kann. Diese Bauweise ermöglicht dadurch maximale Bauraumausnutzung und gewährleistet die Verfügbarkeit einer ausreichend großen Wasserstoffmenge, so dass mobile Arbeitsmaschinen - wie z.B. der UNIMOG - ohne Einschränkungen in einer Schicht betrieben werden können.

Das Projekt „WaVe“ wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert (Förderkennzeichen 19I21028K).

Modulpartner/Partners:

Daimler Truck AG
Commercial Vehicle Cluster – Nutzfahrzeug GmbH
comlet Verteilte Systeme GmbH
HYDAC Process Technology GmbH
Photonik-Zentrum Kaiserslautern e. V.
Thomas Magnete GmbH

Kontakt:
Dr.-Ing. Nicole Motsch-Eichmann
Kompetenzfeldleiterin Bauweisen
Tel. 0631 2017 423
E-Mail: nicole.motsch@ivw.uni-kl.de