Energieträger Wasserstoff

Komponenten für Brennstoffzellenfahrzeuge

Veröffentlich am 04.12.20 13:21

Ein boomender Markt: mobile Brennstoffzellen-Technologie auf Wasserstoff-Basis

Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist ein hoch effizientes Antriebskonzept, das weltweit immer mehr Beachtung findet als die klimaneutrale Alternative zu fossilen Brennstoffen. Energieträger ist hierbei Wasserstoff, mit dem durch die kontrollierte Zuführung von Sauerstoff elektrische Energie erzeugt wird. Als Emission dieser chemischen Reaktion entsteht reines H2O - also Wasser.

Hydrogen

Im Fokus: wirtschaftliche Anwendungen im Schwerlastbereich

Da die Brennstoffzelle mittlerweile Marktreife erreicht hat und die Herstellung von Wasserstoff schon seit Jahrzehnten im industriellen Maßstab betrieben wird, nimmt die Entwicklung dieses Marktsegments insbesondere für mobile Abwendungen rasant an Fahrt auf - zunächst weniger für den Massenmarkt der Pkw. Hier etabliert sich derzeit aus Wirtschaftlichkeitsgründen der batteriebetriebene Elektromotor.  

Ein mit dem Strom einer Brennstoffzelle angetriebener Elektromotor entwickelt jedoch so viel Leistung und Drehmoment, dass damit die wirtschaftliche Anwendung im Schwerlastbereich möglich wird. Deshalb sind nahezu alle namhaften Lkw- und Bus-Hersteller dabei, ihre Prototypen in breit angelegten Feldversuchen zur Serienreife weiterzuentwickeln.

Vorteile, die überzeugen: Wasserstoff vs. fossile Energieträger und Batteriebetrieb

Neben dem Aspekt der ausreichend hohen Leistung spielen weitere Vorteilsargumente für den Einsatz im kommerziellen Schwerlast- bzw. Transportbereich eine wesentliche Rolle:

  • Aufgrund der hohen Energiedichte sind Reichweiten von 1.000 km bei vertretbarer Tankgröße eines Lkw erreichbar
  • Die Verweildauer zum Betanken mit Wasserstoff unterscheidet sich – im Gegensatz zu einem batteriebetriebenen Fahrzeug – nur unwesentlich von der eines Diesel-Fahrzeugs
  • Der ökologische Effekt – wegen der Null-Schadstoff-Emission ohnehin schon unvergleichlich – lässt sich weiter verbessern, wenn der verwendete Wasserstoff durch Öko-Strom gewonnen wird (Wind-, Wasser, Solarenergie).
  • In einem Lkw oder Stadtbus kann die erforderliche Infrastruktur für die Aufnahme des Wasserstoffs, für seine Speicherung und Weiterleitung an die Brennstoffzelle weitaus wirtschaftlicher implementiert werden als in einem Pkw

Der letzte Punkt – die Ausstattung eines Lkw oder Bus mit der für den Wasserstoff-Einsatz geeigneten Infrastruktur – bedarf einer genaueren Betrachtung.

Zu berücksichtigen, aber voll beherrschbar: die besonderen Eigenschaften von H2

Wasserstoff verfügt über Eigenschaften, die man bei der Versorgung einer mobilen Brennstoffzelle berücksichtigen und darauf die Komponenten des On-Board-Fluidsystems zwingend abstimmen muss:

  • Hohe Diffusionsfähigkeit
  • Materialversprödung
  • Hoher Druck von bis zu 700 bar
  • Explosiv bei Fremdentzündung

Hohe Diffusionsfähigkeit. Wasserstoff hat die geringste Atommasse und den einfachsten Aufbau: Atomkern plus 1 Elektron. Diese Eigenschaften erlauben dem Element, leicht durch atomare Strukturen anderer Materialien „hindurchzuschlüpfen. Deshalb müssen spezielle Werkstoffe für Leitungen, Dichtungen und Speicherbehälter verwendet werden.

Materialversprödung. Manche Metalle absorbieren Wasserstoff. Dadurch setzt ein Korrosionsprozess ein, der zu einer Materialermüdung mit Rissbildung oder Sprödbruch führen kann. Auch diese Eigenschaft ist bei der Materialauswahl für Fluidsysteme und Speicherbehälter zu beachten. Swagelok bietet dafür ein breites, auf H2-Anwendungen spezialisiertes Angebot an Systemkomponenten.

Hoher Druck. 350 bis 700 bar sind derzeit für den H2-Transport und -Lagerung üblich. Wasserstoff-Fluidsysteme benötigen daher Druckmess- und Druckregelkomponenten, die den besonderen Anforderungen gewachsen sind.

Explosiv bei Fremdentzündung. Bei steigendem Überdruck nimmt die Explosionsgefahr durch Fremdzündung zu, sei es offenes Feuer, Blitzeinschlag oder statische Funkenentladung. Auch diese Eigenschaft muss beim Einsatz eines Wasserstoff-Fluidsystems in Betracht gezogen werden, d.h.: Einhaltung höchster Sicherheitsstandards beim Betrieb eines solchen Fluidsystems.


Werkstoffe speziell für Wasserstoff führende Fluidsysteme

Aus diesen Eigenschaften folgt, dass Werkstoffe für die Komponenten des mobilen Fluidsystems verwendet werden, die der H2-Diffusion entgegenwirken, keine Materialversprödung zulassen und einen leckagefreien Betrieb bei hohen Drücken garantieren. So kann bei richtiger Verarbeitung der Komponenten – vor allem bei Verschraubungen – aus geeigneten Edelstahllegierungen auch keine Explosions- oder Brandgefahr durch austretendes H2 entstehen.

Manche Legierungen reagieren auf die aggressiven, diffundierenden Eigenschaften von Wasserstoff, indem sie spröde und rissig werden. Vor allem bei mobilen Anwendungen gehören zudem ständige Vibrationen zum Einsatzprofil, denen sich spröde Komponenten nicht gewachsen zeigen und Risse bilden oder brechen. Diese Gefahr muss von vornherein bei einem unter so hohem Druck stehenden Fluidsystem durch die geeignete Werkstoffauswahl ausgeschlossen sein.

Eine gängige Legierung für Rohrleitungen, Ventile und Verschraubungen auch bei Wasserstoffanwendungen ist Edelstahl 316. Der von der ASTM (American Society for Testing and Materials) vorgeschriebene Mindestanteil von Chrom liegt bei 16% und von Nickel bei 10%. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass ein jeweils höherer Anteil (z.B. Nickel 12%) sowohl die Duktilität (Scherbelastbarkeit) als auch die Korrosionsbeständigkeit erhöht und sich somit für Wasserstoffanwendungen besser eignet. Deshalb verwendet Swagelok für seine Komponenten Edelstahl mit mindestens 12% Nickelanteil.

Die Wichtigkeit von Chrom wird auch durch die sog. PREN-Formel (PREN = 1 x % CR + 3,3 x %MO + 16 x %N) deutlich. Die „Pitting Resistance Equivalent Number“ gibt an, wie korrosionsresistent ein Werkstoff ist. Je höher der Wert desto höher ist die Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls.

PREN-Wert

 

Komponenten, für die Hochdruck, Diffusion und Leckagen kein Thema sind

Im mobilen Brennstoffzellen-Einsatz gilt die Maxime: Je höher der Druck, desto größer die Reichweite. Mittlerweile sind zwei Druck-Standards für die Wasserstoff-Speicherung üblich: Beispielsweise bei Stadtbus-Flotten im Linienverkehr liegt der Speicherdruck bei 350 bar, weil die Busse nur kurze Strecken zu bewältigen haben und daher der H2-Vorrat ausreichend für Tageseinsätze im Stadtverkehr ist. Demgegenüber speichern Speditions-Lkw Wasserstoff mit 700 bar, womit die Fahrzeuge bis zu 1.000 km weit kommen.

Sowohl 350 als auch 700 bar sind hohe Drücke, denen die Speichertanks und die Anschlüsse des Fluidsystems gewachsen sein müssen. In Verbindung damit muss auch die hohe Diffusionsfähigkeit des Brennstoffs berücksichtigt werden. Er verzeiht nicht einmal mikroskopisch kleine Leckagen, von unzulänglich montierten Dichtungen ganz zu schweigen: Fatale, unter Umständen hochexplosive Gefahrensituationen wären die Folge. Hier ist zusätzlich zu beachten, dass Komponenten in Brennstoffzellenfahrzeugen ab 30 bar die Zertifizierung nach EC79 benötigen.

Neben hohen Drücken sind Wasserstoff führende Fluidsysteme im mobilen Einsatz fortwährenden Vibrationen ausgesetzt. Herkömmliche Konus- und Gewindeverschraubungen sind nicht nur abhängig von der korrekten Montage, sondern von Natur aus anfällig gegenüber Vibrationen. Klemmringverschraubungen der Serie FK sind durch ihre Geometrie für Drücke bis zu 1000 bar unter äußeren Einwirkungen dieser Art geeignet. Für eine optimierte Prozesssicherheit wurden speziell AbT (Assembly-by-Torque) Klemmringverschraubungen entwickelt. Diese innovative Verschraubungstechnologie wird über ein fest definiertes Drehmoment installiert und ist für Arbeitsdrücke bis zu 500 bar geeignet.

Flexible Schlauchleitungen: Spezialität bei brennstoffzellenbetriebenen Stadtbussen

Stadtbusse sind aufgrund ihres Einsatzprofils – Kurzstrecke, kurzfristige Erreichbarkeit von proprietären H2-Tanksäulen sowie null Emissionen –   prädestiniert für den Brennstoffzelleneinsatz. Sie weisen jedoch eine Spezialität auf: Ihre Speichertanks sind in der Regel auf dem Dach montiert. Als Zuleitung zur stromproduzierenden Brennstoffzelle müssen flexible Schlauchleitungen verwendet werden, die einem Druck von 350 bar standhalten und keine Diffusion zulassen. Diesen Anforderungen sind Schläuche mit Polymer-Kern und metallischem Außengeflecht nicht gewachsen. Dafür sind Schläuche von Swagelok erforderlich, die speziell auf den Brennstoffzellenbetrieb ausgelegt sind.

Swagelok als Beratungspartner und Anbieter hochwertiger Komponenten speziell im Bereich H2-Anwendungen

Für Entwickler, Hersteller und Anwender von mobiler Brennstoffzellen-Technologie ist Swagelok ein erfahrener, kreativer und zuverlässiger Beratungspartner und Anbieter von hochwertigen, auf Wasserstoff-Anwendungen spezialisierte Komponenten. Als multinational agierendes Unternehmen können wir zum einen auf ein enormes Erfahrungspotenzial zurückgreifen, wenn es nicht ohnehin schon vor Ort vorhanden ist. Zum anderen bieten wir ebenso weltweite Supportleistungen an.

Wenn Ihr Unternehmen die sich bietenden Marktchancen nutzen und mit neuen Produktentwicklungen ausbauen will, sind wir gerne bereit, an Ihrem Erfolg mitzuarbeiten. Kontaktieren Sie uns jetzt. 

 

Mehr Informationen zum Thema Wasserstoff:

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Kategorien: wasserstoff, Produkte&Baugruppen