Wasserstofftank
- Was ist ein Wasserstofftank?
- Was sind die Anforderungen und wichtigsten Leistungskriterien für Wasserstofftanks?
- Welches sind die typischen Kriterien für die Auswahl von Wasserstofftanks?
- Was sind die Bestandteile von Wasserstoffspeichern?
- Was ist der Unterschied zwischen einer Nackenbefestigung und einer Gurtbefestigung?
- Was sind die verschiedenen Arten von Wasserstofftanks/Wasserstoffflaschen?
- Was sind die Schnittstellen eines Wasserstofftanks?
- Welche Wasserstoffflasche ist die beste für mein Produkt oder meine Anwendung?
- Was ist bei Flüssigwasserstofftanks (LH2-Tanks) besonders zu beachten?
- Was sind die Sicherheits- und Zertifizierungsanforderungen für H2-Tanks?
- Welches sind die wichtigsten Anbieter von Wasserstofftanks?
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Was ist ein Wasserstofftank?
Ein Wasserstofftank ist ein Behälter oder ein Gefäß, in dem Wasserstoff in gasförmiger oder flüssiger Form gespeichert wird. Manchmal werden sie auch als Wasserstoffflaschen, Kartuschen oder Kanister bezeichnet. Je nach Speicherdruck und -temperatur muss der Behälter verschiedene schwierige physikalische Anforderungen erfüllen, weshalb die Konstruktion und Herstellung von Wasserstofftanks auf eine lange Geschichte von Innovationen zurückblicken kann. Wasserstofftanks werden in allen Arten von Anwendungen eingesetzt, bei denen Wasserstoff verwendet oder erzeugt wird, z. B. in Brennstoffzellen- und Elektrolyseursystemen, Raketen und in der Raumfahrt. Ein Wasserstofftank ist in der Regel Teil eines Wasserstoffspeichersystems.
Was sind die Anforderungen und wichtigsten Leistungskriterien für Wasserstofftanks?
Wasserstoff ist ein ungiftiger, farbloser, geruchloser, geschmacksneutraler und leicht brennbarer Energieträger, der zudem extrem leicht ist und durch bestimmte Materialien diffundieren kann. Aufgrund dieser Merkmale ist sie mit einem gewissen Risiko bei der Lagerung verbunden. Nachstehend sind die wichtigsten Anforderungen an Wasserstofftanks aufgeführt:
- Dichtheit – eine Hauptanforderung an jeden Wasserstoff tank ist, dass er den gesamten gespeicherten Wasserstoff sicher zurückhält und nur unter kontrollierten, sicheren Bedingungen abgibt.
- Kompakte Bauweise, so dass der Speicherbehälter im Vergleich zum gespeicherten Wasserstoff nicht viel mehr zusätzlichen Platz einnimmt.
- Hohe Ermüdungsfestigkeit – der Tank kann viele Male befüllt, entleert und wiederbefüllt werden. Das Durchlaufen dieser Sequenz wird als Zyklus bezeichnet. Im Allgemeinen gilt: Je mehr Zyklen ein Tank aushält, desto länger kann man von seiner Lebensdauer ausgehen. Darüber hinaus kann Wasserstoff bestimmte metallische Werkstoffe verspröden, wodurch sie physikalisch schwach werden, was bei der Konstruktion von Wasserstofftanks ebenfalls berücksichtigt werden muss.
- Angemessenes Gewicht – Auch wenn ein geringes Gewicht nicht in allen Fällen erforderlich ist, ist das Gewicht wichtig. Die Tanks sind ein wesentlicher Bestandteil jeder Anwendung, die Wasserstoff verwendet und können daher einen erheblichen Einfluss auf das Gewicht des gesamten Systems haben.
Welches sind die typischen Kriterien für die Auswahl von Wasserstofftanks?
- Tankinnenvolumen in Litern
- Betriebsspeicherdruck in bar oder pascal
- Masse des bei Betriebsdruck gespeicherten Wasserstoffs in kg
- Betriebstemperaturbereich in °C
- Maximal zulässiger Druck in bar oder pascal
- Masse des Tanks in kg
- Äußere Abmessungen
- Anzahl der zulässigen Zyklen vor der Überholung
- Für das Schiff erhaltene Bescheinigungen
- Tank-Typ
Was sind die Bestandteile von Wasserstoffspeichern?
Wasserstoff tanks gibt es in verschiedenen Formen und Ausführungen. Für einige Flüssigwasserstoff tanks werden kugelförmige Behälter verwendet, und für die Speicherung von Wasserstoff bei Drücken nahe dem Atmosphärendruck ist jede Form geeignet. Abbildung 1 zeigt die typischen Komponenten, die in den meisten Wasserstofftanks zu finden sind.
Abbildung 1 – Typische Bestandteile des Wasserstofftanks
Die Auskleidung hält den Wasserstoff im Speicherraum des Tanks. Die Auskleidung kann zusätzlich von einer äußeren Umhüllung umgeben sein, die dazu dient, die Auskleidung gegen die physikalischen Belastungen zu stabilisieren, denen sie ausgesetzt ist wenn der Wasserstoff unter hohem Druck gelagert wird und eine weitere Wärmedämmschicht bildet (Hochdruck-Wasserstofftank). Der Hals ist der Ort, an dem der Wasserstoff in den Tank eingeführt und aus ihm entnommen wird und ist mit einem Wasserstoff Tankventil oder einem Schlauch verbunden, der die kontrollierte Ein- und Ausleitung des Wasserstoffs ermöglicht. Es umfasst in der Regel auch ein Sicherheitsventil und kann auch Sensoren oder eine komplexere Wasserstofftankventilkonstruktion umfassen, die eine zusätzliche Druckregulierung ermöglicht. Der optionale Endstopfen ist eine zweite Öffnung des Tanks.
Was ist der Unterschied zwischen einer Nackenbefestigung und einer Gurtbefestigung?
Wenn der Tank an seinem Bestimmungsort aufgestellt wird, stellt sich die Frage, wie er befestigt werden soll. Im Betrieb dehnen sich Wasserstoff tanks unter Druck aus und ziehen sich zusammen. In der Regel sind dies weniger als 5 % des Volumens oder der Länge, dennoch muss diese Bewegung für einen sicheren und dauerhaften Betrieb berücksichtigt werden.
a) Am Hals montierter Wasserstofftank
Eine Halsbefestigung bedeutet, dass der Tank am Hals fest mit der tragenden Struktur verbunden ist und alle anderen tragenden Strukturen locker angebracht sind, um Ausdehnungs- und Kontraktionsbewegungen zu ermöglichen (Abbildung 2).
Abbildung 2 – Am Hals montierter Wasserstofftank
b) Am Gurt befestigter Wasserstofftank
Bei einer Gurtbefestigung wird der Tank mit Gurtbändern befestigt, die um den Tank gewickelt und an der Struktur, an der der Tank befestigt werden soll, befestigt werden (Abbildung 3). Die Gurte wiederum müssen die geschätzte maximale Ausdehnungs- und Kontraktionsbewegung aufnehmen.
Abbildung 3 – Bandmontage eines Wasserstofftanks
Was sind die verschiedenen Arten von Wasserstofftanks/Wasserstoffflaschen?
Angesichts der verschiedenen möglichen Komponenten, Konfigurationen und Anforderungen an Wasserstoff tanks haben sich verschiedene Arten von Tanks herausgebildet, die analog zu anderen gasführenden Behältern nummeriert sind.
a) Wasserstofftank Typ I
Wasserstoff tanks des Typs I sind vollständig aus Metall gefertigt und bestehen nur aus einer metallischen Auskleidung mit dem oben abgebildeten Halsteil und einem optionalen Endstopfen. Es gibt keine äußere Umhüllung und die Konstruktion und Herstellung dieser Art von Tanks ist relativ einfach und daher auch vergleichsweise kostengünstig. Ein solcher Tank wird auch als Wasserstoff tank Typ 1, Wasserstoffflasche Typ I oder Wasserstoffflasche Typ 1 bezeichnet.
b) Wasserstofftank Typ II
Wasserstoff tanks des Typs II bestehen aus einem metallischen Innenbehälter (in der Regel Aluminium), der zur Verstärkung seiner physikalischen Eigenschaften mit einer äußeren Umhüllung versehen ist. Diese ermöglichen höhere Wasserstofftankdrücke bei einer vergleichsweise dünnen Auskleidung und bieten somit einen Gewichtsvorteil gegenüber einer Situation, in der die Innenauskleidung so beschaffen sein müsste, dass sie dem gleichen Druck standhält. Die äußere Umhüllung besteht aus synthetischem Material. Ein solcher Tank wird auch als Wasserstoff tank Typ 2, Wasserstoffflasche Typ II oder Wasserstoffflasche Typ 2 bezeichnet.
c) Wasserstofftank Typ III
Bei Wasserstoff tanks des Typs III ist die innere metallische Auskleidung so weit reduziert, dass sie die Druckbelastung im Wesentlichen nicht mehr trägt, was jedoch vollständig durch andere, um sie herumgewickelte Schichten geschieht. Die äußere Umhüllung übernimmt daher zusätzliche Halte- und Stützaufgaben. Ein solcher Tank wird auch als Wasserstoff tank Typ 3, Wasserstoffflasche Typ III oder Wasserstoffflasche Typ 3 bezeichnet.
d) Wasserstofftank Typ IV
Wasserstoff tanks des Typs IV haben eine nichtmetallische Innenauskleidung aus Verbundwerkstoffen und sind von einer Außenhülle aus Kohlenstofffasern und anderen verwobenen thermoplastischen Polymeren umgeben. Im Vergleich zu Tanks des Typs I haben sie ein um bis zu 70 % geringeres Gewicht. Daher ist diese Art von Tank besonders attraktiv für Anwendungen, bei denen der Wasserstoff bei hohen Drücken (z. B. 700 bar) gespeichert werden muss und das Systemgewicht gering sein soll. Dies gilt zum Beispiel für viele mobile und aeronautische Anwendungen. Ein Wasserstofftank des Typs IV wird auch als Wasserstoff tank des Typs 4, Wasserstoffzylinder des Typs IV oder Wasserstoffzylinder des Typs 4 bezeichnet.
Was sind die Schnittstellen eines Wasserstofftanks?
Auch wenn der Tank an sich ein vergleichsweise einfaches, nichtelektronisches Bauteil in dem Wasserstoffsystem ist, ist er doch ein sehr kritisches Bauteil. Das Wissen über den Zustand und die Menge des Wasserstoffs im Tank ist entscheidend für den sicheren und stabilen Betrieb des Systems. Der Tank ist Teil eines gesamten Lagersystems und hat Schnittstellen zu diesem System durch
- Rohrleitungen (zur Entnahme und Einbringung von Wasserstoff)
- Sensoren, zur Überwachung von Füllstand und Temperatur
- Sicherheitsventile (wie thermische Überdruckventile und Boil-Off-Ventile)
Welche Wasserstoffflasche ist die beste für mein Produkt oder meine Anwendung?
Die Eignung eines Tanks für eine bestimmte Anwendung hängt davon ab, inwieweit die spezifischen Anforderungen mit den Spezifikationen der verfügbaren Wasserstofftanks übereinstimmen. Bei Hyfindr können Sie viele Wasserstofftanks verschiedener Anbieter durchsuchen und deren Spezifikationen hier vergleichen.
Für Anwendungen in der Automobilindustrie wird in der Regel ein Behälter des Typs IV verwendet, der als 700-bar-Wasserstofftank oder als 350-bar-Wasserstofftank arbeitet. Der Tank eines typischen Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugs oder Wasserstoffautos fasst etwa 4-6 kg Wasserstoff, und das Gewicht des Wasserstofftanks beträgt etwa 100 kg. So hat der Wasserstoff tank des Toyota Mirai ein Fassungsvermögen von 5,6 kg Wasserstoff, der Hyundai Nexo 6,33 kg und der Mercedes Benz GLC F-Cell 4,4 kg Wasserstoff.
Für Anwendungen, bei denen es nicht so sehr auf das Gewicht ankommt, werden häufig Tanks des Typs I oder II verwendet, da die Kosten und die Herstellungszeit für diese im Allgemeinen niedriger sind. Dies gilt häufig für stationäre Anwendungen. Wenn z. B. 5 kg Wasserstoff für den stationären Einsatz bestellt werden, erfolgt die Lieferung in der Regel mit mehreren Typ-I-Flaschen, die bei 200 bar in einer Kiste oder einem Stapel zusammengefasst sind.
Bei einigen Anwendungen kann ein hohes Gewicht von Vorteil sein, z. B. bei Brennstoffzellensystemen für Bauverdichter oder Gabelstapler, wo ein hohes Gesamtgewicht des Systems die Gesamtfunktion des Fahrzeugs unterstützt.
Was ist bei Flüssigwasserstofftanks (LH2-Tanks) besonders zu beachten?
Wasserstoff kann auch in flüssiger Form gespeichert werden, was den Vorteil hat, dass die Energiedichte höher ist als bei der Speicherung von Gasen, was wiederum bedeutet, dass mehr Energie auf weniger Raum gespeichert werden kann.
Wasserstoff verflüssigt sich nur bei sehr niedrigen Temperaturen (22 K oder -251,15 °C) zu flüssigem Wasserstoff (LH2 oder LH2). Daher müssen die verwendeten Tanks solch niedrigen Temperaturen standhalten und eine ausreichende thermische Isolierung bieten, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten und ein Verdampfen so weit wie möglich zu vermeiden. Die in diesem Fall verwendeten Tanks werden als kryogene Wasserstofftanks bezeichnet und können zusätzlich zu den bereits in diesem Artikel beschriebenen Grundfunktionen eine Kühlfunktion beinhalten.
Flüssiger Wasserstoff wird hauptsächlich in Raumfahrzeugen für den Transport oder die Speicherung großer Wasserstoffmengen verwendet und findet auch in einigen mobilen und aeronautischen Anwendungen Verwendung.
Was sind die Sicherheits- und Zertifizierungsanforderungen für H2-Tanks?
Da Wasserstoff ein weit verbreitetes Element und eine Energie ist, die in neuen umweltfreundlichen Anwendungen rasch an Bedeutung gewinnt, ist die Speicherung von Wasserstoff in Tanks gut erforscht und die Anforderungen sind in Normen und Standards ausreichend dokumentiert. Die spezifischen Anforderungen variieren je nach Region, in der der H2-Tank eingesetzt werden soll. Nachfolgend finden Sie eine beispielhafte Auflistung von Normen und Vorschriften, die für Wasserstofftanks gelten:
- ADR: Internationale Vorschrift für die Beförderung gefährlicher Güter
- DIN EN 12245: Ortsbewegliche Gasflaschen
- ISO 11119-3: Transportable Gasflaschen
- EC 79: Kraftstofftanks
- UNR134: Kraftstofftanks
- ISO 9001:2015 Qualitätsmanagement-System
- ISO 14001:2015 Umweltmanagementsystem
Die geltenden Vorschriften verlangen im Allgemeinen die Durchführung zahlreicher Sicherheitsprüfungen. Die Zertifizierung fertiger Wasserstofftanks kann daher für den Hersteller recht mühsam und zeitaufwendig sein, führt aber zu einem hohen Sicherheitsniveau der heute auf dem Markt befindlichen Wasserstofftanks. Beispiele für Tests, die für Wasserstofftanks durchgeführt werden, sind: Bersttest, Zyklustest oder Ermüdungstest, Lagerfeuertest, Kugeltest (bei dem Kugeln auf einen Tank abgefeuert werden), Falltest und Zyklustest bei Umgebungstemperatur.
Welches sind die wichtigsten Anbieter von Wasserstofftanks?
- Fortgeschrittene strukturelle Technologien, Inc.
- Alsafe
- AMS-Verbundflaschen
- Avanco
- Axcel
- Tabelle Industrien
- CIMC einschränken
- CPE-Druckbehälter
- Cryofab
- Halterung der Zylinder
- Doosan Mobilität Innovation
- EKC
- Energys Australien
- Faber Industrien
- Hanwha
- Sechseck Purus
- ILJIN Hysolus
- Unendliche Verbundstoffe
- Jiangsu Guofu Wasserstoff-Energie-Ausrüstung
- Luxfer
- Mahytec
- Nproxx
- Kunststoff Omnium
- Quantum-Kraftstoffsysteme
- Stahlkopf-Verbundwerkstoffe
- Ullit
- Voith Verbundwerkstoffe
- Wiretough
- Worthington Industrien
- Wystrach
Dieser Artikel wurde vom Team von Hyfindr verfasst und basiert auf mehreren Jahren Erfahrung mit Wasserstoff tanks und Speichersystemen. Wir freuen uns jederzeit über Ihre Kommentare oder Ergänzungen zu dem hier geteilten Wissen – kontaktieren Sie uns!
Letzte Aktualisierung: 15.1.2023