Wasserstoffbetankung

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Was ist die Wasserstoffbetankung und wie unterscheidet sie sich von der herkömmlichen Betankung von Benzin- oder Elektrofahrzeugen?

Herkömmliche Benzinfahrzeuge werden mit Ottokraftstoff (Benzin oder Diesel) betrieben, der an Tankstellen getankt wird. Elektrofahrzeuge werden von Lithium-Ionen-Batterien angetrieben, die Motoren mit Strom versorgen, um die verschiedenen Teile des Fahrzeugs anzutreiben. Bei der Wasserstoffbetankung wird der Fahrzeugtank mit komprimiertem Gas bei einem Druck von 700 bar und 350 bar gefüllt. Für leichte Nutzfahrzeuge beträgt er 700 bar (H70) und für alle anderen Fahrzeuge 350 bar (H35).

Wasserstoff kann über Pipelines oder Lastwagen transportiert oder vor Ort hergestellt werden. Wenn der Wasserstoff in flüssiger Form ankommt, muss er in Gas umgewandelt werden. Es durchläuft einen Verdampfer, der die Flüssigkeit in Gas umwandelt und an Fahrzeuge abgibt.

Eine Wasserstofftankstelle unterscheidet sich nicht wesentlich von einer herkömmlichen Tankstelle, aber der Unterschied besteht darin, dass Wasserstoff unter hohem Druck zugeführt wird und ein extrem flüchtiges Gas ist, so dass die Verbindung zwischen Fahrzeugbehälter und Pumpe wasserdicht sein muss. Der Wasserstoff wird in die Fahrzeugtanks gefüllt, um die Brennstoffzelle anzutreiben, die Strom für den Antrieb des Fahrzeugs erzeugt. Der Wasserstofftank befindet sich oberirdisch, während die Tankstelle unterirdisch ist.

Welche Herausforderungen sind mit dem Aufbau einer Wasserstoff betankungs infrastruktur verbunden?

Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung der Wasserstoffbetankungs infrastruktur ist die Anpassung der Kraftstoffverfügbarkeit an die wachsende Zahl der Fahrzeuge. Die Kraftstoffproduktion und -lagerung sollte auf die Anzahl der Fahrzeuge in dem betreffenden Gebiet abgestimmt sein, damit der lokale Kraftstoffbedarf effizient genutzt wird. Ein zu kleiner Bahnhof führt zu längeren Wartezeiten für die Nutzer und verursacht Verluste für die Eigentümer. Der Ausbau der Technologie sollte parallel zum Ausbau der Fahrzeugflotte erfolgen. Außerdem müssen die Tankstellen nahe genug an den Endkunden liegen, um eine praktische Transportzeit für das Tanken zu ermöglichen.
Frühere Markteinführung von Fahrzeugen, d.h. Bei der Markteinführung des Fahrzeugs konnten kleine Tankstellen die dezentrale Wasserstofferzeugung besser nutzen. Die Lösung für große, zentralisierte Anlagen wird benötigt, um mehrere Stationen für hohe Fahrzeugkonzentrationen zu bedienen. Sogar Brennstoffzellenbusse könnten einen leichteren Markteintritt ermöglichen, da täglich mehrere Busse betankt werden können. Weitere Anwendungen sind Brennstoffzellen-Gabelstapler für den Materialtransport, Schiffsanwendungen, Motorräder, andere Militärfahrzeuge und Luft- und Raumfahrtanwendungen. Es wird davon ausgegangen, dass die Bahnhöfe 80-1600 Autos (oder) 8-160 Busse pro Tag bedienen, der Wasserstoffbedarf beträgt (0,1-2,0) Millionen scf/Tag.
Zu den Anforderungen an die Tankstelle gehört auch eine H35- und H70-Schnellbetankungsmöglichkeit für die Fahrzeuge. Die Tankstelle ist mit H2-Generatoren nach ISO 22734 ausgestattet, die mit Wasserelektrolyse arbeiten. SAE J2799- FCEV (Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug) zur Kommunikation mit der Station.

Welche Sicherheitsvorkehrungen gibt es, um die sichere Handhabung und Betankung von Wasserstoff zu gewährleisten?

Die sichere Handhabung von Wasserstoff ist eine der Herausforderungen, da die Explosionsgefahr hoch ist. Daher müssen bei der Wartung einer Tankstelle bestimmte Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.
Die Standard-Sicherheitsvorkehrungen, die an einer Wasserstofftankstelle zu beachten sind, sind:

  • NFPA 2 Kapitel 10 GH2 Fahrzeugbetankungsanlagen.
  • SAE J2600 Anschlüsse für die Oberflächenbetankung mit Druckwasserstoff.
  • Ständige Überwachung von Wasserstofflecks im Verdichterraum mit Wasserstoffdetektor.
  • Ständige Überwachung von Flammen und Funken im Kompressorraum mit einem UV-Flammenmelder.
  • Isolierte Tanks mit automatischen Absperrventilen, um den Tank von der Station zu trennen.
  • Ständige Überwachung des Sauerstoffgehalts im Kompressorraum.
  • Rauchmelder erkennen Feuer im Kompressorraum und im Kontrollraum.
  • Kontinuierliche mechanische EX-Lüftung in Gefahrenbereichen, um das Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre zu vermeiden.
  • Die wasserstoffberührten Teile sind aus wasserstoffverträglichen Werkstoffen gefertigt und nach EN ISO 11114-4 “Prüfverfahren zur Auswahl von metallischen Werkstoffen, die gegen H2-Versprödung beständig sind” geprüft.
  • Hochdruckleitungen sollten nur mit Konus- und Gewindefittings angeschlossen werden.
  • Getrennte Sicherheits-SPS, die die Überwachung sicherheitskritischer Prozesse während der Betankung gewährleistet.
  • Wasserstoffspender mit Abreißsicherung, Neigungssensor und einem ausgeklügelten Leckageüberwachungssystem.
  • Sichere Freisetzung von Wasserstoff im Gefahrenfall durch Luken und Schornsteine.
  • Mehrfache Redundanz bei kritischen Sicherheits- und Betankungsparametern (Druck- und Temperatursensoren).
  • Gaswarngeräte und -alarme.
 
 

 

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Wie lange dauert die Betankung eines Wasserstofffahrzeugs im Vergleich zur Betankung eines herkömmlichen Benzinfahrzeugs?

Das Betanken eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeugs ist in Bezug auf die Betankungszeit und -leistung ähnlich wie bei herkömmlichen Benzinfahrzeugen. Etwa 5-7 kg Wasserstoff in 3-5 Minuten für Autos, 10 Minuten für Busse. Der Wasserstoff wird bei (-40 bis 80) °C aufgetankt. Die Zapfpistole kommuniziert mit dem Fahrzeugtank über Infrarotsignale, um die Füllgeschwindigkeit zu bestimmen. Der Vergleich der Betankungsleistung von zwei Betankungsmethoden, der so genannten “Lookup-Table”-Methode und der “MC-Formel”-Methode im Rahmen des SAE J2601-Protokolls, ermöglicht eine schnelle Betankung von HFCEVs innerhalb von Minuten. Die MC-Formel-Methode nutzt jedoch die Vorteile einer aktiven Messung der Vorkühltemperatur, um den Betankungsprozess dynamisch zu steuern, und ermöglicht dadurch eine schnellere Fahrzeugbetankung.

Die MC-Formel-Methode reduziert die Betankungszeit im Vergleich zur Lookup-Table-Methode erheblich. Obwohl die SAE J2601 Nachschlagetabellen-Methode derzeit für die Betankung von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt wird, bietet die MC-Formel-Methode eine erhebliche Zeitersparnis bei der Betankung zukünftiger Wasserstofftankstellen, um die Kundenzufriedenheit mit der Betankung von HFCEVs zu erhöhen.

Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge erreichen in der Regel eine Reichweite von 300 Meilen (482,8 km) oder mehr, wenn sie innerhalb von 3-5 Minuten aufgetankt werden.

Hydrogen Refuelling Station HRS Solutions Gilbarco

Beispiel: Wasserstofftankstelle

Wie ist der aktuelle Stand der Infrastruktur für das Betanken von Wasserstoff weltweit?

Die Zahl der Wasserstofftankstellen nimmt rasch zu. Alle werden durch staatliche Zuschüsse unterstützt, die in der Regel in der Größenordnung von 50 % der Kosten liegen. Das Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und das National Renewable Energy Laboratory (NREL) berichten von insgesamt 385 aktiven Wasserstofftankstellen, von denen 167 im nächsten Jahr eröffnet werden sollen. Die PNNL-Zählung listet nur 28 H2-Tankstellen in China auf. 11 sind geplant, aber nicht in Betrieb. Die Zahl der H2-Stationen hat sich seit 2016 jedes Jahr verdoppelt & Ende 2019 gab es 52 aktive Statins in China, & 72 weitere sind im Bau. PNNL berichtet von 80 aktiven Stationen in Deutschland, und 100 Stationen in Deutschland sind im Bau. Von den 385 aktiven Stationen sind 268 für die Öffentlichkeit zugänglich.
Ende 2022 werden in Asien 455 H2-Stationen in Betrieb sein. 165 H2-Stationen in Japan, 149 H2-Stationen in Südkorea & wieder 45 neue Tankstellen für alle Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge. In Nordamerika kamen im vergangenen Jahr 11 neue Tankstellen hinzu. Mit 70 von insgesamt 89 H2-Stationen in Kalifornien ist der Staat weiterhin das Gravitationszentrum des Kontinents.
Die Kapazität vieler Tankstellen, die Wasserstoff mit 70 MPa oder sowohl 70 als auch 35 MPa abgeben, macht die große Mehrheit aus. Die internationale Norm für die Speicherung an Bord von Personenkraftwagen liegt bei 70 MPa, während Busse für eine Speicherung von 35 MPa ausgelegt sind.

Sind Wasserstofftankstellen mit bestehenden Fahrzeugmodellen kompatibel oder sind Änderungen erforderlich?

Die bestehenden Fahrzeugmodelle können nicht an Wasserstofftankstellen betankt werden, da die Kraftstoffe völlig unterschiedlich sind und verschiedene Eigenschaften haben. CNG und Wasserstoff sind komprimierte Gase mit 200-300 bar bzw. 350-700 bar. CNG-Fahrzeuge werden mit CNG-Kraftstoff betrieben, während FCEVs mit Wasserstoff betrieben werden. Die beiden Fahrzeugtypen arbeiten mit unterschiedlichen Brennkammern und Kraftstoffeinspritzsystemen. CNG-Fahrzeuge können für den Betrieb mit beigemischtem Wasserstoff (HCNG) umgerüstet werden und sind für den Betrieb mit Wasserstoffkraftstoff ausgelegt, was Modifikationen an Motor und Kraftstoffsystem erfordert. Das Fahrzeug muss mit einem Wasserstofftank und einer Wasserstoff-Einspritzdüse ausgestattet sein. Die Umweltverschmutzung kann durch mit Wasserstoff angereicherte, mit komprimiertem Erdgas betriebene Fahrzeuge verringert werden.
Es ist also nicht möglich, ein bestehendes CNG-Fahrzeug für den Betrieb mit reinem Wasserstoff umzurüsten. Der Motor und das Kraftstoffsystem können dem Hochdruck-Wasserstoff nicht standhalten und die Kosten des Fahrzeugs sind sehr hoch. Die Wasserstofftankstelle ist mit Hochdruck-Kryopumpen ausgestattet, um den Wasserstoff bei 350-700 bar zu tanken und kann nur Wasserstofffahrzeuge mit SAE J2601-Protokoll innerhalb weniger Minuten betanken.
Bestehende reine CNG-Fahrzeuge können auch mit Modifikationen nicht an Wasserstofftankstellen betankt werden.

 
 

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Welche Kosten sind mit der Wasserstoffbetankung für Fahrzeugbesitzer und Infrastrukturanbieter verbunden?

Die Kosten, die den Fahrzeugbesitzern entstehen, umfassen die Kosten für die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, die Haltbarkeit, die Lebensdauer des Fahrzeugs, die Kosten für den Wasserstofftreibstoff und die Kosten für das Wasserstoffspeichersystem, so dass ein Austausch des Stacks wirtschaftlich sein könnte. Die Kosten für periodische und aperiodische Reparaturen sind wichtige Parameter für die wirtschaftliche Bilanz der Fahrzeugnutzung über eine bestimmte Strecke und werden berücksichtigt. Zusätzliche Ausstattung für Komfort- und Sicherheitssystem. Regelmäßige Reparatur- und Wartungsdienste. Die Versicherungskosten hängen von den Kosten und dem Typ des Fahrzeugs ab.

Die Kosten der Infrastruktur werden durch die Größenvorteile beeinflusst. Sie hängt von der Flottengröße ab (Flottengröße – Gesamtzahl der Fahrzeuge in gemeinsamem Besitz). Mit zunehmender Flottengröße sinken die Kosten für die Infrastruktur und die Gesamtbetriebskosten (TCO) von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen werden günstiger.
Sie konzentrieren sich auch auf die Optimierung der Wasserstoffproduktion und -lieferung, da die Lieferung von Wasserstoff in flüssigem Zustand aufgrund der hohen Verflüssigungskosten weder kosteneffektiv noch machbar ist. Dazu gehören vor allem der optimale Standort der Station und die Gesamtkosten für Bau und Betrieb des HRS. Gesamtinvestitionskosten, z. B. für Niederdruck-Wasserstoffspeicher oder Kompressor, feste Betriebskosten, Wartung, Gesamtkosten für Brennstoff/Strom zur Erzeugung von Wasserstoff aus dem Elektrolyseur.

Welche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten werden derzeit durchgeführt, um die Wasserstoffbetankungstechnologie zu verbessern?

1. Speichertechnologien zur Entwicklung von Speichertechnologien mit höherer Kapazität und geringerem Gewicht.

Das bedeutet, dass der Wasserstoff in leichten Zylindern bei höherem Druck gespeichert wird. Die Zylinder werden aus gewickelten Kohlefaserverbundwerkstoffen hergestellt, die Wasserstoff bei einem Druck von 700 bar und mehr speichern können. erhöht sich der Gewichtsanteil des Wasserstoffs um ca. 6 Gew.-%. Leichtgewichtige Speicher sind vorteilhaft für Marine- und Brennstoffzellenanwendungen.

2. Schnellbetankungstechnologien für Brennstoffzellenfahrzeuge.

Genaue Steuerung des Massendurchsatzes beim Schnellbetankungsvorgang: Um eine kurze Betankungszeit zu erreichen, muss die Füllmenge in einem geeigneten Bereich geregelt werden. Dies kann zu einem raschen Anstieg der Innentemperatur des Speichers führen, wodurch der Ladezustand (SOC) sinken kann, außerdem werden die Tankwände beschädigt, die Massenfüllrate steigt und schließlich gibt es Sicherheitsprobleme. Eine genaue Kontrolle der Füllmenge ist wichtig, um sowohl die Füllzeit als auch den Temperaturanstieg zu berücksichtigen. Daher konnte die Temperatur durch eine Variation der Füllrate besser kontrolliert werden als durch eine konstante Durchflussrate. Die Gastemperatur steigt zunächst stark und dann langsam an, während die Füllparameter konstant gehalten werden. Der Temperaturanstieg erfolgt im ersten Viertel der Füllzeit. Der Massendurchsatz wird zunächst langsam und dann schnell geregelt, ohne die Gesamtfüllzeit zu verlängern. Die Optimierung des Massendurchsatzes erfordert weitere Forschung.

Können Wasserstofftankstellen in bestehende Tankstellen integriert werden, oder benötigen sie separate Einrichtungen?

Die Wasserstofftankstelle kann in bestehende Tankstellen integriert werden, die Möglichkeiten, Kosten und Vorteile der Implementierung der Wasserstoffbetankung an bestehenden CNG-Tankstellen. Wasserstoff und Erdgas werden in komprimierter Form als Fahrzeugkraftstoff verwendet und erfordern eine spezielle Ausrüstung zum Komprimieren, Lagern und Abgeben von Kraftstoff.

Kompressor: Sowohl bei CNG- als auch bei GH2-Tankstellen ist der Kompressor eines der kritischsten Elemente im Prozess der Verdichtung, Lagerung und Abgabe der beiden Kraftstoffe. CNG verwendet einen elektromotorisch angetriebenen, horizontalen Kolbenkompressor, der das Gas durch Verringerung des Volumens verdichtet. Es gibt 2 Arten von Hubkolbenkompressoren: geschmiert und ölfrei. Die CNG-Infrastruktur verwendet einen geschmierten Kompressor, das Gas wird zur Verbrennung verwendet, so dass keine hohe Reinheit erforderlich ist, während der geschmierte Kompressor für Wasserstoff nicht geeignet ist, da Brennstoffzellen 99,99 % reinen Wasserstoff benötigen. So wird ein ölfreier Membrankompressor oder ein hydraulischer Druckübersetzer verwendet, um den Druck zu erhöhen (entweder für 350 oder 700 bar)

Zapfsäulentechnologie: Sowohl GH2- als auch CNG-Zapfsäulen sehen ähnlich aus und funktionieren auf ähnliche Weise. Die Zapfsäulen für alle Fahrzeugkraftstoffe sehen von der Benutzeroberfläche und der Verkaufsstelle her gleich aus. Die Betankungstransaktionen mit Kreditkarten sind die gleichen. Die Rohrleitungen, Komponenten und Düsen für GH2 sind für einen höheren Druck als für CNG ausgelegt. Die Zapfsäule sollte über ein Lecksuchsystem und ein Messsystem verfügen, das die abgegebene Gasmenge genau misst. Sicherheitsstandards wie NFPA 2 für GH2 und NFPA 52 für CNG sind anwendbar. Die H2-Abgabe wird durch SAE J2601/J2799 geregelt, die Codes und Normen für Druckänderungen, zulässige Temperaturbereiche und Durchflussmengen enthält.

Materialien der Lagerbehälter: Für fahrzeuginterne Speicherbehälter für CNG & GH2 ist der Speicherbehälter Typ-3 oder Typ-4. Der Innenbehälter des Typs 3 besteht aus einer 6061er Aluminiumlegierung und ist mit Kohlefaser ummantelt, die für den GH2 bei 350 bar verwendet wird. Der Innenbehälter des Typs 4 besteht aus Polyethylen-Kunststoff und ist mit Kohlefaser ummantelt. Die Ummantelungsstärke der GH2-Flasche ist größer als die der CNG-Flasche, da der normale Betriebsdruck (248-350 bar) höher ist, was die Flaschenkosten erhöht. Für Bodenspeicherbehälter kann der Zylinder Typ 1 verwendet werden. Der Unterschied liegt in der Zugfestigkeit und der Streckgrenze des Rohstahls, die bei H2 und CNG-Flaschen gleich sind. z.B.: Ein kleiner Pufferspeicher wird verwendet, um H2 mit dem erforderlichen Fülldruck zu dosieren.

Wie sind die Aussichten für die Wasserstoffbetankung im Schwerlastverkehr, z. B. in Lkw und Bussen?

Statistiken zufolge entfallen etwa 50 % des gesamten Erdölverbrauchs auf den Verkehrssektor. Die NOx-Emissionen machen 74 % und die Partikelemissionen 52,4 % der gesamten Fahrzeugemissionen aus. Die Förderung von Wasserstoff-Brennstoffzellen in schweren Nutzfahrzeugen trägt zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung bei. Schwerlastkraftwagen benötigen lange Fahrstrecken, eine hohe Leistung und transportieren schwere Lasten ohne Emissionen.
Im Vergleich zu Personenkraftwagen sind die Einsatzrouten von schweren Lastkraftwagen fester, und durch diese Auslegung ist die Infrastruktur für die Wasserstoffbetankung geringer. Durch die Speicherung von Wasserstoff bei 70 MPa in Typ-4-Tanks von Stadtbussen kann die Fahrstrecke auf mehr als 500 km erhöht werden. Wenn die Technologie zur Speicherung von Flüssigwasserstoff oder fortschrittliche Wasserstoffspeichertechnologien zur Verfügung stehen, kann die Fahrstrecke von schweren Nutzfahrzeugen auf 1000 km erhöht werden.
Durch Energieeinsparung, Umweltschutz und lange Fahrstrecken wird eine höhere Effizienz erreicht. Der bequeme Einsatz von Schwerlastkraftwagen mit Brennstoffzellen reduziert den Erdölverbrauch und die Schadstoffemissionen. 1 kg Wasserstoff reicht für 60 Meilen, während ein herkömmliches Fahrzeug mit einer Gallone Benzin 25 Meilen weit kommt.

Gibt es bemerkenswerte Erfolgsgeschichten oder Fallstudien über die Einführung der Wasserstoffbetankung in der ganzen Welt?

Einige bemerkenswerte Erfolgsgeschichten bei der Einführung der Wasserstoffbetankung in der ganzen Welt sind:

  • Alstom Coradia Lint- Der erste Personenzug der Welt, der mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle betrieben wird.
  • Wasserstoff-Brennstoffzellengeneratoren – Diese Generatoren werden eingesetzt, um Geld zu sparen und Emissionen zu reduzieren.
  • Republik Korea – Sie plant die Produktion von 6,2 Millionen wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellenfahrzeugen und den Bau von 1200 Tankstellen bis 2040.
  • China – der größte Wasserstoffproduzent der Welt.

Der Wasserstoffzug Coradia Lint (leichtes innovatives Nahverkehrsfahrzeug) von Alstom fährt zum ersten Mal in Schweden.

Mit der Einführung des Coradia Lint, einem CO2-emissionsfreien Regionalzug, der eine Alternative zum Dieselantrieb darstellt, war Alstom 2016 der erste Eisenbahnhersteller der Welt, der einen Personenzug auf der Basis von Wasserstofftechnologie entwickelt hat. Erstens haben die beiden 100%igen H2-Lint-Züge 2018 in Deutschland den kommerziellen Betrieb aufgenommen und 1.00.000 km zurückgelegt. Bislang wurden in Deutschland 41 Züge bestellt und in Österreich und in den Niederlanden erfolgreich getestet.
Es ermöglicht ein kohlenstoffarmes Verkehrssystem; Alstom hat mehrere nachhaltige Mobilitätslösungen. Der Coradia Lint steht für innovative und umweltfreundliche Lösungen: Der Coradia Lint ist der erste Personenzug der Welt, der mit Wasserstoff-Brennstoffzellen angetrieben wird, die elektrische Energie für den Antrieb erzeugen. Dieser emissionsfreie Zug hat eine geringe Lärmbelastung durch Abdampf und Kondenswasser. Seine Leistung entspricht der eines regulären Zuges mit einer Höchstgeschwindigkeit von 140 km/h und vergleichbaren Beschleunigungs- und Bremsleistungen. Gleiche Kapazität wie bei Personenzügen mit 300 Fahrgästen.
Dies ist von großer Bedeutung für die Umwelt: Wenn ein Dieselzug durch einen Wasserstoffzug ersetzt wird, verringert sich der jährliche CO2-Ausstoß um das Äquivalent von 400 Autos.
Alstom ist mit über 1000 ausgelieferten Zügen der größte Akteur auf dem schwedischen Eisenbahnmarkt.

 

Letzte Aktualisierung: 20.12.2023

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