H2-HD: Kunststoff-Hybrid-Hochdruck-Tanksysteme für hohe H2-Speicherdichte

Projektbeschreibung

Grüner Wasserstoff kann in Großspeichern verwahrt und in Pipelines transportiert werden. Damit er auch zum Endkunden in ländlichen Gebieten oder Tankstellen in der Innenstadt gelangen und kurzfristig zwischengelagert werden kann, sind zusätzlich entsprechende Speicher- und Transporttanks notwendig. Weil gasförmiger Wasserstoff eine geringe volumenspezifische Energiedichte hat, bieten Hochdrucktanks eine praktikable Speicherlösung. Auf dem Markt für Wasserstofftransport üblich sind Druckbehälter mit 350 bar, teilweise 700 bar. Diesen Wert wollten die Projektpartner deutlich steigern. Ziel waren besonders sichere und leichte Behälter, die bei einem Betriebsdruck bis 1000 bar eingesetzt werden können. Dadurch wird eine effizientere Verteilung und Nutzung von Wasserstoff ermöglicht.

Teilvorhaben Fraunhofer IWM: Probabilistische Bewertung des Einsatzverhaltens gewickelter CFK-Hochdrucktanks unter Berücksichtigung von Ungänzen (TP5)

Besonders geeignet, um dieses Ziel zu erreichen, sind sogenannte Typ 4 Tanks. Ummantelt werden solche Behälter von einem kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoff (CFK) als lasttragender Struktur. Innen liegt ein thermoplastischer Kunststoff-Liner, der die Gasdichtheit gewährleistet. Dazu kommen Metall-Elemente an den Enden des Behälters. Die hohe Belastung und die Sicherheitsanforderungen an die CFK-Tankhülle bedingen eine Reihe von Herausforderungen – insbesondere in Bezug auf deren betriebsbedingte Alterung und spezifische Anforderungen in Kontakt mit hoch-verdichtetem Wasserstoff.

Um die Effizienz der Hochdruckbehälter zu steigern, wurde das werkstoffmechanische Verhalten des Verbundstoff-Laminats auf mikro-, meso- und makroskopischer Ebene erforscht. Untersucht wurden u.a. folgende Forschungsfragen: Wie verhält sich das Laminat aus faserverstärktem Kunststoff, wenn der Tank befüllt oder entleert wird? Bleibt der Verbund zwischen Liner und Ummantelung stabil? Wie interagiert der Wasserstoff mit den verschiedenen Materialien und welche Effekte hat das auf deren Alterung und Lebensdauer? Wie lässt sich das Vorhandensein fertigungsbedingt unvermeidbarer Ungänzen und Fehlstellen (etwa Faserwinkelabweichungen, Poren, trockene Fasern) auch in der numerischen Simulation beherrschen und wie lassen sich ihre Auswirkungen auf den Betrieb des Behälters im Rahmen moderner probabilistischer Bewertungskonzepte vorhersagen?