LeiWaCo - Entwicklung eines Leichtbau-Tanks für kryogenen Wasserstoff

Thermoplastisches Wickeln von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.

Technologien

• Faserverbundmaterialien
• Speicherung von Wasserstoff
• Thermoplastisches Wickeln

Ausgangslage

Neben dem grossflächigen Wasserstofftransport über Pipelines besteht ein wachsender Bedarf an vielseitigen Lösungen für den Wasserstofftransport in kleinerem Massstab in verschiedenen Branchen, darunter die Tankstellenversorgung, der Bahnbetrieb sowie die Hafen- und Flughafenlogistik. Derzeit werden für diese Zwecke Druckgasspeicher verwendet, die allgemein als «grosse Flaschen» bezeichnet werden und ein typisches Fassungsvermögen von etwa 500 kg Wasserstoff haben. Während sie für kleine bis mittlere Mengen Wasserstoff wirksam sind, werden alternative Lösungen für grössere Mengen und längere Transportstrecken benötigt.

Ziele

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines kostengünstigen, hochfesten, leichten Wasserstofftanks aus Faserverbundwerkstoffen, der speziell für den Transport von flüssigem Wasserstoff entwickelt wurde. Ziel ist es, eine branchenübergreifende Logistiklösung in Form einer containerbasierten Transport- und Versorgungseinheit zu schaffen. Darüber hinaus zielt das Konsortium darauf ab, diese innovativen Technologien für Tanks zu adaptieren, die im Strassenverkehr, in der Schifffahrt, im Schienenverkehr und in der Luftfahrt eingesetzt werden.

Eine der grössten Herausforderungen bei der Entwicklung von kryogenen Faserverbundtanks ist die Sicherstellung ihrer Dichtheit, die durch thermisch induzierte Mikrorisse im Material beeinträchtigt werden kann. Um dieser Herausforderung zu begegnen, führt das Projekt einen neuartigen Ansatz ein, der den Einsatz von thermoplastischen Materialien in Kombination mit der Dünnschichttechnologie beinhaltet. Dieser Ansatz umfasst die Entwicklung neuer Produktionsmethoden für das Halbzeug, Prüfmethoden, Auslegungs- und Berechnungsmethoden sowie entsprechender Fertigungstechnologien.

Im Vergleich zu bestehenden Grosszylindern sollen mit dem in diesem Projekt zu entwickelnden Tank deutliche Leistungsverbesserungen erzielt werden:

• Erhöhung der Kapazität um ca. 500 kg pro 2.500 kg.
• Begrenzung das Gewicht des gesamten Containers auf 10 Tonnen.

Darüber hinaus bietet der Tank aus Faserverbundwerkstoffen im Vergleich zu herkömmlichen metallischen Tanks für flüssigen Wasserstoff mehrere Vorteile:

• Geringere Produktionskosten durch einen hocheffizienten Wickelprozess mit In-situ-Konsolidierung.
• Reduziertes Gewicht bei gleichem Innendruck des Tanks.
• Eliminierung der Wasserstoffversprödung, die häufig bei Schweissverbindungen beobachtet wird.
• Erhöhte Druckfestigkeit aufgrund der mechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen, die einen höheren Druck im Tank ermöglichen.

Im Vergleich zu bisherigen Kryotanks aus CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) zielt das Projekt darauf ab, die Lebensdauer von ca. 40 Betankungszyklen in der Raumfahrt zu verlängern, um die Ermüdungsfestigkeit deutlich zu erhöhen.

Ergebnisse

Dieses Projekt bringt eine vielfältige Gruppe von Partnern zusammen, die jeweils ihre Expertise in verschiedenen Aspekten der Materialentwicklung, Materialherstellung und Materialtechnologieanwendungen einbringen.

Finanzierung und Umweltauswirkungen:

Das Projekt steht im Einklang mit den Zielen des Energieforschungsprogramms, das sich auf die indirekte Speicherung von erneuerbarem Strom in Form von grünem Wasserstoff und die Entwicklung von Wasserstofftechnologien, insbesondere Speicher- und Transporttechnologien, konzentriert. Durch die Schaffung innovativer Lösungen für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff kann dieses Projekt die Treibhausgasemissionen erheblich reduzieren und zur Erreichung der Klimaschutzziele beitragen.

Das Projekt kombiniert modernste Technologien, einschliesslich der Verwendung von dünnschichtigen Materialien, thermoplastischen Matrixmaterialien und In-situ-Konsolidierung, um fortschrittliche Wasserstofftanks zu entwickeln. Diese Innovationen haben das Potenzial, die Effizienz und Leistung der Wasserstoffspeicherung und des Wasserstofftransports zu verändern.