Artikel/Abstracts
WASSERSTOFF-FORSCHUNGS- UND DEMONSTRATIONS-PROJEKTE -GEGENWÄRTIGER STAND UND ENTWICKLUNGSTENDENZEN BEIM FLÜSSIGWASSERSTOFF

Autor: Dipl.-Ing. Reinhold Wurster, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, Ottobrunn

Veröffentlicht auf der VDI-Tagung „Kryotechnik" 26.-28. Februar 1997 in Karlsruhe, VDI Düsseldorf

1. Abstract

Der Stand der Wasserstofferzeugung und -nutzung in Deutschland und weltweit wird skizziert. Denkbare neue Einsatzfelder für Wasserstoff z.B. im Verkehrs- und Energiesektor werden aufgezeigt und die hierfür erforderlichen technischen Konzepte erläutert und ihre zeitliche Verfügbarkeit abgeschätzt. Die daraus abzuleitenden Vorteile auch hinsichtlich einer lokalen und globalen Umweltrelevanz (z.B. Smog, Ozon, CO₂) werden andiskutiert.

Eine Übersicht über Forschungs-, Pilot- und Demonstrationsprojekte mit Flüssigwasserstoffnutzung vertieft den Einblick in das auf absehbare Zeit Machbare in diesem Sektor. Insbesondere werden die PKW-Fahrzeugentwicklung bei BMW, die Aktivitäten bei der Solar-Wasserstoff-Bayern (SWB), die Demonstrationsaktivitäten im Rahmen des Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project (EQHHPP) [1] [2], die geplanten Vorhaben im Rahmen des japanischen World Energy Network Using Hydrogen (WE-NET) [3], geplante Aktivitäten einer H₂-Kooperation zwischen Bayern und Québec, die Überlegungen von CDS Research zum Lufttransport von LH₂, die neueste Flugzeugentwicklungsrichtung im Cryoplane und einige Fahrzeugentwicklungen genauer vorgestellt.

Aus diesen Hardware-Aktivitäten ergeben sich verschiedenste LH₂-typische Fragestellungen sowie mittel- und langfristig erforderliche Verbesserungsmaßnahmen, die angesprochen werden. Die gesamte Kette von der Erzeugung über die Konditionierung, Speicherung, Handhabung, den Transport, die Verteilung und die Anwendung muß hinsichtlich der Prozeßwirkungsgrade, der Isolationskonzepte und Speicherverluste (z.B. mobile Speichersysteme), der Umfüllverfahren, der Verminderung der Transferverluste und der verbesserten Prozeßführung untersucht und optimiert werden. Parallel zu entwickelnde Sicherheitskonzepte für die Handhabung sowie bereits erkannte Defizite werden ebenfalls andiskutiert.

Abschließend wird ein Ausblick und eine Einordnung in internationale Entwicklungstendenzen gegeben.

2. Stand der Wasserstofferzeugung und -nutzung

2.1 Stand der Wasserstofferzeugung:

Von den weltweit umgesetzten etwa 500 Mrd Nm³ Wasserstoff [4] stammt der weitaus größte Teil aus fossilen Quellen (Erdgas, Erdöl) bzw. fällt in der chemischen Industrie (z.B. Chemische Werke Hüls in Marl, Dow Chemical in Stade) als Nebenproduktwasserstoff aus chemischen Prozessen zur PVC-Herstellung (z.B. Chlor-Alkali-Elektrolyse) und aus Rohölraffinerieprozessen an. Alles in allem beläuft sich die konventionelle Wasserstofferzeugung auf ca. 190 Mrd Nm³ weltweit (38%), wovon etwa 2% oder 10 Mrd Nm³ aus Chlor-Alkali-Elektrolyse stammen (in der BRD sogar 4,5% von insgesamt erzeugten 19 Mrd Nm³ Wasserstoff).

Direkt aus Elektrolyse, meist in Verbindung mit Wasserkraft als Primärenergiequelle, wurden bis Ende der 80er Jahre nur ein verschwindend geringer Anteil in Höhe von schätzungsweise 0,5 - 1 Mrd Nm³, also nur etwa 0,1 - 0,2%, erzeugt. Selbst diese geringen Mengen sind im Abnehmen begriffen, seit sich die industrielle elektrolytische Wasserstofferzeugung zur Düngemittelherstellung gegenüber der Herstellung aus Erdgas wegen des allgemein gefallenen Energiepreisniveaus nicht mehr rechnet. Da elektrolytisch erzeugter Wasserstoff indirekt über den Energieträger 'Strom' hergestellt wird, ist dies nur an den Stellen in der Welt wirtschaftlich, wo Strom gegenwärtig extrem kostengünstig erzeugt werden kann und ökologisch sinnvoll, sofern die Elektrizität CO₂-frei oder neutral erzeugt wird. Dies ist fast ausschließlich bei großmaßstäblicher Wasserkraftnutzung möglich (Ägypten, Brasilien, Island, Kanada, Zaire), bzw. bei Überschußenergie aus Primär- und Sekundärregelung bestehender Kraftwerkskapazitäten mit nennenswertem Nuklearanteil (Frankreich, Belgien, Schweiz, einige deutsche EVU).

Sofern Wasserstoff mittel- bis langfristig auch in nennenswertem Umfang in die Energiewirtschaft Eingang finden sollte, so ist unter den gegebenen umweltspezifischen Gesichtspunkten (Emissionsreduktion, CO₂-Verminderung) in den meisten Fällen nicht vertretbar, Wasserstoff in großem Umfang durch konventionelle Dampfreformierung aus Erdgas zu gewinnen. Eine Ausnahme kann hier die Nutzung des so erzeugten Wasserstoffs in Brennstoffzellen sein, da diese mit einem deutlich besseren Wirkungsgrad erfolgt als der direkte Einsatz von Erdgas in Verbrennungsmotoren (dies gilt insbesondere für Nutzfahrzeuge im städtischen Einsatz). Moderne Wasserstofferzeugungsverfahren (Plasmabogenprozess von Kværner Engineering) erlauben es jedoch unter Einsatz von Elektrizität aus Erdgas, potentiell CO₂-frei Wasserstoff zu erzeugen setzen zum wirtschaftlichen Betrieb jedoch eine Absatzmöglichkeit für das Nebenprodukt Graphit voraus.

Für eine umweltverträgliche Wasserstofferzeugung in großem Umfang ergeben sich damit vornehmlich folgende Quellen:

- chemische Prozesse,

- Überschußenergie, die sich nicht wirtschaftlich im Verbundnetz unterbringen läßt (z.B. aus nuklearer Grundlast sowie aus saisonaler alpiner Wasserkraft)

- Wasserkraftpotentiale, die in großem Umfang verfügbar und auf umweltverträgliche Weise nutzbar sind

- erste kostengünstige, erneuerbare Energiequellen, wie z.B. Windenergie, Biomasse, evtl. solarthermische Stromerzeugung und Meeresenergie jeweils an ihren wirtschaftlichen Betriebsorten

- potentiell unerschöpfliche, anfänglich teurere und mittel- bis langfristig kostengünstige solare Energiequellen (z.B. solarthermische Stromerzeugung, Photovoltaik).

 

2.2 Stand der Wasserstoffnutzung:

Die gegenwärtige Wasserstoffverwendung erstreckt sich weltweit fast zur Hälfte auf de nicht-energetischen Einsatz (in der BRD nur ein Drittel). Diese Anwendungen umfassen z.B. die chemische Industrie, die Metallurgie, die Flachglasherstellung, die Elektronikindustrie, die Nahrungsmittelindustrie u.a..

In den industriellen direkt-energetischen Einsatz gehen weltweit ebenfalls fast ein Drittel (in der BRD hingegen fast die Hälfte) in diesen Anwendungssektor geht. Diese direkt-energetische Verwendung (z.B. Prozeßwärme) findet oft nur deswegen statt, weil sich der meist als Nebenprodukt erzeugte Wasserstoff nicht anders im Markt absetzen läßt (bisher noch fehlende kostegünstige Nutzungstechniken für Wasserstoff).

Die indirekt-energetische Verwendung umfaßt Anwendungen in der Mineralölindustrie und zur Herstellung verbesserter konventioneller Motorenkraftstoffe (Dieselentschwefelung, Reformulated Gasoline) und für die Herstellung synthetischer Brennstoffe (z.B. Methanol).

3. Denkbare neue Einsatzfelder: Begründung und zeitliche Einordnung

3.1 Technische Konzepte:

In den letzten Jahren wurden verschiedenste Anwendungstechniken für Wasserstoff untersucht, sowohl für den Verkehrs-, den Energie-, den Industrie- und den häuslichen Sektor.

Hierzu zählen u.a. Antriebsaggregate für Automobile, wie Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen mit dazugehöriger Treibstoffspeicherung und -versorgung, auch in kryogener, flüssiger Form. Ebenso erste Konzeptstudien und Auslegungsarbeiten für LH₂-Flugzeuge und deren Komponenten, wie z.B. eine NO_x-optimierte Brennkammer eines Airbusdüsentriebwerks [2]. Ferner befinden sich in den USA Brennstoffzellenantriebe für Lokomotiven in der Entwicklung.

Für den Energiesektor werden Konzepte verfolgt, die eine Verbesserung der primären und sekundären Regelung bei der Stromerzeugung anstreben, wie die sofort abschaltbare elektrolytische Wasserstofferzeugung (Abschaltung bei Frequenzabnahme/ Zuschaltung bei Frequenzzunahme). Außerdem werden für Blockheizkraftwerke zur Strom- und Wärmeerzeugung sowohl verbrennungsmotorische Antriebe als auch zunehmend Brennstoffzellen untersucht und in die kommerzielle Anwendung überführt.

Einige industrielle Wasserstoffanwendungen sind seit Jahren Stand der Technik (z.B. Großfeuerung, Flachglasherstellung, Nahrungsmittel, Elektronik, chemische Prozesse). Ein neuer Anwendungsfall, der zur Zeit weiterentwickelt wird, ist z.B. die Direktreduktion von Eisenerz [2]. Verstärkte Anwendung wird Wasserstoff zu Hydrierungszwecken in Raffinerieprozessen zur Herstellung von sauberen konventionellen Fahrzeugtreibstoffen (reformulated fuels) finden.

Für den häuslichen Sektor sind in den letzten Jahren verschiedene Entwicklungen effizienter Wasserstoffnutzung angelaufen, wie z.B. katalytische Heizer, elektrochemische Elektrolyse-/ Brennstoffzellen-Redoxeinheiten, kleine BHKW-Brennstoffzellensysteme für den häuslichen Einsatz, geeignete Brennersysteme sowie gasförmige Druck- oder auch Metallhydridspeicherung.

3.2 Vorteile des Wasserstoffeinsatzes im Verkehrs- und Energiesektor:

Hauptvorteil des Wasserstoffs ist sein Potential zu drastischer Emissionreduktion bzw. zu völliger Emissionsfreiheit. Verbrennungsmotoren mit innerer Gemischbildung und Hochdruckwasserstoffeinblasung (abgeleitet aus dem heutigen Dieselprinzip) können extrem niedrige NO_x-Werte von bis zu unter 1 g NO_x/kWh [nach ECE 13 Stufentest für Nutzfahrzeugmotoren] erreichen (5 - 7 mal niedriger als die besten europäischen Grenzwerte), wobei Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen nur durch die Verbrennung von Schmieröl entstehen. Völlig emissionsfrei [Zero Emission Vehicle ZEV] kann mit Niedertemperaturbrennstoffzellen, wie z.B. der Polymer Exchange Membrane (PEM) Brennstoffzelle, in Verbindung mit Wasserstoffspeicherung an Bord gefahren werden. Reaktionsprodukt ist nur Wasser. Bereits der wasserstoffoptimierte Verbrennungsmotor hat ein niedrigeres Motorengeräusch als der Dieselmotor. Der brennstoffzellenelektrische Antrieb bietet nochmals eine drastische Geräuschreduktion auf das Niveau des Elektrofahrzeugs. Damit eröffnen sich für den Verkehrssektor erste potentielle Märkte für Fahrzeuge, die in Ballungsräumen, in Kurorten und in sonstigen Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Abgasreinheit und Geräuscharmut eingesetzt werden können. Einer der wesentlichen Gründe, warum BMW auf die kryogene Wasserstoffspeicherung setzt scheint das Ziel zu sein, monovalente Langstrecken-PKWs zu realisieren. Auch das neueste Konzept [13] eines 3er BMWs mit Siemens PEM-Brennstoffzellenantrieb für eine Reichweite von 1000 km deutet in diese Richtung.

Ebenfalls Emissionsaspekte sind die Begründung für Lokomotiven mit wasserstoffbetriebenen verbrennungsmotorisch-elektrischen oder brennstoffzellen-elektrischen Antrieben auf nichtelektrifizierten Strecken (z.B. South Coast Air Quality Management District in Los Angeles, Kalifornien) sowie für Nahverkehrszüge bzw. straßenbahnähnliche Transportsysteme mit Brennstoffzellenantrieb.

Ebenfalls wegen seiner vorteilhaft niedrigen Emissionen und außerdem wegen seines überlegenen Verhältnisses von Energieinhalt zu Masse (siehe Raumfahrtanwendungen) eröffnen sich für Flüssigwasserstoff Perspektiven als Treibstoff für Flugzeuge (als einziger sauberer Ersatz für Kerosin).

Langfristig können auch Schiffe mit Wasserstoff betrieben werden, vor allem Tankschiffe, die LH₂ aus überseeischen Produktionsstandorten anliefern. Für den Transport einer so hochwertigen Energie wie Wasserstoff sind hohe Tranportwirkungsgrade besonders wichtig. Das Kältepotential des LH₂ kann genutzt werden, um bei Turbinenantrieben (typisch für Gastankschiffe) die Lufteintrittsemperatur in den Verdichter auf Bereiche von 250 K < T < 276 K abzusenken und damit den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Die erzielbare Wirkungsgradsteigerug ist bei einfachen Dampfturbinenprozessen ohne Dampfeinspritzung höher als bei Prozessen mit Dampfeinspritzung. Dennoch ist zu beachten, daß auf den jeweiligen Prozeß bezogen die Dampfeinspritzung selbst immer mehr Wirkungsgradsteigerung bringt als die Vorkühlung [19].

Fahrzeuganwendungen im innerstädtischen Raum benötigen wegen der geringen täglichen Fahrstrecken nicht notwendigerweise Flüssigwasserstoff als Speichermedium, sondern kommen auch mit Druckwasserstoffspeicherung aus. Dies gilt insbesondere, wenn sie mit effizienten Brennstoffzellenantrieben ausgestattet sind. Dies gilt für die Fahrzeugtypen, welche ausreichend Speichervolumen bereitstellen können und in Fahrzeugflotten betrieben werden (z.B. Stadtbusse, Nutzfahrzeuge). Kleine City-PKWs lassen sich vermutlich mit Metallhydrid-, Methanol- oder LH₂-Speichern in geeigneterer Weise realisieren. Hingegen lassen sich Schwerlastfahrzeuge oder Langstreckenreiselimousinen vernünftigerweise mit LH₂-Speicherung realisieren. Flüssigwasserstoff kann außerdem bei noch nicht entwickelter Infrastruktur für die Treibstoffversorgung diese oft erst ermöglichen.

3.3 Lokale und globale Umweltrelevanz (z.B. Smog, Ozon, CO₂):

Wasserstoff setzt bei seiner Verbrennung nur sehr wenige Emissionen frei und von diesen stark reduzierte bis vernachlässigbare Mengen. Bei Verbrennung mit Luft entstehen nur Stickoxide und Wasserdampf. In Verbrennungsmotoren können durch die Verbrennung von Schmieröl geringste Spuren von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen entstehen. Auch die Stickoxidemissionen können durch Magerverbrennung (also mit hohem Luftüberschuß) deutlich unter heutige Werte von Benzin- oder Dieselfahrzeugen mit Kat reduziert werden. Die wesentlichen Verursacher für Ozon und Smog, NO_x und HC, lassen sich damit drastisch reduzieren.

Wasserdampfemissionen lassen sich technisch (außer durch Verbrauchsreduktion) nicht reduzieren sondern werden sogar steigen. Wasserdampf ist zwar das am häufigsten in der Atmosphäre vorkommende, klimarelevante Gas, aber wesentlich weniger klimaaktiv als CO₂. Die Wasserdampfemissionen aus der heutigen Energiewirtschaft liegen bei 0,005% der natürlichen Wasserdampfemissionen [5]. Selbst unter ungünstigen Verhältnissen regionaler Ballungsräume würde ein voll auf Wasserstoff umgestellter Fahrzeugverkehr Wasserdampfemissionen nur im Promillebereich natürlicher Emissionen freisetzen.

Werden, wie in den Arbeiten der Enquetekommission Technikfolgenabschätzung und -bewertung 'Bedingungen und Folgen von Aufbaustrategien für eine solare Wasserstoffwirtschaft' Szenarien der Wasserstoffnutzung angenommen und daraus realistische Wasserstoffgasemissionen abgeleitet, dann würden die H₂-Emissionen um maximal bis zu 5% bzw. 1,5 Mio t/a ansteigen und damit der Gehalt in der Atmosphäre von heute 0,51 ppm auf 0,54 ppm ansteigen. Würden wie in einer anderen Abschätzung für das Jahr 2050 angenommen von etwa 1 Mrd Straßenfahrzeuge ausgegangen, die zu 10-20% mit LH₂ betrieben würden, so würden sich hieraus erhöhte H₂-Emissionen von 0,2 - 0,8 Mio t/a ergeben. In den letzten Jahren lag die jährlich H₂-Zunahme aufgrund anthropogener Verbrennungsprozesse (Industrie, Autoabgase) bei etwa 1 Mio t H₂/a. Erste Abschätzungen lassen nach heutiger Kenntnis vermuten, daß durch einen verstärkten H₂-Einsatz keine relevanten Veränderungen in der heutigen H₂-Bilanz der Atmosphäre bewirkt werden [6]. Wegen nichtlinearer Abläufe chemischer Reaktionen in der Atmosphäre besteht hier aber noch Forschungs- und Klärungsbedarf.

Regenerativ erzeugter Wasserstoff kann also insgesamt eine deutliche Verbesserung der Emissionssituation bewirken. Um diesen vorteilhaften Effekt zu erhalten, ist es wichtig beim Handling und Transport von LH₂ die Umfüll- und Boil-off-Verluste so gering wie möglich zu halten, sie also sytematisch zu minimieren.

3.4 Flexibilität bei der Wahl der Primärenergiequelle:

Wasserstoff hat einerseits den Nachteil, daß er kein Primärenergieträger ist und in reiner, ungebundener Form praktisch nicht in der Natur vorkommt. Andererseits bietet er den Vorteil, daß er aus verschiedenen Primärenergiequellen mehr oder weniger sauber und effizient hergestellt werden kann. So gibt es die seit über einhundertfünfzig Jahren praktizierte Art der Erzeugung aus Kohle. Für kommerzielle Erzeugung aus fossilen Quellen wird H₂ heute fast ausschließlich aus Erdgas mittels Dampfreformierung gewonnen. In Raffinerien fällt Überschußwasserstoff bei der Verarbeitung von Rohöl an bzw. kann über partielle Oxidation aus Kohlenwasserstoffen erzeugt werden. In den letzten Jahre gibt es auch Entwicklungen, Wasserstoff mittels partiell oxidierender Brenner aus flüssigen Kohlenwasserstoffen (Diesel, Kerosin, Erdgas, Methanol, Ammoniak) zu gewinnen, und zwar auch in sehr kleinen Einheiten, welche auch für den Betrieb an Bord von Fahrzeugen geeignet sind. Vorteil in diesem Fall ist, daß die effiziente Brennstoffzelle als Antriebsquelle zum Einsatz kommen kann, ohne daß für die Wasserstoffversorgung eine neue Infrastruktur errichtet werden muß. Eine ebenfalls seit über einem halben Jahrhundert in großem Maßstab kommerziell praktizierte Art der Erzeugung ist die Wasserelektrolyse (in Norwegen seit 1929), die sich auch in kleinsten Einheiten und dezentral realisieren läßt. In einer weiteren Entwicklung werden auch Verfahren der H₂-Erzeugung in kleinen dezentralen Einheiten aus Biomasse über Wasserdampfdruckvergasungsprozesse entwickelt und schrittweise zur Markteinführung vorbereitet [8]. Desweiteren glaubt man langfristig, Wasserstoff kommerziell auch über biogene Prozesse erzeugen zu können.

Wasserstoff kann also in zentralisierten oder dezentralisierten Einheiten flexibel je nach Bedarf erzeugt werden. Die H₂-Erzeugung mittels Elektrolyse oder aus Biomasse erfolgt potentiell CO₂-frei. Auch aus Kohlenwasserstoffen läßt sich H₂ ohne Freisetzung von CO₂ erzeugen, entweder durch Extraktion und Deponierung oder im Plasmabogenprozeß durch Bindung in Reinstkohle [8].

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß sich Wasserstoff mit mehr oder weniger Energieeinsatz als sauberer Brenn- oder Kraftstoff verfügbar machen läßt. Wasserstoff bzw. wasserstoffreiche Energieträger als Speicher- unnd Transportmedium, die aus erneuerbaren Energien hergestellt werden, repräsentieren die einzige Möglichkeit, erneuerbare Energien in großem Umfang, effizient und unter Beibehaltung niedrigster bzw. von Null-Emissionen (mit Hilfe von Brennstoffzellenantrieben) in den Verkehrssektor einzuführen. Kryogenem Wasserstoff kommt hier eine Schlüsselrolle beim Wasserstofftransport über große Entfernungen zu. Außerdem ist LH₂-Einsatz bei Volumen- oder Massenbeschränkungen vorteilhaft oder notwendig.

4. Forschungs-, Pilot- und Demonstrationsprojekte mit Flüssigwasserstoff-bezug

4.1 PKW-Fahrzeugentwicklung bei BMW:

Seit Ende der 70er Jahre hat BMW verschiedene Entwicklungsstufen des Wasserstoffantriebes für PKWs entwickelt und erprobt. Als Treibstoff- und Speicherkonzept wurde von Anfang an der Flüssigwasserstoff eingesetzt, da er vo BMW langfristig als die beste Alternative hinsichtlich Volumen, Masse und Hardwarekosten angesehen wird. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Kryopartnern wurden die Tankkonzeption, die Treibstoffversorgung und -betankung entwickelt und schrittweise perfektioniert. So konnte in den letzten Jahren die Dicke der Vakuumsuperisolation nach dem Folienwickelprinzip bei den 140 l LH₂-Fahrzeugtanks schrittweise von 50 mm auf 25 mm reduziert werden und der Wärmeeinfall auf unter 1 W reduziert werden, was einer täglichen Temperaturerhöhung im Tankinneren von etwa 1 K/d oder einer Abdampfrate von etwa 2%/d entspricht [7]. Auch wurden die Armaturen in das Tankinnere verlegt.

Für die Betankung kann heute bereits durch eine einäugige, bei kryogenen Temperaturen kaltziehbare Kupplung ohne Gasrückleitung verwendet werden, was den Aufwand für die Betankungsinfrastruktur deutlich vermindert. Betankungszeiten von unter 5 Minuten werden heute bereits inkl. Kupplungsvorgang erreicht und unterschritten. Der Betriebsdruck des Fahrzeugtanks wird heute auf etwa 0,4 MPa begrenzt und soll künftig noch etwas weiter abgesenkt werden.

Für die Weiterentwicklung der Wasserstoffmotorentechnologie hat BMW Ende der 80er Jahren einen Wasserstoffmotorenprüfstand errichtet. Ergebnis der auf diesem Prüfstand durchgeführten Tests ist das Konzept der sequentiellen H₂-Dosierung für jeden einzelnen Zylinder mit frei programmierbarem Zündzeitpunkt. Die Menge des rückzündungsfähigen Gemisches im Ansaugbereich des Motors konnte somit deutlich reduziert werden. Dieses günstige Verhalten wird auch durch den Magermischbetrieb unterstützt, der die NO_x-Emissionen auch ohne Nachreinigung auf minimale Werte reduziert. Motoren nach diesem Konzept erreichen typischerweise eine maximale Leistungsabgabe von etwa 80 kW bei 2,5 l Hubraum und eine Reichweite je nach Fahrweise von 300 - 400 km. Der konventionelle Benzinantrieb bietet eine Leistung von ca. 140 kW und eine Reichweite von 600 - 700 km. Bei LNG-Antrieb liegen diese Werte etwa bei 125 kW für die Motorleistung und bei etwa 600 - 700 km für die Reichweite (140 l LNG-Tank). In allerletzter Zeit hat BMW außerdem erste Überlegungen zu einem PKW mit PEM-Brennstoffzellenantrieb und Flüssigwasserstoff vorgestellt [13], welcher mit LH₂-Speicherung Reichweiten von 1000 km erreichen soll.

In den vergangenen Jahren ist BMW verstärkt in der theoretischen und experimentellen Sicherheitsforschung tätig geworden, um mittelfristig Fragestellungen der Serienreifmachung schrittweise nachzugehen (Kraftstoffversorgungssystem, insbesondere jedoch Kryotanksicherheit).

4.2 Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH (SWB):

Im Rahmen des SWB-Projektes, das von den vier Partnern Bayernwerk AG (70%), BMW Intec Beteiligungs GmbH (10%), Linde AG (10%) und Siemens AG (10%) noch bis Ende 1999 durchgeführt wird, werden seit der Phase I von BMW und Linde Betankungsversuche mit Flüssigwasserstoff durchgeführt, der jedoch nicht in der Anlage erzeugt wird, sondern von der Linde-Verflüssigungsanlage in Ingolstadt angeliefert und in einem hochisolierten aufrecht stehenden Speicher von 3.000 l auf dem Gelände der SWB-Anlage in Neunburg vorm Wald gespeichert wird.

In der Phase I war die Betankungseinrichtung für eine Befüllungsgeschwindigkeit von 30 l LH₂/ min. ausgelegt. Die gesamte Betankungsdauer lag anfänglich bei über einer Stunde und konnte durch Optimierungsprozeduren auf deutlich unter 20 Minuten abgesenkt werden. In der Phase II der SWB wurde auf automatisierte Betankungskonzepte von Linde AG respektive Messer Griesheim GmbH umgestellt, die noch eine deutliche Verkürzung des gesamten Betankungsvorganges bei PKWs (ca. 130 l) auf gegenwärtig rund 2,5 - 3 Minuten und bei Bussen (ca. 600 l) auf max. etwa 10-15 Minuten erlauben sollen. Der Hauptvorteil dieser Betankungssysteme liegt in ihren kaltziehbaren Kupplungen, die ein Ab- und Ankuppeln in kryogenem Zustand (-250°C) zulassen und damit die Voraussetzung für eine spätere Flottenbetankung schaffen. Diese Betankungskonzepte werden auch in den Demonstrationsaktivitäten des EQHHPP eingesetzt (Linde-System für MAN Stadtbus in Deutschland und Messer-Griesheim-System für Stadtbusse von Hydrogen Systems N.V. in Belgien und von Ansaldo in Italien).

4.3 Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project (EQHHPP) [1] [2]

In einer Durchführbarkeitsuntersuchung und einem zugehörigen F&E-Programm wurde die prinzipielle technische und ökonomische Machbarkeit der Erzeugung, Handhabung, des transatlantischen Transports und den verschiedensten Einsatzzwecken von Wasserstoff zwischen 1989 und 1992 bearbeitet.

In den verschiedenen Teilphasen der Phase III.0 (1992 - 1998) wurden und werden verschiedene Wasserstoffanwendungstechnologien untersucht, entwickelt und erprobt. Im einzelnen sind dies: Hydrogen Systems LH₂-Stadtbus mit Verbrennungsmotor in Belgien, MAN LH₂-Stadtbus mit Verbrennungsmotor in Deutschland, Ansaldo Ricerche LH₂-Stadtbus mit Elektro-Batterie-Hybrid-Antrieb und Membran-Brennstoffzelle in Italien, Stadtbus mit Hythane-Druckgasspeicherung in Québec, Personentransportboot mit elektrischem Membranbrennstoffzellenantrieb, Sicherheitstests von LH₂-Fahrzeug- und Transporttanks, fortgeschrittene 40 und 80 Fuß LH₂-Container-Transportsysteme mit Compositematerialien für die äußere Hülle, Emissionstests verschiedener Einblasdüsen installiert in einem Sektor einer H₂-Brennkammer für ein Airbustriebwerk, Blockheizkraftwerk mit Verbrennungsmotor, Blockheizkraftwerk mit phosphorsaurer Brennstoffzelle, Studie zu Regelwerken, Sicherheit und Akzeptanz von Wasserstoff, Studie zu sozio-ökonomischen Effekten heutiger Fahrzeug- und Flugzeugemissionen im Vergleich zu Emissionen aus Wasserstoffantrieb am Beispiel dreier städtischer Großregionen, Studienaktivitäten zu LH₂-Transportcontainern und verschiedene weitere kleinere Studienaktivitäten zur Absicherung und Bewertung des Wasserstoffeinsatzes im Energie- und Verkehrssystem. Im Rahmen des gesamten EQHHPP spielt LH₂ eine wichtige Rolle als eine der effizientesten Formen des Wasserstoff für die untersuchten Einsatzzwecke (Stadtbusse, Flugzeuge, Ferntransport).

Die wichtigsten neuen Erkenntnisse über das Verhalten von kryogenem Flüssigwasserstoff wurden im EQHHPP bisher bei den drei Stadtbusprojekten (Speichertanktechnologie, Betankungstechnik, Betriebsmanagement, Sicherheits- und Genehmigungsfragen), bei den BMW-Fahrzeugtanktests (siehe Kapitel 5.4) und bei den beiden Projekten zum fortgeschrittenen LH₂-Transportcontainer (61 m³) und zum LH₂-Modelltank (60 m³) für spätere Großtanks (mindestes 3.600 m³).

An diesem Modelltank werden unter anderem Abblaseversuche durchgeführt, welche das spätere Entleeren des Tanks nach dem Transport simulieren. Die Isolation des Tanks ist so gewählt, daß eine Transportdauer von bis zu 25 Tagen erreicht werden kann, ohne daß die Überdruckventile ansprechen. Das während des Transportes aufgrund der Verdampfung von flüssigem Wasserstoff gebildete Gaspolster und der damit verbundene Druckaufbau wird beim Entleeren als Arbeitsdruck zum Auspressen der Flüssigkeit genutzt, was den Einsatz von Spezialpumpen erübrigt. Durch das Abblasen des gasförmigen Wasserstoffgases kühlt der verbleibende Flüssigwasserstoff ab. Dieser Vorgang wird mit Wärmefühlern im Wasserstofftank verfolgt, um Aussagen über die Wärmeschichtung im Behälter und das Wärmeverhalten allgemein zu gewinnen. Weiter Meßkampagnen sollen Erkenntnisse über das Dehnverhalten und andere mechanische Größen erbringen. Mit diesen Erkenntnissen will man die erforderlichen Parameter für die Auslegung, den Bau und den Betrieb späterer Großtanks erhalten.

Im Bereich der Untersuchungen für LH₂-Flugzeugtreibswerkstechnik wurden in den Jahren 1995 und 1996 verschiedene Prüfstandstests durchgeführt. Im Rahmen der Brennkammerprüfstandsuntersuchungen des EQHHPP soll die Realisierbarkeit der H₂-Magerverbrennung und die Erreichbarkeit niedriger Stickoxidwerte experimentell nachgewiesen werden [23]. Es wurden Brennkammerkonzepte mit und ohne Vormischung der Brenngase untersucht, wobei das Konzept mit miniaturisierten Mikro-Misch-Düsen ohne eine externe Brennstoffvormischung auskommt. In diesem Konzept werden die Einblasdüsen in ihrer Größe drastisch reduziert, in ihrer Anzahl vervielfacht und damit die Mischintensität von Wasserstoff und Luft signifikant erhöht. Dieses Konzept wurde bereits auch in einem Hilfsaggregat (APU) getestet und konnte eine NO_x-Reduktion von fast 70% nachweisen im Vergleich zur konventionellen Kerosinversion [24].

Wasserstoff bietet in Triebwerkskonzepten mit Magerverbrennung besonders günstige Voraussetzungen für die stabile stickoxidminimierte Verbrennung, da er aufgrund seiner weiten Entflammbarkeitsgrenzen bei niedrigsten Brennstoff/ Luft-Verhältnissen umgesetzt werden kann, welche bei Kerosin nicht realisierbar sind. Damit sind niedrige Verbrennungstemperaturen und wegen der hohen Verbrennungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs (etwa 8 mal so hoch wie bei Kerosin) geringe Verweilzeiten der Brenngasgemische möglich, was zu einer Reduktion der Stickoxidbildung führt.

Auf der Basis der EQHHPP Testergebnisse können praktische Wasserstoffbrennkammern für niedrige NO_x-Emissionen ausgelegt werden.

4.4 World Energy Network Using Hydrogen (WE-NET) [3]:

Das japanische WE-NET Projekt befaßt sich mit der Bereitstellung von erneuerbarer Energie in Form von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff, der in flüssiger Form angeliefert werden soll. Es handelt sich um ein Projekt mit einer Laufzeit von 1993 bis 2020 und einem Gesamtbudget von 300 Mrd Yen (ca. 5 Mrd DM). Es ist Bestandteil des übergeordneten New Sunshine Project mit einem Volumen von 1.550 Mrd Yen. Das WE-NET Projekt deckt verschiedenste Schritte ab, von der Komponentenentwicklung über Pilot- und Demonstrationsaktivitäten bis zur weltweiten Popularisierung und Kommerzialisierung.

Die erste Phase des WE-NET von 1993-1997 legt die Schwerpunkte auf die Entwicklung einer effizienten Gasturbine, einer effizienten Membranelektrolyse, eine großmaßstäblichen Verflüssigungsanlage, eines LH₂-Tankschiffes, eines Speichertankkonzepts, von Metallhydriden und verschiedenen Materialien für tiefste und höchste Temperaturen. Die Budgets für 1994 und 1995 lagen bei 0,9 Mrd Yen und 2,7 Mrd Yen.

Das WE-NET untersucht prinzipiell verschiedene Wasserstoff-ferntransportmöglichkeiten (LH₂, Methanol, Zyklohexan, Ammoniak), wobei das Schwergewicht der Untersuchungen und die erste Priorität auf LH₂ liegt.

4.5 Geplante Bayern-Québec Kooperation

Zwischen der Regierung der kanadischen Provinz Québec und der bayerischen Staatsregierung laufen Diskussionen über gemeinsame Vorhaben im Bereich 'Wasserstoff' (nicht nur mit Flüssigwasserstoffbezug).

Vorhaben, welche für eine Kooperation als geeignet erscheinen zählen u.a.:

- Tests und Modellierungen von Flammenausbreitungsphänomenen bei der Wasserstoffverbrennung

- Charakterisierung von Hythane

- Entwicklung fortgeschrittener Metallhydridtanksysteme

- containerisierter Flüssigwasserstofftransport über transozeanische Entfernungen in fortgeschrittenen Containersystemen

- Entwicklung, Bau und Erprobung eines Demonstrationsflugzeugprototyps auf Basis eines Do 328 Regionalflugzeuges mit Strahlturbinen

 

4.6 LH₂-Transport mit dem Flugzeug (CDS Research)

CDS in British Columbia schlägt vor, LH₂ über große Entfernungen von 5.000 km - 10.000 km mittels Flugzeugen zu transportieren. Da vielerorts Wasserkraftkapazitäten weit von den Verbrauchszentren entfernt liegen (z.B. Manitoba in Kanada, Brasilien, Alaska, Zaire, Indonesien) und Umwelteinflüsse vom Leitungsbau ausgeschlossen werden sollen, wird der Transport von LH₂ als eine sinnvolle Lösung diskutiert.

Das Konzept für den Einsatz von Kryotreibstoffen - LNG als kurzfristiger Ansatz und LH₂ als langfristige Alternative - sieht ein integriertes System für den Transport und die Anlieferung vor:

- Kompatibilität mit Bodenbetankungseinrichtungen

- Management des Boil-offs während regulärer und außergewöhnlicher Flugzustände (z.B. Nutzung des Biol-off-Gases mittels Brennstoffzellen zur Bordstromversorgung)

- Treibstoffversorgungssystem für reguläre und außergewöhnliche Betriebsbedingungen

- Redundanz in der Treibstoffanlieferung

- Leichtgewichtsspeichersysteme an Bord des Flugzeugs

- gleiche Umschlagszeiten für LH₂-Flugzeug wie für konventionelles Kersosinflugzeug

- fortgeschrittenes Gefahrdetektions- und -handhabungssystem sowie intelligente Kontroll- und Instrumentierungsysteme

- vollständige Bodeninfrastruktureinrichtungen

CDS ist auch für die NEDO im Rahmen des WE-NET Programms aktiv und hat diese Transportoption dort auch eingebracht.

4.7 Cryoplane Regionalflugzeugkonzept

Im Rahmen des Cryoplane-Programmes von DASA Airbus, Dornier, Tupolev und vielen weiteren Partnern wird gegenwärtig die Umrüstung eines DO 328 Regionalflugzeuges auf LH₂ geplant. Bis zum Jahr 2000 soll das Flugzeug auf LH₂-Speicherung und Versorgung (Kosten ca. 60 Mio DM) sowie ein Triebwerk auf LH₂-Betrieb (Kosten ca. 40 Mio DM) umgerüstet werden. Da die künftige DO 328 Version anstatt mit Turboprop- mit Strahltriebwerken von Pratt & Whitney Canada oder von Allied Signal Aerospace ausgestattet werden wird, ist auch die Modifizierung dieses Triebwerkstyps auf LH₂-Betrieb vorgesehen. Messer Griesheim soll das kryogene LH₂-Betankungssystem entwickeln und liefern. Verschiedene Integrationsmöglichkeiten der Flüssigwasserstofftanks - als Gondeln unter den Flügeln oder als integrierter Tanks über der Passagierkabine - wurden untersucht.

Es ist geplant, diesen Demonstrator im Jahr 2000 anläßlich der EXPO 2000 in der BRD im Demonstrationsbetrieb, vermutlich zwischen Hannover und München, zu erproben. Nach erfolgreichem Demonstrationsbetrieb, in dessen Verlauf die Funktionsfähigkeit des Triebwerks, die LH₂-Speicherung an Bord und die LH₂-Handhabung und Betankung am Boden erprobt werden sollen, will man eine Serienversion entwickeln und vermarkten. Erste Gespräche mit europäischen und nordamerikanischen Airlines haben bereits stattgefunden.

4.8 Anwendungsprojekte

Verbrennungsmotorischer Niederflurstadtbus:

Weiterentwicklung des MAN NL 202 zu einem Niederflurstadtbus mit verbessertem verbrennungsmotorischem Antriebskonzept mit 6-Zylindermotor von ca. 170 kW. Wasserstoffspeicherung in Compositmaterialdrucktanks bei 25 MPa für eine Reichweite von ca. 150-200 km. Realisierung bis 1998/99.

Verbrennungsmotorischer Niederflurmidistadtbus:

Hydrogen Systems in Belgien entwickelt auf der Basis eines Van Hool A 308 Midiniederflurstadbusses von 10 m Länge einen Wasserstoffbus mit einem 7,4 l Motor V 8-Zylindermotor mit einer Leistung von ca. 120 kW.

Verbrennungsmotorische Transporter:

Umrüstung von MB-Transportern vom Typ Sprinter auf Wasserstoffbetrieb. Modifikation des 4-Zylinder Motors auf monovalenten Betrieb bei einer Leistung von ca. 80 kW durch eine US-Firma und Abnahme durch einen deutschen TÜV. Die Reichweite mit Druckwasserstoffstahltanks liegt bei ca. 100 km.

PEM-Brennstoffzelleniederflurstadtbus:

Entwicklung, Bau und Demonstrationsbetrieb eines 12 m MAN NL 222 Niederflurbusses mit einem 120 kW_e Siemens PEM-Brennstoffzellenantriebssystem und Linde/MAN Compositmaterialdrucktanks für eine Wasserstoffspeicherung bei 25 MPa. Reichweite ca. 300 km. Realisierung bis Ende 1999, dann Demonstration.

PEM-Brennstoffzelleniederflurstadtbus:

Bau und Demonstration eines Daimler-Benz Niederflurstandardlinienbus mit 12 m Länge und einem PEM-Brennstoffzellenantrieb von Ballard/ Daimler-Benz mit 8 Stacks von je ca. 30 kW_e Bruttoleistung (ca. 200 kW_e Nettoleistung). Druckwasserstoffspeicherung unter 30 MPa.

Dezentrale PEM-Brennstoffzellen-BHKWs:

Verschiedene Firmen (Ballard Power Systems, De Nora, H-Power, Siemens) entwickeln stationäre PEM-BHKW-Module von 5 kW_e, 10 kW_e, 50 kW_e bis zu 250 kW_e. Davon werden einige für direkte Wasserstoffnutzung (in der chemischen Industrie), die anderen für Nutzung reformierten Erdgases (EVUs, Hausversorgung) ausgelegt. Erste Demonstrationsprojekte beginnen im Jahre 1997 auch in Deutschland (z.B. Bayern, Berlin) und sollen bis zum Jahre 2000 zu kommerziellen Produkten führen.

Umrüstung des Münchner Flughafen-Vorfeldverkehrs auf Wasserstoff:

In einem Zeitraum von etwa drei Jahren sollen auf dem Münchner Flughafen Flughafenvorfeldbusse auf Betrieb mit Druckwasserstoff umgestellt werden. Ebenso soll ein LH₂-BMW als Fahrzeug der BMW-Fahrbereitschaft zum Einsatz kommen. Der Flüssigwasserstoff soll in containerisierter Form bzw. in LKW-Trailern aus Ingolstadt angeliefert werden und für die Betankung des BMW sowie nach seiner Verdampfung auch für die Busse genutzt werden. Außerdem soll zeitversetzt eine GHW-Hochleistungselektrolyse zum Einsatz kommen, um den Druckwasserstoff für die Vorfeldbusse bereitzustellen. Dieser CGH₂ soll in Hochdruckspeichern zwischengespeichert werden.

Shuttlebusanbindung des Neuen Münchner Messegeländes an den Flughafen:

Im Rahmen der Demonstrationsvorhabens des MAN LH₂-Stadtbusses, welcher mit Mitteln der EU im EQHHPP und des Bayerischen Umweltministeriums in Erlangen und München einen über zweijährigen Demonstrationsbetrieb absolviert, soll auch das neue Messegelände mit dem Flughafen verbunden werden. Es ist vorstellbar, daß aufbauend auf dieser Erfahrung sowie unter Nutzung der H₂-Infrastruktur auf dem Münchner Flughafen in den Folgejahren weitere, technisch verbesserte Wasserstoffbusse für den Shuttlebetrieb zum Einsatz gebracht werden.

5. LH₂-typische Fragestellungen und erforderliche Ver-besserungsmaßnahmen

5.1 Prozeßwirkungsgrade (z.B. Wasserstofferzeugung und Verflüssigung):

Wasserstoff kann über verschiedene Prozesse aus verschiedensten Primärenergiequellen gewonnen werden, wobei unterschiedliche Erzeugungswirkungsgrade und spezifische Emissionen erzielt werden können. So kann Wasserstoff aus Biomasse in dezentralen und zentralen Anlagen mit einem Wirkungsgrad von 84% (bezogen auf den unteren Heizwert H_u) erzeugt werden. Dampfreformierung von Erdgas erreicht 81%_Hu. Elektrolytischer Wasserstoff kann mit Wirkungsgraden von 70%_Hu - 75%_Hu erzeugt werden. Ähnlich liegt partielle Oxidation von schweren Kohlenwasserstoffen mit 70%_Hu, wohingegen partielle Oxidation von Kohle mit 55%_Hu deutlich schlechter abschneidet. Der Kværner Plasmabogenprozeß liefert Wasserstoff und Reinstkohle bei fast vollständiger Umsetzung (99% bzgl. H_u) von Erdgas und Elektrizität [8].

Fortgeschrittene Verflüssigungsprozesse mit und ohne ortho-para-Konvertierung erreichen Wirkungsgrade von 70% (Auslegung EQHHPP Phase II 43 t LH₂/d: 1,1 kWh_e/ l_LH2 » 53,4%, Linde Ingolstadt 4,4 t LH₂/d: 1,05 kWh_e/ l_LH2 » 55,6%, NHEG: 0,94 kWh_e/ l_LH2 » 60,2%) [9]. Deutliche Wirkungsgradverbesserungen auf bis über 80% scheinen nur mit dem Einsatz der Magnetokalorischen Refrigeration denkbar. In den USA und Kanada wird intensiv an diesen Konzepten gearbeitet.

5.2 Isolationskonzepte und Speicherverluste (z.B. mobile Speichersysteme):

Wegen der tiefen Temperaturen von flüssigem Wasserstoff (ca. 20K oder -253°C) muß dieser in sehr gut isolierten Speichern aufbewahrt werden. Die erreichbaren Retentionszeiten für das flüssige Produkt im Speicher hängen von verschiedenen Auslegungsparametern ab, wie z.B. Art und Güte der Isolation, zulässiger Betriebsdruck, Geometrie (Oberflächen-/ Volumen-Verhältnis) und Verwendungsart des Speichers. (stationär oder mobil). So können bei stationären Großspeichern von ca. 300 m³ Produktinhalt Abdampfraten von 0,1%/d erzielt werden. Der stationäre Speichertank der SWB in Neunburg vorm Wald hat 3 m³ geometrisches Volumen und eine Verdampfungsrate von nicht mehr als 0,8% bei einem Arbeitsdruck von 0 - 0,4 MPa und Arbeitstemperaturen von 20 K - 27 K.

Vakuumsuperisolierte Speicher für den Fahrzeugeinsatz mit einem Volumen von 70 - 130 l und mit einem zulässigen Betriebsdruck von 0,3 - 0,5 MPa können heute Evaporationsraten von 1,3%/d - 2%/d einhalten und LH₂ für bis zu 10 Tagen halten, ohne daß gasförmiger Wasserstoff abgeblasen werden muß. Für im Flottenbetrieb einzusetzende Fahrzeuge scheinen die Werte an der oberen Grenze ausreichend.

Mobile Großspeicher wie sie für den maritimen Transport von LH₂ im Rahmen des Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project in der Phase II ausgelegt wurden, erreichen mit einer Pulverisolation mittlere Wärmeleitfähigkeiten von 0,0015 W/(mK) und Evaporationsraten von 0,1%/d. Wird bei einem solchen Speichertank die äußere Hülle beschädigt, so steigt die Wärmeleitfähigkeit nach Simulationen um einen Faktor 35 auf etwa 0,053 W/(mK) an, wohingegen er bei einer Beschädigung der inneren Tankhülle um einen Faktor 147 auf etwa 0,22 W/(mK) ansteigen würde.

Pulverisolationen scheinen auch für einige LNG-Anwendungsfälle eine echte Alternative zu den normalerweise genutzten mehrlagigen Vakuumsuperisolationen (MLVSI) darzustellen. Die Hauptargumente für ihren Einsatz sind die geringen Tankherstellungskosten, das gut vorhersagbare thermische Verhalten und die inhärente Betriebssicherheit. Es gibt bei diesem Konzept noch Raum für thermische Verbesserungen der pulverartigen Isolationsmaterialien durch Verminderung des Strahlungsanteils an der gesamten Wärmeleitung. Diese Potentiale und transiente Schilde lassen sie als Kandidaten für LNG-Personenfahrzeuge mit Standzeiten von mehr als einer Woche geeignet erscheinen.

Hinsichtlich ihres Einsatzes in LH₂-Tanks scheinen strahlungsoptimierte Pulver- oder Faserisolationen mit einer Wärmeleitung herunter bis zu 0,2 mW (mK)^-1 erfolgversprechend. Vermutlich könnte ihr Einsatz bei sehr kurzen Haltezeiten von 12 bis max. 24 h wie sie beim Flugzeug vorkommen, ein mögliches Einsatzgebiete sein. Haltezeiten von 16 h in selbsttragender Fasermaterialkonstruktion von abgeflachter Form mit dennoch hohem Vakuum und ausreichend hoher Tanksicherheit scheinen künftig realisierbar. Um die Eignung solchermaßen verbesserter Pulver- oder Faserisolationskonzepte für LH₂-Tanks sicher abzuklären, ist noch weiterer Forschungsaufwand erforderlich [20].

5.3 Umfüllverfahren, Verminderung der Transferverluste und verbesserte Prozeßführung:

Im Rahmen der Betankungsversuche bei der Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH (SWB) in Neunburg vorm Wald wurden in den letzten vier Jahren die einzelnen Betankungsschritte optimiert und die Wasserstoffverluste drastisch reduziert. Die wesentlichen Parameter, die in diesen Optimierungsanstrengungen schrittweise verbessert wurden, waren die LH₂-Siedetemperatur und der Differenzdruck zwischen Standtank und Transferleitung respektive Fahrzeugtank, wobei auch die Materialwahl für Tankhüllen und Transferleitungen sowie die Auslegungsdaten der Fahrzeugtanks (Isolationsgrad, Betriebsdruck, erforderliche Standzeit) von erheblicher Bedeutung waren. Es stellte sich z.B. heraus, daß die Transferleitungen wesentlich schneller (ca. 1 Minute) abgekühlt werden, wenn diese anstatt mit kaltem GH₂ direkt mit LH₂ unter Ausnutzung dessen Verdampfungswärme abgekühlt werden. In diesem Fall sind die Abgasverluste dann deutlich niedriger.

Die Betankungsdauer konnte für einen 130 l Tank von anfänglich fast 60 Minuten auf etwas unter 20 Minuten reduziert werden, wobei für den eigentlichen Treibstofftransfer nicht mehr als 3-4 Minuten benötigt werden. Die restliche Zeit wird für das Abkühlen und Anwärmen der Kupplung und der Transferleitung sowie für das Evakuieren und Spülen des Leitungssystems mit Helium und GH₂ benötigt.

Die Befüllrate kann nochmals deutlich gesteigert werden sofern mit interkühltem LH₂ gearbeitet, damit die Siedetemperatur im Standtank von 26 K auf 24 K abgesenkt wird und die Druckdifferenz zwischen Standtank und Fahrzeugtank auf unter 0,1 MPa reduziert wird. Unterkühltes LH₂ verdampft wegen des Druckabfalls in der Leitung nicht sofort und nimmt am Anfang des Befüllvorgangs Restwärme von den Leitungswänden auf so lange, bis im Fahrzeugtank die LH₂-Siedetemperatur erreicht ist. Die Verdampfungsverluste konnten so von früher 30% der Fahrzeugtankfüllmenge auf etwa 5% abgesenkt werden. Eine optimale Regelung würde den Fahrzeugtankdruck abhängig von der Tanktemperatur möglichst nahe am LH₂-Siedekurvenverlauf ausrichten [7].

Um eine weitere Absenkung der Betankungszeiten auf unter 10 Minuten zu erreichen, mußten Verbesserungen an den Kupplungen und dem Leitungssystem vorgenommen werden. In der Phase II der SWB sowie in den Demonstrationsaktivitäten der Phase III.0-3 des EQHHPP werden verbesserte kaltziehbare Kryokupplungen von Linde und Messer-Griesheim erprobt, die sofort nach Beendigung der Tankbefüllung abgekuppelt werden können. Sie können auch in kroygenem Zustand wieder für den nächsten Befüllvorgang angekuppelt werden, ohne daß Luft in den Fahrzeugtank eintreten kann. Mit diesen kaltziehbaren Kupplungen können bei Busbetankungen LH₂-Mengen von ca. 600 l in etwa 15 Minuten übertragen werden. Die fortgeschrittenste Version dieser Kupplung kommt bereits mit einem einäugigen Rohrquerschnitt ohne Pendelleitung aus, was das gesamte Kupplungskonzept nochmals deutlich vereinfacht und die gesamte Betankungsdauer auf unter 3 Minuten reduziert. Dieselbe Kupplung kann auch für die LNG-Betankung eingesetzt werden.

Langfristig sollte der Überdruck für den unterkühlten LH₂ durch im Tank installierte Pumpen erzeugt werden, was es erübrigen würde, regelmäßig mit GH₂ diesen Druckaufbau zu bewerkstelligen (GH₂ kondensiert an der Flüssigkeitsgrenzschicht) und somit einen unerwünschten Wärmeeintrag verhindern würde. Ferner sollte der LH₂ bereits auf etwa 20 K unterkühlt angeliefert werden, um lange Standzeiten im stationären Speicherbehälter zu gewährleisten und die Befüllung mit unterkühltem LH₂ zu ermöglichen.

Über den gesamten Betankungsvorgang sollten insgesamt folgende Parameteroptimierungen durchgeführt werden:

- Minimierung der Wärmekapazität aller mit LH₂ in Kontakt kommenden Komponenten durch Reduzierung ihrer Masse (Länge, Materialstärke) und Verwendung von Materialien geringer spezifischer Wärmekapazität

- Minimierung der Körperleitung in Ventilen und Verbindungselementen durch Wahl von Materialien mit hohem Wärmeleitungswiderstand und optimierter Geometrie

- Minimierung des Wärmetransports durch Braun'sche Molekularbewegung und Strahlungseintrag mittels Vakuum-Superisolation aller LH₂-führenden Komponenten

- Reduzierung von Reibungswärmeverlusten durch Entschärfung von Reibungsverlusten an Rohrleitungswänden, scharfkantigen Übergängen, Ventilen und gewellten Rohren

- Minimierung der Längen von Transferleitungen zwischen Befüllstation und Fahrzeugtank

- Minimierung turbulenter Strömungen durch ausreichend große Rohrquerschnitte, durch möglichst glatte Flächen und durch möglichst wenige Querschnittseinschränkungen

- Vermeidung des Abfalls des statischen Drucks bei Durchflußbeschleunigungen an Querschnittseinschränkungen und Rohrkrümmungen

 

5.4 Sicherheitskonzepte:

Wasserstoff ist wie Erdgas unter Normalbedingungen gasförmig. Beide Gase sind ab einer vergleichbaren Mischungsrate in Luft von etwa 4% (H₂) respektive 5,3% (CH₄) explosibel, wobei die Zündenergie bei Wasserstoff-Luft-Mischungen mit 0,02 mJ um ca. eineinhalb Größenordnungen niedriger ist als bei Erdgas-Luft-Gemischen mit 0,29 mJ, was jedoch im praktischen Einsatz ohne Bedeutung ist. Es ist also in beiden Fällen wesentlich wichtiger, das geeignete Sicherheitskonzept zu entwickeln [10]. Sowohl bei stationären als auch bei mobilen Wasserstofftanks ist es unerläßlich, Undichtigkeiten zu vermeiden. Die Systemkomponenten müssen also absolut dicht ausgelegt sein und über ihre ganzen Lebensdauer und unter den definierten Umgebungsbedingungen zuverlässig funktionieren. Ferner empfiehlt es sich, die Zahl der potentiell möglichen Leckstellen, wie Rohrverbindungen, Evakuierungsventile, Abblasventile und sonstige Komponentenverbindungen so klein wie möglich zu halten. Von dem System evtl. abzugebende aus der Flüssigphase verdampfte Wasserstoffmengen müssen über definierte Wege so sicher wie möglich an die freie Umgebungsluft abgegeben werden können.

Methodische Fehleranalysen (z.B. Fehlerbaumanalyse FTA) können dabei helfen, erforderliche Änderungen und Verbesserungen an den Systementwürfen zu identifizieren. Die wasserstofführenden oder -speichernden Komponenten müssen so angeordnet werden, daß sie entweder soweit wie möglich außerhalb der Gefahrenzonen zu liegen kommen bzw. vor Unfalleinwirkungen weitestgehend geschützt sind oder so installiert werden, daß im Falle einer Unfalleinwirkung das Abbrechen oder die Lockerung wasserstofführender Leitungen oder Komponenten vermieden wird oder die Wahrscheinlichkeit so gering wie möglichen gehalten wird (z.B. durch flexible Tankanschlüsse und Tankfülleranschlüsse in Fahrzeugen bzw. in Betankungseinrichtungen). Sollten dennoch Defekte auftreten, die zur Freisetzung von Wasserstoff führen können, so muß dieses Wasserstoffgas durch ein Sensorsystem entdeckt werden können (z.B. Messung von Druckverlusten, Messung von Verlusten der Isolationswirkung von LH₂-Speichern, Indentifizierung von freigesetztem Gas). Diese Maßnahmen sollen genügend Zeit für evtl. Gegenmaßnahmen verfügbar machen.

Für den Fall kryogener Flüssigwasserstoffspeicherung in Fahrzeugtanks führte BMW an unterschiedlich präparierten Kraftstofftanks für LNG und LH₂ (unterschiedliche Materialien und Wandstärken des Innenbehälters, Vakuumverlust im Isolationsspalt, Versagen der Sicherheitsventile) umfangreiche Versuchsreihen mit Auftreffen stumpfer oder spitzer Gegenstände, mit exzessivem Innendruck und mit Feuereinwirkung von außen durch. Die gesammelten Resultate sollten zu Erkenntnissen führen, welche Konsequenzen ein Tankversagen haben würde, welche Parameter die Tankzerstörung beeinflussen und damit berücksichtigt werden müssen bzw. wie ihre Auswirkungen bewertet werden müssen [11] [13]. Folgende Ergebnisse werden berichtet:

- Kryokraftstofftanks mit Stahl- oder Aluminium-Innenbehältern und Stahlaußenbehältern erfüllen bereits heute die gestellten Sicherheitsanforderungen

- zusätzliche Sollbruchstellen in Stahl-, Al- oder Faserverbundtanks könnten das Tankversagen bei annormal hohem Innenbehälterdruck über das bereits heute redundante Sicherheitsverhalten hinaus verbessern (Neben der gespeicherten Energiemenge im Tank ist der Speicherdruck einer der wichtigsten Parameter. Ein reduzierter Betriebsdruck im Innentank und exakt festgelegte Sollbruchstellen können zu Vermeidung exzessiver Innentankdrücke und damit zu vermindertem Druckwellenaufbau und reduzierter Schadenswirkung führen)

- mit den in der Testpraxis erzielten Ergebnissen können in Zukuft weitere Untersuchungen zu Ausbreitungsmodellen für entweichende kryogene Gase in geschlossenen Räumen angestellt werden.

Insbesondere soll geklärt werden, welche Mechanismen zur Beschädigung der doppelwandigen, superisolierten Tankhülle führen können und wie diese z.B. durch geeignete Materialwahl vermieden oder in ihrer Wirkung vermindert bzw. lokal begrenzt werden können (stabiles Tankdesign, Zähigkeit des Materials, Rißbegrenzung, genau vordefinierte Versagensstellen etc.). Im Falle eines Druckaufbaus durch Versagen der Isolation oder durch Feuereinwirkung von außen muß sichergestellt sein, daß die Sicherheitsventile für einen ausreichenden Durchfluß ausgelegt sind. Ferner muß ein Konzept entwickelt werden, wie größere Wasserstoffgasmengen sicher freigesetzt und abgeführt werden können. Die bisher für austenitischen Edelstahl und Aluminiumlegierungen durchgeführten Testserien müssen entsprechend für leichtere Tankmaterialien und Kombinationen (z.B. Kompositmaterialien mit Kohlefasern) solcher Materialien durchgeführt werden.

5.5 Defizite:

Die wichtigsten Hinderungsgründe für einen weitergehenderen Einsatz von LH₂ sind seine energieaufwendige und damit kostenintensive Herstellung sowie die wegen seiner tiefen Temperatur aufwendige Handhabung. Neben der Suche nach effizienteren und kostengünstigeren Herstellungsverfahren ist es wichtig, Handhabung, Speicherung und Einsatz auf hohem Sicherheitsniveau von LH₂ zu vereinfachen, zu verbilligen und zu verbessern. Eines der wichtigsten Entwicklungsziele muß sein, die Transferverluste bei der Handhabung von LH₂ drastisch gegen Null zu reduzieren sowie die Speicherverluste (bessere und kostengünstige Isolationskonzepte) zu minimieren [12].

Für die effiziente Förderung von LH₂ ist es außerdem unerläßlich, leistungsfähige und langlebige Kryo-Pumpensysteme verschiedener Förderleistung und für verschiedene Druckniveaus verfügbar zu machen. Existierende Pumpensysteme kommen meist aus der Raumfahrt und sind nicht für den täglichen terrestrischen Einsatz geeignet. Bereits existierende Prototypen von Fahrzeugbetankungseinrichtungen werden momentan in die Erprobung überführt. Eine Weiterentwicklung, Verbesserung und Vereinfachung dieser Systeme ist für einen späteren kommerziellen Flottenbetrieb erforderlich. Auslegung der Sicherheitsventile auf Kryotemperaturen des LH₂, um sicheres Funktionieren auch bei längerer Benutzung sicherzustellen. Ähnliches gilt für alle lösbaren Verbindungen, wie z.B. Tankkupplungen und Rohrleitungen, die häufig und regelmäßig hergestellt und gelöst werden.

6. Ausblick und Einordnung in internationale Entwicklungs-tendenzen

Neben den USA, Frankreich und Rußland verfügt die BRD über ein breites Know how in der kryogenen Wasserstofftechnik. Japan, dessen Energiewirtschaft bereits heute zu etwa _ auf importiertem Flüssigerdgas basiert und dieses zunehmend auch für den Einsatz in Fahrzeugen nutzen will [21], ist dabei, diesen Vorsprung im Rahmen des WE-NET innerhalb der nächsten Jahre (1996-2020) mit großen Anstrengungen (3 Mrd. US$) aufzuholen.

Obwohl in der industriellen und verkehrstechnischen Anwendung Wasserstoff zuerst einmal gasförmig benötigt wird bzw. eingesetzt werden kann, mag es erforderlich werden, Wasserstoff in flüssiger Form zu transportieren. Diese Notwendigkeit ist dann gegeben, wenn wie in den USA H₂ über durchschnittliche Distanzen von 1.000 km transportiert werden muß, wenn H₂ einmal über transozeanische Strecken befördert werden muß und Pipelines nicht realisierbar oder zu teuer sind, wenn über größere Distanzen nur begrenzte Mengen H₂ transportiert werden müssen, die den Bau von Pipelines noch nicht rechtfertigen oder wenn H₂ unbedingt in flüssiger Form benötigt wird. Wenn H₂ langfristig seinen Weg in den Verkehrssektor (Flugzeuge, Eisenbahn, Schiffahrt, Landfahrzeuge) finden soll, dann ist wegen der erforderlichen Reichweiten (LKW, Bahn) oder der Massebeschränkungen (Luftfahrt) absehbar, daß dies in flüssiger Form als LH₂ erfolgen muß.

In abgeschwächter Form gelten diese Überlegungen analog für den zur Zeit weltweit verstärkt anlaufenden Erdgaseinsatz im Verkehrssektor. Erkenntnisse, die im Bereich der Flüssigerdgashandhabung und der behördlichen Zulassung gewonnen werden, lassen sich zumindest teilweise auf den späteren LH₂-Einsatz übertragen.

7. Literatur

[1] The 100 MW Euro-Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Project, J. Gretz, J. Baselt, O. Ullmann, H. Wendt - International Journal of Hydrogen Energy, Vol.15, No.6, pp. 419-424, 1990

[2] The Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project [EQHHPP]: Demonstration Phase, B. Drolet, J. Gretz, D. Kluyskens, F. Sandmann, R. Wurster, paper published at the 10^th World Hydrogen Energy Conference, Cocoa Beach, Florida, U.S.A., June 20-24, 1994

[3] AIST-MITI, Comprehensive Approach to the New Sunshine Program which Supports the 21st Century, in Sunshine Journal, No. 4, 1993.

[4] Ad-hoc-Auschuß beim BMFT, Solare Wasserstoffwirtschaft, Bonn, 1988

[5] Der Einfluß von Wasserdampf auf das Klima, W. Zittel und M. Altmann, Energie, Jahrg. 45, Nr. 4, April 1994

[6] Molekularer Wasserstoff in der Atmosphäre, W. Zittel, Studie der LBST im Auftrag der BMW AG, München, Dezember 1990

[7] Flüssiger Wasserstoff fürs Automobil, A. Szyszka u. J. Tachtler, Energie, Jahrg. 44, Nr. 12, Dezember 1992

[8] Hydrogen Energy, R. Wurster and W. Zittel, paper prepared for the workshop on "Energy technologies to reduce CO₂ emissions in Europe: prospects, competition, synergy" at Energieonderzoek Centrum Nederland ECN, Petten, April 11-12, 1994

[9] Norwegian Hydro Energy in Germany (NHEG) - Final Report, Study on behalf of the "Bundesministerium für Forschung und Technologie" Germany, the Commission of the European Communities, "Det kongelige olje- og energidepartement" Norway, Norsk Hydro a.s and Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, by the Norwegian-German Partnership (Norsk Hydro a.s - K. Andreassen, N. Henriksen, A. Oyvann and Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH - U. Bünger, O. Ullmann), 15.05.1992

[10] Safe handling of large quantities of liquid hydrogen, U. Schmidtchen, Th. Gradt, G. Würsig, Cryogenics 1993 Vol 33, N° 8, pp. 813

[11] Aspects of Safety and Acceptance of LH₂ Tank Systems in Passenger Cars, K. Pehr, Proceedings of the 10th World Hydrogen Energy Conference, Cocoa Beach, June 1994

[12] Requirements for Advanced Mobile Storage Systems, R. Ewald, Proceedings of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Stuttgart, June 1996, Vol. 2, pp. 1029

[13] Experimental Examinations on the Worst Case Behaviour of LH₂/LNG Tanks for Passenger Cars, K. Pehr, Proceedings of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Stuttgart, June 1996, Vol. 3, pp. 2169

[14] Handling of Liquid Hydrogen at Filling Stations, F.-J. Wetzel, Proceedings of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Stuttgart, June 1996, Vol. 2, pp. 1123

[15] Refueling equipment for liquid hydrogen vehicles, W. Hettinger, F. Michel, P. Ott, F. Theißen, Proceedings of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Stuttgart, June 1996, Vol. 2, pp. 1135

[16] H₂-Stadtbus-Projekte als Beispiele für diverse EU-Projekte, R. Wurster, VDI/ GET-Tagung "Wasserstoff-Energietechnik IV", München, 17./18. Oktober 1995

[17] Feasibility Study on Fuel Cell Propulsion for Urban City Buses and Delivery Vehicles, publication by M. Altmann and R. Wurster, LBST, together with DASA, ESTW, Linde, MAN, Magnet-Motor, Neoplan, Siemens and SWB at the occasion of the 11^th World Hydrogen Energy Conference, Hydrogen Energy Progress XI, Proceedings of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Stuttgart, Germany, 23-28 June 1996, Eds. T.N. Veziroglu, C.-J. Winter, J.P. Baselt, G. Kreysa, organized by DECHEMA, printed by Schön & Wetzel GmbH, Frankfurt, Germany, Vol. 2 pp. 1707

[18] Fortschrittliche Antriebskonzepte für Stadtbusse und Verteilerfahrzeuge mit niedrigsten Emissionen; Stufe I, Dr. P. Niebauer, J. Schindler, V. Schurig, R. Wurster, LBST, in Verkehr und Technik 1996, Heft 9 - pp. 437 und Heft 10 - pp. 485

[19] Gasturbinenantrieb für Flüssig-Wasserstoff-Tankschiffe, G.-M. Würsig, Germanischer Lloyd, in Schiff & Hafen, März 1994

[20] Development Potentials for Small Mobile Storage Tanks with Vacuum Powder Insulations, U. Bünger and G. Owren, Proceedings of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Stuttgart, June 1996, Vol. 2, pp. 1043

[21] Japan: Government Spports Efforts to Get LNG Vehicles on the Road by 1998, LNG Express, August 1996

[22] Rückblick auf Pressekonferenz "Wasserstoff als Energieträger" und BAM-Pressemitteilung 12/96 vom 04.09.1996, DWV Deutscher Wasserstoff-Verband, Internet Homepage des DWV

[23] Low-NO_x Combustors for Hydrogen fueled Aero Engine, J. Ziemann et al., Hydrogen Energy Progress XI, Stuttgart, 1996

[24] Engine Control and Low-NO_x Combustion for Hydrogen fueled Aircraft Gas Turbines, G. Dahl and F. Suttrop, Hydrogen Energy Progress XI, Stuttgart, 1996 und persönliche Kommunikation Prof. Dahl, FH Aachen, vom 17.01.97

8. Bildanhang

Bild 1: Robottankstelle - prinzipiell auch für die kryogenen Treibstoffe LNG und LH₂ geeignet

Bild 2: Kryogener LH₂-Tank von Messer Griesheim entwickelt für Van Hool A 308 Midibus

Bild 3: Konzept eines 40 Fuß LH₂-Transportcontainers mit äußerer Kompositmaterialhülle [Hydro-Québec, H2T]

Bild 4: LNG-/LH₂-Technologie für abgasfreie LNG-Betankung - Schema [Linde AG]

Bild 5: LNG-/LH₂-Technologie für koaxiale Kupplung - Übersicht [Linde AG]

Bild 6: Vakuumdruckregelsystem für LH₂-Tank [Messer Griesheim]

Bild 7: Einfluß der Vakuumdruckregelung auf den Wärmedurchgang [Messer Griesheim]