"Unser Ziel ist höhere Sicherheit bei weniger Gewicht"

Im Projekt Delfin sollen 10 % günstigere und 15 % leichtere Wasserstoff-Druckspeicher entwickeln werden. Wie die Behälter trotz Materialeinsparungen allen Sicherheitsanforderungen genügen, erläutert Georg Mair.

×

Springer Professional: Mit welchen Ansätzen wollen Sie Kosten und Gewicht von Wasserstoff-Druckbehältern einsparen?

Georg Mair: Die Kostenreduktion basiert insbesondere auf Materialeinsparungen beim Composite-Verbund. Dies soll durch die Verwendung leistungsfähiger Materialien, insbesondere durch die Entwicklung und den Einsatz hochfester Carbonfasern umgesetzt werden. Ebenso soll durch die Entwicklung eines optimierten Laminataufbaus der Materialeinsatz bei gleichbleibender Performance reduziert werden. Wesentlich ist dafür ein effizienter Wickelprozess und ein optimiertes Design, beispielsweise durch die Integration von Polkappenverstärkungen in den Laminataufbau.

Welche Aufgaben übernimmt die BAM in dem Projekt?

Das Konsortium besteht aus den Projektpartner Ford, BMW und NuCellSys sowie den Zulieferern NPROXX Jülich, Elkamet, Tejin Carbon, dem Ingenieurdienstleister ISATEC und von öffentlicher Seite der BAM und IKV. Damit bildet es die gesamte Wertschöpfungskette des Druckbehälters ab: Von der Herstellung der Einzelkomponenten, deren Zusammenbau bis hin zum Einsatz im brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug. Die BAM als beteiligte Forschungseinrichtung unterstützt das Vorhaben mit Materialverständnis, Prozesswissen und Prüferfahrung. Die Sicherheit rund um Wasserstoff ist ein Schwerpunkt an der BAM. Hierzu haben wir das Kompetenzzentrum H2Safety@BAM aufgebaut.

Welche Sicherheitsanforderungen muss ein Druckbehälter erfüllen?

Druckbehälter vom Typ IV werden auf eine maximale Lebensdauer von 15 Jahren ausgelegt, in der sie 11.000 Innendruckwechsel durch Befüllen und Entladen standhalten sollten. Neben der Berstprüfung mit einem Anstieg des Innendrucks bis zum Behälterversagen und der Lebensdauerprüfung bei schwellendem Innendruckbelastungen bis 22.000 Zyklen müssen die Behälter ein umfassendes Prüfprogramm erfolgreich bestehen. Dazu zählen zwei aufwendige hydraulische und pneumatische Versuchsreihen mit kombinierten Belastungsregimen, die an einem Behälter durchgeführt werden müssen. Die hydraulische Belastungsprüfung sieht neben unterschiedlichen Fallprüfungen, zum Beispiel Impactbelastungen bei Innendruck, auch Oberflächenschädigungen, Säurebelastungsprüfungen, kombinierte Innendruckversuche unter hohen und niedrigen Temperaturen und Zeitstandversuche unter Innendruck vor. Die pneumatischen Belastungsprüfungen sehen neben wechselnden pneumatischen Innendruckbelastungen auch Leckagemessungen unter erhöhten Temperaturen vor.

Welche Richtlinien müssen für die Typengenehmigung beachtet werden?

Behälter für die Verwendung als Wasserstoffspeicher in Kraftfahrzeugen werden in Europa nach der ECE R134 zugelassen. Weltweit wird wie bei der ECE R134 meist die GTR13 als Grundlage für Zulassungsvorschriften herangezogen.

Wie gehen Sie bei der Entwicklung vor?

Durch ein umfangreiches Versuchsprogramm soll zunächst die Performance des Referenzbehälters abgebildet werden, einem 39-l-Behälter, der unter Berücksichtigung der UNECE-R-134 und GTR13 entwickelt und ausgelegt ist. Wir messen den mittleren Berstdruck, die Streuung der Berstfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Lastwechseln, Temperaturen und Kältemitteln, vergleichen die Parameter anschließend mit dem neu entwickelten Behälterdesign. Zudem soll die Widerstandsfähigkeit bei kritischen und überkritischen Belastungsereignissen wie Impact unter Innendruck bei verschiedenen Aufprallpositionen und -energien erfasst und im Rahmen sicherheitstechnischer Analysen bewertet werden. Parallel erarbeiten wir uns ein umfassendes Verständnis über die Schädigungsneigung und die Schadensdetektion. In dem Rahmen entwickeln wir auch computertomographische Auswerteverfahren weiter. So wollen wir für die sicherheitstechnische Bewertung Erkenntnisse darüber gewinnen, wie Versagen frühzeitig erkannt und das Versagensrisiko reduziert werden kann.

Geht es auch darum, die Sicherheitsfaktoren für Auslegung von Wasserstofftanks zu reduzieren?

Der Fokus im Gesamtprojekt liegt auf der Optimierung von Material, Design und Wickelverfahren. Damit wollen wir das Laminat verbessern. Insbesondere wollen wir auch fertigungsbedingte Streuungen von Materialparametern reduzieren. Unser Ziel ist es, höhere Sicherheit bei weniger Gewicht zu erreichen; und die genannten Forschungsaspekte helfen, die Wirkung eines geringeren Materialeinsatzes auf die Sicherheit zu bewerten. 

Vielen Dank für das Interview, Herr Mair.