Auslegung von Fahrzeugangepassten H2-Sorptionsspeichern

Kurzfassung

Eine gesellschaftliche Schlüsselfrage der Zukunft ist die langfristige Sicherung der Mobilität oh-ne Abhängigkeit vom Erdöl. Ein weltweit verfolgter Lösungsansatz ist es mittel- bis langfristig regenerativ erzeugten Wasserstoff als den einzig alternativen Kraftstoff zu verwenden. Die Stra-tegie der namhaften Europäischen Fahrzeughersteller ist hinsichtlich der Spezifikationen für derartige Fahrzeuge uneinheitlich. Es hat sich aber die Tendenz durchgesetzt, sowohl für Brennstoffzellenfahrzeuge (DC, Ford, Volvo, PSA Peugeot Citroen etc.) und als auch für den Verbrennungsmotor (BMW) die Wasserstofferzeugung außerhalb (off-board) des Fahrzeugs zu verlegen. Damit bekommt die Komponente „Wasserstoffspeicher“ im Fahrzeug eine herausra-gende Bedeutung, die eine akzeptable Reichweite gewährleisten muss. Markteintrittsbarrieren für den Einsatz von Wasserstoff in Fahrzeugen sind nur zu überwinden, wenn es gelingt kosten-günstige Wasserstoff-Speichersysteme zu entwickeln, die eine vergleichbare Reichweite ermög-lichen, wie sie die Kunden von heutigen Fahrzeugen gewohnt sind. Neben Druck- und Flüssigwasserstoffspeichern sind Metallhydride aufgrund ihrer hohen volu-metrischen Energiedichte vielversprechende Kandidaten zur reversiblen Speicherung von Was-serstoff. Ihre prinzipielle Eignung konnte bereits in den achtziger Jahren im Flottenversuch nachgewiesen werden. Hohe Materialkosten und Speichergewichte bei niedrigen gravimetri-schen Energiedichten führten jedoch dazu, dass die Weiterentwicklung von Hydridspeichern nicht forciert wurde. Erst mit der Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie rückte der Was-serstoff als alternativer Kraftstoff und die Frage der H2-Speicherung Mitte der 90-er Jahre wieder in den Fokus. Die ehrgeizigen Ziele, die speziell das DOE zeitlich gesetzt hat, und die ausge-sprochene Absicht der Fahrzeughersteller den Kunden alltagstaugliche und wirtschaftliche Brennstoffzellenfahrzeuge ab 2015 zur Verfügung zu stellen, macht die Entwicklung und De-monstration neuer Speichersysteme bis zu diesem Zeitpunkt erforderlich. Als Ziel der DLR-Arbeiten zur Wasserstoffspeicherung sollen eine H2-Speicherkapazität von gravimetrisch ≥6% und volumetrisch ≥4,5kg/100l für das Tanksystem unter Berücksichtigung der Randbedingungen - Fahrzeugintegration, Wasserstoffbefüllung und Sicherheits- und Zulas-sungsstandards - erreicht und somit die Ziele der EU und des DOE für 2010 erfüllt werden. Der Fokus dieser Arbeiten liegt auf den Sorptionsspeichern. Deren Forschungsbedarf umschließt zum einen die Entwicklung neuer Speichermaterialien mit hoher Kapazität und niedriger Sorpti-onstemperatur, die gleichzeitig eine ausreichende Kinetik aufweisen. Diese werden über eine Kooperation im Rahmen der Helmholtzgemeinschaft am FZK untersucht. Das DLR befasst sich mit der Speicherauslegung unter Berücksichtigung eines verbesserten internen Wärme- und Stofftransports im Speicherbett, der durch ein effizientes Wärmemanagement erreicht werden kann. Dadurch sind eine schnelle Beladung und die kontrollierte Entladung des Wasserstoff-Speichertanks möglich. Experimentelle Untersuchungen spezifischer Laborspeicher und kom-merzieller Hydridspeicher in einer H2-Testanlage werden in Kombination mit Modellbildung und Simulation zur Auslegung Fahrzeug-angepasster Wasserstoff-Sorptionsspeicher verwendet. Die fahrzeugtechnische und verfahrenstechnische Integration derartiger Speicher in ein Ge-samtsystem wird am DLR anhand des Brennstoffzellenprüfstands HyLite 20 untersucht. Dabei wird eine substanzielle Kostenreduktion der H2-Versorgung von Fahrzeug-Brennstoff-zellensystemen durch die deutliche Verringerung der Komponentenanzahl angestrebt. Gleich-zeitig werden sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigt, die für eine spätere Zulassung zwingend erforderlich sind. Die Entwicklungsplattform HyLite bietet anschließend die einzigarti-ge Möglichkeit verbesserte Speichersysteme in einem Fahrzeug-Prototyp zu testen.