Energiespeicher Cryogas-Wasserstoff für Nutzfahrzeuge: Was ist das?

Ein Zusammenschluss aus Industrieunternehmen und der Technischen Universität München entwickelt und erprobt ein Tank- und Speichersystem für tiefkalten Wasserstoff, sogenanntes „Cryogas“. Was steckt dahinter?

Das Start-up Cryomotive entwickelt Wasserstoff-Tank- und Betankungstechnik für hohe Dichte und Kapazität. Bis zum Jahr 2025 sollen diese die Kleinserienreife erreichen. Ein Entwicklungsziel ist das Speichern von tiefkaltem Cryogas-Wasserstoff.

Einer der Unternehmensgründer leitete eine Vorstufe der Entwicklung bereits bei BMW: Der Autohersteller hatte die „Kryodruckgas-Speicherung“ von Kryodruck-Wasserstoff (CcH₂ ) für die Anwendung im Pkw erfolgreich erprobt. Die Entwickler bei Cryomotive sehen aber vor allem im Nutzfahrzeug ein Einsatzfeld für das Gas. Das hat mehrere Gründe:

• Im Gegensatz zu flüssigem Wasserstoff ist Cryogas-Wasserstoff ein Gas und kann weder beim Betanken noch beim Speichern an Bord verdampfen. Das Gas ist bei einem Mindestdruckniveau von 10 bis 15 Bar haltbar und kann ein Brennstoffzellensystem mit hoher Leistungsdichte oder einen aufgeladenen Wasserstoff-Verbrennungsmotor versorgen.

• Der nach dem Verfahren gespeicherte Wasserstoff hat nahezu die doppelte physikalische Dichte wie mit 700 Bar gespeichertes Wasserstoff-Hochdruckgas. Zudem übertrifft er die bereits hohe Dichte von flüssigem Wasserstoff um bis zu 20 Prozent.

• Das Gas kann mit Durchflussmengen von bis zu 800 kg/h getankt werden. Das ist laut Cryomotive zehnmal so hoch wie in heutigen Brennstoffzellen-Pkw; und funktioniert ohne eine energieintensive Vorkühlung.

Wie wird Cryogas-Wasserstoff gespeichert?

Tiefkalter Cryogas-Wasserstoff kann bei bis zu 400 Bar Druck in kompakten, isolierten Carbonfaser-armierten Metalltanks gespeichert werden, sogenannten Typ-3-Drucktanks. Die Isolation ist im Vergleich zur Vakuum-Superisolation in Flüssigwasserstofftanks vereinfacht.

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Die kompakte Bauform der Speicher und die thermische Stabilität des Gases erlaubt es, Speichersysteme mit 80 Kilogramm Wasserstoff zu verwenden. Montiert sind sie entlang des Rahmens eines Lkw, wo sich die heutigen Dieseltanks befinden.

Wie entsteht Cryogas-Wasserstoff?

Cryogas-Wasserstoff lässt sich aus gasförmigem und flüssigem Wasserstoff erzeugen. Derzeit mögliche Ausgangsformen und notwendige Schritte sind:

Flüssiger Wasserstoff: Er ist ein potenzieller Träger für den Import von grünem Wasserstoff aus Ländern, in denen kostengünstig, erneuerbare Energie gewandelt werden kann. Zwischen 3,5 und 4 Tonnen flüssigem Wasserstoff in einem Trailer könnten Tankstellen mit mehreren Tonnen Wasserstoff täglich versorgen.

Mittels einer sogenannten Kryopumpe ließe sich der Flüssigwasserstoff direkt zu Cryogas verdichten. Die notwendige Pumpenergie beträgt laut Cryomotive weniger als 0,5 kWh/kg. Flüssigwasserstoff wechselt beim Übergang von niedrigem Druck auf ein tiefkaltes Gas mit einem Druck bis 400 Bar die Phase. Dabei erreicht der Wasserstoff die höchste heute nachgewiesene physikalische Dichte: bis 85 g/L.

Gasförmiger Wasserstoff: Er wird künftig über Pipelines oder wie heute schon im Trailer angeliefert und an der Tankstelle über einen Hochdruckverdichter komprimiert. Ein entsprechender Kühler kühlt den Wasserstoff auf circa -200 Grad Celsius. Das Verfahren benötigt weniger Energie als das vollständige Verflüssigen. Die Kombination aus niedriger Temperatur und Druck ermöglicht eine gleich hohe Dichte wie bei flüssigem Wasserstoff.

350-Bar-Wasserstoffdruckgas: Das Gas wird bereits in Europa, China und Nordamerika an Wasserstoff-Druckgastankstellen eingesetzt. In einer Übergangszeit ist es denkbar, diese Druckgastankstellen für Notbetankungen mit geringerer Kapazität zu nutzen; und später auf die Nutzung mit Cryogas umzurüsten.

Alternative Speicherformen für Wasserstoff

Die heute gängigste Speicherform für Wasserstoff in Fahrzeugen ist die Wasserstoff-Hochdruckgasspeicherung (CGH₂) mit einem sehr hohen Speicherdruck bis 700 Bar in speziellen Tanks. Trotz des hohen Drucks erreicht das Hochdruckgas bei Umgebungstemperatur aber nicht die notwendige Dichte, um 80 Kilogramm Wasserstoff in den heute verfügbaren Bauräumen von Langstrecken-Lkw zu speichern. Der hohe Speicherdruck erfordert zudem spezielle Tanks mit Carbonfaser-Tankarmierung. Das Erzeugen des Drucks und das Vorkühlen während der Betankung benötigt viel Energie.

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Als alternative Speicherform für Nutzfahrzeuge ist auch das Speichern von Flüssigwasserstoff in vakuumsuperisolierten Niederdruck-Behältern möglich. Vorteilhaft ist dabei die hohe physikalische Dichte, die mit der Verflüssigung des Wasserstoffs einhergeht.

Ein Nachteil ist der Energieaufwand während des Erzeugens des Flüssigwasserstoffes: Für das Kühlen des Wasserstoffgases auf tiefkalte Temperaturen mit anschließender Verflüssigung und die Stabilisierung des Flüssigwasserstoffs sind heute acht bis zwölf Kilowattstunden Energie pro Kilogramm Flüssigwasserstoff erforderlich.

Nach der Erzeugung muss Flüssigwasserstoff (LH₂) tiefkalt (-250°C) und bei niedrigem Druck zwischen einem und circa sieben Bar gespeichert werden. Schon geringe Wärmeeinträge von wenigen Watt führen dazu, dass Flüssigwasserstoff verdampft. Er verliert dabei einen Großteil seiner Dichte. Der Speichertank muss entsprechend sehr gut isoliert sein, zudem kommt es zu Verdampfungsverlusten bei der Betankung und während längerer Standzeiten in den Fahrzeugtanks. Außerdem reicht der niedrige physikalische Druck des Flüssigwasserstoffs oft nicht aus, um heute gängige Brennstoffzellenantriebe oder Wasserstoffverbrennungsmotoren zu versorgen.

Das Projekt ”Cryotruck“

Im Projekt „CryoTruck“ entwickelt ein Konsortium aus Industrie und Forschung Cryogas-Wasserstoffspeicher für Langstrecken-Schwerlastkraftwagen. In künftigen Projekten soll die Eignung der Wasserstoffspeicher- und -betankungstechnik auch für weitere Anwendungen bestötigt werden: Reisebusse, Züge oder Kurzstreckenflugzeuge und die urbane Luftfahrt.

Projekt Cryotruck

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Wegen der sehr hohen Speicherdichte in der Gasphase ohne Verdampfungsrisiko soll es möglich sein, in etwa zehn Minuten genug des Cryogas-Wasserstoffs für eine Reichweite von 1.000 Kilometern zu tanken. Das Tanken benötigt laut Cryomotive nur ein Fünftel der Energie eines Tankvorgangs mit gasförmigem Hochdruckwasserstoff. Dabei sind eine Hochdruck-Verdichtung und Vorkühlung auf -40 Grad Celsius notwendig: als Kompensation für die Kompressionserwärmung des Wasserstoffs beim Befüllen des Fahrzeugtanks.

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