EffHycient – Werkstoffleichtbau zur Effizienzsteigerung von mobilem LH₂-Equipment für eine effiziente und nachhaltige Lieferinfrastruktur für den Schienen- und Straßenverkehr

Das Ziel des Projektes ist die Befähigung zur Fertigung von Leichtbau-Behältern für den Transport von Wasserstoff im flüssigen Aggregatszustand (engl.: liquid hydrogen, LH₂). Der belastungsgerechte Leichtbau wird durch hochfeste Aluminium-Legierungen sowie durch die hohe Reproduzierbarkeit und Prozessrobustheit des Rührreibschweißens (engl.: friction stir welding, FSW) ermöglicht. Das reduzierte Behältergewicht erlaubt die Mitnahme von neuartigem, schweren Equipment zur schnelleren Beladung mit LH₂ und den Transport größerer Mengen an LH₂, wodurch die Effizienz der LH₂-Distribution gesteigert wird.

Motivation

Verschiedene Klimaschutzstrategien haben das Ziel eines reduzierten globalen CO₂-Ausstoßes. Durch den wachsenden Bedarf klimafreundlicher Kraftstoffe nimmt die Bedeutung von Wasserstoff als Energieträger zu. Dieser Trend beeinflusst die Wertschöpfungskette und treibt die Forschung in den Bereichen Produktion, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff voran. Das Projekt EffHycient fokussiert dabei dessen Speicherung sowie die Distribution.

Als besonders effizient gilt die Verwendung von Flüssigwasserstoff (LH₂), was durch die höhere Energiedichte und die dadurch größeren möglichen Transportmengen begründet ist. Jedoch ist für die vermehrte Nachfrage auch ein Ausbau der bestehenden Lieferinfrastruktur notwendig. Neben Pipelines ist eine Verteilung über die Straße und Schiene notwendig, was insbesondere für dezentrale Anwendungen wichtig ist. Um dabei die Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten, ist eine hohe Effizienz des LH₂-Transportes notwendig. Bisher verhindern die hohe Masse des Transportsystems sowie die langen Beladungszeiten die kostengünstige Distribution von Wasserstoff. Insbesondere der Transport auf der Straße ist durch die maximal zulässige Gesamtmasse beeinträchtigt.

Zielsetzung

Das Ziel des Verbundvorhabens EffHycient ist daher die Befähigung zur Fertigung von anforderungsgerechten Leichtbau-LH₂-Behältern für den Schienen- und Straßenverkehr. Um eine höhere gravimetrische Kapazität der Behälter zu erreichen, soll dessen Masse durch die Nutzung von hochfesten Aluminiumlegierungen reduziert werden. Dies erlaubt den Transport größerer LH₂-Mengen. Als Schweißverfahren soll das FSW eingesetzt werden, welches insbesondere für Aluminiumlegierungen geeignet ist und sich durch eine hohe Robustheit und Wiederholbarkeit auszeichnet. Dadurch kann die Auslegung belastungsgerecht gestaltet werden und das Potenzial für den Formenleichtbau genutzt werden. Darüber hinaus schafft eine verringerte Behältermasse die Voraussetzung für den Verbau von neuartigem, aber schweren Beladungsequipment, wodurch die Beladungszeit reduziert wird. So kann die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit der LH₂-Distribution gesteigert werden.

Vorgehen

Zunächst wird eine produktseitige Systemanalyse durchgeführt, bei der produkt- und prozessseitige Anforderungen abgeleitet werden und eine Fertigungsprozesskette identifiziert wird. Anschließend werden geeignete Werkzeuge, Spanntechniken und Prozessparameter ausgewählt. Zudem wird ein System zur Prozessüberwachung entwickelt, das automatisiert Schweißnahtunregelmäßigkeiten während des Prozesses erkennt. Anhand eines Behälter-Prototyps werden die Entwicklungsschritte validiert. In einer Kosten-Nutzen-Analyse und durch Übertragbarkeitsstudien werden abschließend die Wirtschaftlichkeit und die Machbarkeit geprüft.

Nutzen

Um die Wasserstofftechnologie bis 2026 wettbewerbsfähig im Verkehrssektor zu etablieren, ist eine effiziente LH₂-Distribution eine zu erfüllende Voraussetzung. Ein Masse-reduzierter Behälter ist notwendig, um die mögliche Beladung zu erhöhen und die Mitnahme von schwerem Beladungsequipment zu ermöglichen, wodurch der CO₂-Ausstoß während des Transports verringert werden kann. Dabei wird die gravimetrische Kapazität gesteigert, die Beladungszeit deutlich reduziert und die Wirtschaftlichkeit der LH₂-Distribution sichergestellt.

Danksagung

Das Projekt EffHycient wird im Rahmen des nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie mit insgesamt 1.396.675,00 Euro durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.