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Wasserstoff Tankstellen Deutschland

Bisher gibt es drei Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland. Eine (die weltweit erste) steht am Flughafen München und bietet sowohl GH2 als auch LH2. Eine weitere steht in Hamburg und verfügt nur über GH2. Ganz neu wurde im Oktober 2002 eine Station sowohl für LH2 als auch für GH2 eingeweiht. Drei weitere Tankstellen sind in Arbeit (in Oberstdorf und im Gewerbegebiet Brunnthal-Nord bei München sowie in Stuttgart).

Zusätzlich soll Berlin als Testgebiet für ein alternatives Verkehrskonzept dienen und im Sommer 2003 eine weitere H2-Tankstelle bekommen. Darauf verständigten sich Mitte 2001 der Bundesverkehrsminister Kurt Bodewig und Vertreter der Automobil-Industrie und der Mineralöl-Wirtschaft.

Das Ziel dieses 'Clean Energy Projekts' in der Bundeshauptstadt soll sein, unterschiedliche Fahrzeug-Antriebe für Pkw, Busse und Transporter sowie die Versorgung mit alternativen Kraftstoffen (vornehmlich Wasserstoff) zu testen.

Das es in nächster Zeit deutlich mehr Tankstellen werden, wäre zwar zu hoffen, ist aber fraglich, weil die Umrüstung je Tankstelle etwa 0,5 bis 1,5 Mio. Euro kostet. Die Errichtung einer Wasserstoff-Tankstellen-Infrastruktur wird deswegen noch einige Jahre in Anspruch nehmen.

Abb.: Wasserstoff-Betankung

Eine der ersten solaren Wasserstoff-Tankstellen, die den Kraftstoff direkt vor Ort mit Hilfe der Sonnenenergie produziert, ist im August 2001 bei Los Angeles/USA von Honda in Betrieb genommen worden. Der Wasserstoff wird dort durch Elektrolyse hergestellt, indem der notwendige Strom aus einer 8 kW-Photovoltaik-Anlage genutzt wird. Die System-Kapazität reicht täglich für 8.000 l gasförmigen Wasserstoff. Mit Hilfe eines Kompressors kann das Gas bis auf 250 bar verdichtet werden.

Eine ähnliche Tankstelle, die allerdings auf Windenergie aufbaut, ist für Bremerhaven geplant. Dort soll Strom von den Off-Shore-Windanlagen an der Nordsee-Küste für die Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden, so dass dies die erste 'saubere' Tankstelle in Deutschland wäre, die gänzlich ohne fossile Energieträger auskommt.

Eine Amerikanische Studie geht davon aus, dass zunächst eine ausreichende Anzahl Wasserstoff-Tankstellen vorhanden sein müssen, bevor Fahrzeuge an den Normalbürger gegeben werden können. Demnach würde es für die USA genügen, wenn für die ersten Nutzer rund 4.500 Stationen vorhanden wären. Bevor diese Zahl nicht erreicht wäre, würde eine Massenfertigung von Wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen keinen Sinn machen.

Wann und wie dieses Henne-Ei-Problem gelöst wird, ob nun erst die Fahrzeuge oder die Tankstellen vorhanden sein werden, ist vorerst noch nicht absehbar. Es bleibt spannend.

HG2 Betankung

Der Umgang mit komprimiertem Gas ist problemlos möglich und wird seit Jahrzehnten praktiziert.

Der Speicherdruck von Gasbehältern liegt normalerweise bei 200 bzw. 350 bar. Dies ist unter anderem durch die Betankungstechnik bedingt. Die Druck-Einheit in der Befüllstation muss in der Lage sein, einen höheren Druck als den Speicherdruck aufzubauen, damit eine vollständige Befüllung überhaupt möglich ist. Mehrstufige Kompressoren mit einem ausreichenden Druckniveau können zwar durchaus höhere Speicherdichten erreichen und die Betankungszeit reduzieren, sie sind aber auch kostenintensiver.

Es gibt erste Anläufe, den Speicherdruck bis auf 700 bar zu erhöhen. Ein größerer Druck erhöht die Speicherdichte. Das Problem bei diesem Druckniveau ist jedoch der Verdichtungsvorgang. Bei der Verdichtung des Gases wird Arbeit verrichtet, so dass diese Kompressionsenergie die Temperatur bis auf 140 °C ansteigen lässt. Wird ein Behälter mit 700 bar betankt, dann würde dieser Druck lediglich für den erwärmten Behälter gelten.

Kühlt sich der Kraftstoff mit samt des Tanks anschließend ab, nimmt dementsprechend auch der Druck wieder ab, so dass der Speicherdruck danach niedriger wäre als der vorherige Betankungsdruck. Aus diesem Grund muss mit 850 oder gar 1.050 bar betankt werden, damit anschließend noch 700 bar Speicherdruck vorliegen.

Bei der so genannten 'kalten Befüllung' wird der Kraftstoff in kalter Umgebung relativ schnell (innerhalb von 1 bis 2 Minuten) bis auf 400 bar verdichtet. Die dabei entstehende Kompressionswärme wird sofort an das umgebende Kühlmedium abgeführt. Erst durch die anschließende allmähliche Erwärmung erhöht sich der Druck quasi ganz von allein bis auf 700 bar.

Dieses Verfahren eignet sich jedoch lediglich für portable Druckspeicher und nicht für festinstallierte Tanks, weil diese nicht adäquat gekühlt werden können. Die 'warme Befüllung' eignet sich zwar auch für stationäre und in Fahrzeugen integrierte Tanks, läuft dagegen aber sehr langsam ab. Der Kraftstoff erwärmt sich durch eine allmähliche Druckerhöhung nicht so stark und muss nur bis auf 800 bar und nicht bis auf 1.050 bar komprimiert werden.

Abb.: Betankungseinheit

Quelle: Honda

LH2 Betankung

Für flüssigen Wasserstoff sind wegen der niedrigen Temperaturen diverse Spezial-Konstruktionen notwendig, damit dieser Kraftstoff getankt werden kann. Bereits die Verbindungsherstellung (Ankuppeln des Tankstutzens) ist ein schwieriger Prozess, weil die tiefkalten Leitungen nicht mit Luft in Kontakt kommen sollten.

Der Betankungsprozess läuft in etwa folgendermaßen ab, wobei die einzelnen Arbeitsschritte größtenteils vollautomatisch vom Tankroboter durchgeführt werden:

  • Vergewissern, dass das Kraftstoff-System ausreichend weit abgekühlt ist.
  • Verbindung zwischen Fahrzeug und Tankstation mit Tank-Kupplung herstellen.
  • Vergewissern, dass die Kupplung sicher befestigt ist und sich keine Personen bzw. mögliche Zündquellen im gefährdeten Bereich befinden.
  • Erden der Betankungskomponenten, damit eine mögliche Potential-Differenz nicht zur Entzündung von entweichendem Gas führen kann.
  • Testen der Dichtigkeit des Kraftstoff-Systems und des sicheren Sitzes der Verbindung mit Hilfe eines Teststoßes kalten Gases, wie es bereits gängige Praxis bei der Betankung von Erdgas ist.
  • Starten des Betankungsvorganges durch Öffnen der Betankungsventile.
  • Überwachen des Betankungsvorganges.
  • Beenden des Betankungsvorganges, sobald der Füllgrad (ca. 85 % des Maximalvolumens) erreicht ist.
  • Trennen der Tank-Kupplung.

Seit 1997 sind die Kupplungselemente so weit modifiziert, dass die Verbindung bei Umgebungstemperatur hergestellt werden kann, ohne dass die Kupplungsteile zeitintensiv gekühlt bzw. erwärmt werden müssen.

Mittlerweile sind Kupplungen entwickelt worden, die über eine Schleuse verfügen. Diese Technik funktioniert so, dass diese Schleuse mit Helium gespült und gereinigt wird, nachdem die mechanische Verbindung hergestellt worden ist. Erst danach werden die Ventile auf beiden Seiten der Kupplung gleichzeitig geöffnet und die Befüllung kann vonstatten gehen.

Vor dem Start des Betankungsablaufs muss neben der mechanischen auch eine elektrische Verbindung hergestellt werden. Dies ist wichtig, damit alle Komponenten geerdet sind und kein Funkenschlag stattfindet. Die Betankungszeit eines Pkw beträgt zur Zeit etwa 3 Min.

Abb.: Linde-Tankkupplungt

Gastransport

Gasförmiger Wasserstoff wird heute hauptsächlich in Gasflaschen per Lkw oder Eisenbahn vom Hersteller zum Verbraucher geliefert. Um größere Mengen transportieren zu können, werden Flaschenbündel zusammengestellt, wobei die Flaschen und auch die Bündel mit Hochdruck-Leitungen verbunden werden. Ein Bündel aus 28 Flaschen kann rund 250 m³ Gas speichern (200 bar).

Noch größere Gasmengen können auf Druckgasflaschen-Wagen transportiert werden. Bis zu neun Druckgas-Flaschen, die jeweils mehrere Meter lang sind, können insgesamt über 4.000 m³ speichern. Die sogenannten GH2-Trailer weisen ein Gesamtgewicht von 40 t auf, wobei der gasförmige Wasserstoff nur 530 kg wiegt.

Derartige Trailer eignen sich auch als Tankstellen-Speicher. Die H2-Tankstelle in Hamburg verfügt über einen derartigen Trailerspeicher. Für die Betankung ist ein Verdichter mit einem Zwischenspeicher und einer Zapfsäule vorhanden.

Für die Belieferung von Wasserstoff-Tankstellen eignet sich wegen der geringen Dichte gasförmiger Wasserstoff nicht so gut. Ein Vergleich mit Benzin verdeutlicht den Unterschied: Ein Benzin-Tanklastzug, der 36.000 l Benzin transportiert, kann damit rund 625 Fahrzeuge mit je 60 l versorgen. Damit dementsprechend viele Wasserstoff-Fahrzeuge (625) mit GH2 eine vergleichbare Reichweite zurücklegen können, müsste ein GH2-Lastzug (Speicherdruck 350 bar) rund 10-mal fahren.

Flüssiger Wasserstoff Transport

Der Transport von flüssigem Wasserstoff stellt besondere Anforderungen an die verwendeten Materialien. Wegen der großen Temperatur-Differenz zwischen dem tiefkalten Kraftstoff und der Umgebung werden die Tank-Behälter und die Leitungen in besonderem Maße beansprucht. Die heutige Speicher-Technik ist jedoch so weit, dass ein sicherer Transport problemlos möglich ist.

Flüssiger Kraftstoff wird auf der Straße in Tank-Lastwagen mit bis zu 50.000 l Inhalt transportiert. Gegenüber der Gas-Variante zeigt sich der deutliche Vorteil von flüssigem Wasserstoff, weil eine 9mal höhere Transport-Kapazität möglich ist. So genannte LH2-Trailer weisen ein Gesamtgewicht von 40 t auf, wobei der flüssige Wasserstoff 3.300 kg wiegt.

Wegen der höheren Energiedichte wird es auch für den interkontinentalen Transport von Wasserstoff in Erwägung gezogen. Im Zuge eines Europäisch-Kanadischen Gemeinschaftsprojektes sind bereits Schiffe entworfen worden, um Wasserstoff von Kanada nach Mittel-Europa verschiffen zu können. Die Wasserstoff-Erzeugung und die Verflüssigung in Québec/Kanada ist aufgrund der geringen Stromkosten in dortigen Wasser-Kraftwerken besonders günstig. Eine Realisierung dieses Projektes wird jedoch erst vonstatten gehen, wenn der Handel mit Wasserstoff umfangreichere Ausmaße angenommen hat.

Abb.: LH2-Transport

Quelle: BMW

Rohrleitungssystem - Pipeline

Außer dem Transport von Gas oder Flüssigkeit in Tank-Behältern gibt es auch noch die Verteilungsmöglichkeit mit Hilfe eines Rohrleitungssystems. Ein Verbundnetz von Rohrleitungen existiert bereits seit 1938 in West-Deutschland zwischen Köln, Leverkusen, Düsseldorf und dem Ruhrgebiet und umfasst 240 km (derzeit im Besitz von Air Liquide). Der Durchsatz beträgt etwa 250 Mio. m³ Wasserstoff pro Jahr. Im Osten Deutschlands betreibt die Linde AG ein dementsprechendes Rohrleitungsnetz (ca. 100 km). Es verbindet die Städte Buna/Merseburg, Leuna, Bitterfeld und Rodleben bei Dessau.

Das weltweit längste zusammenhängende System geht von Nord-Frankreich nach Belgien und misst 400 km. In den Vereinigten Staaten von Amerika gibt es ebenfalls seit fast fünfzig Jahren gute Erfahrungen mit Rohrsystemen für Wasserstoff. Insgesamt 720 km verteilen sich auf das Gebiet um die Großen Seen und auf die Golf-Küste.

In derartigen Pipeline-Systemen können reiner Wasserstoff und Wasserstoff-Gemische transportiert werden. Der Druck in den Rohren (Ø = 150 bis 280 mm) beträgt etwa 3 bis 100 bar. Die Umfunktionierung bestehender Erdgas- oder Stadtgas-Leitungen für den Wasserstoff-Transport ist durchaus möglich.

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