Fortschrittliche Kohlefaser-Druckbehälter: Wasserstoffspeicher-Optimierung für nachhaltige Zukunft

Wasserstoff als CO2-freie Alternative zu fossilen Brennstoffen steht seit Jahrzehnten am Horizont, und das Wachstum bei Kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) Druckbehältern für Wasserstoffspeicherung ist definitiv gestiegen. Aber 2020 wurde Wasserstoff zum Mandat, identifiziert von der Europäischen Kommission (EK) als Schlüsselpriorität für den European Green Deal für eine nachhaltige Wirtschaft und klimaneutrales EU bis 2050. Schlüsselevents für Wasserstoff in der Luftfahrt:

• Mai 2020 – Clean Sky 2 und Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) veröffentlichen „Hydrogen-powered aviation“, wie Kurzstreckenflugzeuge (85–165 Passagiere) mit Wasserstoffantrieb bis 2030–2035 in Dienst gestellt werden könnten (EIS).
• Juni 2020 – Frankreichs 17 Mrd. USD Pandemie-Hilfsprogramm gekoppelt an Ziele aus „Hydrogen-powered aviation“; Air France will CO2-Emissionen bei Inlandsflügen bis 2024 halbieren.
• Juli 2020 – EK veröffentlicht „A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe“, fordert 65 Mrd. EUR Investition für Wasserstofftransport, -verteilung, -speicherung und Tankstellen, listet Förderpolitiken und -mechanismen einschließlich Clean Hydrogen Partnership und ETS Innovation Fund (10 Mrd. EUR 2020–2030).
• Juli 2020 – Airbus CEO Guillaume Faury im Interview mit Aviation Week Editor Graham Warwick: erstes dekarbonisiertes Flugzeug EIS bis 2035; Programmstart 2027–28, Technologiereife bis 2025.
• Juli 2020 – ZeroAvia (Hollister, Kalifornien, USA) Testflug Einmotorig-Sechssitzer Piper mit komprimiertem Wasserstoff (H2); Enthüllung US-Flugtests für ähnlich modifizierten Zweimotor-Turboprop 19-Sitzer Dornier Do 228 für Roadmap zur Zertifizierung 20-Sitzer H2-Flugzeug mit 500 Meilen Reichweite bis 2023.
• August 2020 – Universal Hydrogen (Los Angeles, Kalifornien, USA) kündigt Twin-Tank-Module für 50-Sitzer an (siehe Foto), plus Betankungslogistik und Infrastruktur für Regionalfluggesellschaften/Betreiber kommerziell bis 2024.

Wasserstoffs Lebensfähigkeit als Brennstoffquelle – unabhängig von der Industrie – hängt von schneller Entwicklung vielfältiger Transport-, Liefer- und Speichertechnologien ab, die jung, aber schnell evolvierend sind. Die Kommerzialisierung wird nicht einfach, wird aber angegangen. Nachfolgend eine Zusammenfassung einiger Arbeiten.

Universal Hydrogen

2020 mitgegründet von Paul Eremenko, Ex-CTO von Airbus SE (Leiden, Niederlande) und United Technologies Corp. (Farmington, Connecticut, USA), zielt Universal Hydrogen darauf ab, den Übergang zu wasserstoffbetriebener Luftfahrt durch Bereitstellung einer Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur zu unterstützen. Ein Schlüsselkomponente ist sein Kraftstoffmodul mit zwei H2-Speichertanks in einem CFK-Rahmen. „Wir liefern die Module bedarfsweise zum Standort, sodass keine Wasserstoff-Speicherinfrastruktur nötig ist“, erklärt Universal Hydrogen CTO J.P. Clarke. „Die Module werden einfach wie eine Batterie oder Galleysupplies in das Flugzeug geladen.“

Foto: Universal Hydrogen

Module wurden zuerst für 50-Sitzer Dash 8 und ATR Turboprop-Regionalflugzeuge entwickelt. Diese Module verfügen über 7 Fuß lange, 3 Fuß Durchmesser Tanks, entweder mit Kohlefaser für H2-Gas bei 850 bar (Dichte 50 kg/m³) oder isolierte Metalltanks für flüssigen H2 (LH2) bei Normaldruck und -temperatur (Dichte 71 kg/m³). Obwohl LH2-Tanks höhere volumetrische Effizienz bieten, müssen die isolierten, aber ungekuhlten Tanks innerhalb von 42 Stunden genutzt werden, da LH2 verdampft, wenn nicht bei -253 °C gehalten. „Beide Tanktypen sitzen in einem leichten, strukturell optimierten Verbundrahmen, der auch Schlagfestigkeit und Tragfähigkeit bietet“, sagt Clarke.

Die H2-Gastanks umfassen einen impermeablen Polymerliner, umwickelt mit Lagen trockener Kohlefaser-Geflecht und einer Kevlar-Aramidfaser-Schutzaußenschicht. „Es braucht kein Harz“, erklärt Clarke. „Der Liner adressiert Permeabilität, die Kohlefaser übernimmt Ring- und Axiallasten, die Außenschicht plus Rahmen verhindert Beschädigung; so werden Gewicht und Dicke reduziert. Dieses integrierte Tank-Rahmen-Design, kombiniert mit der Funktionszuordnung auf jede Tanklage, ermöglichte signifikante Verbesserungen der Massenfraktion.“

Massenfraktion wird berechnet, indem die Masse des gespeicherten Wasserstoffs durch die des Gesamtmoduls geteilt wird – je größer die Massenfraktion, desto besser. „Wir machten eine umfangreiche Trade-Studie zu Massenfraktion und volumetrischer Effizienz im Kontext von Dash 8 und ATR“, merkt Clarke an. „Man schaut Volumen und Gewicht von Treibstoff vs. was in diese Flugzeuge passt, erreichbare Reichweite und max. Abfluggewicht, Gewichtsverteilung etc. Mit H2-Gas bei 850 bar können wir ca. 400 NM mit 45 Min Reserve und ca. 550 NM mit LH2-Tanks fliegen. Die durchschnittliche Etappenlänge für Turboprop-Missionen liegt bei ~300 NM, also kann die vast Mehrheit dieser Flüge mit gasförmigem H2-System mit CFK-Tanks durchgeführt werden.“

Wird Universal Hydrogen mit einem Verbundwerkstofftankhersteller kooperieren? „Unsere Strategie: Partnerschaften wo es Sinn macht, Fokus auf Kernbusiness“, sagt Clarke. Er bekräftigt Universal Hydrogens Fokus: „Wir wollen Anbieter von Treibstoff und Infrastruktur sein. Wir liefern die Module und bringen sie dorthin, wo sie gebraucht werden, damit Partner sich auf Flugzeugdesign und -betrieb fokussieren können. Unser Ziel: Enabler für wasserstoffbetriebene Luftfahrt sein.“

SpaceTech4Sea

Wie die Luftfahrt steht auch die Schifffahrt unter Regulierungen zur Reduktion von CO2 und anderen Treibhausgasen (THG). Ab Januar 2018 müssen Schiffe über 5.000 Bruttotonnen, die in Häfen des Europäischen Wirtschaftsraums (EWR) Laden/Entladen, ihre CO2-Emissionen überwachen und berichten. Weiterhin hat die International Maritime Organization (IMO) im Rahmen ihres MARPOL-Übereinkommens zur Reduktion von Schiffsverschmutzung ab Januar 2020 Schwefel in Brennstofföl von 3,50 % m/m auf 0,50 % reduziert. Die IMO hat sich auch zu einer initialen THG-Strategie verpflichtet: 50 % Reduktion bis 2050 vs. 2008.

„Die beste Möglichkeit zur Compliance ist initialer Wechsel zu Flüssigerdgas (LNG)“, sagt Dr. Panayotis Zacharioudakis, Managing Director von Ocean Finance (Athen, Griechenland), Beratungsfirma für maritime Nachhaltigkeit und Koordinator der EK-Projekte SuperGreen und SpaceTech4Sea. SuperGreen schafft ein nachhaltiges, grünes Transportsystem in Griechenland mit elektrischen Pendelschiffen und zwei Hybrid-LNG/Elektro-Katamaranen, die Piräus mit anderen Häfen im östlichen Mittelmeer verbinden. „Für dieses Projekt bauen wir eine Hochgeschwindigkeitsfähre in CFK“, erklärt Zacharioudakis. „Würden wir einen State-of-the-Art Metall-LNG-Tank nutzen, wöge er sieben Tonnen – entspricht gut 70 Passagieren [100 kg pro Person mit Gepäck]. Wir müssten die Passagierkapazität um 70 reduzieren.“

Warum das Mehrgewicht? „Verglichen mit Diesel muss LNG bei kryogenen -163 °C gelagert werden, und Metalltanks müssen Materialien, Konstruktion, Isolierung und Betriebssysteme nutzen, die IMO-Anforderungen für gasförmige Brennstoffe (IGF Code) erfüllen“, sagt Zacharioudakis. Für Ocean Finance war das Mehrgewicht inakzeptabel, man recherchierte Lösungen und fand einen Bericht über Kryotanks, die Cimarron Composites (Huntsville, Alabama, USA) mit NASA entwickelte.

„Da begannen wir das EASME (European Agency for SMEs) SpaceTech4Sea-Projekt“, sagt Zacharioudakis. „Die Idee: Luftfahrttechnologie für maritime Anwendungen adaptieren.“ Dritter Projektpartner ist Klassifikationsgesellschaft American Bureau of Shipping (ABS, Houston, Texas, USA), die Technologie validiert und qualifiziert. Im September 2019 erteilte ABS Approval in Principle (AIP) für Cimarrons Konzeptdesign eines ultraleichten, kryofähigen Verbund-LNG-Tanks. Seither wurden Sub- und Vollskalentanks für Zertifizierung gebaut und getestet. „Sie haben gerade die letzten Tests beendet“, sagt Zacharioudakis. „In etwas über zwei Monaten haben wir Vollzertifizierung für Verbund-LNG-Tanks für den Marinemarkt. Dieser Tank bietet über 85 % Gewichtsersparnis vs. konventionellem Metalltank.“

Die meisten Tankspezifikationen sind proprietär, aber Cimarron Composites Gründer und Präsident Tom DeLay sagt, er besteht aus Kohlefaser und fortgeschrittenem Duroplastharz mit Resininfusion und Nass-Filamentwickeln. „Wir testeten 25-Zoll- und 40-Zoll-Durchmesser-Tanks und sprechen mit dem CFK-Fährenbauer für SuperGreen über Tanks mit 5 Kubikmeter Kapazität [5.000 Liter], erreichbar mit 2 m Durchmesser, 2,5 m Länge.“ Ocean Finance sieht Markt für über tausend solcher Tanks und will mit Cimarron automatisierte Produktion, möglicherweise in Griechenland, etablieren.

Und was ist mit Wasserstoff? „Auch während wir LNG-Projekte abschließen, schauen wir uns Wasserstoff an“, merkt Zacharioudakis an. „Es gibt so viel Interesse, Aktivität und jetzt Finanzierung in Europa. Ein Problem: Maritime Vorschriften fordern Tanks mit Haltezeit bis zu 15 Tagen für LNG. Das gilt auch für LH2.“ DeLay räumt ein, dass ein kryofähiger Tank für LH2 (-253 °C) viel schwieriger ist als für LNG (-196 °C); Herausforderungen umfassen Materialien, die Versprödung und Rissbildung widerstehen. Er arbeitet mit Ocean Finance an einer Trade-Study zu technisch-ökonomischen Faktoren von flüssig vs. gasförmig H2 für Marineschiffe.

Neptune Tanks für H2-Gas

Bemerkenswert: Cimarron Composites hat bereits einen Typ IV CFK-Tank für Hochdruckspeicherung von Wasserstoff und anderen Gasen entwickelt. „Unser ursprünglicher Jupiter-Tank wurde für Transport der meisten Industriegase, einschließlich Wasserstoff, bei 4.350 psi [300 bar] entwickelt“, sagt DeLay. „Wasserstoff wird jedoch effektiver bei höheren Drücken transportiert, daher entwickelten wir den 7.500 psi [517 bar] Neptune-Tank.“

Sowohl Jupiter- als auch Neptune-Tanks haben alle Tests per UN ISO 11515 bestanden und sind in verschiedenen Durchmessern und Längen bis 26 Fuß verfügbar. „Diese Tanks wurden für Versand in Standardmodulen per LKW, Bahn oder Schiff entwickelt“, merkt DeLay an. „Wir fanden, dass 30-Zoll-Durchmesser ideale Packeffizienz hat, mehr Wasserstoff als größere Zylinder transportiert. Mit 19 Fuß Länge passen neun Tanks in einen Standard-20-Fuß-Container. Bei 67 kg Wasserstoffgas pro Tank bewegen wir 600 kg in 20-Fuß- und 1.200 kg in 40-Fuß-Container.“

„Wir kaufen Kohlefaser von allen Hauptlieferanten: Toray [Tokyo, Japan], Mitsubishi Rayon [Tokyo], Teijin [Rockwood, Tennessee, USA] und Hyosung [Seoul, Südkorea]“, fügt DeLay hinzu, „aber für Neptune haben wir mit drei verschiedenen Lieferanten gleichzeitig qualifiziert. Wir formulieren das Harz selbst aus kommerziell verfügbaren Produkten und kontrollieren Faser- und Harzgehalt sowie Spannung beim Filamentwickeln und Ofenhärtungszyklus sehr streng, um thermische Spannung zu vermeiden. All das trägt zur mechanischen Performance der Tanks bei.“

Unabhängig ob Bedarf an kryogener Flüssigspeicherung oder Hochdruck-Gasspeicherung: DeLay sieht wachsende Chancen. „Es hat Jahre gedauert, unsere Expertise zu entwickeln, von Raketentreibstofftanks zu den großen Speicher- und Transporttanks, die wir jetzt entwickeln und produzieren. Vor einem Jahr war ich skeptisch zu Wasserstoff, dachte, der einzige Grund sei staatlicher Druck. Aber jetzt erhalten wir sehr große Aufträge und alle Arten von Anfragen. Global investieren diverse Industrien ernsthaft in Wasserstoff, Regierungen unterstützen das. Es sieht so aus, als wären wir mit den richtigen Produkten zur richtigen Zeit bereit.“