HYDROGEIT - Der Wasserstoff-Guide

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H2 als Kraftstoff       Eigenschaften       Herstellung       Reinigung       Speicherung       Betankung

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Betankung:
Die im folgenden geschilderte Tankprozedur entspricht dem technischen Standard von 1992. Damit gibt sie nicht den heutigen Stand wieder, zeigt aber sehr deutlich alle notwendigen Schritte und zu berücksichtigenden Punkte.
Das Umfüllen von flüssigem Wasserstoff vom Standtank in den Fahrzeugtank erfolgt durch Überdruck im Standtank. Mittels eines am Standtank montierten Druckaufbau-Verdampfers können vor der Betankung maximal 4 bar Überdruck eingestellt werden. Hinter dem Absperrventil wird der benötigte Wasserstoff über ein vakuumisoliertes Leitungssystem und einen ebenfalls vakuumisolierten flexiblen Metall-Wellschlauch zum Auto-Tank geleitet.
Die Schnittstelle ist eine Johnston-Cox-LH2-Kupplung. Hierbei handelt es sich um ein vakuumisoliertes Rohrstück, das in ein konzentrisches, ebenfalls vakuumisoliertes Gegenstück eingeführt und mit diesem verschraubt wird. Da beim Abkühlen des Leistungssystems auf Temperaturen von -253 °C und beim Füllen des Fahrzeugtanks LH2 verdampft, muss eine weitere Schlauchverbindung zum Ableiten dieses GH2-Abgases (gasious hydrogen) vorgesehen werden. Da das GH2-Abgas aber annähernd LH2-Temperatur erreicht, ist die Abgasleitung ebenfalls vakuumisoliert. Dies geschieht zur Vermeidung der an den kalten Leitungsoberflächen ansonsten stattfindenden Luftkondensation und der Verletzungsgefahr.
Hinter dem Abgasanwärmer (Umgebungsluft-Wärmetauscher) wird der auf annähernd Umgebungstemperatur angewärmte GH2-Abgasvolumenstrom durch ein Drosselventil geregelt. Dadurch kann die LH2-Betankung von Versuchsfahrzeugen bei unterschiedlichen Druckdifferenzen zwischen Standtank und Abgasleitung bzw. Fahrzeugtank untersucht werden. Der entspannte gasförmige Wasserstoff wird anschliessend über den Abgaskamin in die Atmosphäre abgegeben. Sämtliche Leitungssysteme, die während der Betankung auf die Temperatur des LH2 abgekühlt werden, müssen vor dem Ankuppeln des Fahrzeugs durch Evakuierung und Spülen gründlich von Luft und eventuell eingedrungener Luftfeuchtigkeit befreit werden.
Zum Evakuieren wird eine auf das Leitungssystem abgestimmte Vakuumpumpe eingesetzt. Das neben GH2 zum Spülen des Leitungssystems benötigte Helium wird über Gasflaschen zur Verfügung gestellt. Um auch im Winter einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, wird die Vakuumpumpe thermostatgeregelt beheizt. Ausserdem wird nach der Befüllung des Fahrzeugs das zum Anwärmen der Kupplung notwendige GH2 bei Bedarf in einem elektrischen Heizer erwärmt.
1997 waren die Kupplungselemente für Wasserstoff-Autos so weit modifiziert, dass die Verbindung bei Umgebungstemperatur hergestellt werden kann, ohne dass die Kupplungsteile zeitintensiv gekühlt bzw. wieder aufgewärmt werden müssen.

Der Start des Betankungsablaufs erfolgt nach Herstellen der mechanischen und elektrischen Verbindungen vom Steuerpult der Bedienwarte aus. Die einzelnen Betankungsschritte könne sowohl durch manuelles Schalten von Ventilen als auch automatisch über eine speicherprogrammierbare Steuerung durchgeführt werden. Die in den jeweiligen Systemabschnitten herrschenden Drücke und Temperaturen sowie Füllstand und die aktuellen Ventilstellungen werden am Steuerpult angezeigt und mit einer separaten Messwerterfassung aufgezeichnet. Beim Überschreiten von Grenzwerten oder Ansprechen der Gaswarnanlage wird die Betankung unterbrochen, und alle Ventile werden geschossen.
Für das eigentlichen Betanken werden ca. 5 min benötigt. Evakuieren und Spülen des Leitungssystems mit Helium und GH2 sowie das spätere Anwärmen der Kupplung erfordern etwa knapp die Hälfte der kompletten Zeit.

- Ankuppeln: 1 min
- Evakuieren/Spülen: 5 min
- Abkühlen: 2 min
- Tanken: 5 min
- Anwärmen: 3 min
- Inertisieren/Abkuppeln: 2 min
gesamt: 18 min

Mittlerweile hat sich die Betankungszeit auf 3 min reduziert.

Die Befüllrate nimmt mit abnehmender LH2-Siedetemperatur deutlich zu. So kann der Fahrzeugtank bereits bei einer Verringerung der Siedetemperatur im Standtank von 26 auf 24 K in weniger als der halben Zeit befüllt werden.
Wenn die Druckdifferenz zwischen Stand- und Fahrzeugtank zu gross wird (> 1,5 bar) und dadurch der Druck im Fahrzeugtank unter den Siededruck sinkt, verdampft dort so viel Wasserstoff, bis der Gleichgewichtszustand wieder erreicht wird. Die Befüllrate kann aus diesem Grund bei Erreichen des Gleichgewichtssiededrucks nicht weiter erhöht werden. Vielmehr nehmen mit steigender Druckdifferenz die Verdampfungsverluste zu. Die Verdampfungsverluste beim Befüllen des LH2-Fahrzeugtanks können reduziert werden, wenn unterkühlter Flüssigwasserstoff aus dem Standtank verwendet wird.

Im Leitungssystem tritt während des Betankungsvorgangs immer ein gewisser Druckabfall zwischen Standtank und Fahrzeugtank auf. Wenn jedoch der Wasserstoff unterkühlt ist, kommt es erst zu einem Ausgleich der Drücke, bis der Gleichgewichtszustand eingetreten ist. Erst dann kommt es zu einer Verdampfung. Ausserdem kann zu Beginn des Füllvorgangs die von den Wänden des durchströmten Leitungssystems abgegebene Restwärme zunächst noch von der Flüssigkeit aufgenommen werden, bevor die Siedetemperatur erreicht wird.


Bei diesem hier veröffentlichten Text handelt es sich um eine gekürzte Zusammenfassung der Studienarbeit von Dipl.-Ing. Sven Geitmann über Wasserstoff und Brennstoffzellen aus dem Jahr 1998, allerdings ohne die dazugehörigen Abbildungen. Weiterführende, aktuellere Daten (inklusive der Abbildungen) finden Sie im Buch sowie auf verschiedenen CD-Rom von Sven Geitmann.

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