Tankstelle der Zukunft
Der Preis für Benzin und Diesel steigt, das ist gut für die Umwelt, denn diese Kraftstoffe sind es nicht. Eine zukünftige Alternative sind wasserstoffbetriebene Fahrzeuge – doch das Gas und der Tankstellenbetrieb sind noch teuer. Um den Aufbau und den Betrieb der Wasserstoff-Tankstellen effizienter und kostengünstiger zu gestalten, entwickeln Medienmitteilungen des Lehrstuhls Energietechnik der Universität Duisburg-Essen (UDE) und des Zentrums für Brennstoffzellen-Technik (ZBT) vom 13.12.2021 zufolge Simulationsmodelle der Tankstellenkomponenten, um Designs zu analysieren und zu bewerten.
Multifunktionstankstelle in Berlin – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Wasserstofffahrzeuge – genauer: Fahrzeuge mit Brennstoffzellen und Wasserstofftank – sind noch selten auf den Straßen zu finden; spezielle Tankstellen noch weniger. Für PKW ist ein Netzwerk im Aufbau, auch wenn es noch kein einheitliches und optimiertes Design gibt. Für den Schwerlastbereich fehlt die Infrastruktur noch. Dabei kann der Energieträger vor allem für den Einsatz in Bussen und LKW interessant werden, denn Wasserstoff kann erneuerbare Energien speichern – noch besser als Batterien.
Das Problem: In der Lieferkette – etwa vom Windrad über den Elektrolyseur, der Tankstelle bis hin zum Autotank – geht ein erheblicher Teil der Energie in Umwandlungsprozessen verloren. Wasserstoff ist zudem noch deutlich teurer als fossile Kraftstoffe. „Dennoch ist Wasserstoff aus Sonnen- und Windstrom ein wichtiger Energiespeicher der Zukunft, denn er belastet die Umwelt nicht“, erklärt Projektleiter Jürgen Roes vom Lehrstuhl Energietechnik. Daher ist es sinnvoll, so effizient wie möglich mit den Ressourcen umzugehen und schon jetzt über einen möglichst kostengünstigen Einsatz nachzudenken.
Im Rahmen der zukünftigen Elektromobilität sind Brennstoffzellenantriebe sowohl für Personenkraftwagen als auch für Busse und Lastkraftwagen eine wichtige Option. Das hierfür benötigte Netz an Wasserstofftankstellen ist für den PKW-Bereich zurzeit bereits im Aufbau, ein einheitliches, energieeffizientes und kostenoptimiertes Design gibt es jedoch noch nicht. Für den Schwerlastbereich (u.a. Busse und LKW) fehlt die Tankstelleninfrastruktur noch weitestgehend. Viele Aspekte hierbei bieten daher noch erhebliches Entwicklungs- und Optimierungspotenzial, angefangen von der Dimensionierung und den Druckniveaus der Wasserstoff-Speicher über die Ventiltechnik bis hin zur Kühltechnik.
Die Wissenschaftler der UDE und des ZBT nehmen sich dafür die wesentlichen Komponenten einer Wasserstofftankstelle vor. Auf dem Testfeld des ZBT untersuchen sie Zapfsäule, Behältergröße und -druck, fügen die Ergebnisse in Simulationen ein und errechnen, in welchem Verhältnis die einzelnen Bausteine zueinanderstehen müssen, damit das Tanken effizient wird. „Wichtig ist auch, wie stark frequentiert die Tankstelle ist. Eine im Schwarzwald, die selten am Tag besucht wird, muss anders aussehen als eine Tankstelle an einer Autobahn oder einem städtischen Unternehmen, an der ständig getankt wird“, so Roes.
Mathematische Modelle einer Wasserstofftankstelle (HRS – Hydrogen Refueling Station) bieten die Chance, ohne großen Zeit- und Kostenaufwand unterschiedliche Einflussfaktoren zu untersuchen. Variationen der Hardware, unterschiedliche Systemkonfigurationen oder Auslastungsvarianten können mit Hilfe solcher Modelle ohne großen Aufwand und kostengünstig simuliert und analysiert werden.
Die beiden Forschungseinrichtungen werden dazu Simulationsmodelle der wichtigsten Komponenten von Wasserstofftankstellen wie z.B. von Kompressoren, Speicherbehältern für unterschiedliche Druckstufen, Rohrleitungen, Armaturen und Kühlsystemen entwickeln und diese mittels Messungen am Wasserstoff-Testfeld des ZBT validieren. Hierzu werden entsprechende Messstellenkonzepte erarbeitet, um die Komponenten zielgerichtet vermessen zu können.
Auf Basis der Komponentenmodelle wird dann ein Tankstellen-Gesamtmodell erstellt, um unterschiedliche HRS-Konfigurationen und den Einfluss wichtiger Parameter, wie z.B. der Frequentierung und des Wasserstoffdurchsatzes der Tankstelle, zu analysieren und zu bewerten. Dazu wird eine qualitative und quantitative Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt werden, um Rückschlüsse auf eine ökonomische Optimierung einer HRS zu erhalten.
Der halbjährlich tagende projektbegleitende Ausschuss, bestehend aus zahlreichen Unternehmen aus den verschiedenen Bereichen der Wasserstoff- und Tankstellentechnik sowie Tankstellenbetreiber, steht den beiden Forschungseinrichtungen beratend zur Seite. Dass an dem Modell bereits großes Interesse besteht, sieht Roes an den mehr als 15 Unternehmen, aus denen der projektbegleitende Ausschuss besteht. Die Experten rechnen künftig mit einer mittleren vierstelligen Anzahl an Wasserstofftankstellen – die Lkw-Betriebstankstellen noch nicht mit eingerechnet. Europaweit seien einige 10.000 zu erwarten.
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