LH2-Flatlight: Ganzheitliche Konzeptentwicklung flacher Leichtbau-Tanks zur Flüssigwasserstoffspeicherung
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind aufgrund ihres hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht die bevorzugte Wahl zur Herstellung der tragenden Hülle von Wasserstofftanks. Heutige Tanks für gasförmigen, komprimierten Wasserstoff sind meistens kugelförmig oder zylindrisch. Diese Geometrien führen zu Einschränkungen zukünftiger Fahrzeugarchitekturen.
Zielsetzung des Projektes LH2-Flatlight ist die Entwicklung flacher und leichter thermoplastisch faserverstärkter Tanks zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff. Mit einem flachen Tank ist es z.B. möglich, den Wasserstoff im Unterboden des Fahrzeugs zu speichern, ohne Stauraum zu verlieren. Dazu wurden zunächst verschiedene Designkonzepte (Abb. 1) analysiert und bewertet. In einem ersten Schritt erfolgte eine Grobstrukturierung der Konzepte auf Basis vorgegebener Rahmenbedingungen und konstruktiver Vorgaben. Anschließend wurde die vielversprechendste Variante detailliert ausgearbeitet und mittels FEM (Finite Elemente Methode) strukturell untersucht (Abb. 2). Das finale Konzept basiert auf gewickelten Rechteckprofilen, die flächig verschweißt und mit pultrudierten Abschlussprofilen versehen werden. Die Domkappe wird im Spritzgussverfahren mit einem innenliegenden Kohlenstofffaser-Einleger hergestellt. Schlussendlich wird dieser innere Aufbau nochmals längs und quer umwickelt, um dem Innendruck von 20 bar standzuhalten.
Die Speicherung von Wasserstoff unter kryogenen Bedingungen stellt hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien. Insbesondere die starken Temperaturschwankungen - von ca. -250 °C bei der Befüllung bis zu +70 °C im Betrieb - setzen die Werkstoffe erheblichen Belastungen aus. Diese extremen Bedingungen können die Bildung von Mikrorissen begünstigen und bei wiederholten Lastwechseln zu Leckagen und damit zum Versagen des Tanks führen. Daher ist die Charakterisierung des Werkstoffverhaltens bei tiefen Temperaturen von großer Bedeutung. Vor allem das Ausbeulen der inneren Kammern durch den Innendruck (vergleichbar mit einer 3-Punkt-Biege-Belastung) ist ein wichtiger Lastfall. (Abb. 3).
Zur Untersuchung der Materialeigenschaften wurden des Weiteren spezialisierte Messmethoden eingesetzt - darunter am Institut bereits vorhandene Verfahren wie die Röntgenmikroskopie sowie eine im Rahmen des Projekts neu angeschaffte Permeationsmesszelle. Diese Methoden ermöglichen eine gezielte Analyse der Mikrorissbildung sowie der Wasserstoffpermeationsbeständigkeit der verwendeten Werkstoffe.
Das Projekt LH2-FlatLight wird vom Land Rheinland-Pfalz über das Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit gefördert
(Förderkennzeichen 724-0027#2023/0003-1501 15404).
