HyTra - mobile Wasserstoffinfrastruktur

Idee

Prototyp der HyTra, entwickelt vom Fraunhofer IVI Dresden.

Wasserstoff gilt als ein möglicher Energieträger für den Verkehr von Morgen. Sein Potenzial zur nahezu schadstofffreien Umsetzung in Brennstoffzellen oder konventionellen Motoren sowie die mögliche CO2-neutrale Herstellung durch den Einsatz regenerativer Energien bilden die Grundlage für ein zukunftsweisendes und nachhaltiges Mobilitätskonzept. Um jedoch eine Marktdurchdringung der Brennstoffzellentechnologie gewährleisten zu können, muss eine flächendeckende Wasserstoffinfrastruktur aufgebaut werden. Deshalb werden parallel zu den Entwicklungsaktivitäten in der Fahrzeugindustrie weit reichende Forschungs- und Demonstrationsprojekte zum Aufbau eines H2-Tankstellennetzes durchgeführt.

Verschiedene Flotten wasserstoffgetriebener Fahrzeuge werden bereits im öffentlichen Verkehrsraum getestet. Derzeit fehlt es in Deutschland und Europa allerdings an einer geeigneten Infrastruktur. Für Testaktivitäten ist eine flexible und sichere Versorgung auch in Regionen ohne direkten Zugang zu Wasserstofftankstellen notwendig. Momentan wird diese Versorgungslücke durch die Gasanbieter geschlossen, die eine Betankung aus angelieferten Flaschenbündeln sicherstellen.

Die HyTra vom Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI wurde konzipiert als eine neue, hochflexible Alternative zu stationären H2-Erzeugungsanlagen

Konzept

Verfahrensfließbild des HyTra-Konzepts

Verfahrensfließbild des HyTra-Konzepts

HyTra steht für Hydrogen Transform, Transfer & Transport. Das Konzept beruht auf der Kombination von Wasserstoff-Erzeugung, -Speicherung und -Bereitstellung in einem Anhänger. Damit ist die HyTra eine mobile Erzeugungseinheit und Tankstelle in einem.

Der Anhänger kann mit Hilfe eines Zugfahrzeugs zu verschie- denen Orten befördert werden und erzeugt dort mittels Elektrolyse aus Strom und Wasser gasförmigen Wasserstoff. Ein Kompressor fördert das Gas in einen internen Drucktank und komprimiert es auf den Betankungsenddruck. Die Vertankung erfolgt nach dem Überströmprinzip über eine flexible Hochdruckleitung mit standardisierter H2-Tankkupplung. Ein umfassendes Sicherheitskonzept garantiert eine einfache Bedienung und einen sicheren Betrieb. Der Transport wird im entleerten Zustand vorgenommen und stellt somit keinen Gefahrguttransport dar. Der Betrieb der HyTra kann vollautomatisch und ohne Überwachung durch Personal erfolgen. Am Aufstellungsort muss als Versorgungsstruktur lediglich ein elektrischer Hausanschluss sowie eine Wasserversorgung bereitgestellt werden.

Dieses Konzept ermöglicht maßgeschneiderte Infrastrukturlösungen für Testkampagnen verschiedener Wasserstofffahrzeuge. Dabei können Größe und Leistungsparameter der eingebauten Komponenten (Elektrolyseur, Kompressor und Vorratsspeicher) an den erforderlichen Betankungsbedarf individuell angepasst werden. Weiterhin bietet die HyTra die Möglichkeit, Wasserstoff für Veranstaltungen oder Präsentationen von Testfahrzeugen kurzfristig bereitzustellen.

Prototyp

Betankung der AutoTram

Für eine standortunabhängige Versorgung des brennstoffzellenbetriebenen Erprobungsfahrzeugs AutoTram wurde am Fraunhofer-Institut in Dresden ein erster HyTra-Prototyp aufgebaut. Der Prototyp stellt gasförmigen Wasserstoff mit einem Druckniveau von 200 bar zur Verfügung. Der hochreine Wasserstoff wird in einem internen Drucktank mit 600 l Speichervolumen bevorratet. Bei einem Betankungs- vorgang können so maximal acht Kilogramm Wasserstoff getankt werden.
 

Die Erzeugung und Betankung erfolgt in sechs Arbeitsschritten:

1: Entionisierung von Leitungswasser in einer Wasserentsalzungsanlage. Die Entsalzung wird über zwei in Reihe geschaltete Entsalzerpatronen gewährleistet. Aufgrund der begrenzten zulässigen Maximaltemperatur ist der Entsalzer in einem temperierten Raum untergebracht.

2: Erzeugung von hochreinem Wasserstoff im Wasserstoff- generator. Als Generator dient ein Hogen 40 Series 1 Elektrolyseur der Firma Proton Energy Systems. Der Generator arbeitet mit der PEM-Technik bei einer Produktionsrate von einem Normkubikmeter pro Stunde bei einem maximalen Druckniveau von 13 bar. Die Qualität des erzeugten Wasserstoffs beträgt 5.0. Der damit erreichte Reinheitsgrad von 99,999 % erfüllt die üblichen Anforderungen von Brennstoffzellensystemen im Automobilbereich. Um Schäden durch zu niedrige Temperaturen zu verhindern, ist der Elektrolyseur in einem temperierten Raum untergebracht.

3: Speicherung von Wasserstoff im Zwischenspeicher. Der Speicher dient der Zwischenlagerung und der Trocknung des erzeugten Wasserstoffs. Er ist direkt mit dem H2-Generator verbunden. Ein Rückschlagventil verhindert das Rückströmen von Wasserstoff in den Generator.

4: Verdichtung von Wasserstoff und Befüllen des internen Drucktanks. Ein Kompressor dient zur Verdichtung des Wasserstoffs auf maximal 200 bar und zur nachfolgenden Einspeisung in den internen Drucktank. Der Kompressor geht bei einem Druck auf der Niederdruckseite zwischen 1,0 und 4,5 bar automatisch in Betrieb. Bei Erreichen des maximalen Drucks auf der Hochdruckseite schaltet er sich automatisch ab. Der Gasausgang ist durch eine integrierte Berstscheibe gegen Überdruck gesichert. Im Berstfall (230 bar ± 5 %) entweicht kein Gas in die Atmosphäre sondern verbleibt innerhalb des Kompressors.

5: Lagerung von verdichtetem Wasserstoff im internen Druck- tank. Der Tank besteht aus einem Gasflaschenbündel mit zwölf 200-bar-Druckgasflaschen. Sein Speichervolumen beträgt 600 l. Ein Sicherheitsventil sichert den Tank gegen zu hohe Drücke. Um ein Rückströmen des Wasserstoffs in den Kompressor zu verhindern, ist die Zuleitung mit einem Rückschlagventil ausgestattet.

6: Betankungsvorgang. Die Betankung von Fahrzeugen erfolgt nach dem Überströmprinzip ohne zwischengeschalteten Kompressor. Als Tankkupplung kommt die standardisierte TK15 der Firma WEH zum Einsatz. Eine Abreißsicherung verhindert einen Gasaustritt bei ungewollter Trennung von Tankanschluss und Tankschlauch.

Sicherheit

Interner Drucktank des HyTra-Prototyps

Das umgesetzte Explosionsschutzkonzept beruht auf der Vermeidung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre. Dafür ist die HyTra in verschiedene explosionsionsgefährdete Bereiche (Zonen) eingeteilt. Der Elektrolyseur wird in einem geschlossenen Raum installiert. Durch eine redundant überwachte Ventilation mit einer Luftwechselrate von knapp 100 pro Stunde wird die Bildung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre verhindert. Zwischenspeicher und Kompressor sind in einem natürlich belüfteten Bereich platziert. In Bereichen, in denen eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre nicht vollständig ausgeschlossen werden kann, sind generell keine Zündquellen vorhanden.

Zahlreiche Sensoren überwachen Wasserstoffkonzentration, Systemdruck, Temperatur und Ventilation in verschiedenen Bereichen. Der Betriebsablauf schließt eine Inbetriebnahme bei Unter- und Überschreiten der jeweiligen Grenzwerte aus. Akkumulatoren sorgen bei einer Unterbrechung der externen Stromversorgung für ein Aufrechterhalten der Wasserstoffüberwachung. Jede Abweichung vom Regelbetrieb wird über Detektoren registriert und führt zur sofortigen und sicheren Abschaltung der HyTra. Gleichzeitig sendet das System über ein GSM-Modul eine SMS an den Betreiber.

Die HyTra wurde nach § 14 der Betriebssicherheitsverordnung durch den TÜV-Süd abgenommen. Sie stellt eine Füllanlage im Sinne der Betriebssicherheitsverordnung dar.  

Technische Kenndaten:

  • Basisfahrzeug: Tandemachsanhänger
  • Spannungsversorgung: 400 V / 3-ph / 63 A
  • Leistungsaufnahme: durchschnittlich 9 kW
  • Trinkwasseranschluss: 1,0 - 4,5 bar; Verbrauch 0,9 l/h
  • zulässiges Gesamtgewicht: 2,8 t
  • Gesamtlänge: 5,9 m (Transport mit Kleintransportern möglich)