Wasserstoff: Antriebe, Speicherung und Erzeugung

Mit Wasserstofftechnologien zu einer nachhaltigen Mobilität und Verfahrenstechnik

Für eine klimaneutrale Mobilität, eine zukunftsfähige Energiewirtschaft und eine nachhaltige chemische Industrie gelten Wasserstofftechnologien als wegbereitend. Am Fraunhofer ITWM gibt es vielfältige Kompetenzen zur Modellierung, Simulation und Optimierung entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Wasserstofftechnologie. Dies umfasst die Themen der Erzeugung, der Speicherung, der Verteilung und insbesondere auch deren Nutzung als alternative Antriebssysteme wie auch mobiler Energiespeicher. Im Projekt TPC-H2-Storage – Wasserstofftechnologien arbeitet das Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe IVW an einer großserienfähigen Wasserstoffspeicher- und -transporttechnologie.

Die Forschungsarbeiten im Leistungszentrum fokussieren folgende Schwerpunkte:
 

Wasserstoffbasierte Antriebssysteme

  • Analyse und Optimierung wasserstoffbasierter Antriebskonzepte hinsichtlich Energieeffizienz, Reichweiten und Infrastrukturbedarf
  • Simulation von Kabeln, Schläuchen und insbesondere auch wasserstoffführender Leitungen
  • Befüllen und Entleeren von Wasserstofftanks
     

Wasserstofferzeugung, -speicherung und -verteilung

  • Elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff, insbesondere bei Fluktuationen in der Verfügbarkeit von grünem Strom
  • Neue Speichermedien in Form von Flüssigkeiten, in denen Wasserstoff als Gas eine hohe Löslichkeit hat
  • Software für das Management von Kundensystemen, die ihre Energie aus verschiedenen Quellen beziehen
  • Simulation von Verteilungsnetzen
     

Wasserstoffspeicherung und Wasserstofftransport

Aktuelle metallische Lösungen für Wasserstoffspeicherung und -transport sind für mobile Anwendungen zu schwer und verfügbare Leichtbaulösungen aus verstärkten duroplastischen Kunststoffen sind nicht ausreichend großserienfähig. Daher realisiert das IVW eine geeignete Infrastruktur für die Entwicklung großserienfähiger Wasserstoffspeicher- und -transporttechnologien auf Basis von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen auf.
 

Intensive Vernetzung im Leistungszentrum

Das Fraunhofer ITWM arbeitet im Transferzentrum 2: »Mobilität« mit verschiedenen Lehrstühlen im Maschinenbau und der Mathematik an der RPTU Kaiserslautern, der Hochschule Kaiserslautern und mit der Fahrzeugindustrie zusammen sowie im Transferzentrum 1: »Verfahrenstechnik/Chemie« mit der Mathematik und der Verfahrenstechnik an der RPTU Kaiserslautern und der chemischen Industrie. Die Forschungsarbeiten des IVW sind im F&E-Lab 1: »Digiale Zwillinge« verortet.

Projekte und Entwicklungen

HyCoVe – Die Region wasserstoffbasierter Nutzfahrzeugmobilität

HyCoVe (Hydrogen-based Commercial Vehicles) ist der Ansatz des Commercial Vehicle Clusters, um Systeminnovationen für wasserstoffbetriebene Nutzfahrzeuge umzusetzen. 

Das Ziel: Technologiewandel durch einen Perspektivenwechsel von isolierten Einzelvorhaben zu systemisch vernetzten Ansätzen.

In einem regional begrenzten Ansatz soll ein Business-Eco-System entstehen, in dem wasserstoffbetriebene Nutzfahrzeuge entwickelt, unter realen Einsatzbedingungen erprobt, produziert und von Endkunden erfolgreich eingesetzt werden können.

TPC-H2-Storage – Wasserstofftechnologien

Aktuelle metallische Lösungen für Wasserstoffspeicherung und -transport sind für mobile Anwendungen zu schwer und verfügbare Leichtbaulösungen aus verstärkten duroplastischen Kunststoffen sind nicht ausreichend großserienfähig. Daher soll im Projekt »TPC-H2-Storage« am Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe IVW eine geeignete Infrastruktur und grundlegendes Wissen für die Entwicklung großserienfähiger Wasserstoffspeicher- und -transporttechnologien auf Basis von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen realisiert werden.

 

Strömungssimulation mit MESHFREE

Mit der Software MESHFREE steht ein Strömungssimulationstool zur Verfügung, das insbesondere für klassische Betankungsvorgänge etabliert ist. In Verbindung mit der jeweiligen Speichertechnik (Hochdrucktanks, Metallhybridspeicher) kann diese auf die Wasserstoffbetankung angewendet werden.

 

Simulation von wasserstofführenden Leitungen

Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren ändern sich bei H2-basierten Antriebskonzepten verschiedene Systemparameter. Bei H2-basiertem Antrieb ist die Vermeidung von H2-Leckage wichtig. Dazu werden Leitungen aus speziellen Materialien eingesetzt, die gegen Schädigung durch dynamischen Lasteintrag im Betrieb bestmöglich abgesichert werden müssen.

 

Green by IT

Für das Management von Kundensystemen, die ihre Energieversorgung aus verschiedenen Quellen beziehen wird im Schwerpunkt Green by IT am ITWM seit Jahren Methoden und Software entwickelt.  Prinzipielles Ziel ist dabei, die fluktuierende Produktion der erneuerbaren Energien zu managen. Dabei werden neben Brennstoffzellen plus Batterie das E-Auto und auch die Photovoltaik mitberücksichtigt. 

 

Simulationssoftware VMC® und U·Sim

Zur Optimierung wasserstoffbasierter Antriebskonzepte kann der Einfluss konkreter Einsatzszenarien unter Berücksichtigung von Geographie, Verkehr, Fahrweise und Fahrzeugkonfiguration mit den Tools VMC® und U·Sim detailliert simuliert, bewertet und optimiert werden.

 

Wasserstoffelektrolyse durch Simulation besser verstehen

Eine Zelle besteht unter anderem aus zwei metallischen Platten (Bipolarplatte) und einer Membran. Ganz entscheidend für die Leistung der Zelle ist die Strömungsdynamik der Bipolarplatte. Im Rahmen des Projektes »H2-D – Eine Wasserstoffwirtschaft für Deutschland« versuchen wir die Zelle so zu gestalten, dass der entstehende Sauerstoff ausreichend schnell abgeleitet wird, um die Zelle effizienter zu machen.

 

Optimierung der Gasdiffusionsschicht zum Einsatz in PEM-Brennstoffzellen

Ziel des Forschungsverbunds OPTIGAA ist es, das rechnergestützte Design von Brennstoffzellen zu ermöglichen.

 

AMMONPAKTOR

Im vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderten Projekt »Nutzung von Ammoniak als kohlendioxidfreien Wasserstoffspeicher für die dezentrale Bereitstellung von Wasserstoff – Entwicklung eines innovativen kompakten Reaktorkonzeptes« (AMMONPAKTOR) versuchen Experten das Potenzial von Ammoniak als Wasserstoffspeicher auszuloten.