Aufbau einer Wasserstofftankstelle

Welche Bedeutung und Vorteile bietet Wasserstoff für die Mobilität der Zukunft?

Autoren: Nancy Kolb und Robin Neuber

Deutschland befindet sich aktuell in einem Transformationsprozess hin zur Dekarbonisierung und Klimaneutralität, wobei per Gesetz die Netto-Treibhausgasneutralität bis zum Jahr 2045 angestrebt wird. Eine der Technologien, die die Automobilindustrie revolutionieren wird, sind Fahrzeuge, die statt mit fossilen Brennstoffen mit Wasserstoff betrieben werden. Wird der Wasserstoff über erneuerbare Energien mittels Wasserelektrolyse hergestellt, ist die CO2-freie Bereitstellung von grünem Wasserstoff möglich. Während batteriebetriebene Fahrzeuge (battery electric vehicles - BEVs) sich eher für kurze Distanzen und leichtere Fahrzeuge eignen, haben Brennstoffzellenfahrzeuge, die mit Wasserstoff betankt werden (fuel cell electric vehicles - FCEVs), den großen Vorteil kürzerer Betankungszeiten, Gewichtseinsparungen und längerer Reichweite.

Damit sich diese Technologie flächendeckend etablieren kann, ist es nötig, ein Netz aus Wasserstofftankstellen aufzubauen. Dabei sollte die bestehende Tankstelleninfrastruktur bestmöglich auf die Betankung von gasförmigem Wasserstoff umgebaut oder erweitert werden.

Der nennenswerte Unterschied besteht im Aggregatzustand: Wasserstoff ist im Gegensatz zu Benzin- oder Dieselkraftstoffen gasförmig und nicht flüssig. Das bedingt, dass der Aufbau einer Wasserstofftankstelle und das Handling des Gases etwas aufwändiger ist, als der Transport und das Vorhalten flüssiger Kraftstoffe.

Aus welchen Komponenten eine Wasserstofftankstelle (hydrogen refueling station - HRS) besteht und wie die Betankung von Wasserstoffautos funktioniert, möchten wir Ihnen in diesem Beitrag näherbringen.

Wie funktioniert eine Wasserstofftankstelle und wie ist der Aufbau einer Wasserstofftankstelle?

Der Aufbau einer Wasserstofftankstelle lässt sich vereinfacht in 3 Kategorien unterteilen:

• Anlieferung - über eine Pipeline, über Trailer & Wechselbrücken oder Erzeugung durch einen Elektrolyseur vor Ort

• Handling & Speicherung - Verdichtung und Speicherung des Wasserstoffs innerhalb der HRS

• Betankung - Kühlung und Überströmen des Wasserstoffs in den Fahrzeugtank

Anlieferung - Wie kommt der Wasserstoff zur Tankstelle?

Zunächst wird der Wasserstoff über eine Pipeline oder einen Trailer (LKW) zu der HRS angeliefert bzw. über einen Elektrolyseur vor Ort hergestellt.

Die Schnittstelle zwischen Wasserstoffquelle und HRS bildet das H2-Versorgungsterminal. Hier wird die Wasserstoffversorgung an die Tankstelle angeschlossen. Über einen oder mehrere Verdichter wird der Wasserstoff dann angesaugt.

Aber warum ist es überhaupt nötig, den Wasserstoff noch weiter zu verdichten, wenn er schon mit 200, 300 oder 500 bar an der HRS angeliefert wird?

Das liegt am Prinzip des Überströmens: Die an der HRS zu betankenden FCEVs besitzen einen fahrzeuginternen H2-Tank. Um diesen mit Gas zu befüllen, ist auf Seiten der HRS ein höherer Druck erforderlich. Dieser höhere tankstellenseitige Druck kann über Druckspeicher bereitgestellt werden, in welchen komprimierter Wasserstoff für die Betankung vorgehalten wird. Durch einen Druckunterschied bzw. das Druckgefälle findet ein Überströmen des Wasserstoffs vom höheren tankstellenseitigen Druck zum niedrigeren fahrzeugseitigen Druck statt, was als sogenanntes Überströmprinzip bezeichnet wird. Zur Befüllung von 700 bar Fahrzeugen ist es üblich in den Hochdruckspeichern der Tankstelle ein Druckniveau von bis zu 1.000 bar vorzuhalten.

Handling & Speicherung - Was passiert mit dem Wasserstoff innerhalb der Tankstelle?

Die Verdichter reduzieren das Volumen des Wasserstoffs um ca. 90 %, damit in einem Wasserstoffauto ähnlich viel Energie gespeichert werden kann, wie in einem Benzinauto. Damit genug Wasserstoff für die Fahrzeuge vorgehalten werden und die Betankung schnell vonstattengehen kann, wird der Wasserstoff im nächsten Schritt in einem Kaskaden-Speichersystem zwischengespeichert. Dieses besteht oftmals aus einer Niederdruck- (ND), Mitteldruck- (MD) und Hochdruck (HD)-Stufe.

Eine Druckstufe baut sich wie in dem Bild oben dargestellt aus mehreren Speicherbänken auf. Innerhalb der Speicherbänke befinden sich die Speichereinheiten. Die Speichereinheit bildet die kleinste Volumeneinheit des Speichersystems. Sie definiert den Speichertyp und damit die physikalischen Eigenschaften des Speichers. Bei einer Speichereinheit kann es sich zum Beispiel um einen einzelnen Druckgaszylinder handeln. Die Speichereinheiten innerhalb einer Speicherbank werden parallel zusammengeschlossen. Innerhalb der Speicherbank besitzen alle Speichereinheiten somit den gleichen Druck.

Das Drucksystem macht einen großen Anteil der Investitionskosten aus, weil Speicher teuer sind. Aus diesem Grund ist die Optimierung des Speichersystems besonders wichtig. Die Tankstelle sollte aus kostentechnischen Gründen so wenig Speicher besitzen wie möglich. Für eine leistungsfähige Tankstelle (z.B. hohe Back-to-Back Anforderung) sollten aber gleichzeitig so viel Speicher wie nötig geplant werden.

Betankung - Wie funktioniert das Tanken an einer Wasserstofftankstelle?

Der Wasserstoff überströmt vom Speichersystem über den Chiller und den Dispenser in das FCEV.

Wieso wird ein Chiller für die Betankung benötigt?

Sowohl bei der Verdichtung als auch beim Überströmen treten Erwärmungseffekte auf. Um eine Überhitzung des fahrzeuginternen H2-Tanks zu vermeiden, wird das Gas während der Betankung entsprechend der Norm SAE J2601 auf bis zu minus 40 °C abgekühlt. Die Grenztemperatur des Fahrzeugtanks liegt bei 85 °C. Da die Grenztemperatur die maximal zulässige Temperatur kennzeichnet, bei der der Wasserstoff gefahrlos gehandhabt werden kann, muss beim Erreichen der 85 °C die Betankung unterbrochen werden. Ohne vorherige Kühlung würde dieser Fall recht schnell eintreten und deshalb wird der Wasserstoff durch einen Chiller vorgekühlt. Praktisch ist, dass Edgar HRS die Einhaltung dieser Vorschrift für Wasserstofftankstellen (SAE J2601) automatisch sicherstellt.

Was ist ein Dispenser und welche Arten von Dispensern gibt es?

Dispenser entsprechen einer Wasserstoff-Zapfsäule, ausgestattet mit viel mehr Technik. Bei Wasserstofftankstellen werden 2 Arten unterschieden: 350 bar- und 700 bar-Dispenser. Es haben sich das 350 bar Betankungssystem für schwere Fahrzeugklassen (u.a. Busse, Lkw etc.) und das 700 bar Betankungssystem für leichte Fahrzeugklassen (u.a. Pkw) in der Praxis etabliert. Diese Unterscheidung ist auf die Kosten des H2-Fahrzeugtanks, den verfügbaren Fahrzeugbauraum und das zulässige Fahrzeuggewicht zurückzuführen. Wasserstofftankstellen für LKW in Deutschland sind aktuell also meist mit 350 bar-Dispensern ausgestattet. Wasserstoff-Dispenser können aber ebenfalls neben weiteren Kraftstoffzapfsäulen in bestehende Tankstellen integriert werden.

Was im Zusammenhang mit Dispensern auch interessant ist: Sie sind intelligent aufgebaut und überwachen den Tankvorgang elektronisch. Sollte es eine Störung geben, wird der Treibstoff in ca. 3 Minuten sicher und kontrolliert abgelassen.

Wie viel kg Wasserstoff können in PKW & LKW getankt werden und wie hoch ist der typische H2-Verbrauch dieser Fahrzeuge?

Bei einer Betankung strömen typischerweise 5 bis 6,5 kg Wasserstoff in den H2-Speicher eines PKW. Der typische H2-Verbrauch bei PKW liegt bei ~ 1 kg/100km.

Die typische Tankgröße von Wasserstoffbussen und -trucks mit 350 bar liegt zwischen 20 bis zu 43 kg Wasserstoff. Sie verbrauchen etwa 8,5 bis 10,5 kg Wasserstoff pro 100 km Fahrstecke. Damit schwere Nutzfahrzeuge in Zukunft Reichweiten von 800 bis 1.000 km schaffen können, sind Fahrzeughersteller bestrebt LKW mit dem höheren Druckniveau von 700 bar anzubieten. Dann wäre es möglich Tankvolumina anzubieten, die 80 bis 120 kg Wasserstoff speichern können.

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Weitere Fragen im Zusammenhang mit Wasserstofftankstellen:

Wie viele Wasserstofftankstellen gibt es aktuell in Deutschland und wie viele sind geplant?

Insgesamt wurden schon 88 Wasserstofftankstellen eröffnet und 19 weitere Wasserstofftankstellen sind geplant (Stand 12.03.2024).

Sie wollen erfahren, ob es schon Wasserstofftankstellen in der Nähe gibt?

Genaue Angaben über Standorte und eine Karte mit Wasserstofftankstellen in Deutschland und Europa finden Sie unter folgendem Link: [h2.live]