Wasserstoff gilt als alternativer Kraftstoff für die Mobilität der Zukunft. Um ihn nutzen zu können, muss er im gasförmigen Zustand in speziellen Hochdrucktanks gespeichert werden. Diese sind aus Kohlefaser gefertigt und unterliegen strengen Prüfkriterien. So schreibt die EU-Regelung UN R134 vor, dass jeder 200ste produzierte Tank 22.000 Betankungszyklen durchlaufen muss. Der dafür erforderliche Energieaufwand ist enorm, da der Tank unter Hochdruck gesetzt und wieder entlastet werden muss – und das eben 22.000 Mal.
„Setzt sich Wasserstoff als zusätzlicher alternativer Kraftstoff in der Mobilität durch, steigt auch der Bedarf an Wasserstofftanks. Man kann sich leicht vorstellen, wie Stromverbrauch und Energiekosten für das Testen der Tanks dann explodieren“, sagt Karl Fischereder, Geschäftsführer von Dorninger Hytronics. In Zusammenarbeit mit dem Linz Center of Mechatronics (LCM) hat er ein patentiertes Verfahren entwickelt, das rund 80 Prozent Energie und damit Tausende Tonnen CO2 spart, sowie den Material- und Rohstoffbedarf drastisch senkt. Damit sinken auch die Kosten des Prüfverfahrens enorm.
Festkörperkugeln und Wasser
Und so funktioniert es: Normalerweise werden die Hochdrucktanks im Konstantdruckverfahren geprüft. Für einen typischen Tank mit 350 Litern Fassungsvermögen sind bei 22.000 Zyklen rund 8.900 kWh Strom nötig. Dabei werden mehr als vier Tonnen CO2 ausgestoßen und es entstehen Kosten in Höhe von 1.780 Euro bei einem Strompreis von 20 Cent je kWh. Dorninger Hytronics hat ein Verfahren mit rückspeisefähigen Servopumpen entwickelt, bei dem die Tanks zu 100 Prozent mit Wasser gefüllt werden.
„Schon diese Methode benötigt um 50 Prozent weniger Energie“, erklärt Fischereder. „Zusätzlich ersetzen wir beim neuen patentierten Verfahren einen Teil des Wassers durch Festkörperkugeln. Das Füllmaterial besteht nur mehr zu 37 Prozent aus Wasser, das verdichtet werden muss. Der Energiebedarf sinkt dadurch erneut um 63 Prozent.“ Insgesamt spart die Methode somit rund 80 Prozent Energie im Vergleich zu den bisher auf dem Markt verfügbaren Testständen. Außerdem kann das Füllmaterial für die nächste Prüfung wiederverwendet werden.
Doch damit nicht genug. Das patentierte System ist rückspeisefähig. Beim Beladen des zu prüfenden Tanks wird dem System hydraulische Energie zugeführt. Der Antrieb der Servopumpe arbeitet dabei als Motor und bezieht dafür Strom aus dem Netz. „Wenn der Tank wieder entladen wird, kehrt sich die Drehrichtung des Antriebs um, er wird zum Generator. Dieser entnimmt die hydraulische Energie, wandelt sie in elektrische Energie um und führt sie ins Stromnetz zurück“, erläutert Fischereder. So benötigt das patentierte Dorninger-Hytronics-Verfahren für 22.000 Prüfzyklen lediglich 1.780 kWh. Das entspricht 20 Prozent des Energieaufwands für die Prüfung im Konstantdruckverfahren, es werden nur 0,8 t CO2 ausgestoßen und die Kosten betragen nur 356 Euro.
Kompakter, sicherer Prüfstand
Das von Dorninger Hytronics entwickelte Prüfverfahren bietet noch weitere Vorteile. Der Antrieb benötigt weniger Stromleistung, dadurch sinken die Installations- und Betriebskosten. Auch der Energieaufwand für die Kühlung des hydraulischen Systems ist geringer. Darüber hinaus wird der Prüfvorgang sicherer. Durch das geringere Volumen des Prüfmediums sind die Auswirkungen auf den Prüfstand weniger gravierend, sollte ein Tank bei der Prüfung versagen. Dies erhöht die Arbeitssicherheit am Prüfstand, reduziert die erforderlichen baulichen Schutzeinrichtungen und ermöglicht den Bau eines serientauglichen, kompakten Prüfstands.
Der Geschäftsführer rechnet vor: „Würden alle im Jahr 2025 weltweit produzierten Wasserstofftanks mit dem neu entwickelten Prüfstand geprüft, könnten verglichen mit einem Konstantdrucksystem 326 GWh Strom, 146.700 t CO2 und 65,4 Millionen Euro an Energiekosten eingespart werden.“ Denn das herkömmliche System benötigt für das Prüfen von 45.000 Tanks 400 GWh Strom, stößt 180.000 t CO2 aus und verursacht Energiekosten in Höhe von 80 Millionen Euro. Das neue, patentierte Dorninger-Hytronics-Verfahren benötigt für 45.000 Tanks hingegen nur 74 GWh Strom, stößt nur 33.300 t CO2 aus und kostet somit nur 14,8 Millionen Euro. Es können somit 80 Prozent der Kosten eingespart werden.
Da die Entwicklung des neuen Verfahrens mit erheblichem Aufwand und hohen Kosten verbunden war, wandte sich Dorninger Hytronics an die oberösterreichische Standortagentur Business Upper Austria. Patentrechtsexperte Udo Gennari führte eine Patentrecherche durch und fand keine Patente für vergleichbare Verfahren. Daher wurde das Prüfverfahren nach Dorninger Hytronics beim österreichischen Patentamt angemeldet. Die Förderexperten Florian Winner und Juliane Rieger unterstützten bei der Erstellung und Einreichung des Förderantrags. Das Projekt erhielt schließlich eine sechsstellige Summe aus dem Basisprogramm der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG.
Prüfung steigert Sicherheit von Wasserstoffspeichern
Das Team der Standortagentur vermittelte auch zum Forschungspartner Linz Center of Mechatronics. „Über das Enterprise Europe Netzwerk EEN führten wir außerdem ein Inno-lyze-Assessment durch und erarbeiteten Verbesserungsmöglichkeiten im Innovationsmanagement bei Dorninger Hytronics“, schildert Florian Winner.
Dorninger Hytronics-Geschäftsführer Karl Fischereder rät: „Die Zusammenarbeit mit Business Upper Austria und der FFG war perfekt. Wenn Sie etwas entwickeln wollen, das nicht zu Ihrem Alltagsgeschäft gehört, empfehle ich ein solches gefördertes Forschungsprojekt. Davon profitieren auch größere Unternehmen. Von Business Upper Austria haben wir äußerst professionelle Unterstützung erhalten.“
„Mit dem völlig neu entwickelten Verfahren steht eine serienreife Lösung bereit. Weltweit gibt es bislang lediglich Prototypen. Sobald die Automobilindustrie verstärkt auf den Wasserstoffantrieb setzt, werden wir mit unserem Prüfverfahren in Serie gehen“, kündigt Fischereder an.
