Modellbasierte Untersuchung des Thermomanagements von Metallhydrid-Verdichtern für Wasserstoff-Tankstellen

In Zeiten der spürbaren Auswirkungen des Klimawandels gewinnt die Energiewende hin zu umweltfreundlichen Energieträgern an Bedeutung. Die Nutzung von Wasserstoff ist eine Möglichkeit der Verwirklichung einer solchen Energiewende. Werden erneuerbare Energien für die Elektrolyse von Wasser eingesetzt, lässt sich Wasserstoff umweltfreundlich produzieren. Auch die Anwendung von Wasserstoff kann umweltfreundlich erfolgen. Insbesondere der Transportsektor mit einem hohem Anteil an klimaschädlichen Emissionen bietet Potential einer Anwendung. In Brennstoffzellen lässt sich Wasserstoff schadstofffrei zum Antrieb von Elektromotoren nutzen. Im Gegensatz zu batterieelektrischen Fahrzeugen sind aufgrund der hohen Energiedichte von Wasserstoff lange Strecken ohne Unterbrechung zur Betankung und kurze Betankunsgzeiten möglich [1].
Wasserstoff wird in Brennstoffzellen-Fahrzeugen (engl.: Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) üblicherweise in Druckgastanks mit einem hohen Druck von 700 bar gespeichert [2, 3]. Um diesen hohen Druck zu erreichen, wird Wasserstoff vor der Betankung an einer Tankstelle verdichtet. Die Verdichtung von Wasserstoff hat einen hohen Stellenwert in der gesamten Wasserstoff-Infrastruktur. An einer Wasserstoff-Tankstelle weist der Verdichter den höchsten Energiebedarf auf [4].
Üblicherweise werden Kolbenverdichter für die Verdichtung an Wasserstoff-Tankstellen eingesetzt [5]. Diese mechanischen Verdichter weisen einige Nachteile auf. Abgesehen von hohen Investitionskosten sind sie mit einer Vielzahl an bewegten Teilen potentiell wartungsanfällig und unzuverlässig. Außerdem besitzen sie einen hohen Platzbedarf [3, 6, 7]. Metallhydrid-Verdichter können eine Alternative darstellen. Diese gelten als kompakt, sicher und zuverlässig. Darüber hinaus weisen sie im Vergleich geringere Investitionskosten auf [8].
Metallhydrid-Verdichter sind thermische Verdichter. Dies bedeutet, dass die Verdichtung mit der Zu- und Abfuhr von Wärme erfolgt. Ein Metallhydrid entsteht bei der exothermen Reaktion einer Metallverbindung mit Wasserstoff. Während dieser so genannten Absorption wird also Wärme frei, deren Abfuhr für eine fortlaufende Reaktion nötig ist. Für die Desorption ist eine erneute Zufuhr von Wärme notwendig. Metallhydride weisen die Eigenschaft auf, dass die Ab- beziehungsweise (bzw.) Desorption je nach Temperatur auf unterschiedlichen Druckniveaus erfolgt. Für eine Verdichtung mit Metallhydriden wird Wasserstoff zunächst unter Wärmeabgabe absorbiert. Anschließend erfolgt eine Wärmezufuhr zur Erwärmung des Metallhydrids, um eine höhere Temperatur und damit ein höheres Druckniveau zu erreichen. Schließlich ist eine Wärmezufuhr zur Desorption des Wasserstoffs auf dem hohen Druckniveau nötig. Um die hohen Drücke der Anwendung an einer Wasserstofftankstelle zu erreichen, werden üblicherweise mehrere Verdichtungsstufen mit unterschiedlichen Metallhydriden in Reihe geschaltet. Die periodische Zu- und Abfuhr von Wärme in mehreren Verdichtungsstufen im Fall von Metallhydrid-Verdichtern erfordert ein nichttriviales Thermomanagement-System.
Das Thermomanagement von Metallhydrid-Verdichtern ist insbesondere für den Anwendungsfall an einer Wasserstof-Tankstelle bisher wenig erforscht. Es existieren nur wenige Angaben zum Energiebedarf sowie zur Aufteilung dessen auf thermische und elektrische Energie. Um in diesem Zusammenhang einen Beitrag zu leisten, wird das Thermomanagement von Metallhydrid-Verdichtern für Wasserstoff-Tankstellen in der vorliegenden Arbeit modellbasiert untersucht. Dafür wird zunächst ein zweistufiges Metallhydrid-Verdichter-System inklusive Thermomanagement zur Erzielung der hohen Drücke einer Wasserstoff-Tankstelle entworfen. Anschließend wird das entworfene System inklusive Steuerung modelliert. Das entwickelte Modell wird darauf folgend anhand von Literaturdaten validiert bzw. plausibilisiert.
Mithilfe ausgewählter Simulationsgrößen wird im Anschluss das Systemverhalten detaillierter präsentiert. Die modellbasierten Untersuchungen werden darüber hinaus zur Beantwortung der Fragen nach einem konkreten Energiebedarf des Systems und der Zusammensetzung der nötigen Energie genutzt. In diesem Zusammenhang werden außerdem mögliche Arten der Bereitstellung der nötigen Energie gegenübergestellt. Abschließend werden Optimierungsmaßnahmen abgeleitet.