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Wasserstoff als Strampelhilfe – Vom Maturanden zum Empa-Forscher

(03.05.2018) Ein E-Bike, das mit Wasserstoff statt Strom betankt wird? Nein, das ist keine Utopie, sondern Realität: Der Industriegasspezialist Linde hat ein Wasserstoff-Pedelec entwickelt, das mit einer kompakten Brennstoffzelle statt der üblichen Batterie bestückt ist.


Bike_Closeup

Wasserstoff statt Strom tanken: Das Pedelec funktioniert mit Brennstoffzelle. Bilder EMPA

Florian Freund liess sich von der Erfindung für seine Maturaarbeit inspirieren: Er entwickelte einen Prototyp, mit dem das Wasserstoff-E-Bike an der H2-Tankstelle am Empa-Mobilitätsdemonstrator Move sicher betankt werden kann. Der Maturand am Zürcher Gymnasium Sumatra, interessierte sich schon als Kind für das Thema Energie – von der Dampflok im Museum bis zur Kernenergie. Doch nach und nach entwickelte er auch das Bewusstsein für die Nachteile der fossilen und atomaren Energietechnologien, insbesondere die Gefahren des Klimawandels. Das motivierte den Jungforscher, sich für seine Maturaarbeit mit alternativen Energien auseinanderzusetzen. Ein Thema war schnell gefunden: Die «Power-to-Gas»- und Brennstoffzellentechnologie sollte es sein – und am Schluss der Arbeit sollte etwas Praktisches entstehen.


Mit Wasserstoff fahren

Brennstoffzellenfahrzeuge gelten als Hoffnungsträger der zukünftigen Mobilität – und es gibt sie bereits in Serie: Beim Toyota Mirai kommt statt Abgas nur Wasserdampf aus dem Auspuff. Am Mobilitätsdemonstrator move an der Empa können die Fahrzeuge mit durch überschüssigen Solarstrom hergestelltem Wasserstoff betankt werden. Innert Minuten kann die Fahrt weitergehen. Ein deutlicher Vorteil gegenüber Elektrofahrzeugen: Wenn deren Batterien leer sind, ist erst mal eine längere Pause angesagt, bis sie wieder genügend aufgeladen sind. Dasselbe Problem kennen E-Bike-Fahrer: So praktisch die Tretunterstützung im Alltag ist – für längere Strecken sind auch hier längere Ladepausen angesagt. Könnte auch hier Wasserstoff aushelfen?

Der Wiener Gasspezialist Linde Gas hat einen E-Bike-Prototypen entwickelt, der statt mit einer Batterie mit Brennstoffzelle und Wasserstofftank ausgerüstet ist. Eine Tankfüllung von 33 Gramm Wasserstoffgas soll eine Reichweite von mehr als 100 km ermöglichen. Als Florian Freund von diesem Konzept hörte, entstand schnell das praktische Ziel für seine Arbeit: ein neues Betankungskonzept für das Wasserstoff-Velo.

Die Druckflasche des E-Bikes fasst etwas mehr als 1.3 Liter – das entspricht beim vorgesehenen Flaschendruck von 340 bar rund 33 Gramm Wasserstoff. Laut Herstellerkonzept soll das Velo von grösseren Druckflaschen aus betankt werden. Die Idee von Freund: Statt, dass jeder Velobesitzer künftig eine solche Flasche zu Hause lagern muss, könnten sich die E-Bikes auch an eigentlich für Autos konzipierten Wasserstofftankstellen auftanken lassen, etwa diejenige am Mobilitätsdemonstrator Move der Empa.

Das ist allerdings gar nicht so einfach: Die Tankstellen sind dafür ausgerichtet, die deutlich grösseren Tanks eines Wasserstoff-Fahrzeugs zu füllen – mit einem fix einprogrammierten Betankungsprogramm, das zu Beginn einen Druckstoss mit 440 bar Druck auslöst, um auf mögliche Lecks zu testen und den vorhandenen Druck in der Flasche zu messen. Erst nach diesem initialen Druckstoss beginnt der normale Betankungsprozess.


Vom Modell zum Prototyp

Nachdem er einige Konzepte verwerfen musste, gelang Freund während einer Diskussion mit Empa-Forscher Urs Cabalzar, der den Jungforscher unterstützte, schliesslich der Durchbruch: «Wir erkannten, dass der erste Druckstoss bereits genügt, um die Flasche zu füllen – sofern das Gas danach nicht mehr zurück in die Tankstelle fliesst», so Freund.

Solution

Ein erfolgreiches Projekt: Die Verbindung zwischen Tankstelle und Flasche funktioniert.

Daraus entstand nach einiger Entwicklungsarbeit und mit Unterstützung des Sponsors, dem Fluidsystem-Spezialisten Swagelok der Prototyp: Ein Druckregler reduziert den Druckstoss von 440 auf 275 bar. Dieser Wert liegt aus praktischen Gründen tiefer als der mögliche maximale Flaschendruck von 340 bar – die verwendete Steckkupplung darf nämlich nur bis zu einem Druck von 275 bar verwendet werden. Ein im Druckregler eingebautes Rückschlagventil sorgt dafür, dass das Gas nicht zurück zur Tankstelle strömt. Auch an eine Rückversicherung hat Freund gedacht: Ein Überströmventil sorgt dafür, dass das Gas bei einem zu hohen Druck abgelassen wird. Zwei eingebaute Manometer erlauben es, den Regler und das Ventil einzustellen und den Druck zu überwachen. Über einen Schlauch und eine Kupplung kann der Nutzer seine Flasche mit dem Druckregler verbinden.

Nachdem der Maturand seinen Prototypen fertiggestellt und sorgfältig kalibriert hatte, ging es an den Härtetest: Er schloss ihn unter Aufsicht von Urs Cabalzar samt Flasche an die H2-Tankstelle der Empa an. Und das Konzept hielt der Theorie stand; die Anlage startete den Betankungsvorgang mit dem Prüfdruckstoss – und in drei Sekunden war die Flasche voll.

Eine erfolgreiche Maturarbeit also – doch ist das Prinzip des Wasserstoffvelos auch alltagstauglich? Florian Freund ist – zumindest im Moment – noch etwas skeptisch: «Zunächst müsste sich die Wasserstofftechnologie bei regulären Fahrzeugen durchsetzen, damit die Brennstoffzellen günstiger werden und die Betankungsinfrastruktur genügend dicht ist.» Dann aber würde dem neuen Fahrspass nichts mehr im Wege stehen.


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