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Bald ist sie da: Die eigene Wasserstoff-Tankstelle

Der Wasserstoff vor der Haustüre sorgt für unabhängiges Tanken

Wenn ein Tank für die bevorstehende Fahrt nicht ausreichend voll ist, dann ist die Fahrt zu einer öffentlichen Tankstelle meist zu spät, um in Ruhe zu tanken. Mit der geräuscharmen Tankstelle H24U der Messer Schweiz AG kann ein Besitzer vor der eigenen Haustür rund um die Uhr tanken, ohne Nachbarn zu stören. In nur fünf Minuten ist das Wasserstoff-Fahrzeug vollgetankt und man kann sofort losfahren.

Der Tankschlauch befindet sich sabotagesicher im Bediengehäuse und wird erst bei Anmeldung durch Öffnen der Rückwand freigegeben. Beim Tankvorgang wird man über ein Panel mit Touch-Display sicher geführt und die Helligkeit lässt sich an die Lichtverhältnisse anpassen. Deshalb kommt es auch im Nachtmodus nicht zur Störung der Nachbarschaft. Auch das Tanken erfolgt ohne Geräuschentwicklung und Vibrationen und vermeidet so eine Lärmbelästigung in der Umgebung. Daher lässt sich die H24U-Tankstelle auch in Wohngebieten einsetzen. Während des Tankvorgangs sieht man die Daten der Tankstelle und des Fahrzeugs wie Füllstände, Durchfluss, getankte Menge und geschätzte Fülldauer.

Für den Fall, dass weitere Nutzer zugelassen werden sollen, können
diese über einen QR-Code der H24U App gescannt und automatisch abgerechnet werden. Andere übliche bargeldlose Zahlmethoden sind ebenfalls möglich. Sämtliche Abrechnungen und Nutzungsvorgänge lassen sich auf dem User-Account datenschutzkonform verfolgen. Hierbei entscheidet der Besitzer, wann und wie die Tankstelle zur Verfügung gestellt wird. Ohne bewegliche Teile ist die Tankanlage wartungsfrei und im Problemfall ist der Messer-Support erreichbar. Nach einer einmaligen Investition braucht man sich keine Gedanken mehr über die Kosten zu machen. Fremdnutzer beschleunigen zudem die Rückzahlung ihrer Investition. Mit dieser Technologie bezieht man nach relativ kurzer Zeit den Treibstoff praktisch kostenlos und schützt dabei noch unseren Planeten.

Elektrolyse von H₂O und Verdichtung von H₂

Funktionsprinzip der autarken Wasserstofftankstelle H24U

Mit Strom aus einer regenerativen Anlage wie Photovoltaik, Windkraft, Wasserkraft oder direkt aus dem Stromnetz spaltet die Elektrolyse Wasser (H₂O) in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂). Der gewonnene Wasserstoff wird zum Speichermodul geführt, wo er bei Umgebungstemperatur im Metallhydrid chemisch gebunden und gespeichert wird. Sobald man den Wasserstoff benötigt, wird ein Heizstrom dem Speicher zugeführt, wodurch der Wasserstoff vom Metallhydrid getrennt wird und in das Zwischenvolumen gelangt. Dadurch steigt der Druck im Speichermodul an, und zwar bis zum Wunschdruck. Durch den Druckanstieg strömt der Wasserstoff über den Tankschlauch in das Fahrzeug, solange es eine Druckdifferenz zwischen Speichermodul und Fahrzeugtank gibt oder der Tankvorgang durch Eingriff abgebrochen wird. Nach Beendigung des 5-minütigen Tankvorganges kühlt das Metallhydrid ab und ist dann für eine neue Wasserstoffaufnahme bereit.

Modulare Bauweise ist individuell anpassbar

Die optimale Speichergrösse des thermischen Verdichters
(Metallhydrid) ist abhängig von dem verfügbaren, zugeführten
Wasserstoffmassenstrom, der Betankungsmenge und des Betankungsintervalls. Der zugeführte Wasserstoff wird durch die Dauer der Elektrolyse bestimmt, die wiederum von der verfügbaren Strommenge abhängt. Das Abnahmeprofil wird von der Anzahl, der Art und der jeweiligen Laufleistung der einzelnen zu betankenden Fahrzeuge festgelegt. Eine weitere Nutzung von Wasserstoff, wie zum Beispiel zum Heizen, muss bei der Auslegung berücksichtigt werden.

Modulare Bauweise zur einfachen Gestaltung und Erweiterung
Verdichter und Speicher nebeneinander
Verdichter und Speicher übereinander

Die standardisierten Speichermodule sind für eine Wasserstoffkapazität von 6 kg ausgelegt. Das ist die Menge, die heute einer Tankfüllung eines Wasserstoffautos entspricht. Die Bedieneinheit ist unabhängig, was eine problemlose kostengünstige Erweiterung der Kapazität der Wasserstofftankstelle ermöglicht. Bei ungünstigen baulichen Verhältnissen kann die Speichereinheit an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden, da das Verfahren an keine Geometrievorgabe gebunden ist. Sogar eine Verlagerung in den Boden ist möglich.

Bedienpanel mit Touch-Display

Das Bedienpanel ist im Stil eines Smartphones aufgebaut, um eine intuitive Bedienung zu ermöglichen. Das Bedienpanel ist so konzipiert, dass die Eingabeelemente auf dem Touch-Bildschirm und das Bezahlsystem (optional) auch aus einer Sitzposition bedient werden kann. In analoger Ausführung an der Frontseite befindet sich der Not-Aus-Knopf und der On/Off-Schalter.

Touch-Display des Bedienpanels

Die Menüführung ist selbsterklärend und einfach gehalten. Sämtliche Menüpunkte werden mit wenigen Eingaben erreicht. Unter «Refuel» wird der Füllprozess eingeleitet und die wichtigen Informationen wie Druck im System und im Fahrzeug, überströmte Menge und geschätzte verbleibende Füllzeit des Abtankvorgangs gezeigt. Beim Menüpunkt «Network» können weitere verfügbaren Wasserstofftankstellen, die zur Fremdbetankung freigegeben wurden, ermittelt werden. Neben Route können auch Wasserstoffpreis des Anbieters, Füllstatus und Zeit bis zur nächsten Abtankbereitschaft sowie eine mögliche Ausserbetriebsetzung eingesehen werden. Die aktuellen Daten zum Status der eigenen Wasserstofftankstelle können unter «Live Data» betrachtet werden. Der Menü-Punkt «Informationen» erläutert die Eigenschaften von Wasserstoff, Wissenswertes über Wasserstoff und gibt Auskunft über das Unternehmen Messer AG. Über den Menü-Punkt «Support» kann man direkt Kontakt aufnehmen. Je nach Ausstattung erhält man Kontaktdaten, unter denen der Benutzer die Messer AG rund um die Uhr erreichen kann oder von der Tankstelle aus über Telefon, Live-Chat oder bei kleineren Anliegen mit der Suchfunktion Antworten. Die Interaktionspunkte sind jeweils unterleuchtet, um sich bei der Bedienung zu orientieren.

Masse des Panels mit Touch-Displays

Die Zapfsäule und der Verdichter/Speicher

Stauvorrichtung in der Rückwand

Die Wasserstofftankstelle besteht, wenn man die Elektrolyse ausklammert, aus zwei Einheiten: Die Zapfsäule mit Bedienpanel und der thermische Verdichter, der gleichzeitig als Wasserstoffspeicher funktioniert. Als Wasserstoffquelle kann auch eine Versorgung von Wasserstoff durch ein Gasunternehmen dienen. Das ist bei sehr geringen Mengen oder als Zwischenlösung bis zur Installation der Elektrolyse, evtl. mit eigener Stromerzeugung, wie z. B. eine Photovoltaikanlage, wirtschaftlich sinnvoller. Es werden nur ausgereifte und hochwertige Materialien eingesetzt, die allen rechtlichen, normativen und materialtechnischen Erfordernissen für Wasserstoff genügen. Die gesamte Technik ist in einem wetterbeständigen und robusten Gehäuse aus Edelstahl eingebaut. Beide Gehäuse sind so konzipiert, dass ein Zugang zu den inneren Komponenten leicht möglich ist. Trotz markanter Grundgeometrie wirkt das System zurückhaltend und fügt sich in Umgebung ein. Der Füllschlauch wird bei Nichtbenutzung im Gehäuse verstaut und ist vor äusseren Einwirkungen und Sabotage geschützt. Bei Anmeldung am Bildschirm öffnet sich die Rückwand und gewährt Zugang zum Füllschlauch. Nach erfolgreicher Betankung wird der Schlauch wieder eingehängt und die Rückwand schliesst nach einigen Sekunden von selbst. Mit einer Schlauchlänge von 2.5 m kann der Füllstutzen am Fahrzeug problemlos erreicht werden. Der Schlauch verfügt über eine integrierte Abrisssicherung. Alle Öffnungen können bei Stromausfall auch mechanisch geöffnet werden. Je nach Speichersystem kann auch im Notbetrieb über einen Stauvorrichtung in der Rückwand rein mechanischen Vorgang der Wasserstoff aus den Speicher entnommen werden. Die notwendige Sicherheit ist dabei weiterhin gewährleistet.

Der Metallhydridspeicher

Kernkomponente der Wasserstofftankstelle ist der Metallhydrid. Metallhydride sind Metalle, welche auf den Zwischengitterplätzen Wasserstoff einlagern können und dabei der doppelten Dichte von flüssigen Wasserstoff und der rund 4-fachen Dichte von Wasserstoff bei 700 bar entspricht. Dieser Vorgang lässt sich mit einem trockenen Schwamm vergleichen, der Wasser spontan aufsaugt. Erhöht man die Temperatur so steigt im Metallhydrid der Druck an und der Wasserstoff wird wieder abgegeben.

Mikroskopische Aufnahme eines Metallhydrids

Die Gitterstruktur von Metallhydriden beruht auf dichteste
Kugelpackungen von Metallatomen. Die Zwischenräume werden mit Wasserstoffatomen aufgefüllt und in diese eingelagert. Dabei entsteht eine feste Lösung, in der die Metallstruktur unverändert erhalten bleibt. Bei der Wasserstoffeinlagerung werden zunächst die an der Metalloberfläche adsorbierten Wasserstoffmoleküle in
Wasserstoffatome gespalten und diese dann in das Gitter
aufgenommen. Mit Metallhydriden lassen sich sowohl sehr kompakte Wasserstoffspeicher bauen als auch Wasserstoffverdichter, die den Wasserstoff ohne bewegte Teile aufgrund der Thermodynamik und der Materialeigenschaften verdichtet. Der wesentliche Vorteil ist, dass man kein Wasserstoff unter hohem Druck speichern muss, was einen grossen Sicherheitsgewinn darstellt. Die Speicherung erfolgt bei nur 10 bis 35 bar je nach Wasserstoffquelle. Die Kombination eines Metallhydrid-Speichers und -Verdichters erlaubt den Wasserstoff direkt von der Elektrolyse zu absorbieren (Speicher) und schliesslich nach Bedarf direkt verdichtet in den Tank zu führen. Dabei wird nur mit ganz geringem Überdruck gearbeitet, wodurch eine Vorkühlung wegfällt und der Wasserstoff erst im Tank im Fahrzeug bei hohem Druck gespeichert werden muss. Zudem erfolgt die Verdichtung durch Wärme und nicht durch Strom, wodurch der Wasserstoff bis zu 25% günstiger wird.

Gewerbliche Modellvariante

Neben Automobile ist auch eine Betankung von LKW, Busse und
Flurförderfahrzeuge bei Industrie und Gewerbe möglich. Da die
Voraussetzungen gegenüber denen von einer Privatnutzung unterschiedlich sind, bieten wir auch eine gewerbliche Variante an.
Die aufgrund höheren Bedarfs und Betankungsintervallen erforderlichen grösseren Dimensionen des thermischen Verdichters und die niedrigere Druckstufe von 350 bar können durch eine unterirdische Speicherung und Verdichtung realisiert werden. Das Speichervolumen ist nicht an einer bestimmten Geometrie gebunden. Das ermöglicht eine flache Ausführung in einem Schacht unter Erdgleiche. Darüber befindet sich eine Rampe, auf
die die Fahrzeuge darüberfahren können. Die Funktionalität der Bedienungseinheit entspricht der der privaten Ausführung. Das Design konzentriert sich auf die alltäglichen Gegebenheiten. Durch Kombination von mehreren Speichergruppen kann eine ununterbrochene Betankung von Fahrzeugen durchgeführt werden. Auch hier kann der Schlauch im Gehäuse verstaut werden, um ihn vor Beschädigungen in einer rauen Umgebung zu schützen.

Standardisierte Referenzeinheit mit 3 Autos

Um eine wirtschaftliche Anlage anbieten zu können, wird eine standardisierte und modulare Referenzeinheit gebaut. Diese basiert auf einer typischen privaten Konstellation von drei Automobilen innerhalb einer Familie mit einer jährlichen Laufleistung von je 15’000 km und einer Fahrzeugreichweite von 500 km mit einer Tankfüllung von 5 kg Wasserstoff. Die Wartezeit bis zur erneuten Nutzung für eine nächste Betankung beträgt 15 Minuten.

Damit lässt sich der jährliche Wasserstoffbedarf ermitteln:

Bei der Referenzanlage ergeben sich 30 Füllungen im Jahr, aus denen ein Wasserstoffbedarf von 150 kg für ein Fahrzeug resultiert. Mit 3 gleichartigen Fahrzeugen liefert die Wasserstofftankstelle 450 kg (~5’000 Nm³) im Jahr. Natürlich kann auch jede andere Konstellation durch wenige Anpassungen zuverlässig versorgt werden. Für eine optimierte Arbeitsweise sind die Parameter Anzahl der Fahrzeuge, Tankkapazität jedes einzelnen Fahrzeugs, jährliche Kilometerleistung der einzelnen Fahrzeuge und Reichweite mit einer Tankfüllung gemäss Herstellerangabe erforderlich. Die modulare Bauweise ermöglicht, ohne grossen Aufwand, jederzeit die Speicher- und Tankleistung durch Erweiterung der Anzahl der Moduleinheiten zu erhöhen. Mitentscheidend ist die Wasserstoffbereitstellung und der verfügbare Strom zur Wasserstoffproduktion. Dadurch ergeben sich zwei grundsätzliche Ansätze für die Auslegung einer Wasserstofftankstelle:

a) Angabe der aus einer regenerativen Anlage für die Wasserstoffproduktion verfügbare Strommenge, unter Berücksichtigung der über das Jahr verteilte Stromerzeugungskurve am Standort. Diese bestimmt die Grösse der Speicherkapazität für Wasserstoff, um die gesamte angebotene Energie das ganze Jahr über zu nutzen.
b) Angabe der Nutzungsparameter der eigenen Fahrzeuge und Anteil der für Fremdbetankungen zur Verfügung stehende Menge. Daraus wird die Elektrolysengrösse und der erforderliche Strombedarf sowie die Stromleistung bestimmt.

Wenn man bereit ist, auf die vollständige Unabhängigkeit zu Gunsten einer besseren Wirtschaftlichkeit zu verzichten, ist der Anschluss an das allgemeine Stromnetz als weitere Stromquelle für Bedarfsspitzen und ungünstige Wetterbedingungen empfehlenswert. Dadurch können die einzurechnenden Reserven entfallen, wodurch die Investition niedriger ausfällt. Soll neben den Wasserstofffahrzeugen auch Elektroautos geladen werden, besteht die Möglichkeit den als Wasserstoff gespeicherten Strom über eine Brennstoffzelle zu Ladezwecke zu nutzen. Durch die Freiheit in der Wahl der Leistung und Unabhängigkeit vom Stromnetz können höhere Stromdichten übertragen werden, was zu einer schnelleren Ladegeschwindigkeit führt.

Bald überall tanken

Mit dem vollgetankten Fahrzeug kommt man je nach Fahrzeugtyp
400 bis 800 km weit, ausreichend für den Alltag. Sobald man aber
auf Reisen fahren will, ist man auf weitere Tankmöglichkeiten angewiesen. Schrittweise werden öffentliche Wasserstofftankstellen
eröffnet. Ziel ist es, mit den H24U-Tankstellen den Aufbau eines
dichten Tankstellennetzes zu beschleunigen. Eigentümer einer privaten Tankstelle können ihren nicht benötigten Wasserstoff Dritten anbieten. Die Zusatzeinnahme kann zur Finanzierung der Investition genutzt werden. Die grössere Auslastung der Gesamtanlage (Stromerzeugung, Elektrolyse, Tankstelle) erhöht ebenfalls durch die stärkere Nutzung der regenerativen Energie die Wirtschaftlichkeit und den Umweltbeitrag.
Anhand der H24U App sind die installierten privaten Wasserstofftankstellen auffindbar. Neben der Daten der eigenen Wasserstofftankstelle, ist die Verfügbarkeit anderer privaten Wasserstofftankstellen einsehbar, vorausgesetzt sie wurden für eine Fremdbetankung freigegeben. Das kann jeder Eigentümer durch Aktivierung der Sichtbarkeit selbst entscheiden. Die Tankstellen werden auf einer Karte mit Anschrift, Entfernung und aktuellen Füllstatus angezeigt.

Vorteile auf einen Blick

  • Unabhängige Wasserstoffversorgung
  • Bester Wasserstoffpreis
  • Zwei Druckstufen (350 / 700 bar)
  • Tanken in max. 5 Minuten
  • Selbsterklärende und intuitive Bedienung
  • Geräusch- und vibrationslos
  • Wartungsarm
  • Individuell anpassbar (Geometrie und Leistung)
  • Optische Einfügung in das Umfeld
  • Netzwerkfähig
  • Auswertungsmöglichkeiten
  • Umweltfreundlich
  • Wetterbeständig
  • In bestehende Energiekonzepte integrierbar
  • Zusatzeinnahmen durch Fremdbetankung
  • Robust und sabotagesicher
  • Höchster Sicherheitsstandard

Weitere Hinweise und Quellen

Von Lous A. Venetz

Dipl. Ing. FH in Systemtechnik
Freier Fachjournalist BR