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Wie man Wasserstofftankstellen sicherer macht |
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Die Wasserstoffmobilität in der Schweiz nimmt Fahrt auf. Einen wichtigen Grundstein dazu legte der Mobilitätsdemonstrator «move», den die Empa mit Unterstützung des Bundesamtes für Energie (BFE) und verschiedenen Industriepartnern vor rund drei Jahren in Dübendorf eröffnet und seither kontinuierlich weiterentwickelt hat. Ziel ist nichts weniger als die Dekarbonisierung der zukünftigen Mobilität- dank erneuerbarer Treibstoffe wie Wasserstoff.
Wie sieht eine Mobilität aus, die vollständig auf erneuerbarer Energie beruht? Mit dieser Frage im Hinterkopf initiierten Empa-Forschende 2015 zusammen mit Partnern der öffentlichen Hand und der Industrie die Forschungs- und Demonstrationsplattform «move». Als Lade- und Tankstelle der Zukunft konzipiert, lassen sich im «move» Elektro-, Wasserstoff- und Gasfahrzeuge betanken. Grundlage für die Herstellung der Treibstoffe liefert dabei temporär überschüssiger Strom etwa aus Photovoltaikanlagen, der ansonsten nicht direkt genutzt werden kann. Für Elektrofahrzeuge wird der Strom in einer Batterie zwischengespeichert und steht dann auch nachts an Ladesäulen zur Verfügung. Für Wasserstofffahrzeuge wandelt eine Elektrolyseanlage den Strom in Wasserstoff um, man spricht vom «Power-to-Gas»-Konzept. Und in einem weiteren Schritt könnte der Wasserstoff dann mit Kohlendioxid (CO2) in einem Katalysator zu Methan (CH4), dem Hauptbestandteil von Erd- und Biogas, umgewandelt werden.
Im Zuge von «move» und mit der Unterstützung des Bundesamts für Energie (BFE), H2 Energy und Hyundai sind in den letzten Jahren schweizweit die beiden ersten 700bar-Wasserstofftankstellen für die Betankung von Personenwagen entstanden; die erste wurde im Oktober 2016 im «move» in Betrieb genommen; einen Monat später folgte die zweite Tankstelle in Hunzenschwil, erstellt durch Coop und H2 Energy.
Mit dem Aufbau und dem Pionierbetrieb der ersten Wasserstofftankstellen und der begleitenden Forschung hat die Empa gemeinsam mit allen «move»-Partnern den Grundstein für verschiedene Initiativen zum Ausbau der Wasserstoffmobilität in der Schweiz gelegt. So gab Hyundai vor einigen Monaten bekannt, in den kommenden Jahren insgesamt 1'000 Brennstoffzellen-Lastwagen in die Schweiz zu liefern. Ausserdem wurde letztes Jahr der Förderverein «H2 Mobilität Schweiz» gegründet, der durch H2 Energy beratend unterstützt wird. Das Ziel ist ein flächendeckendes Wasserstoff-Tankstellennetz in der Schweiz. Die Erkenntnisse aus den ersten Betriebsjahren der beiden bestehenden Wasserstofftankstellen sind für den Aufbau dieses Netzes von unschätzbarem Wert.
Gleiche Messungen in ganz Europa
Eine weitere Spezialität des an der Empa aufgebauten Systems ist die Wahl der Hydraulikflüssigkeit: Anstatt wie üblich ein Öl zu verwenden, wird ein Wasser-Glykolgemisch, also Motorkühlwasser, eingesetzt. Dieses Medium eignet sich aufgrund der physikalischen Eigenschaften sehr gut für schnell schaltende hydraulische Systeme, da es sehr steif ist und folglich weniger Verluste verursacht. Dadurch wird der Zylinderkopf komplett ölfrei, was dazu führen kann, dass für den restlichen Motor ein einfacheres Motorenöl mit längeren Wechselintervallen eingesetzt werden kann.
Auf nationaler und internationaler Ebene stellen sich derzeit allerdings noch Fragen bezüglich der Eichfähigkeit und der Messung der Qualität an Wasserstofftankstellen. Die Bestimmung der genauen Masse und damit der Abrechnung des betankten Wasserstoffs sind bislang noch zu ungenau. Im Rahmen von «move» hat das Eidgenössische Institut für Metrologie (METAS) deshalb eine neue Eichvorrichtung entwickelt. Diese Eichvorrichtung und die Messungen an der Empa bilden nun eine wertvolle Grundlage für weiterführende Untersuchungen im Rahmen eines europäischen Projekts, an dem mehrere metrologische Institute aus verschiedenen Ländern beteiligt sind.
Sicherheitsmechanismus für Wasserstofftankstellen
Neben der technischen Realisierung und den Erfahrungen im Betrieb der Wasserstofftankstellen stellen die Empa-Forschenden nun auch die Klärung von regulatorischen und sicherheitsrelevanten Fragen ins Zentrum. So müssen etwa bei der Integration einer Wasserstoff-Zapfsäule in bestehende Tankstellen etliche Hürden genommen werden. Da die Sicherheit an einer Tankstelle oberste Priorität hat, sind ausreichende Sicherheitszonen rund um die einzelnen Zapfsäulen nötig. Dennoch sollten die Tankmöglichkeiten möglichst platzsparend und kompakt angeordnet sein. Die geltenden Vorschriften führen zu kostspieligen Anpassungen der konventionellen Tankstellenkomponenten, wenn eine Wasserstoff-Zapfsäule in unmittelbarer Nähe installiert wird. «In Zusammenarbeit mit der Suva haben wir deshalb technische Möglichkeiten eruiert, um trotz platzsparender Bauweise die Sicherheit zu gewährleisten», sagt Urs Cabalzar, Projektleiter von «move».
Eine dieser Möglichkeiten ist ein standardisierter Lecktest vor jeder Wasserstoffbetankung. «Mit einem solchen kann festgestellt werden, ob im Treibstoffsystem zwischen Zapfsäule und Fahrzeugtanks eine Undichtigkeit vorhanden ist. In einem solchen Fall würde eine Betankung nicht freigegeben», erklärt Cabalzar. Ausführliche Versuche und Berechnungen an den bestehenden Anlagen haben gezeigt, unter welchen Bedingungen ein Lecktest zuverlässig funktioniert. «Das erleichtert die Integration von Wasserstoffzapfsäulen in konventionelle Tankstellen erheblich», so der Empa-Forscher.
«Generell ist der Genehmigungsprozess für Wasserstofftankstellen sowohl für Tankstellenbauer als auch für die involvierten Behörden und Fachstellen noch sehr unübersichtlich», erklärt Urs Cabalzar. Die Erkenntnisse aus dem Bau und Betrieb der Wasserstofftankstellen in Dübendorf und Hunzenschwil fliessen nun in einen Leitfaden ein, der den Genehmigungsprozess von Wasserstofftankstellen Schritt für Schritt erklärt und demnächst verfügbar sein wird. Der Leitfaden wird zusammen mit der Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen (VKF), der Suva und weiterer Behörden und Fachstellen erstellt und besitzt damit eine breite Abstützung und Akzeptanz.
Potentialanalyse Power-to-Gas in der Schweiz
Unter «Power-to-Gas» (PtG) versteht man die Umwandlung von Strom in chemische Energieträger wie Wasserstoff, Methan und flüssige Kohlenwasserstoffe. Ein Team von Empa und PSI unter der Leitung von Sinan Teske hat in einer Studie das Potential dieser Technologien in der Schweiz untersucht. Aufgrund des erwarteten Ausbaus der Photovoltaik ist in Zukunft mit grossen Stromüberschüssen zu rechnen. Stromüberschüsse senken aber auch gleichzeitig die Marktpreise, wodurch sich der weitere Ausbau von Photovoltaik längerfristig selbst hemmt.In diesem Zusammenhang sind PtG-Technologien eine sinnvolle Lösung, um erneuerbare Stromüberschüsse aus dem Stromsektor in andere Sektoren (z.B. Mobilität) zu übertragen – und so Anreize für einen langfristigen PV-Ausbau zu schaffen. Die Forschenden kommen zum Schluss, dass der Absatz von PtG-Produkten in naher Zukunft im Mobilitätssektor am wirtschaftlichsten sein dürfte, da dort die Energiekosten an den Gesamtkosten relativ gering sind und der Druck zur CO2-Reduktion hoch ist. Nimmt man an, dass 50% aller gemäss BFE gut geeigneten Dachflächen in den nächsten Jahren mit Solarzellen ausgerüstet würden, ergäbe dies gut 24 Terrawattstunden (TWh) Strom. Rund 40% davon gilt als Überschussstrom, da er nicht direkt genutzt werden kann. Daraus liessen sich rund 6.5 TWh in Form von Wasserstoff oder rund 5 TWh in Form von synthetischem Methan herstellen.
Studie
SL Teske, M Rüdisüli, C Bach, T Schildhauer; Potentialanalyse Power-to-Gas in der Schweiz; Zenodo (2019); doi:10.5281/zenodo.2649817
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| Quelle:
Text Stephan Kälin, Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa, 26. Juni 2019 |
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| «Power-to-Gas» (PtG) |
| Unter «Power-to-Gas» (PtG) versteht man die Umwandlung von Strom in chemische Energieträger wie Wasserstoff, Methan und flüssige Kohlenwasserstoffe. |
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