Metallhydridspeicher

Präambel

Im Rahmen des Förderprogrammes BordstromTech-RL II) soll ein Brennstoffzellensystem für das Forschungsschiff Coriolis beschafft werden. Dies Projekt wird durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert, koordiniert durch NOW-GmbH

Die Helmholtz-Zentrum hereon GmbH (Hereon) ist eine gemeinnützige Forschungseinrichtung und eine der 18 Mitgliedseinrichtungen der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e. V. Die Aufwendungen des Hereon werden zu 90% vom Bund (BMBF - Bundesministerium für Bildung und Forschung) und zu 10% von den vier Konsortialländern (Schleswig-Holstein, Hamburg, Niedersachsen und Brandenburg) finanziert.

Die satzungsmäßige Aufgabe der Gesellschaft ist es, im multidisziplinären Verbund Forschung und Entwicklung insbesondere auf den Gebieten der Materialforschung, der Küsten-, Klima- und Umweltforschung sowie der regenerativen Medizin zu betreiben.

Technische Beschreibung: 1. Generelle Projektinformation Das Helmholtz Zentrum Hereon und das DLR Institut für Maritime Energiesysteme planen ein gemeinsames Wasserstoffsystemlabor (H2SL) an Bord des Forschungsschiffes Coriolis zu betreiben. Das H2SL besteht neben Peripherie vorrangig aus dem Metallhydridspeicher, welcher eine Eigenentwicklung des Hereon ist, und einer Brennstoffzelle. Neben der Brennstoffzelle wird das Forschungsschiff einen diesel-elektrischen Antrieb + Batterie besitzen. Durch das H2SL wird es möglich sein, das Schiff in bestimmten Betriebszuständen (z.B. bei Fahrt in Teillast) emissionsfrei zu betreiben. Die Betankung des Metallhydridspeichers erfolgt mit Hilfe von Flaschenbündeln, die mit Hilfe eines Krans auf das Schiff befördert werden. Das Forschungszentrum Hereon und das DLR Institut für Maritime Energiesysteme haben zusammen mit einem Ingenieurbüro das H2SL bereits grundlegend geplant. Ein HAZID Workshop, welcher zur Erteilung einer Einzelabnahme (engl.= Approval in Principle) des Wasserstoffsystems an Bord führt, fand im September 2022 statt. Der Speicher als solches wurde hierbei nicht berücksichtigt. Für die derzeitige Planung des H2SL wurden vorrangig folgende Regularien verwendet: - IGF - Code - DNV Regulations Part 6 Chapter 2 Section 3 - Fuel Cell Installations - Druckgeräterichtlinie Die Integration des gesamten Wasserstoff-Speicher-Brennstoffsystems im Rahmen des Schiffsneubauprojektes erfolgt auf Basis des IMO Circ. 1455 ,,Guidelines for the approval of alternatives and equivalents as provided for in various IMO Instruments"". Hierbei handelt es sich um einen risikobasierten Konstruktions- und Evaluierungsprozess.

Forschungsziel Im Rahmen dieses Ausschreibungsverfahrens soll ein Metallhydridspeicher (MHS) beschafft werden, der zukünftig ein fundamentaler Bestandteil der Forschung des Hereon sein wird. Er dient der sicheren Speicherung von Wasserstoff an Bord der Coriolis. Es gibt eine Reihe von Forschungsfragen, welche mit Hilfe des Speichers beantwortet werden sollen. Dabei geht es zum einen um Erkenntnisse bei der Fertigung der Speicher, speziell bei der Befüllung der Speicherelemente mit Metallhydrid. Vor allem aber soll im Betrieb das Be- und Entladeverhalten des Wasserstoffspeichers untersucht werden. Von besonderem Interesse sind hierbei Fragestellungen in Bezug auf die wärmetechnische Kopplung mit der Brennstoffzelle, da deren Abwärme als Reaktionswärme für die Desorption (Freisetzung des Wasserstoffs aus dem Metallhydrid) genutzt werden soll.

Allgemeines zur Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden Bei der Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden bindet sich Wasserstoff reversibel in speziellen Metallen. Bei Metallhydriden handelt es sich um Metallpulver oder Granulate verschiedener Legierungen, die Wasserstoff bei bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen speichern können. Es gelingt so, besonders sicher bei moderatem Druck große Mengen Wasserstoff in recht kleinem Volumen zu binden. Im Anlieferungszustand liegt das Metallhydrid als Granulat mit einem Durchmesser 2 - 10 mm vor. In diesem Zustand kann das Metallhydrid an Umgebungsluft verarbeitet werden. Allerdings sollte es nicht erhitzt werden, da sich ansonsten an der Oberfläche eine irreversible Oxidschicht bildet. Daher ist nach Befüllen beim Verschweißen der Böden darauf zu achten, dass kontinuierlich formiert wird. Je nach Art der eingesetzten Legierung reicht ein geringer Wasserstoffdruck zur Beladung bei Raumtemperatur aus. Während der Beladungsreaktion wird Wärme freigesetzt. Die Beladungsreaktion ist umso schneller, desto besser diese Wärme durch eine geeignete Kühlung abgeführt wird. Diese Wärme muss bei der Entladung des Speichers wieder zugeführt werden. In diesem Fall soll die Abwärme aus der nachgeschalteten Brennstoffzelle den größten Teil dieser Wärmeenergie liefern. Ein Metallhydridspeicher hat daher immer Wärmeaustauschflächen. Grundsätzlich bestehen Metallhydridspeicher aus einem Druckbehälter mit einem Stutzen für den ein- bzw. ausströmenden Wasserstoff. Üblich ist ein zylindrischer Mantel mit zwei gewölbten Böden an den Enden. Sie sind entweder außen- oder innengekühlt. Ein großer Metallhydridspeicher setzt sich aus mehreren Einzelelementen zusammen. Die Einzelelemente werden meist liegend auf geeigneten Tragelementen fixiert.

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