Die Wasserstoffrevolution hängt von Effizienz und vor allem von Sicherheit ab. Während die schiere Kraft eines H₂-Fahrzeugs aus seiner Brennstoffzelle oder seinem Motor stammt, liegt die eigentliche technische Herausforderung vorgelagert: dem Umgang mit Wasserstoff unter extremem Druck.
In einem kürzlich erschienenen Hyfindr Tech Talk sprach Moderator Steven Oji mit Waldemar Raskop, Senior Technical Manager bei Poppe Potthoff, um die entscheidenden Komponenten zu analysieren, die die Lücke zwischen einem 700-bar-Tank und einer 5-bar-Brennstoffzelle schließen. Das Fazit? Komplexität ist out, Einfachheit ist der neue Standard.
Das Wasserstoffversorgungssystem: Weniger Komponenten, mehr Leistung
Wasserstoff wird in Fahrzeugtanks bei Drücken von bis zu 700 bar (oder 350 bar) gespeichert, doch Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren arbeiten in der Regel im Bereich von 5 bis 60 bar. Das System, das diesen drastischen Druckabfall bewältigt, ist das Wasserstoffversorgungssystem (HSS).
Die Kernphilosophie von Poppe Potthoff besteht darin, die Anzahl der Komponenten und Verbindungsstellen zu reduzieren, um die Sicherheit direkt zu erhöhen und die Kosten zu senken. Raskop hob drei wesentliche Elemente hervor, beginnend mit dem Durchfluss aus den Tanks:
1. Hochdruckleitungen (Rohre)
- Material: Poppe Potthoff verwendet sein firmeneigenes PPH2-Material (auf Chrom-Molybdän-Basis) als kostengünstige Alternative zu Edelstahl.
- Sicherheit: Dieses Material hat sich in der Wasserstoffbranche bewährt und wurde umfangreichen Tests unterzogen, um die Risiken der Wasserstoffversprödung zu minimieren.
2. Die Parallel-Ladeeinheit (PCU)
Die PCU (oder der Verteiler) ist eine modulare Komponente, die zwischen dem Haupteinlass und den Tanks platziert wird.
- Funktion: Sie teilt den Wasserstoffstrom auf, um mehrere Speichertanks gleichzeitig zu befüllen, was schnellere Betankungszeiten ermöglicht.
- Design: Sie ist ein wichtiger Bestandteil des modularen Systems und bietet Flexibilität bei der Integration von Elementen wie Drucksensoren, Temperatursensoren und Rückschlagventilen.
- Bewegungsausgleich: Entscheidend ist, dass die Verbindungsstücke über eine Kugel-in-Kegel-Schnittstelle verfügen, die bis zu drei Bewegungsgrade ermöglicht. Dieses Design, das aus der Hochleistungs-Dieseltechnologie übernommen wurde, gleicht Fertigungstoleranzen und Fahrzeugvibrationen aus und verhindert so spannungsbedingte Risse in den Verbindungsstücken.
3. Die Hochdruckregeleinheit (HPRU): Die Star-Komponente
Mit der Hochdruckregeleinheit (HPRU) leistet Poppe Potthoff den größten Beitrag zur Vereinfachung des Systems. Diese Komponente integriert mehrere Funktionen, für die normalerweise mehrere Einzelteile erforderlich sind, in einer einzigen kompakten Einheit.
Von 700 Bar zu „Vroom Vroom”
Die HPRU steuert den gesamten Druckminderungsprozess über ein elektronisch gesteuertes Proportionalventil. Sie nimmt den hohen Druck aus dem Tank auf und liefert einen stabilen, präzisen Ausgangsdruck direkt an den Verbraucher.
Verbrauchertyp Zieldruckbereich Durchflussbedarf
Brennstoffzelle ≈5 bis 15 bar Statisch (konstanter Durchfluss)
H₂-Verbrennung ≈15 bis 60 bar Dynamisch (schnelle Reaktion)
Raskop hat gezeigt, dass die HPRU den Druck über diesen gesamten Bereich mit phänomenaler Genauigkeit regulieren kann und dabei eine Regelabweichung von weniger als 1 % aufweist. Diese Leistung ist für Verbrennungsmotoren von entscheidender Bedeutung, die für die Beschleunigung schnelle, dynamische Durchflussänderungen (das „Vroom Vroom“) erfordern.
Integrierte Sicherheit und Wartung
Die HPRU wurde entwickelt, um komplexe zweistufige Reduzierungssysteme durch eine robuste Einheit zu ersetzen, und vereint alle erforderlichen Sicherheitsmerkmale:
- Eingebauter Filter: Ein 10-Mikron-Filter bekämpft Partikelverunreinigungen, ein hartnäckiges Problem in Wasserstoffsystemen.
- Überdruckventil (PRV): Unverzichtbar auf der Niederdruckseite. Da H₂-Systeme niemals vollkommen dicht sind, kann sich auf der Niederdruckseite langsam Druck aufbauen. Das PRV öffnet sich, um diesen Druck abzulassen, schützt so die empfindliche Brennstoffzelle vor Beschädigungen und schließt sich dann wieder.
- Berstscheibe: Dies ist die absolut schlimmste Ausfallsicherung. Wie Raskop bemerkte, wird erwartet, dass sie niemals aktiviert wird, aber sie bietet eine mechanische Sicherheitsreserve, die für die funktionalen Sicherheitsstandards (ASIL) erforderlich ist, und vermeidet die Komplexität, sich ausschließlich auf Softwarelösungen zu verlassen.
- Wartungsschnittstelle: Diese ermöglicht Wartungsarbeiten wie die Druckentlastung des Systems oder die Reinigung des Niederdruckbereichs.
Nachweis der Haltbarkeit: Der Dauertest
Die HPRU wurde einem Dauertest unterzogen, der 15 bis 20 Jahre realen Einsatz unter extremen Bedingungen simulierte. Die Komponente lief 100 Stunden lang unter Worst-Case-Bedingungen und wechselte dabei schnell zwischen 0 % und 100 % Leistung, während sie in einer Klimakammer bei Temperaturen von −40 °C bis 120 °C betrieben wurde.
Die Testergebnisse zeigten, dass die Druckleistung der Komponente auch nach 100 Stunden Belastung genau und konsistent der optimalen Linie folgte, was ihre Einsatzbereitschaft für den Straßenverkehr bewies.
Die Arbeit von Poppe Potthoff, die Systemarchitektur eines Lkw durch die Integration ihrer PCU und HPRU von 41 auf nur 25 Komponenten zu reduzieren, ist ein bedeutender Schritt, um die Wasserstoffmobilität weniger komplex, erschwinglicher und von Natur aus sicherer zu machen. Sehen Sie sich das vollständige Video hier an.
Wenn Ihnen diese Diskussion gefallen hat, abonnieren Sie den Hyfindr YouTube-Kanal, um weitere Experteneinblicke in die Wasserstofftechnologie zu erhalten.