Tanken von Wasserstoff

Wie die CFD-Simulation hilft, bessere Wasserstofftanks zu bauen

Erstellt von Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle

29.11.2022

Die Wasserstofftechnologie als Technologie der Zukunft ist in aller Munde. Ob PKW, LKW, Schiffe oder Flugzeuge, als direkte Verbrennung oder über Brennstoffzellen, der Wasserstoff benötigt einen Tank und der muss bei hohen Drücken befüllt werden. Es sei denn, es handelt sich um einen kryogenen Tank. Da gibt es andere Probleme und somit einen anderen Merkle CAE Solutions-Blogartikel. Auch zur Sinnhaftigkeit von grünem Wasserstoff habe ich eine eigene Meinung, die aber hier ebenfalls nicht Gegenstand sein soll.

Die Geometrie eines Hochdrucktanks für Wasserstoff mit 350 bar ist vergleichsweise simpel. Warum kann man nun den Wasserstoff nicht einfach axial durch das Ventil einströmen lassen, bis der Tank voll ist?

Wenn die Betankung sehr langsam stattfindet, ist das kein Problem. Aber der Betankungsvorgang sollte möglichst schnell von statten gehen. Schließlich ist Zeit Geld und unendlich viel Zeit ist sehr viel Geld, oder sogar noch etwas mehr

Abbildung 1: CFD-Simulation des Tankvorgangs an einem Wasserstofftank mit Darstellung der Geschwindigkeit.

Das Problem

Beim schnellen Betanken gibt es aber ein Problem.

Der sogenannte Joule-Thomson-Effekt bezeichnet die Temperaturänderung eines Gases bei einer isenthalpen Druckminderung. Es gibt Gase, die bei der Druckminderung kälter werden (Gefahr der Vereisung) und Gase, bei denen die Temperatur steigt. Bei Wasserstoff steigt die Temperatur.

Durch die hohen Einströmgeschwindigkeiten, insbesondere in der Anfangsphase, erhöht sich die Temperatur des Wasserstoffs. Bei einer rein axialen Zuführung prallt die Strömung auf die gegenüberliegende Wand, die Temperaturen sind hoch, die Wärmeübergangswerte auch, das Material erhitzt sich lokal, dehnt sich aus und die thermischen Spannungen im Tank steigen. Der technisch begrenzende Parameter ist dabei die Temperatur des Materials. Im mobilen Bereich von Typ 4 Tanksystemen ist eine Wandtemperatur von maximal 85°C zulässig, um eine vorzeitige Alterung des Werkstoffs zu vermeiden.

Dies führt dazu, dass der Volumenstrom stark begrenzt werden muss, wodurch der Tankvorgang zu lange dauern würde.

Die Normen geben hier klare Vorgaben, welche Temperaturgrenzen, aber auch welche Druckgrenzen, einzuhalten sind.

Abbildung 2: Gewickelte Wasserstofftanks in einem LKW mit Wasserstoffverbrennungsmotor.

Die Lösung

Was ist eine Lösung? Eine sinnvolle Lösung wäre es, die Strömung des Wasserstoffs schräg unter einem Winkel einzuleiten. Es kommt hier zu einer besseren Durchmischung und die Temperaturen verteilen sich gleichmäßiger.

Aber unter welchem Winkel sollte der Wasserstoff am besten einströmen? Diese Frage ist gleichbedeutend mit der Frage, wann die Wärmeübergangswerte an der Tankinnenwand möglichst gleichmäßig sind.

Dies ist eine klassische Aufgabe für eine transiente Strömungsanalyse. Physikalisch und rechentechnisch ist es aber ebenfalls eine Herausforderung. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten müssen die Zeitschritte kleiner als 1x10-5 Sekunden sein, der Betankungsvorgang geht aber 30 Sekunden und länger. Die CFD-Simulation eines kompletten Betankungsvorgang würde auf dem Cluster von Merkle CAE Solutions ca. 6 Monate dauern. Machen wir gerne, unsere Kunden wollen das aber leider nicht bezahlen.

Video 1: CAE-Simulation des Befüllungsvorgangs eines Wasserstofftanks.

Glücklicherweise finden die kritischen Szenarien am Anfang statt und lassen sich dann extrapolieren. Sodass die richtigen Aussagen für eine Optimierung des Tankprozesses getroffen werden können.

Ob bei PKW´s, LKW´s, Tankstellen, Schiffen oder Flugzeugen; dieses Thema stellt sich immer wieder aufs Neue.

Mit der CFD-Simulation kann gewährleistet werden, dass die zulässigen Temperaturen von 85 °C und der maximale Druck von 125 % des Nominaldrucks beim Betanken von Wasserstofftanks nicht überschritten werden.

Profitieren Sie von dem einschlägigen Know-how bei Merkle CAE Solutions im Bereich Wasserstofftechnologie mit Simulationsverfahren, sei es bei strömungsmechanischen Themen mit CFD- oder strukturmechanischen Themen mit FEM-Simulation und vereinbaren Sie einen Termin über Teams.

Gerne beraten wir Sie unverbindlich, wie wir Sie bei der Umsetzung der Wasserstoffstrategie in Ihrem Unternehmen unterstützen können.

Abbildung 3: Stationärer Wasserstoffspeicher in einem Container.

Ihr Stefan Merkle

PS: Bei Wasserstofftanks wären typische strukturmechanische Aufgabenstellungen mit FEM z.B. die Auslegung von Berstkammern für die physischen Tests oder auch der rechnerische Nachweis der Tanks, bis hin zum Verhalten im Falle eines Crashs.

Vielen Dank an die Protagonisten und an Musicfox für den musikalischen Drive https://www.musicfox.com/