Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGPÜberkapazitäten in der regenerativen Stromerzeugung können nach einer Umwandlung mittels Elektrolyse in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Die gasförmige Druckspeicherung stellt hierbei hohe Anforderungen an die Druckbehälter, die aus Gewichtsgründen heutzutage fast vollständig aus (faserverstärkten) Kunststoffen gefertigt werden.
Problemstellung
Die regenerative Stromerzeugung (vor allem aus Photovoltaik und Windenergie) unterliegt naturgemäß großen Schwankungen, welche bei der Integration in das Stromnetz zu Problemen führen. Überkapazitäten können mittels Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt und gasförmig gespeichert werden. Entsprechende Druckbehälter in Leichtbauweise bestehen aus einem thermoplastischen inneren Auskleidungskörper, dem Liner, und einer gewickelten Druckhülle aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Der Liner dient hauptsächlich der Gasdichtigkeit (Permeationssperrwirkung) gegenüber dem Wasserstoff, muss aber auch bestimmte mechanische Eigenschaften aufweisen und sich im Rotationsguss verarbeiten lassen. Die Faserwicklung nimmt die strukturellen Lasten infolge der hohen Speicherdrücke auf. Zusammen mit der Geometrie der einzelnen Druckbehälter-Komponenten muss sie so gestaltet und ausgelegt werden, dass Spannungsspitzen vor allem in Übergangsbereichen reduziert werden.
Lösungsansatz / Vorgehensweise
Zur Identifikation eines geeigneten Liner-Materials wurden verschiedene thermoplastische Kunststoffe teilweise gezielt modifiziert und umfassend hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Permeationssperrwirkung charakterisiert. Zusätzlich fanden Fertigungsversuche zur Beurteilung ihrer Verarbeitbarkeit im Rotationsguss statt. Zur Auslegung wurde ein Finite-Elemente (FE)-Modell des Druckbehälters entwickelt, welches u. a. die sich mit dem Radius ändernden Faserorientierungen, die mechanischen und geometrischen Eigenschaften der Wicklung sowie die wirkenden Lasten abbildet. Das Modell wurde dahingehend diskretisiert, dass das FE-Netz einerseits in Bereichen großer Spannungsgradienten ausreichend fein ist und andererseits die Gesamtelementanzahl im Sinne akzeptabler Berechnungsdauern möglichst gering bleibt. Das parametrisierte FE-Modell ermöglichte durch Variation verschiedener geometrischer und technischer Größen die materialseitige und konstruktive Gestaltung des Drucktanks, insbesondere im kritischen Boss-Liner-Übergangsbereich.
Ausgewählte Ergebnisse
Polyamid 6 (PA6) besitzt zwar eine äußerst gute Permeationssperrwirkung, ist aber auch sehr spröde. Additive können die Zähigkeit deutlich erhöhen, wirken sich allerdings ungünstig auf die Polymerisationsreaktion im Rotationsguss aus. Polyethylen (PE) weist keine so gute Gasdichtigkeit auf wie PA6, zeichnet sich dafür durch eine hohe Zähigkeit aus und kann ohne Probleme verarbeitet werden. Im Hinblick auf die reproduzierbare Liner-Fertigung sowie die Spannungsreduzierung in Übergangsbereichen ist deshalb PE zu bevorzugen. Durch die FEM-Berechnungen konnte gezeigt werden, dass sowohl größere konstruktive Anpassungen, wie die Verkleinerung des Bossdurchmessers mit einhergehender Reduzierung der Bosshöhe am Umfang, als auch kleinere geometrische Änderungen, wie die Optimierung der Bauteilradien im Übergangsbereich, einen positiven Einfluss auf die resultierenden Beanspruchungen im relevanten Bereich haben.
Nutzen
Mit den im Rahmen des Vorhabens gewonnenen Erkenntnissen wird die Herstellung von großvolumigen Druckbehältern zur Speicherung von Wasserstoff mit Betriebsdrücken von 63 bar ermöglicht. Die Auslegung für einen fünffach höheren Berstdruck gewährleistet einen sicheren und dauerhaften Einsatz.