Risikofaktor Tanken von Wasserstoff

(Artikel vom 22.03.2023) Wasserstoff ist eine der Hoffnungsträger der erneuerbaren Energien. Damit diese Technologie großflächig genutzt werden kann, muss unter anderem die Betankung sicher sein, denn gerade dann werden die Tanks hoch belastet. Mittels CFD-Simulationen kann Merkle CAE Solutions optimale Betankungs-Prozesse sichtbar machen.

Wasserstofftanks sind Hochdrucktanks, die - falsch eingesetzt - auch zu kleinen oder größeren Bomben werden können. Genau deshalb gibt es Normen mit klaren Vorgaben, welche Temperatur- und Druckgrenzen einzuhalten sind, damit auch der Endverbraucher gefahrlos einen solchen Tank nutzen kann.

Die zulässigen Temperaturen liegen bei max. 85°C, der maximale Druck von 125% des Nominaldrucks darf nicht überschritten werden. Diese Vorgaben sind vor allem beim Tankvorgang spannend, der ja möglichst schnell stattfinden sollte. Wasserstoff wird unter Hochdruck getankt. Durch die hohen Einströmgeschwindigkeiten, insbesondere in der Anfangsphase, erhöht sich die Temperatur des Wasserstoffs. Zudem prallt der Wasserstoff bei axialer, also direkter, geradliniger Betankung, auf die gegenüberliegende Wand des Tanks. Die Temperaturen sind hoch, das Material erhitzt sich lokal, dehnt sich aus und die thermomechanischen Spannungen im Tank steigen, was zu einer Beschädigung des Tanks, gegebenenfalls unkontrolliert bis zur Explosion führen kann.

Die Betankung sollte daher zur Realisierung kurzer Tankzeiten unter einem schrägen Winkel erfolgen. Wie kann dieser Winkel aber optimal eingestellt werden, damit Temperaturspitzen möglichst vermieden werden?
Diese Frage stellt sich bei PKWs, LKWs, Tankstellen, Schiffen oder Flugzeugen immer wieder aufs Neue und bietet einen klassischen Anwendungsfall für eine transiente, also im Zeitverlauf betrachtete, Strömungsanalyse.

"Physikalisch wie rechentechnisch ist die CFD-Simulation für Wasserstoff-Betankung eine Herausforderung, da aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten die Zeitschritte kleiner als 1x10-5 Sekunden sein müssen. Der Betankungsvorgang selbst geht aber 30 Sekunden und länger", so Stefan Merkle, Geschäftsführender Gesellschafter der Merkle CAE Solutions GmbH. "Um korrekte Aussagen zur Optimierung der Tankprozesse zu treffen, müssen physikalische Rahmenbedingungen, logische Extrapolationen, aber auch wirtschaftliche Rechenzeiten bedacht werden. Sei es bei strömungsmechanischen Themen mit CFD- oder strukturmechanischen Themen mit FEM-Simulation - im Bereich der Wasserstofftechnologien baut Merkle CAE Solutions auf einschlägiges Know-how."

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