Wasserstoff (H2) hat viel Potenzial – aber auch hohe Anforderungen. Continental begleitet die Entwicklung vom Ursprung bis zur Brennstoffzelle.
Wenn zwei zusammenpassen, lassen sie sich nicht mehr los, gehen durch dick und dünn und sind gemeinsam stärker. Davon sind viele Arten in der Tierwelt – Pinguine, Schwertwale oder Tapire – genauso überzeugt wie so manch menschliches Zweiergespann. Selbst unter den kleinsten Elementen unserer Welt, die nur unter einem Mikroskop sichtbar werden, finden sich viele Paare: Sauerstoff, Stickstoff, Fluor oder Iod sind beispielsweise nur dann stabil, wenn sie sich mit einem zweiten ihrer Art zusammentun – und können dann ihr volles Potenzial entfalten. Gleiches gilt für Wasserstoff – und das macht H2 zu einem Hoffnungsträger für die Mobilität der Zukunft überall dort, wo hohes Gewicht, lange Ladezyklen und geringe Reichweiten von Elektrobatterien ein Problem sind.
Bis es aber soweit ist und Wasserstoff in großem Stil Lkw, Busse oder Bagger antreiben kann, ist es noch ein weiter Weg, der von allen Beteiligten – darunter auch die Materialexperten von Continental – erst noch geebnet werden muss. Wir wollten mehr wissen über dieses Element, seine Leistungsfähigkeit, Bedürfnisse und Ziele, und haben dafür ein Wasserstoff-Pärchen auf seiner Reise von der Entstehung bis in die Brennstoffzelle begleitet.
Warum eigentlich Wasserstoff? Zwar ist vom ersten Element im Periodensystem auf unserem Planeten genügend vorhanden, nur eben meist in organischer Form gebunden, zum Beispiel gemeinsam mit Sauerstoff – H2O. Um jedoch reinen Wasserstoff nutzen zu können, muss man ihn zunächst einmal unter Einsatz von Energie freisetzen bzw. herstellen. Lohnt sich das überhaupt? Ja, denn mit einer gravimetrischen Energiedichte von 120 kJ/g ist er ein deutlich besserer Energiespeicher als beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien – und kann so größere Reichweiten erzielen, wie sie zum Beispiel im Schwerlastverkehr benötigt werden.
Die am meisten versprechende Zukunftstechnologie für den Startpunkt unserer Wasserstoffreise ist die Elektrolyse, bei der Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Der Vorteil gegenüber anderen Technologien: Es entstehen keine schädlichen Emissionen wie CO2 – solange der genutzte Strom aus erneuerbaren Energien stammt. Deswegen wird dieser Wasserstoff auch als „grün“ bezeichnet.
Hier haben sich unsere beiden Wasserstoff-Atome kennengelernt und als feste Begleiter auf ihrem Trip in Richtung Brennstoffzelle zusammengetan. Aber weil reiner Wasserstoff zwar ein farb- und geruchsloses Gas, aber im Handling nicht ungefährlich ist, muss die weitere Route einige wichtige Eigenschaften erfüllen, damit die beiden sicher an ihrem Bestimmungsort ankommen. Dazu gehört zum Beispiel die Druckbeständigkeit von Leitungen, Dichtungen und Tanks.
Mit bis zu 700 bar wird Wasserstoff, je nach Aggregatzustand, weitertransportiert – das muss so ein Dichtungsring oder Schlauch erstmal aushalten. Damit er das schafft, wird in unseren Kompetenzzentren für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie umfangreiche Grundlagenforschung betrieben, um die nötigen Eigenschaften der Thermoplaste und Elastomere zu erreichen. Unter anderem gibt es bereits jetzt Wasserstoff-Bunkerschläuche im Continental-Produktportfolio, die komprimierten H2 unter Drücken von bis zu 345 bar sicher transportieren können.
Gerade erst entstanden, muss unser dynamisches Duo eine wichtige Entscheidung treffen: Soll die Reise gasförmig oder flüssig weitergehen? Denn daraus ergeben sich zwei weitere wichtige Eigenschaften für die Wasserstoff-Infrastruktur: Temperaturbeständigkeit und Antistatik. Als Gas sind die Beiden sehr reaktionsfreudig – und daher darf es in den Leitungen und Tanks zu keiner elektrostatischen Aufladung oder gar zu Funkenflug kommen. Weil Kunststoffe hier grundsätzlich anfälliger sind als Metalle wie Stahl oder Aluminium, arbeiten unsere Material-Experten auch hier an den richtigen Mischungen, die zudem leichter und flexibler in der Leitungsführung sind.
Sicherer als in der Gasform ist der Weitertransport als Flüssigkeit, was das System aber vor neue Herausforderungen stellt. Denn dafür muss unser H2-Pärchen auf
-253 Grad Celsius heruntergekühlt werden und die eingesetzten Materialien entsprechend temperaturbeständig sein. Erstmal im Fahrzeug angekommen, wird es ihnen dagegen sehr warm, denn hier kann die Umgebungstemperatur gerne auch +100 Grad Celsius und mehr betragen. Mit diesem Temperaturbereich beschäftigen wir uns also, wenn wir an der richtigen Mischung für den Wasserstoff-Transport tüfteln. Ganz so kalt muss es aber nicht immer sein: Auch in Form von Ammoniak, der Verbindung aus Wasserstoff und Stickstoff, kann H2 als Energiequelle transportiert werden, benötigt dafür aber nur eine Temperaturbeständigkeit der Leitungen von -30 bis +50 Grad Celsius. Schon heute gehören Lösungen für den Ammoniaktransport zum Angebot von Continental.
Eine wichtige Etappe auf seiner Reise erreicht unser Zweiergespann an der Tankstelle. Denn hier dürfen die Beiden auf keinen Fall verlorengehen. Und das ist gar nicht so einfach, denn mit 0,000000031 mm ist H2 das kleinste Molekül mit der geringsten Dichte – ungefähr 14,4-mal weniger als die Umgebungsluft. Das heißt, durch herkömmliche Tankschläuche aus Gummi oder Silikon würden sich unsere beiden Wasserstoff-Reisenden schnell verflüchtigen. Und das wäre nicht nur Verschwendung, sondern an so einem neuralgischen Punkt auch gefährlich – ein kleiner Funke könnte zu einer Explosion führen.
Also müssen alle medienführenden und verbindenden Bauteile, wie zum Beispiel Schlauchseelen, Tankstutzen und Kupplungen, besonders dicht sein. Stahl fällt trotz einem niedrigen Permeationsgrad aus, denn er ist schwer und unflexibel. Daher sehen unsere Materialexperten die Lösung für diese Anwendungssituation eher in hochleistungsfähigen Kunststoffen, um damit unsere beiden Wasserstoffatome sicher und flexibel auf ihren Weg ins Fahrzeug geleiten.
Jetzt sind wir schon fast am Ziel unserer Wasserstoff-Reise angekommen, der Brennstoffzelle im wasserstoffbetriebenen Nutzfahrzeug. Hier sollen sich unsere beiden Gefährten nach einer langen gemeinsamen Reise wieder voneinander trennen. Aber nur, wenn nicht noch etwas dazwischen kommt – zum Beispiel andere Moleküle, die sie auf ihrer Reise aufsammeln könnten. Daher ist Sauberkeit für die Wasserstoffinfrastruktur eine weitere Zielgröße, nach der unsere Ingenieure streben.
Denn die aus Leitungen abgegebenen und weitertransportierten Chemikalien können die Protonenaustauschmembran in der Brennstoffzelle verunreinigen und dadurch zu Leistungsbeeinträchtigungen und frühzeitigem Verschleiß führen. Für diese Leitungsinfrastruktur gibt es im Continental-Portfolio schon viele Komponenten, die bereits heute im Einsatz sind, darunter EPDM-Schläuche für die Stack-Kühlung, hochreine Lufteinlass- und Wasserstoffrückführleitungen sowie Produkte für das Abgassystem und die Kupplungstechnik.
Wenn unser Wasserstoff-Paar aber ohne unerwünschte Mitreisende sauber in der Brennstoffzelle ankommt, werden sie dort unter kontrollierten Bedingungen zu einer Reaktion mit Sauerstoff gebracht. Das Ergebnis: Viel freigesetzte Energie, die das Fahrzeug antreibt. Ein wenig Wasser, das über ein Leitungssystem nach außen abgeführt wird. Und das Wichtigste: Kein CO2, was die Klimakrise weiter anheizen könnte.
Und genau das macht die Brennstoffzellen-Technologie besonders für den Schwerlastverkehr interessant, der heute rund ein Drittel der CO2-Emissionen des gesamten Verkehrssektors ausmacht. Aber auch für andere Bereiche, in denen Wasserstoff anwenderfreundlich die emissionsfreie Mobilität ermöglichen könnte. Nämlich überall dort, wo Gewicht, Reichweiten und Ladezeiten eine große Rolle spielen. Dazu gehören übrigens auch Off-Highway-Anwendungen, wenn zum Beispiel Bau- und Mining-Maschinen mitunter 24 Stunden am Tag in Betrieb sind.
Unsere Material-Experten arbeiten mit Hochdruck daran, diese Zukunftvision möglichst schnell Realität werden zu lassen. Und dann treiben vielleicht in einigen Jahren viele, viele Wasserstoff-Pärchen die neuesten Tieflader, Bagger oder Logger an.
Als kleinstes Molekül mit der geringsten Dichte ist H2 so leicht, dass es sich durch herkömmliche Leitungen aus Gummi oder Silikon schnell verflüchtigen würde. Daher müssen alle medienführenden und verbindenden Komponenten besonders dicht sein.
Wasserstoff wird erst bei -253 Grad Celsius flüssig, im Brennstoffzellenfahrzeug kann die Temperatur dagegen + 100 Grad Celsius und mehr betragen. Daher müssen die eingesetzten Materialien in Leitungen entsprechend temperaturbeständig sein.
Lesen Sie mehr darüber, welche Lösungen unsere Experten entwickeln, um die Herausforderungen im Bereich Wasserstoff anzugehen.
