Selbstproduzierter Wasserstoff für den Eigenbedarf

Mit kleinen Win­drädern sollen Pri­vatkun­den kün­ftig Wasser­stoff für den Eigenbe­darf pro­duzieren. Leicht­bau­ex­perten des Fraun­hofer-Insti­tuts für Ange­wandte Poly­mer­forschung IAP, der BTU Cot­tbus und ein Indus­triepart­ner entwick­eln dafür jet­zt die Schlüs­sel- tech­nolo­gien: kleine effiziente Rotoren und sichere Tanks. Pri­vathaushalte benöti­gen heutzu­tage laut Angaben des Bun­desumweltamts für die Erzeu­gung von Strom und Wärme rund ein Vier­tel der gesamten Energie, die in Deutsch­land ver­braucht wird.
Dabei wird gut die Hälfte der Energie aus Erdgas und Erdöl gewon­nen. Im Hin­blick auf den sich ver­schär­fend­en Kli­mawan­del ist diese Bilanz ernüchternd. »Hier ist aus erneuer­baren Energien gewonnen­er Wasser­stoff als Energi­eträger zukün­ftig vielfach bess­er geeignet«, kon­sta­tiert denn auch Prof. Hol­ger Sei­dlitz, Leicht­bau-Spezial­ist an der BTU Cot­tbus-Sen­ften­berg und Leit­er des Forschungs­bere­ichs »Poly­mer­ma­te­ri­alien und Com­pos­ite PYCO« des Fraun­hofer-Insti­tuts für Ange­wandte Poly­mer­forschung IAP am Stan­dort Wildau. Zusam­men mit seinem Team und einem mit­tel­ständis­chen Unternehmen geht er die Wasser­stoff-Zukun­ft aktuell zugle­ich von zwei Seit­en an: Zum einen hat er die Gewin­nung von Strom im Blick, den man für die Wasser­stoff-Pro­duk­tion benötigt. Dazu entwick­eln die Koop­er­a­tionspart­ner derzeit eine kleine und effiziente Win­dan­lage. Zum zweit­en beschäftigt sich das Team mit der Spe­icherung des wertvollen Gas­es. Dafür stellt es neuar­tige Wasser­stoff­tanks aus Faser­bundw­erk­stof­fen her.

Wasserstoff für Brennstoffzelle und Auto

»Das Win­drad wird so klein aus­gelegt sein, dass sich auch Pri­vatleute eine solche Anlage in den Garten stellen kön­nen. Der Wasser­stoff wird dann vor Ort in einem kleinen Elek­trol­y­seur erzeugt und im Tank gespe­ichert.« — Hol­ger Seidlitz

 
Er soll dann beispiel­sweise eine Brennstof­fzelle im Haus antreiben, die zugle­ich Wärme und Strom pro­duziert. Besitzer von Wasser­stof­fau­tos wiederum kön­nten ihr Auto kün­ftig direkt zu Hause betanken. Die Stärke des Konzepts beste­he vor allem darin, dass das ganze Sys­tem klein und trotz­dem sehr effizient aus­gelegt ist, betont Sei­dlitz. Das fängt beim Win­drad an. Die Leicht­bau-Experten haben einen neuen Pro­peller konzip­iert, der sich bere­its bei ein­er schwachen Brise in Bewe­gung set­zt. »Hier in der Lausitz weht der Wind sehr viel schwäch­er als in Nord­deutsch­land«, sagt der Maschi­nen­bau-Inge­nieur Mar­cel­lo Ambro­sio, der das Pro­jekt betreut. »Wir haben das Design der Rotor­blät­ter daran angepasst und ihre Masse im Ver­gle­ich zu herkömm­lichen Klein­win­dan­la­gen um rund 30 Prozent ver­ringert.« Seit kurzem gibt es in dem Insti­tut einen indus­triellen 3D-Druck­er, mit dem sich Objek­te bis zu ein­er Größe von rund zwei mal zwei Metern fer­ti­gen lassen. Damit haben Mar­cel­lo Ambro­sio und seine Kol­le­gen unlängst eine Kun­st­stoff­form für die Pro­duk­tion ihrer Schwach­wind-Rotoren aus Faserver­bund fer­tiggestellt. Unter­stützt wur­den sie dabei von der Fir­ma EAB Gebäude­tech­nik Luck­au, die eben­falls auf Leicht­bau spezial­isiert ist.

Leichte und agile Rotoren

Faserver­bundw­erk­stoffe wer­den gefer­tigt, indem man Faser­streifen präzise in eine Form ein­legt und dann mit Hil­fe eines Harzes oder ander­er Kun­st­stoffe zum Bauteil aushärtet. Oft­mals wird das Ver­legen per Hand durchge­führt. Am Fraun­hofer IAP aber übern­immt diese Auf­gabe eine mod­erne Auto­mat­ed-Fibre-Place­ment-Anlage, die die Ver­stärkungs­fasern präzise in der Form platziert. Ambro­sio: »Anders als beim Ver­legen per Hand gibt es hier weniger Über­lap­pun­gen, sodass wir deut­lich die Maße reduzieren können.«
Einzi­gar­tig ist auch, dass der Rotor Stark­winden stand­hält. Die Rotor­blät­ter sind so beschaf­fen, dass sie sich bei Sturm elastisch ver­biegen und aus dem Wind drehen. »Damit drosselt die Anlage von allein die Rota­tion­s­geschwindigkeit und nimmt keinen Schaden«, sagt Hol­ger Sei­dlitz. Auf kom­plizierte Steuertech­nik und aufwändi­ge Mechanik kann damit verzichtet wer­den. In den näch­sten Monat­en wer­den die Rotoren im Frei­land getestet. Im Ver­gle­ich mit herkömm­lichen Klein­win­dan­la­gen sollen sie zeigen, was in ihnen steckt.

Tank mit eingebauten Sicherheitssensoren

Um Leicht­bautech­nik geht es auch in dem zweit­en Pro­jekt, der Fer­ti­gung der Wasser­stoff­tanks. Klas­sis­che Wasser­stoff­tanks für die Indus­trie beste­hen aus großen druck­festen Stahlbe­häl­tern. Für den Ein­satz in Tausenden von Pri­vathaushal­ten aber wären leichte Tanks aus Car­bon­fas­er-Ver­bun­den wesentlich mate­ri­als­paren­der und han­dlich­er und wür­den beson­dere Vorteile vor allem für mobile Anwen­dun­gen bieten. Allerd­ings müssen diese sehr sich­er sein. Wasser­stoff darf nicht entwe­ichen, weil er mit Luft­sauer­stoff ein explo­sives Gemisch bilden kann. Auch hier bietet das Team aus der Lausitz eine inter­es­sante Lösung. Die Tanks wer­den aus Car­bon­faser­streifen hergestellt, die auf einen zylin­drischen Kör­p­er aufgewick­elt wer­den. Mit Kun­stharz getränkt, härten diese dann zu einem Tank aus, der viele hun­dert Bar Druck aushält. Um Leck­a­gen zu detek­tieren, bauen die Experten in den Behäl­ter zugle­ich Sen­soren ein. »Aktuell arbeit­en wir mit 3D-Druck­ern, die elek­trisch leit­fähige Tin­ten ver­ar­beit­en kön­nen«, erläutert Mar­cel­lo Ambro­sio. »Diese arbeit­en wir direkt in den Faserver­bund ein.« Selb­st kleine elek­tro­n­is­che Bauteile kön­nen die Forsch­er in die Tankwand inte­gri­eren. Dieses Früh­warn­sys­tem ist eine wichtige Voraus­set­zung für einen kün­fti­gen sicheren Ein­satz beim Endkunden.
Hol­ger Sei­dlitz betont, dass die Forschungsko­op­er­a­tion nicht zulet­zt die Region stärke. »Die Lausitz ist stark vom Struk­tur­wan­del geprägt. Ich komme aus der Region und finde es wichtig, dass wir kleine und mit­tlere Unternehmen in unsere Forschung­spro­jek­te ein­binden, um hier durchgängige Wertschöp­fungs­ket­ten aufzubauen.« Mit dem Win­drad und dem Tank kom­biniert er jet­zt vor Ort zwei Entwick­lun­gen – die regen­er­a­tiv­en Energien und die Wasser­stoff-Tech­nik, – die in den kom­menden Jahren von her­aus­ra­gen­der Bedeu­tung sein werden.