In den letzten Jahren hat Wasserstoff als saubere Energiequelle zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dabei spielt die Qualität des Wasserstoffs eine entscheidende Rolle, da sie die Effizienz und Lebensdauer von Brennstoffzellen maßgeblich beeinflusst. Um die hohen Anforderungen an die Wasserstoffqualität zu gewährleisten, sind spezialisierte Laboratorien notwendig. Eines dieser Labore ist das HyLaB am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm.
Das HyLaB ist ein Labor für Wasserstoffqualität, das sich auf die Analyse und Bewertung von Wasserstoffproben konzentriert. Das ZSW Ulm gehört zu den führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Deutschland und trägt damit maßgeblich zur Weiterentwicklung dieser Technologien bei.
Mit dem HyLaB verfügt das ZSW Ulm über ein hochmodernes Wasserstoffqualitätslabor, das sowohl für Forschungszwecke als auch für die Industrie von großer Bedeutung ist. Das Wasserstoff Qualitätslabor HyLaB ist weltweit eines von nur drei unabhängigen Laboren, dass Verunreinigungen im Wasserstoff bis in den ppb-Bereich nachweisen kann.
Das ZSW am Standort Ulm zählt zu den Pionieren in der Erforschung der Lebensdauer von Brennstoffzellen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Wasserstoffqualität, da diese einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Brennstoffzellen hat.
Verunreinigungen im Wasserstoff können die Funktionsfähigkeit und Leistung einer Brennstoffzelle beeinträchtigen und ihre Lebensdauer deutlich verkürzen. Daher ist es von großer Bedeutung, dass der Wasserstoff, der in Brennstoffzellen eingesetzt wird, eine hohe Reinheit aufweist und den vorgegebenen Qualitätsstandards entspricht.
In der Praxis bedeutet dies, dass die Wasserstoffqualität genau überwacht und kontrolliert werden muss, um einen reibungslosen Betrieb von Brennstoffzellen in verschiedenen Anwendungen - von Fahrzeugen bis hin zu stationären Energiespeichern - zu gewährleisten.
Um Brennstoffzellen in Fahrzeugen durch Verunreinigungen im Wasserstoff zu schützen, muss der an Tankstellen abgegebene Wasserstoff die internationalen Qualitätsnormen ISO 14687, SAE J2719 bzw. in Deutschland die gesetzlich verbriefte DIN EN 17124 erfüllen. Diese Standards nachzuweisen ist aufwändig und erfordert einen entsprechenden Gerätepark.
Das HyLaB am ZSW Ulm verfügt über modernste Verfahren und Techniken zur Analyse und Bewertung von Wasserstoffproben. Das HyLaB verfügt über den notwendigen Gerätepark und hat bereits in vielen Projekten die Einhaltung dieser Normen nachgewiesen.
2019 war das HyLaB im "Interlaboratory Comparison for hydrogen purity analysis" des MetrohyVe-Projekts bei Vergleichsmessungen von 13 Laboren weltweit eines von nur drei Laboren, welches bei allen Messungen innerhalb der maximal erlaubten Messabweichungen war.
Entnahme von Wasserstoffproben mit eigenentwickelten Geräten
Das ZSW bietet auch die Entnahme von Wasserstoffproben an der Zapfsäule von 700 bar PKW-HRS mit einem speziell dafür entwickelten und zugelassenen Gerät „HySaM“ an. Dieses Gerät verfügt über inertisierte Leitungen und Komponenten, um die Adsorption und Reaktion von Verbindungen wie Schwefel, Ammoniak, Formaldehyd und Ameisensäure aus der Probe zu verhindern. Die korrekte Probenahme an H2-Tankstellen ist ein komplexer Vorgang. Das gemeinsam mit dem Partner ZBT entwickelte Gerät HySaM ist eine der wenigen Lösungen für eine solche Probenahme. Im Kundenauftrag werden regelmäßig Wasserstoffproben an Wasserstofftankstellen oder anderen Orten entnommen und im HyLaB nach den Normen EN17124, ISO14687 und SAE J2719 analysiert.
Aktuell konzentriert sich das Projekt „RingWaBe“ auf die Erweiterung des HySaM-Gerätes, um die Probenahme an HighFlow-Wasserstofftankstellen für Nutzfahrzeuge zu ermöglichen. Die Erweiterung des Geräts wird dazu beitragen, die Wasserstoffqualität auch in dem Bereich der Brennstoffzellen-Nutzfahrzeuge zu verbessern.
Die Integration dieser Projekte und Initiativen in die bestehende Wasserstoffinfrastruktur und Energiesysteme kann dazu beitragen, die Wasserstoffqualität und damit die Effizienz und Lebensdauer von Brennstoffzellen zu verbessern.
Letztendlich fördern diese Projekte die weitere Akzeptanz und Nutzung von Wasserstoff als nachhaltige und umweltfreundliche Energiequelle.
Mit Wasserstoff (H2) betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge ermöglichen eine emissionsfreie Elektromobilität mit großen Reichweiten und kurzen Betankungszeiten. Wasserstoff kann abhängig vom Herstellprozess und durch den Transport zur Tankstelle jedoch Verunreinigungen enthalten, die die Brennstoffzellen schädigen können. Um die geforderte lange Lebensdauer von Brennstoffzellen in Fahrzeugen garantieren zu können, muss die Wasserstoffqualität regelmäßig überprüft und sichergestellt werden. Das ZSW hat Verfahren entwickelt, die zur kostengünstigen Überwachung der Wasserstoffqualität an Tank- und Abfüllstellen angewendet werden.
Richtlinien zum Wasserstoff tanken
Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) werden an Wasserstofftankstellen (HRS) betankt. Und das gilt für Wasserstoff-Pkw, die bei 700 bar tanken, wie auch für Nutzfahrzeuge, die bei 350 bar tanken. Der Tankvorgang ist vergleichbar mit dem Betanken von Benzin- oder Dieselfahrzeugen. 2009 wurde in Deutschland die erste HRS für die Öffentlichkeit freigegeben. Stand Mai 2023 gibt es in Deutschland rund 163 betriebsbereite Wasserstofftankstellen, weitere 45 sind in Realisierung.
Der Aufbau eines Tankstellennetzes für Brennstoffzellen-Nutzfahrzeuge (350 bar Tanks) hat in Deutschland im Jahr 2020 begonnen, sechs Tankstellen waren bereits im September 2021 in Betrieb. Echtzeitinformationen zum HRS-Netz in Deutschland und den angrenzenden Ländern zeigt https://h2.live
In Deutschland ist die DIN EN 17127 (Richtlinie für H2-Betankungstechnologie und Qualitätssicherung) nach Umsetzung der europäischen Alternative Fuel Infrastructure Directive (AFID) gesetzlich verbindlich. Deshalb müssen Wasserstofftankstellen in Deutschland vor der Freigabe eine Reihe von Abnahmetests bestehen, die in der SAE J2601 und der ISO 19880-1 definiert sind. Mit den Tests wird das sichere Abschalten beim Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten, das korrekte Einhaltung von Betankungsrampen bzw. Betankungsprotokollen und die Reaktion auf Signale vom Fahrzeug geprüft. Für die Testberichte wird in Deutschland und künftig weltweit eine Berichtsvorlage verwendet, die maßgeblich vom ZSW erstellt wurde.
Mobiles Abnahmesystem für Wasserstofftankstellen (FSTM)
Das ZSW führt Abnahmetests an Wasserstofftankstellen durch, um sicherzustellen, dass diese vor der ersten Inbetriebnahme den gesetzlich vorgeschriebenen Normen entsprechen.
Mit dem "Fueling Station Test Module" (FSTM) hat das ZSW 2018 ein mobiles Messsytem entwickelt mit dem diese Prüfungen für PKW-HRS durchgeführt werden können. Bis zum September 2021 wurden bereits 26 Tankstellenabnahmen durchgeführt. Bei Bedarf können mit dem FSTM auch Wasserstoffproben auf der Hoch- und Niederdruckseite der eingebauten Fahrzeugtanks entnommen werden.
Hier arbeitet das ZSW eng mit den Partnern H2-Mobility und CEP (Clean Energy Partnership) zusammen.
Die Prüfungen werden von qualifizierten ZSW-MitarbeiterInnen durchgeführt, die als befähigte Personen nach Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) in den Bereichen Explosionsschutz und Druckgeräte bestellt sind. Darüber hinaus sind die Mitarbeiter im Rahmen des maßgeblich von Shell entwickelten und auch von anderen Tankstellenbetreibern anerkannten Sicherheitssystems "Permit-to-work" umfassend qualifiziert und als "Permit Holder" und "Permit Issuer" zertifiziert.
Für die Abnahme von Wasserstofftankstellen für Nutzfahrzeuge (HeavyDuty-HRS) gibt es aktuell in Europa noch kein geeignetes Testgerät (Stand 05/2023). Die Tests müssen deshalb bisher zeitaufwändig mit Nutzfahrzeugen durchgeführt werden. Um den Zeitaufwand zu verringern und die Logistik für die Tests zu vereinfachen, hat das ZSW Mittel beantragt um das vorhandene FSTM für die Abnahme von HeavyDuty-HRS zu erweitern.
Eine offene Herausforderung bei der Betankung ist die exakte Mengenbestimmung des abgegebenen Wasserstoffs. Bei flüssigen Kraftstoffen ist dieser Vorgang etabliert und relativ einfach. Bei gasförmigem Wasserstoff erfordert diese noch ganz neue Methoden und Messgeräte. Die von der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) bisher zugelassenen Geräte basieren auf gravimetrischen Messungen und benötigen inakzeptable lange Vor-Ort-Messzeiten. Das ZSW hat deshalb Mittel beantragt, um einen am Markt erhältlichen Transferzähler als Standard für die Wasserstoffmengenmessung mit kurzen Messzeiten zu qualifizieren. Positiv verlaufende Vorversuche wurden dazu bereits zusammen mit der PTB durchgeführt.
Der Nachweis der Wasserstoffqualität nach Norm ist zeit- und damit kostenaufwändig und kann deshalb nicht fortlaufend durch Offline-Analytik im Labor dargestellt werden. Zusätzlich können auch Schadstoffe, die nicht in der Norm enthalten sind, Brennstoffzellen nachhaltig schädigen (z.B. Schadstoffe aus geänderten Herstellverfahren, anderen Transportmitteln oder neuer Tankstellentechnik). Diese unbekannten Stoffe mit der hochspezialisierten Analysetechnik im Labor nachzuweisen ist kaum möglich. Das ZSW arbeitet deshalb daran, ein einfaches, sicheres und relativ preiswertes Verfahren auf der Basis "Brennstoffzelle als Qualitätssensor" zur permanenten Qualitätsüberwachung von Wasserstoff zu entwickeln.
Um die Wasserstoffqualität weiter zu verbessern und die Wasserstofftechnologie voranzutreiben, laufen verschiedene Forschungsprojekte und Initiativen am ZSW in Ulm. Nachfolgend einige aktuelle Projekte:
HyQuality Europe (Verbesserte Wasserstoffqualität für die Mobilität): Im EU-Verbundvorhaben HyQuality Europe wird die Landschaft zur Qualitätssicherung von Wasserstoff als Kraftstoff für die Mobilität gemäß der Norm EN17124 weiterentwickelt. Statt der bisherigen, kostenintensiven Untersuchung aller Verunreinigungen in der Norm setzt das Projekt verstärkt auf Risikobewertungen.
Insgesamt werden europaweit 300 Wasserstoff-Proben aus dem Tankstellennetz entnommen und in den Laboren der Projektpartner auf Spurenverunreinigungen untersucht. Durch die Korrelation dieser Daten mit den technischen Informationen der jeweiligen Tankstelle wird eine Risikoanalyse ermöglicht, die auf europäischen Felddaten basiert. Eine frei zugängliche Datenbank des Projekts wird Tankstellenbetreibern helfen, die Auftrittswahrscheinlichkeit von Verunreinigungen (Occurrence Class) für ihre spezifische Wasserstoffquelle, Beförderungsweg und Tankstellentechnologie zu bestimmen.
Zusätzlich unterstützt das Projekt seine Kernziele durch Online-Analytik an ausgewählten Tankstellen und Ringversuche zur Gasanalytik in den Laboren. Die Ergebnisse werden von den Projektpartnern in die nächste Revision der Standards EN17124 und ISO 14687 in die Normungsgremien eingebracht.
H2-WANDEL Modellregion Mittlere Alb-Donau-Ostwürttemberg: Das Ziel von H2-Wandel ist die Erprobung einer Wasserstoffwirtschaft im ländlichen und urbanen Raum. Durch die Schaffung einer Infrastruktur, soll die Verwendung von Wasserstoff gefördert werden. Dabei konzentrieren sich die Aktivitäten auf vier Leuchtturmprojekte, die die gesamte Wertschöpfungskette von der Erzeugung bis hin zur Nutzung in Industrie, Verkehr und Quartierslösungen abbilden. Dazu gehört auch die Überwachung und Verbesserung der Wasserstoffqualität, um eine effizientere Nutzung von Brennstoffzellen in Fahrzeugen zu ermöglichen.
HyDRAITE (Hydrogen Dispersion and Risk Assessment Integration Toolbox for Europe): Das EU-Verbundprojekt HyDRAITE beschäftigt sich mit der Qualitätssicherung von Wasserstoff auf internationaler Ebene. Das Projekt verfolgt zwei Hauptziele: Erstens wird der Einfluss der beispielhaften Schadstoffkomponente Kohlenmonoxid auf moderne Brennstoffzellen untersucht. Das zweite Ziel des Projekts ist es, die Probenahme an Wasserstofftankstellen und die anschließende Analyse der Proben nach ISO 14687:2019 zu qualifizieren. Auch sollen gewonnene Erkenntnisse aus dem HyDRAITE Projekt in die Normungsgremien zur ISO 14687 zurückgespielt werden, um wissenschaftlich fundierte Hinweise für die nächste Revision des Dokuments zu erhalten.
Die Wasserstoffqualitätsnormen ISO 14687, SAE J2719 und DIN EN 17124 sind für die Industrie von entscheidender Bedeutung, um die Sicherheit, Effizienz und Leistungsfähigkeit von Wasserstofftechnologien zu gewährleisten. Das ZSW-HyLaB bietet die Analyse von Wasserstoff nach den internationalen Normen an und gehört zu den wenigen unabhängigen Laboratorien, die diese Analysen überhaupt durchführen können.
ISO 14687: Wasserstoff-Reinheit im Fokus
Die Norm ISO 14687 legt die Anforderungen an die Reinheit von Wasserstoff fest und ist für die Qualitätssicherung in der Wasserstoffbranche unerlässlich. ISO 14687 konzentriert sich speziell auf die Wasserstoffreinheit für Brennstoffzellenfahrzeuge.
SAE J2719 Hydrogen Purity: Anforderungen an die Wasserstoffqualität
SAE J2719 definiert am amerikanischen Markt die Anforderungen an die Wasserstoffqualität für den Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen. Diese Norm ist wichtig, um eine hohe Wasserstoffqualität sicherzustellen, die für eine optimale Leistung von Brennstoffzellenanwendungen erforderlich ist.
DIN EN 17124: Wasserstoffherstellung und -verteilung
Die Norm DIN EN 17124 legen die Anforderungen an die Herstellung und Verteilung von Wasserstoff in Deutschland fest. Die Einhaltung dieser Normen ist notwendig, um eine sichere und effiziente Wasserstoffinfrastruktur zu gewährleisten.
In Deutschland ist weiterhin die DIN EN 17127 (Richtlinie für H2-Betankungstechnologie und Qualitätssicherung) nach Umsetzung der europäischen Alternative Fuel Infrastructure Directive (AFID) gesetzlich verbindlich.
Deshalb müssen auch Wasserstofftankstellen in Deutschland vor der Freigabe eine Reihe von Abnahmetests bestehen, die in der SAE J2601 und der ISO 19880-1 definiert sind. Die DIN EN 17127 fordert die Funktionsprüfung der weltweit einheitlichen Betankungsprotokolle nach SAE J2601 in Anlehnung an die Prüfverfahren der internationalen Richtlinie ISO 19880-1.
Die Messung der Wasserstoffqualität ist ein entscheidender Faktor, um sicherzustellen, dass der Wasserstoff den Anforderungen der verschiedenen Anwendungen entspricht. Um die Qualität von Wasserstoff zu messen, werden verschiedene Analysemethoden und Technologien eingesetzt, die auf die Identifizierung und Quantifizierung von Verunreinigungen im Wasserstoff abzielen. Dabei werden die Wasserstoffproben unter Berücksichtigung der internationalen Normen wie ISO 14687, SAE J2719 und DIN EN 17124 analysiert.
Was bedeutet Wasserstoff Qualität 5.0?
Wasserstoff Qualität 5.0 ist ein Begriff, der sich auf die technische Reinheit des Wasserstoffs bezieht. Dabei handelt es sich um einen Wasserstoff mit einer Reinheit von 99,999 % oder höher, was bedeutet, dass die Verunreinigungen weniger als 10 Teil pro Million (ppm) betragen. Diese hohe Reinheitsstufe ist für bestimmte Anwendungen, insbesondere für Brennstoffzellen, von entscheidender Bedeutung, da Verunreinigungen im Wasserstoff die Leistung und Lebensdauer von Brennstoffzellen beeinträchtigen können. Manche Verunreinigungen benötigen weitaus strengere Grenzen, die in internationalen Standards definiert sind.
Nur wenige Labore, wie das HyLaB am ZSW in Ulm, sind darauf spezialisiert, Wasserstoffqualität nach diesen internationalen Normen zu analysieren und die Reinheit des Wasserstoffs zu überwachen.
Für volle Leistungsfähigkeit und lange Lebensdauer einer Brennstoffzelle müssen wissenschaftliche und technische Grenzwerte bei der Qualität von Wasserstoff eingehalten werden.
Die aktuell gültigen Wasserstoffqualitätsnormen beruhen jedoch auf mehr als 17 Jahre alten Arbeiten und sind daher nicht vollständig auf die Anforderungen heutiger und zukünftiger Brennstoffzellensysteme und Einsatzbedingungen übertragbar. Im Rahmen des Projektes H2Fuel werden daher rund 300 Langzeitmessungen mit verschiedenen Schadstoffen, Schadstoffkonzentrationen, Brennstoffzellenkomponenten und Lastzyklen durchgeführt, um die Datenbasis für eine dringend notwendige Aktualisierung der Normen zu schaffen.
Ziel ist eine Aktualisierung der Normen auf Basis von Messdaten an Brennstoffzellen des heutigen Stands der Technik. Die Rolle des H2Fuel Projektes in der Wasserstofftechnologie besteht darin, fundierte Daten und Erkenntnisse zu liefern, die zur Anpassung und Aktualisierung bestehender Normen und damit zur weiteren Verbesserung der Wasserstoffqualität und der Lebensdauer von Brennstoffzellen beitragen.
Das HyLaB und das ZSW arbeiten im Bereich Wasserstoffqualität eng mit renommierten Partnern wie dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT), dem Fraunhofer ISE, der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHUD) zusammen. Assoziierte Industriepartner sind Firmen wie Daimler, BMW, Ford und ElringKlinger. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) gefördert.