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Abt. 5 Wasserstoff als Antrieb 14.03.2013

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Wasserstoff als Antrieb

Malte JahnRegierungspräsidium Stuttgart

Ref. 54.5

Inhalt:

• Rückblick• Eigenschaften von Wasserstoff• Ausblick• Arbeitsschutz in Werkstätten• Explosionsschutz• Zulassungsverfahren

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Rückblick1766 Entdeckung des Wasserstoffs (Henry Cavendish)

1807/1813 Patent/Fahrt des ersten (wasserstoffgetriebenen) Kraftfahrzeuges (Francois Isaac Rivaz)

1839 Brennstoffzelle (Sir William Groove)

1860 Hippomobile (Etienne Lenoir)

1898 Verflüssigung von Wasserstoff (James Dewar)

1909 Ammoniaksynthese nach Haber-Bosch

1937 Absturz des Luftschiffs „Hindenburg“

1966 Electrovan (GM), Brennstoffzellenfahrzeug mit flüssigem Wasserstoff

1971-1978 Versuchsfahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotor und tiefkaltem Wasserstoff


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Eigenschaften

Benzin Methan Propan Wasserstoff

UEG (%, Luft) 15 5 2,1 4OEG (%, Luft) 8 15 9,5 75,6Flammpunkt °C -20 -188 -104 -270,8Minimale Zündenergie mJ

0,8 0,3 0,25 0,017

Dichte 20°C 1 bar 0,7-0,78 kg/l 0,718 kg/m3 2,01 kg/ m3 0,089 kg/ m3

Siedepunkt 30-215 °C -161,5 °C -42 °C -252,7 °CKritische Temperatur - 82,5 °C 96,6 °C - 239,3 °C

Kritscher Druck 45 bar 42,4 bar 13 bar

Diffusionskoeffizient cm2/s

0,16 0,12 0,61

Eigenschaften:

• Brennt mit kaum sichtbarer Flamme

• relativ geringe infra-rot Strahlung

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6Eigenschaften

Negativer Joul-Thomsen Koeffizient(im Hochdruckbereich)

Gas erwärmt sich beim Entspannen!


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Korrosion an WerkstoffenWasserstoffversprödung bei Stählen :-Adsorption des Wasserstoffs an der Oberfläche- Wasserstoff kann an Metalloberlächen dissoziieren- Eindringen in das Metall in atomarer Form- beschleunigte Spannungsrisskorrosion- Re-Kombination an Fehlstellen im Gefüge- Entkohlung

Einflüsse sind insb.:- Druck, Temperatur- Reinheit (Inhibition durch Sauerstoff)- plastische Verformung


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Werkstoffe

Verwendung finden z.B.:-austenitische Edelstähle mit hohem Nickelanteil- Aluminiumlegierungen- Kupferlegierungen- verschiedene Elastomere (z.T. Einschränkungen bei tiefen Temperaturen)- verschiedene Kunststoffe (z.T. Einschränkungen bei tiefen Temperaturen)

Gusseisen ist ungeeignet.


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2013/0012COM

Vorschlag der Kommission für eine Richtlinie über den Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe:

-Artikel 5: Netz öffentlich zugänglicher Wasserstofftankstellen (300 km) + technische Spezifikationen nach Anhang III

- Anhang III: Gasförmigen Wasserstoff, Normen ISO/TS 20100:2008 (Wasserstofftankstellen), ISO 14687-2 (Reinheit des Wasserstoffs), ISO 20100 (Befüllalgorythmen), ISO 17268 (Fahrzeugkupplungen), alle Normen sollen bis zur Verabschiedung einschlägiger EN-Normen verwendet werden, was nach den Vorstellungen der Kommission 2014 erfolgen soll.


10WasserstofftankstelleElektrolyse-Speicher-Verdichter-Füllanlage


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Herkunft/Speicher/Verwendung

Herkunft (heute): - 40% Nebenprodukt (z.B. Rohölraffinierprozesse, Chlor-Alkali-Elektrolyse)-60% werden eigens erzeugt z.B.: Reformierung (CH4 + 2 H2O

CO2 + 4H2), Cracken, Elektrolyse

Speicherung:- Flüssig: Tiefkalt (<-252,7 °C), Energiebedarf der Verflüssigung: real ca. 30 % des Heizwertes, Boil-Off Gas- Gasförmig: In Fahrzeugen bis 700 bar, Tanktypen 1 bis 4


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Tanksysteme:Typ 1: Stahlflaschen (Chrom-Molybdän-Stahl)Typ 2: Innenliner aus Metall (Stahl oder Aluminium) teilweise von einem Netz aus Kohlenstofffasern umgeben (für die Festigkeit)Typ 3: Innenliner aus Metall vollständig von einem Netz aus Kohlenstofffasern umbebenTyp 4: Innenliner aus Kunststoff


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Fahrzeug:- Brennstoffzelle + Elektroantrieb- Wasserstoff-Verbrennungsmotor- Wasserstoff-Methan-Gemische für Verbrennungsmotoren

andere Projekte:Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse +

- Erzeugung von Methan aus Wasserstoff und Kohlendioxid- Beimischung von Wasserstoff in das Erdgasnetz- Speicherung von Wasserstoff und Verstromung in BHKW


14Zulassung von Fahrzeugen

Verordnung EG Nr. 79/2009 über die Typengenehmigungvon wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen

Regelt grundlegende Anforderungen an die Typengenehmigung wasserstoffbetriebener Kraftfahrzeuge, z.B.:

-„Leck vor Bruch“- Anforderungen an Behälter (Typ 1 bis 4)

- Anforderungen an wasserstoffführende Bauteile

Detaillierte Anforderungen an die Behälter und deren Prüfung ergeben sich aus der Verordnung EU Nr. 406/2010


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Wartung und Werkstatt

- Keine Odorierung bei Wasserstoff! Undichtigkeiten mit Gassensor oder Lecksuchspray aufspüren- Geringe Mindestzündenergieen, Zündung auch durch statische Entladung Erdung der Fahrzeuge- Auslösung der wärmegesteuerten Entspannungseinrichtung der Druckbehälter bei 100 bis 110°C Vorsicht bei Heißarbeiten


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Wartung und Werkstatt

BGI 5108 „Wasserstoffsicherheit in Werkstätten“:-Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge können unter bestimmten Bedingungen als betriebsmäßig dicht angesehen werden-Bei Arbeiten an wasserstoffführenden Leitungen diese Entspannen und Entleeren- Inertisieren mit Helium (Flüssigwasserstoff) oder Stickstoff- Besondere Anforderungen an Wasserstoffwerksätten in Entwicklungsbereichen (insb. Explosionsschutz und Lüftung)

BGI/GUV-I 8686 „Qualifizierung für Arbeiten an Fahrzeugen mit Hochvoltsystemen“


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Explosionsschutz Explosionsschutz:Grundsätzlich und eher allgemein: BGR 104

recht detaillierte Beispielliste: Technische Überwachung (TÜ),Bd. 43 (2002), Nr. 11/12, Seite 56 ff.

Tankstellen für gasförmigen Wasserstoff: VdTÜV-Merkblatt 514 (Anforderungen an Wasserstofftankstellen)

Explosionsschutz (Werkstatt)

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Explosionsschutz (Tankstelle)Vd-TÜV 514

• Ex-Zonen bei Verdichtern in Räumen, Zone 1 oder 2, abhängig von Schutzmaßnahmen

• Ex-Zone 2 bei Pufferbehältern in Räumen• Ex-Zone 2 im Gehäuse der Zapfsäule• An Füllkupplung: Rest-Gasvolumen < 0,03

Normliter Keine gefährliche Explosionsfähige Atmosphäre

• Ex-Zonen um Austrittsöffnung von Abblaseleitungen

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Explosionsschutz (Elektrolyse, Speicher)

- Ex-Zonen um Armaturen (z.B. 1 m Zone 1, nach oben aufgeweitet 3 x 3 m Zone 2)

- Abblaseleitungen können einen erheblichen, gerichteten Sicherheitsabstand (nach TRB 610 Ziffer 2.16) aufweisen (z.B. 17 m), mindestens 3 m

- Ex-Zonen um Armaturen von Fahrzeugen zur Anlieferung von Wasserstoff

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Zulassungsverfahren- Wasserstofftankstellen sind Füllanlagen im

Sinne der BetrSichV, und bedürfen einer Erlaubnis nach § 13 BetrSichV, dies gilt auch für mobile Füllanlagen

- Erzeugung von Wasserstoff (auch durch Elektrolyse) kann eine Anlage nach Ziffer 4.1 der 4. BImSchV darstellen und ist immissionsschutzrechtlich genehmigungsbedürftig

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Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit

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