Entwicklung eines intelligenten Rückschlagventils für Wasserstoffanwendungen

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FEM-Simulation des 1. Ventilentwurfs - Spannungsverteilung

Auf dem Weg zu einer nachhaltigen, ressourcenschonenden und sicheren Energieversorgung stellt die Nutzung erneuerbarer Energiequellen die grundlegende Basis dar. Eine Möglichkeit der Nutzung erneuerbarer Energien, die aktuell stark im Fokus steht, ist die Verwendung von Wasserstoff.

Wasserstoff hat das Potenzial, in einer auf erneuerbaren Energien aufbauenden Energiewirtschaft eine entscheidende Rolle zu spielen. Als speicherfähiger Sekundärenergieträger kann er das fluktuierende Angebot einer regenerativen Energieerzeugung mit der schwankenden Nachfrage auf Verbraucherseite harmonisieren. Bereits mit der Entdeckung des elektrochemischen Prinzips der Elektrolyse und der Brennstoffzelle existierte die Idee der Nutzung von Wasserstoff als speicherbarer Sekundärenergieträger.

Aktuell Wasserstoff wird vorzugweiser unter sehr hohem Druck gespeichert. Essenziell und unabdinglich für eine derartige gasförmige Hochdruckspeicherung ist eine zuverlässige Ventiltechnik, um ein absolut dichtes und somit sicheres Gasmanagement zu gewährleisten.

Druckgesteuerte Ventile werden als sogenannte Rückschlagventile eingesetzt. Ein Rückschlagventil ist ein Ventil, das die Strömung des durchströmenden Mediums in lediglich eine Richtung zulässt. Druckgesteuerte Ventile unterliegen oftmals einem Verschleiß, der aus einem unpräzisen Schließvorgang resultiert. Dieser Schaden wird in der Regel erst spät erkannt und birgt deshalb nachhaltige technische sowie wirtschaftliche Folgen. Werden solche Ventile für Wasserstoff eingesetzt, steigt das Problempotenzial. Zum einen hat Wasserstoff als Medium keine schmierende Eigenschaft und zusätzlich greift der Wasserstoff kohlenstoffhaltige Stähle, sowie Kunststoff sehr stark an. Hierbei entzieht der Wasserstoff dem Stahl den Kohlenstoff und lässt diesen verspröden (Wasserstoffversprödung).

Es gibt aktuell noch keine Ventile auf dem Markt, die so explizit auf das Medium Wasserstoff ausgelegt sind, dass sie verschleißfrei arbeiten, sowie über eine in den Schließkörper integrierte Sensortechnik verfügen. Ergänzt wird dieses Vorhaben durch ein erstmalig kombiniertes Metall-3D-Druck-Fertigungsverfahren, um optimale Strömungsverhältnisse im Ventil einzustellen.

Der innovative Schwerpunkt dieses Projekts besteht aus der Entwicklung eines selbsttätigen druckgesteuerten Rückschlagventils. Dieses soll dem Druck der Wasserstofftanks von mindestens 700 bis ca. 1000 bar standhalten und die Sicherheit für die mitarbeitenden Menschen, die Umwelt, sowie die jeweilige Anlage, u.a. in der Automobilindustrie, Chemieanlagen oder Raffinerien gewährleisten. Für die Herstellung des Ventils wird ein kombiniertes additives Fertigungsverfahren für metallische Bauteile entwickelt. Die innovative Gestaltung des Ventils soll eine verbesserte Oberflächen- und Führungsqualität, sowie die Einsparung von Material und eine Reduzierung der Anzahl an Bauteilen ermöglichen. Des Weiteren soll hiermit die Dichtigkeit im Ventil erheblich erhöht werden. Durch die einteilige Gestaltung des Ventils wird die Anzahl bzw. die Fläche der potenziellen Stellen, an denen Gas austreten kann, signifikant verringert. Intelligent wird das Ventil durch die Integration eines selbsttätigen Sensorsystems in den Ventilkörper zur Überwachung des Schließvorgangs und der vorausschauenden Wartung des Ventils sowie durch die Verwendung eines extrem widerstandfähigen Materialmixes für Wasserstoff.

Projektbearbeitung / Hauptverantwortlicher:

Ehsan Emamjomeh, M. Sc.

Wiss. Mitarbeiter
Raum: Raum 1.622

Unterstützung:

Michael Feist, M. Sc.

Wiss. Mitarbeiter
Raum: Raum 1.621