Im Rahmen eines EU-Projekts hat die deutsche Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zusammen mit Partnern ein neues Modell entwickelt, um die Alterung von kohlenstofffaserverstärkten Wasserstofftanks zu simulieren. Die Methode ermöglicht es, die optimale Wandstärke der Behälter zu ermitteln und damit Material und Kosten einzusparen.

Um die Klimaschutzziele der EU zu erreichen, setzt die Automobilbranche verstärkt auf den Leichtbau. Der Einsatz von leichten Materialien und insbesondere faserverstärkten Verbundwerkstoffen gilt als Schlüsseltechnologie zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen. Auch in Brennstoffzellenautos werden Composite eingesetzt: als Speicher für Wasserstoff.

Gegenwärtige Verbunddruckbehälter als Tanks für Wasserstoffautos müssen jedoch in vielen Fällen überdimensioniert ausgelegt sein, um die Sicherheitsanforderungen erfüllen zu können. Das macht die betreffenden Tanks unnötig schwer und kostspielig.

Simulierte Faserbrüche

Im Projekt FiBreMoD (Fibre Break Models for Designing novel composite microstructures and applications) wurde jetzt ein Simulationstool entwickelt, mit dem die Konstruktion von Verbundzylindern für Wasserstoffautos optimiert werden kann. Das Modell erlaubt es, das Verhalten ausgehend von einzelnen Faserbrüchen zu simulieren und Vorhersagen zur Festigkeit der Behälter zu treffen. So kann die Wandstärke der Druckbehälter auf ein sicheres Minimum reduziert werden.

„Wasserstoffautos sind immer noch sehr teuer in der Herstellung, insbesondere auch aufgrund der teuren Gasspeicher“, so Georg W. Mair, Projektleiter der BAM. „Mit diesem Modell können wir Detailinformationen und Hinweise für Hersteller und Regelsetzer bereitstellen, die die Konstruktion von leichten Druckgasbehältern verbessern werden.“

Validiert wird das Simulationstool anhand empirischer Daten der BAM. Diese basieren insbesondere auf Untersuchungen zur Berstfestigkeit von Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen, aber auch auf zerstörungsfreien Prüfverfahren zur Detektion kleinster Brüche.

Das FiBreMoD-Projekt bringt zwölf europäische Partner aus Wissenschaft und Industrie zusammen, um gemeinsam Modelle zur Festigkeitsbestimmung und Alterungsvorhersage von Verbundbehältern zu erarbeiten und die Forschungsergebnisse in die Praxis zu überführen.

Heutige Wasserstoffautos sind noch recht schwer, weil ihre Tanks hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen müssen. Darum sind diese Tanks größer, als vielleicht notwendig wäre. (Bild: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung)