Wasserstoff als Strampelhilfe

Der Wiener Gasspezialist Linde Gas hat einen E-Bike-Prototypen entwickelt, der statt mit einer Batterie mit Brennstoffzelle und Wasserstofftank ausgerüstet ist. Eine Tankfüllung von 33 Gramm Wasserstoffgas soll eine Reichweite von mehr als 100 km ermöglichen. Als Florian Freund, Maturand am Zürcher Gymnasium Sumatra, von diesem Konzept hörte, entstand schnell das praktische Ziel für seine Arbeit: ein neues Betankungskonzept für das Wasserstoff-Velo. Also die E-Bikes an eigentlich für Autos konzipierten Wasserstofftankstellen auftanken lassen, z. B. am Mobilitätsdemonstrator move der Empa.
Das ist allerdings gar nicht so einfach: Denn die Tankstellen sind dafür ausgerichtet, die deutlich grösseren Tanks eines Wasserstoff-Fahrzeugs zu füllen – mit einem fix einprogrammierten Betankungsprogramm, das zu Beginn einen Druckstoss mit 440 bar auslöst, um auf mögliche Lecks zu testen und den vorhandenen Druck in der Flasche zu messen. Erst nach diesem initialen Druckstoss beginnt der normale Betankungsprozess.
Nachdem Freund einige Konzepte verwerfen musste, gelang ihm während einer Diskussion mit Empa-Forscher Urs Cabalzar, der den Jungforscher unterstützte, schliesslich der Durchbruch: «Wir erkannten, dass der erste Druckstoss bereits genügt, um die Flasche zu füllen – sofern das Gas danach nicht mehr zurück in die Tankstelle fliesst», so Freund.
Daraus entstand nach einiger Entwicklungsarbeit und mit Unterstützung des Sponsors, dem Fluidsystem-Spezialisten Swagelok der Prototyp: Ein Druckregler reduziert den Druckstoss von 440 auf 275 bar. Dieser Wert liegt aus praktischen Gründen tiefer als der mögliche maximale Flaschendruck von 340 bar – die verwendete Steckkupplung darf nämlich nur bis zu einem Druck von 275 bar verwendet werden. Ein im Druckregler eingebautes Rückschlagventil sorgt dafür, dass das Gas nicht zurück zur Tankstelle strömt. Auch an eine Rückversicherung hat Freund gedacht: Ein Überströmventil sorgt dafür, dass das Gas bei einem zu hohen Druck abgelassen wird. Zwei eingebaute Manometer erlauben es, den Regler und das Ventil einzustellen und den Druck zu überwachen. Über einen Schlauch und eine Kupplung kann der Nutzer seine Flasche mit dem Druckregler verbinden.
Nachdem der Maturand seinen Prototypen fertiggestellt und sorgfältig kalibriert hatte, ging es an den Härtetest: Er schloss ihn unter Aufsicht von Urs Cabalzar samt Flasche an die H₂-Tankstelle der Empa an. Und das Konzept hielt der Theorie stand: Die Anlage startete den Betankungsvorgang mit dem Prüfdruckstoss – und in drei Sekunden war die Flasche voll.