08.06.2018

Befüllen einer Testapparatur mit Flüssigstickstoff

Verschleißuntersuchungen bei tiefsten Temperaturen. Befüllen einer Testapparatur mit Flüssigstickstoff

Quelle: BAM

Länder wie Großbritannien, Frankreich und Norwegen planen, mittelfristig keine neuen Kraftfahrzeuge mit Diesel- oder Benzinmotoren mehr zuzulassen. Die Entwicklung alternativer Kraftstoffe und Technologien erscheint damit umso dringlicher. Aktuell konzentriert sich das Interesse auf den Elektroantrieb mit Batterien als Stromquelle. Mit einer breiten Akzeptanz von Elektroautos ist jedoch aufgrund ihrer geringen Reichweite auf absehbare Zeit nicht zu rechnen. Einen möglichen Ausweg bieten Fahrzeuge, die mit Wasserstoff oder Erdgas betrieben werden – wobei Wasserstoffautos mit Brennstoffzellen auch den Elektroautos zugeordnet werden.

„Zumindest als Brückentechnologie wird aktuell besonders auf Erdgas in komprimierter Form oder auch verflüssigt gesetzt“, sagt Dr. Thomas Gradt vom Fachbereich Makrotribologie und Verschleißschutz. Erdgas gehört zwar auch zu den fossilen Energieträgern, entscheidend ist jedoch, dass es bis zu 99 Prozent aus Methan besteht und bei der Verbrennung weniger CO2 erzeugt als Benzin- oder Dieselkraftstoff. Zudem ist Methan einerseits der Hauptbestandteil von Biogas und kann andererseits auch synthetisch hergestellt werden. Damit bildet die Erdgastechnik eine Brücke zur Nutzung regenerativer Kraftstoffe im Verkehrssektor.

Weltweit gibt es bereits heute über 22 Millionen Erdgasfahrzeuge. Davon sind laut der Deutschen Energie-Agentur GmbH allein in China etwa 200.000 LKWs und Busse im Einsatz, die mit tiefkalt verflüssigtem Erdgas (LNG) betankt werden. Die Nutzung von LNG ist zwar technisch aufwendig, bietet jedoch wegen seiner hohen Energiedichte insbesondere im Langstreckeneinsatz Vorteile.

Power-to-Gas liefert regenerative Treibstoffe

Für die Verbreitung von Erdgas und Wasserstoff im Transportsektor ist der Aufbau einer Infrastruktur für eine zuverlässige und sichere Kraftstoffversorgung entscheidend. Die Industrie setzt dabei langfristig auf Power-to-Gas (P2G), welche als Schlüsseltechnologie für die Energiewende gilt. Bei P2G wird elektrische Energie aus Wind- oder Solarstrom zur Elektrolyse von Wasser genutzt und dadurch reiner Wasserstoff gewonnen. In einem optionalen zweiten Schritt kann aus diesem Wasserstoff unter Zugabe von Kohlendioxid auch Methan synthetisiert werden. „Mit diesem Verfahren lässt sich temporär überschüssige elektrische Energie für die Wasserelektrolyse nutzen“, sagt Gradt. Der so gewonnene Wasserstoff könne bei Bedarf entweder rückverstromt, direkt bzw. nach der Methanisierung ins (bereits existierende) Gasnetz eingespeist oder eben als Kraftstoff an Tankstellen zu Verfügung gestellt werden.

Verschleißbeständige Werkstoffe für alternative Kraftstoffe

Verbraucher erwarten, dass Komponenten für Wasserstoff- und Erdgasantriebe sowie die zugehörige Infrastruktur sicher und zuverlässig sind. Reibbeanspruchte Oberflächen in Motoren, Kompressoren, Pumpen, Regel- und Absperrventilen seien besonders kritisch, so Gradt. Für solche Bauteile gelte es, sichere, kostengünstige und verschleißbeständige Werkstofflösungen zu erarbeiten, die auch im Langzeitbetrieb mit alternativen Kraftstoffen nicht versagen.

Versuchsapparatur: Vorbereitung einer Reibungsmessung in Flüssigmethan

Vorbereitung einer Reibungsmessung in Flüssigmethan (-165,5 °C): Einbau einer Probe aus Gleitlagermaterial

Quelle: BAM

Eine besondere Herausforderung stellt die Verwendung der Kraftstoffe in verflüssigter Form dar. „Die Siedetemperatur von Erdgas liegt bei -161,5 °C, die von Wasserstoff bei -253 °C. Bei diesen tiefen Temperaturen erstarrt jedes Schmieröl und -fett“, erklärt Gradt. Zusammen mit seinem Team erarbeitet Gradt deshalb die werkstoffkundlichen Grundlagen für den sicheren Betrieb von Bauteilen für Flüssigerdgas und -wasserstoff. Diese sollen dann in technische Spezifikationen und Regelwerke einfließen.

Dazu hat die BAM ein für Europa einzigartiges Wasserstofflabor eingerichtet, in dem seit 2014 ebenfalls Messungen in gasförmigem und flüssigem Erdgas möglich sind. Erste Ergebnisse zeigen, dass Materialien für reibbeanspruchte Bauteile in den tiefkalten Umgebungsmedien häufig sogar günstigere Eigenschaften aufweisen als an der Luft. Solche vorteilhaften Werkstoffe sind etwa Verbundwerkstoffe mit PEEK oder PTFE als Hauptbestandteil. Die Abkürzung PEEK steht für Polyetheretherketon, PTFE für Polytetrafluorethylen. Beide zählen zu den Hochleistungskunststoffen. Auch einige Festschmierstoffe, wie z.B. Grafit als Beschichtung oder Bestandteil von Verbundwerkstoffen, haben sich als gut geeignet erwiesen.

Ob sich Erdgas- und Wasserstoffautos zukünftig durchsetzen werden, hängt von vielen Faktoren ab. Die BAM trägt mit ihren Untersuchungen dazu bei, dass diese neuen Antriebe ebenso hohe Sicherheitsstandards erfüllen können wie konventionell betriebene Fahrzeuge.