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LH2-WAM-Tank - Entwicklung eines WAM gefertigten Leichtbau-Aluminium-Tanks für Flüssig-Wasserstoff (LH2) mit höchster gravimetrischer Speicherdichte für die Luftfahrt

Es soll ein Leichtbau Flüssig-Wasserstoff-Tank aus Aluminium konzipiert, Wire-based AM (WAM) Studien an kritischen Komponenten durchgeführt und ein finales Funktionsmuster hergestellt werden. Die Möglichkeiten zur Funktionsintegration sollen für Leitungstechnik, Durchführungen, Ventile etc. gezeigt werden; alles Poren-, Riss-, und Fehler-frei. Ziel ist der Nachweis des Potentials der Fertigungstechnologie WAM und der Nachweis einer signifikant gesteigerten gravimetrischen Speicherdichte des LH2-WAM-Tanks aus Aluminium.

Kurzbeschreibung

Ausgangspunkt / Motivation

In Punkto gravimetrischer Energiedichte (KWh/kg) ist Wasserstoff mit 33kWh/kg Kerosin mit 11,9kWh/kg um den Faktor 2.8 überlegen. Die geringe Dichte von 0,089 kg/m³ bei Normaldruck @ Raumtemperatur macht es erforderlich H2 in Tanks unter Hochdruck (compressed @100-700bar), bei kryogenen Temperaturen (liquified, Niederdruck @ 17K) zu speichern oder aber bei einer Kombination der Beiden (cryo-compressed, liquid @ 300bar) bei z.B. 10bar @ 17K zu speichern.
Die kryogene Speicherung von LH2 in stationären Tanklösungen ist seit Jahrzehnten etabliert. Im Bereich der Mobilität ist sie jedoch eher ein Novum. Abgesehen von Trägerraketen wie Ariane 5 mit LOX/LH2-Antrieb und anderen Raumfahrt- und Experimental-Projekten gibt es derzeit noch keine kommerzialisierte mobile Leichtbau-Speicherlösung für Flüssigwasserstoff LH2.

Ziel

  • Realisierung eines LH2-Innentanks aus Aluminium mit globalen / lokalen Verstärkungen an der Außenhülle
  • Außentankgeometrie per WAM inklusive lokaler Verstärkungen gegen Beulen
  • Reduktion von Boil-off-Verlusten durch Funktionsintegration per WAM
  • Nachweis der Dichtigkeit samt gesteigerter gravimetrischen Speicherdichte

Inhalt

Es soll eine LH2-Speicherstruktur mit lokalen / globalen Verstärkungen (Ringe, Iso-Grids) per WAM realisiert werden. Diese soll nach Endbearbeitung (Zerspanen) deutlich leichter ausfallen als eine Aluminium-Schalenlösung für gleiche Innendruckbeaufschlagung. WAM soll dahin untersucht werden wie die Verstärkungselemente / -muster bestmöglich in die Schweißstrategie / Pfadplanung des Innenspeichers integriert werden kann.
Die innere und äußere Schale der LH2-Speicherstruktur soll derart konzipiert und ausgeführt werden, dass entweder alle oder einzelne Elemente der H2-führenden Komponenten in die Tankstruktur integriert werden (z.B. Integration von Leitungen in oder an die innere Strukturschale, 3D-gedruckte Rohrelemente in Aluminium-Doppelwand-Ausführung, Integration der gesamten Ventiltechnik-Anschlusseinheit in / an die äußere Speicherstruktur.  

Methodik / Vorgehensweise

WAM ist eine 3D-Fertigungstechnologie für groß-dimensionale Bauteile, die in der Lage es Komponenten schichtweise aufzubauen und in diesem Zuge Verstärkungen (innen-/außen-liegende Iso-Grids, Umfangringe, ...), lokale Features, Geometriemodifikationen etc. mitzudrucken und Last-spezifische Verstärkungen auf die Speicherstrukturen aufzugeben. WAM besitzt das ökonomische Potential den LH2-Speicher auf einfache, zeit- und kosteneffiziente Weise zu verstärken, mit nachgeschalteter Endbearbeitung per Zerspanungstechnik Leichtbau betreiben zu können und damit die gravimetrisches Speicherdichte der Tankstrukturen in Aluminiumausführung signifikant zu steigern. 

Erwartete Ergebnisse

Forschungsarbeiten von LKR haben gezeigt, dass sowohl Materialseitig, Fertigungsseitig und in Bezug auf Funktionsintegration riesiges Einsatz-Potential der WAM-Technologie für Aluminium besteht. Dieses Potential soll im Rahmen der Entwicklung eines innovativen LH2-WAM-Tank-Konzeptes gezeigt und bestätigt werden. Bestätigt per Realisierung eines Mustertanks und auch per Vermessung des Aluminium-LH2-Mustertanks in Bezug auf Leckagen / Dichtigkeit und Bestimmung der am Projektende erzielten gravimetrischen Speicherdichte. Das Konsortium strebt einen signifikanten Technologiefortschritte zur „Hydrogen-powered aviation" an und möchte hier final ein skaliertes Muster mit einer gravimetrischen Speicherdichte von 7 kWh/kg zeigen und in einem post-project Schritt schon heute auf 10 kWh/kg abzielen – deutlich vorteilhafter gegenüber allen bekannten LH2-Speicherlösungen für Mobilitätssysteme der Gegenwart.

Projektbeteiligte

Förderprogramm: Take Off