»CooLTank«: CFK-Tanks für kryogenen Wasserstoff zum Antrieb von Passagierflugzeugen

Wasserstoff als Energieträger ist ein zentraler Baustein für die klimaneutrale Luftfahrt – vorausgesetzt, er wird sicher sowie effizient gespeichert und transportiert. Das durch das Bundesministerium für Verkehr (BMV) geförderte Vorhaben »CooLTank« (»Customisable, automated Research Platform for Machining, Assembly and Barrier Coating of Liquid Hydrogen Tanks«), initiiert vom Fraunhofer IFAM im Rahmen des »H2AM« (»Hanseatic Hydrogen Center for Aviation and Maritime«), schafft eine weltweit einzigartige Forschungsplattform zur automatisierten Bearbeitung, Montage und Barrierebeschichtung von großformatigen, faserverstärkten Wasserstofftanks. Diese Plattform adressiert neben den technologischen auch die wirtschaftlichen Herausforderungen zukünftiger Antriebssysteme in der Luftfahrt und den Transfer in die Schifffahrt.

CFK-Wasserstofftanks: Innovationspotenzial und Marktrelevanz

Der Markt bietet bislang keine Gesamtlösungen für die wirtschaftliche und nachhaltige Herstellung großer Wasserstofftanks aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) für die Fertigung von Passagierflugzeugen. »CooLTank« schließt die Lücke durch die Entwicklung und Integration neuer Technologien, die weit über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen. Dies umfasst sowohl die präzise, automatisierte Bearbeitung und Montage als auch die Entwicklung hocheffizienter Barrierebeschichtungen gegen Wasserstoffpermeation.

Das Kernziel von »CooLTank« ist die Bereitstellung einer flexibel konfigurierbaren Infrastruktur für Forschung und Entwicklung rund um die automatisierte Produktion von XXL-Tankstrukturen für kryogenen Wasserstoff. Aber auch die Untersuchung von Speicherlösungen für die unterschiedlichen Wasserstoffderivate, zum Beispiel für den Einsatz in der Schifffahrt, ist mit den entstehenden Technologien möglich. Im Fokus stehen Wasserstoffdruckbehälter des Typs 5 – sprich fast vollständig aus carbonfaserverstärktem Kunststoff bestehende Wasserstofftanks mit hoher Gewichtsersparnis und exzellenter Dichtigkeit.

Aufbau der »CoolTank«-Forschungsplattform

Die neu zu schaffende Forschungsplattform ist modular und besteht aus verschiedenen Teilanlagen, die an den Fraunhofer IFAM-Standorten Bremen sowie Stade aufgebaut werden und unterschiedliche Schritte der Tankherstellung abdecken.

In Stade wird eine Teilanlage auf die automatisierte Bearbeitung großdimensionierter Bauteile aus carbonfaserverstärktem Kunststoff spezialisiert sein. Unter Einsatz hochpräziser Robotersysteme wird eine Fertigungstoleranz von ± 0,2 mm realisiert, wodurch die Basis für die Qualität und Maßhaltigkeit der Tankstruktur gewährleistet wird. Zielstellung ist die Herstellung von Komponenten, welche die anspruchsvollen Spezifikationen für den Einsatz in Wasserstoffspeichern erfüllen.

Die nachfolgende Prozesskette umfasst zunächst die automatisierte Montage kleinerer Baugruppen sowie die Integration von Systemkomponenten, wie etwa Ventilen und Sensorik, um einen fehlerfreien und effizienten Betrieb der Tanks sicherzustellen. Im weiteren Verlauf erfolgt das präzise und gleichmäßige Applizieren thermischer Isolationsmaterialien, zur Gewährleistung der Funktionalität der Tankstrukturen unter realitätsnahen Bedingungen. Ergänzend dazu beinhaltet die Prozesskette die automatisierte Montage großer Tankstrukturen – hierbei liegt der Fokus auf der präzisen Verbindung der Tankhüllen, um die notwendige Dichtheit und strukturelle Stabilität zu erzielen. Die Automatisierung der einzelnen Schritte trägt maßgeblich zur Effizienzsteigerung und Qualitätssicherung in der Produktion bei.

In Bremen entsteht eine weitere Teilanlage, die sich mit dem automatisierten Aufbringen innovativer Barriereschichten auf den Innenoberflächen der Tankstrukturen befasst. Die speziell entwickelten Beschichtungen dienen der signifikanten Reduktion der Wasserstoffpermeation und tragen entscheidend zur Maximierung der Dichtigkeit sowie zur Steigerung der Lebensdauer der Speicherstrukturen bei. Die automatisierte Applikation der Barriereschichten stellt einen zentralen Beitrag zur Betriebssicherheit der Wasserstofftanks dar.

Jede Teilanlage ist modular aufgebaut, mit innovativen Technologien ausgestattet, für die Nutzung moderner Roboteranwendungen ausgelegt, beinhaltet adaptive Bauteilaufnahmesysteme und ist für eine durchgängige Digitalisierung der Prozesskette vorbereitet. Die geschaffene Flexibilität ermöglicht die Betrachtung unterschiedlichster Geometrien und Anforderungen.

Technologische Highlights

• Modulare Bauweise zur einfachen Rekonfiguration der Anlagen
• Präzise Mess- und Steuerungstechnik für höchste Qualitätssicherung
• Integration von manuellen und automatisierten Prozessschritten
• Innovative Applikationstechnik für automatisierte Prozesse zum Klebstoffauftrag, zur Barrierebeschichtung und zur thermischen Isolierung
• Integration von Methoden der smarten Datenauswertung zur Prozessoptimierung und Aufbau eines digitalen Zwillings
• Möglichkeiten zur Einbindung von menschzentrierter Assistenzrobotik

Die Plattform hebt sich auch durch den hohen Automatisierungsgrad und eine konsequente digitale Vernetzung deutlich vom Stand der Technik ab.

Forschung und Kooperationen

Die Forschungsplattform wird nicht als reine Produktionsanlage betrieben, sondern dient nach Fertigstellung als flexible Test- und Entwicklungsumgebung für FuE-Projekte. In gemeinsamen Projekten wird es Partnern aus Industrie und Wissenschaft ermöglicht, die Technologien für ihre eigenen, zukünftigen Anwendungen zu konzipieren und praxisnah praktisch zu erproben, ohne selbst große Investitionen oder Ressourcen für eigene FuE-Anlagen aufbringen zu müssen.

»CooLTank« ist bereits heute eng mit anderen Forschungsprojekten – wie dem Verbundvorhaben »HYTANK« – verzahnt und bindet zahlreiche Partner aus Wissenschaft und Industrie ein. So gilt es, gemeinsam mit ihnen die Entwicklung und Produktion neuer Tankstrukturen voranzutreiben. 

Dabei setzt das Fraunhofer IFAM auch auf eine starke Forschungslandschaft an seinen Standorten Bremen und Stade. Im Verbund »H2AM« sind unter anderem auch das Deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR) und die Hochschulkooperation für Hochleistungsproduktion von CFK-Strukturen (HP CFK) vertreten, was eine zielgerichtete Abstimmung der technologischen Entwicklung ermöglicht. So erfolgt seitens des DLR die Erprobung von Verfahren zur Herstellung von Komponenten für Wasserstofftanks mittels automatisierter Ablage von Fasermaterial sowie die Ausstattung eines Prüflabors zur Permeationsprüfung und Mikroskopie an Faserverbundlaminaten bei Raum- bzw. Flüssigstickstofftemperatur. Dies bietet in Verbindung mit der Grundlagenforschung zu den Werkstofftechnologien, den Strukturauslegungen von Wasserstofftanks und der Fertigungssimulation seitens der HP CFK eine konsistente Wertschöpfungskette in der Forschung von den Grundlagen bis hin zu einer Industrialisierung.

Technologietransfer zur Nutzung von Wasserstoff in die Schifffahrt

Neben der Ausrichtung auf Anwendungen in der Luftfahrt lassen sich die Technologien auch auf andere Bereiche, wie zum Beispiel den maritimen Sektor, transferieren. Insbesondere durch die hohen Emissionen von Treibhausgasen, Schwefeloxiden und Feinstaub stellen die bislang schwerölgetriebenen Antriebssysteme der Schifffahrt ein erhebliches Umweltproblem dar.

Mit den flexiblen und modularen Anlagen besteht die Möglichkeit, Fertigungsabläufe gezielt für Tankstrukturen in der Schifffahrt zu entwickeln und zu untersuchen. Dabei können die spezifischen Anforderungen der maritimen Branche berücksichtigt werden, um innovative Lösungen für den Bau und die Ausrüstung von Tanks zu erproben, die beispielsweise den Einsatz von Wasserstoff oder dessen Derivate als sauberen Energieträger gestatten. Damit bietet die Plattform nicht nur einen Beitrag zur klimaneutralen Luftfahrt, sondern ermöglicht auch einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von Technologien für eine treibhausgasneutrale und umweltfreundlichere Schifffahrt.

Förderung

Das Projekt »CooLTank« wird durch das Bundesministerium für Verkehr (BMV) mit insgesamt 5.751.223 Euro gefördert. Fördermittel dieser Maßnahme werden auch im Rahmen des Deutschen Aufbau- und Resilienzplans (DARP) über die europäischen Aufbau- und Resilienzfazilitäten (ARF) im Programm NextGenerationEU bereitgestellt. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt. Die Projektlaufzeit erstreckt sich von Dezember 2024 bis Februar 2029.