Wasserstoff kann sein volles Potenzial als klimaneutraler Energieträger im Verkehrssektor nur entfalten, wenn die Betankungsvorgänge sicher, zuverlässig und effizient ablaufen – unabhängig von Einsatzort und Frequenz. Eine der wesentlichen technischen Herausforderungen ist die Vereisung von Betankungskomponenten während des Hochdruck-Befüllprozesses.

Potenziale von Wasserstoff für Verkehr und Industrie

Wasserstoff ist vielseitig einsetzbar und kann fossile Brennstoffe in zahlreichen Bereichen ersetzen. Im Mobilitätssektor ermöglicht er den Antrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen wie Pkw, Lkw, Schiffen oder Schienenfahrzeugen. In der Industrie eröffnet er als Rohstoff und Energieträger neue Wege, etwa in der Stahl- oder Chemieproduktion. Gleichzeitig fungiert Wasserstoff als flexibles Bindeglied zwischen den Energiesektoren. Stromüberschüsse aus erneuerbaren Energien können in Wasserstoff umgewandelt, gespeichert, transportiert und bei Bedarf in verschiedenen Anwendungen genutzt werden. Kurze Betankungszeiten und Reichweiten von 500 bis 1000 Kilometern sind weitere Vorteile, die mit gasförmigem Wasserstoff verknüpft sind.

Die E Farm Tankstelle von GP Joule in Niebüll, Deutschland (2022) (© ThomBal- stock.adobe.com)

Kritische Herausforderungen bei der H₂-Nutzung

Dennoch sind Wasserstoff-Anwendungen mit spezifischen Risiken verbunden, die sich je nach Anwendung unterscheiden, angefangen von der Erzeugung, dem Transport über die Speicherung bis hin zur Betankung und Wartung. Aus diesem Grund werden Wasserstofftankstellen gemäß der Norm ISO 19880-1 errichtet. Somit kann sichergestellt werden, dass potenzielle Gefahren minimiert werden und ein hoher Sicherheitsstandard eingehalten wird, welcher dem Stand der Technik entspricht.

Eine weitere Herausforderung stellen Leckagen dar. Wasserstoff kann aufgrund seiner Molekülgröße durch kleinste Undichtigkeiten an Anschlüssen, Dichtungen oder Ventilen austreten. In Kombination mit Drücken bis zu 700 bar führt dies zu besonderen Ansprüchen an die ausgewählten Materialien. Verwendete Materialien müssen den technischen Anforderungen gerecht werden und ihre Wasserstofftauglichkeit muss gewährleistet sein. Entsprechend gibt es besondere Dichtungscompounds und Edelstähle, welche ihre Wasserstofftauglichkeit aufgrund von umfangreichen Tests bewiesen haben, indem sie eine entsprechende Unempfindlichkeit gegen Wasserstoffversprödung, Diffusion und explosive Dekompression aufweisen.

Hinzu kommt, dass Wasserstoffflammen nahezu unsichtbar sind und aufgrund ihrer geringen Wärmeabstrahlung besser durch eine spezielle UV-Sensorik erfasst werden können. Entsprechend sind Bereiche von Wasserstofftankstellen in sogenannte ATEX-Zonen eingeteilt. In diesen Zonen wird bewertet, wie wahrscheinlich das Auftreten von Wasserstoff in diesen Bereichen ist. Entsprechend werden Maßnahmen getroffen, um das Risiko zu minimieren. Neben diesen klassischen Herausforderungen spielt bei der Betankung die Vereisung von Betankungskupplungen und Ventilen durch tiefe Temperaturen eine anspruchsvolle Rolle an die Technik. Hier kann es beispielsweise dazu führen, dass Kupplungen nicht vom Betankungsstutzen getrennt werden können, was zu enormen Unannehmlichkeiten und Ausfällen führen kann.

Betankungsstutzen zur Wasserstoffbetankung (© Carl Kurt Walther GmbH & Co. KG)

Wie kommt es zur Vereisung?

Die Ursachen von Vereisung bei der Wasserstoffbetankung liegen in den besonderen thermodynamischen Bedingungen des Prozesses. Der Ablauf ähnelt zwar dem klassischen Tankvorgang mit Benzin, wird jedoch unter deutlich höheren Druck- und Temperaturverhältnissen durchgeführt. Wasserstoff strömt mit Drücken von 350 bis 700 bar in den Fahrzeugtank. Um eine gefährliche Erwärmung des Tanks durch die hohe Füllgeschwindigkeit zu verhindern, wird der Wasserstoff zuvor in der Tankstelle auf bis zu -40°C herunterkühlt.

Während der Betankung strömt der Wasserstoff durch Ventile, Schläuche und die Kupplung, was zu lokalen Druckentspannungen führt. Bei vielen Gasen führt der Joule-Thomson-Effekt zu einer deutlichen Abkühlung. Wasserstoff verhält sich jedoch anders: Unter normalen Umgebungstemperaturen erwärmt sich das Gas bei der Entspannung leicht. Aus diesem Grund ist die aktive Vorkühlung für einen sicheren und effizienten Tankvorgang erforderlich. Allerdings bewirken die kalten Oberflächen an Kupplungen, Ventilen und Tankstutzen, dass die in der Luft enthaltene Luftfeuchtigkeit kondensiert und unmittelbar gefriert. Es entstehen Eisansätze, die sich bei wiederholten Betankungen ohne ausreichende Zwischenpausen weiter verstärken können. Um dies zu verhindern, gibt es moderne Betankungstechnologien für gasförmigen Wasserstoff. Diese Technologien können die Vereisungseffekte möglichst lange unterbinden und so ein Anfrieren der Kupplung am Tankstutzen verhindern.

Risiken für Betrieb und Sicherheit

Die Vereisung ist nicht nur ein betriebliches Ärgernis, sondern wirkt sich direkt auf die Sicherheit und Funktion des Betankungssystems aus:

• Dichte- und Strömungsverhältnis im Befüllsystem ändert sich: Beim schnellen Einfüllen strömen große Gasmengen durch das System. Temperatur- und Druckänderungen während dieses Prozesses, etwa durch die notwendige Vorkühlung, verändern die Eigenschaften des Wasserstoffs, insbesondere seine Dichte und sein Strömungsverhalten. Dadurch lässt sich die geplante Füllgeschwindigkeit und der Zieldruck nicht immer exakt einhalten. So verlängert sich die Betankungszeit und der Füllvorgang bricht ab, sollten die Druckunterschiede zu hoch sein (Notstopp).
• Vereiste Dichtungen und Ventile erhöhen Leckagegefahr: Bildet sich Eis auf den Dichtungselementen, verändern sich deren Form und Elastizität. Das Eis kann Dichtungen leicht anheben und eingefrorene Partikel können die Materialoberfläche beschädigen. Derartig hervorgerufene Leckagen werden jedoch in modernen Tankstellen von einer Entsprechenden Leckageüberwachung detektiert, sodass die Tankstelle in einen sicheren Zustand gebracht werden kann, um das Risiko hinsichtlich einer Explosion oder eines Brandes zu verhindern. Ein Ausfall aufgrund von Leckagen führt dazu, dass diese unmittelbar beseitigt werden müssen. Je nachdem wo diese auftritt, kann im ungünstigsten Fall die gesamte Tankstelle außer Betrieb gesetzt werden, bis die Leckage behoben ist. Daraus entstehen in erster Linie wirtschaftliche Schäden durch Stillstand und Reparaturkosten.
• Eisbildung erschwert das Kuppeln- und Entkuppeln: Eis, das sich an der Verbindungsstelle zwischen Kupplung und Tankstutzen bildet, kann verursachen, dass die stationäre Betankungskupplung am fahrzeugseitigen Tankstutzen festfriert. Lässt sich die Kupplung nach dem Tanken nicht mehr oder nur schwer vom Auto lösen, steigt die Gefahr für Fehlbedienungen. Wird gewaltsam getrennt, können Kupplung, Tankstutzen oder Dichtungen beschädigt werden. Schließlich kann eine festsitzende Kupplung die gesamte Zapfsäule blockieren, was Wartezeiten und Ausfälle nach sich zieht.
• Hoher Wartungsaufwand und lange Stillstandzeiten: Maßnahmen wie manuelles oder automatisches Abtauen, spezielle Heizungen oder Trockenluft, verbrauchen Energie und verlängern die Wartungsintervalle. Es ist jedoch schwierig vorauszusagen, wann und wie oft Vereisung auftritt, da viele Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Tankbetrieb eine Rolle spielen. Das erschwert wiederum die Wartungsplanung.

Die genannten Faktoren können mit erheblichen Betriebskosten einhergehen, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Frequenz wie bei Flotten oder im ÖPNV.

Abreißkupplung in der Wasserstoffbetankung (© Carl Kurt Walther GmbH & Co. KG)

Eisbildung an H₂-Betankungen zuverlässig vermeiden

Moderne Systeme, bestehend aus einer Füllkupplung, einer Nottrennkupplung, einem Schlauchset und einer Parkstation, sind für Nenndrücke bis 700 bar und Ultra-Cold-Fill bis -40°C ausgelegt. Damit die Wiederholhäufigkeit der Betankungsvorgänge nicht allzu stark eingeschränkt wird, sind verschiedene Vorkehrungen und Gegenmaßnahmen einzuleiten.

Ein wesentlicher Baustein ist die thermische Isolation. Hochdruck-Betankungskupplungen werden so entwickelt, dass Kältebrücken minimiert und die Temperaturdifferenzen gegenüber der Umgebung reduziert werden. Dadurch sinkt das Risiko der Kondensation und Eisbildung.

Durch eine integrierte Spülfunktion kann Feuchtigkeit aus den Toträumen im Außenbereich der Kupplung gespült werden, um Vereisungseffekte zu verzögern. Internationale Normen wie SAE J2600, ISO 17268 und ISO 19880 definieren darüber hinaus die technischen Ansprüche, denen Tankstellen und Betankungsequipment gerecht werden müssen. Ziel ist es, potenzielle Risiken zu minimieren, hochwertige Anlagen entsprechend dem Stand der Technik zu entwickeln und eine hohe Betriebssicherheit zu gewährleisten. Auf diese Weise lassen sich kurze Betankungszeiten von rund drei bis fünf Minuten pro Fahrzeug mit hoher Betriebssicherheit erreichen, ohne vereisungsbedingte Unterbrechungen und mit geringen Stillstandzeiten.

Die vereisungsfreie Wasserstoffbetankung ist kein Detail, sondern Voraussetzung für einen zuverlässigen Betrieb. Mit passenden Systemlösungen lässt sich dieses Ziel dauerhaft erreichen.

(Quelle: Carl Kurt Walther GmbH & Co. KG (Walther-Präzision)/2026)