TU Graz untersucht Sicherheit von Wasserstoffautos in Tunneln

Mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge spielen aktuell im Verkehr kaum eine Rolle. Die wenigen bisher angebotenen FCEV-Modelle ("Fuel Cell Electric Vehicles") haben den Sprung zur ernsthaften Alternative für Fahrzeuge mit Verbrenner- oder batterieelektrischen Antrieben nicht geschafft. Doch komplett abgeschrieben ist Wasserstoff als Energieträger für Pkw und Nutzfahrzeuge nicht. Viele halten ihn für den perfekten alternativen Treibstoff für den schweren Güterverkehr über große Entfernungen. Es gibt auch eine Perspektive für Wasser- als direkten Treibstoff für Verbrennungsmotoren; insbesondere Toyota treibt die Forschung dazu voran.

Viele Fragen zum Thema Wasserstoff im Straßenverkehr wurden jedoch noch nicht final beantwortet. Neben jenen zur Praktikabilität, zu finanziellen Aspekten sowie den Effekten auf Klima und Umwelt gehört die zur Sicherheit dazu. Denn Wasserstoff wird in Brennstoffzellen-Fahrzeugen mit hohem Druck gespeichert: mit 700 bar im Pkw, mit etwa der Hälfte in Lastwagen und Bussen. Tritt ein Schaden an einem Tank auf, wird schnell sehr viel Energie frei. Gerät Wasserstoff in Brand, verbrennt dieser den Forschern der TU Graz zufolge bei Temperaturen von über 2.000 Grad Celsius.

Tanks sind gut geschützt, aber ...

Zu realen Unfällen von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen gibt es wegen ihres bislang geringen Verkehrsanteils so gut wie keine empirischen Daten. Die Forscherinnen und Forscher der TU Graz haben im Rahmen des Projekts HyTRA deshalb mehrere Gefahrenszenarien durchgespielt, speziell in Tunneln. Dabei stand im Fokus, welche Arten von Zwischenfällen mit wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen in Tunneln realistisch sind, welche Gefahren für Menschen und Tunnelstruktur entstehen und mit welchen Maßnahmen diese Risiken minimiert werden können.

Die erste Erkenntnis: Dass ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug eine Tunnel-Katastrophe auslöst, ist unrealistisch. "Der wahrscheinlichste Ausgang bei einem Unfall mit einem FCEV ist, dass mit keinen nennenswerten Auswirkungen durch den Wasserstoff zu rechnen ist", heißt es in einer Mitteilung der TU Graz. Deren Behälter seien sehr robust und gut vor mechanischer Einwirkung geschützt. "Moderne Wasserstofftanks sind so sicher gebaut, dass wirklich viel schiefgehen muss, damit der Wasserstoff austritt", sagt Daniel Fruhwirt vom Institut für Thermodynamik und nachhaltige Antriebssysteme der TU Graz. Diese These basiert aufgrund der erwähnten geringen Unfallzahl von FCEV-Autos allerdings zu einem Großteil auf einer groben Einschätzung auf Basis von Erfahrungen mit gasbetriebenen Fahrzeugen.

Drei wahrscheinliche Szenarien

Das zweite zentrale Forschungsresultat: Wenn eine Katastrophe passiert, ist das Schadenspotenzial sehr hoch. Das leiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Steiermark aus der skizzierten Kombination aus der hohen Energiedichte von Wasserstoff sowie dem hohen Speicherdruck ab. Wobei sie drei Abstufungen mit unterschiedlich hohem Schadenspotenzial identifiziert haben:

1. Bei steigendem Druck infolge einer thermischen Einwirkung (beispielsweise bei einem Fahrzeugbrand) springt das sogenannte "Thermal Pressure Relief Device" (TPRD) an, das den Wasserstoff in einem kontrollierten Strahl aus dem Tank ablässt. So hält es den Druck auf einem stabilen Niveau und vermeidet eine Tankexplosion. Entzündet sich der abgelassene Wasserstoff, was bei der Vermischung mit Luft leicht geschehen kann, richtet sich die Flamme auf einen festen Punkt am Boden. Die Situation bleibt dennoch gefährlich, da Wasserstoff farb- und geruchlos verbrennt. Der Gefahrenbereich ist allerdings eingeschränkt.
2. Versagt das TPRD, kann der Tank explodieren, wobei eine Druckwelle entsteht, die sich durch den gesamten Tunnel ausbreitet: Innerhalb von ungefähr 30 Metern besteht dabei Lebensgefahr. Im Umkreis von etwa 300 Metern drohen schwere innere Verletzungen wie Lungenblutungen, weiter entfernt immerhin noch geplatzte Trommelfelle.
3. Falls der Wasserstoff ungezündet freigesetzt wird, steigt er als leichtestes Element im Periodensystem der chemischen Elemente auf und sammelt sich unter der Tunneldecke in einer Wolke. Befindet sich dort eine Zündquelle, etwa heiße Lampen oder ein elektrischer Impuls durch den Start eines Lüfters, folgt eine Wasserstoffwolkenexplosion, die ebenfalls eine Druckwelle verursacht. Den Forschenden zufolge ist das jedoch das unwahrscheinlichste Szenario.

Tempolimit und Abstand einhalten

Um die Risiken zu minimieren, spricht das Projektteam um Daniel Fruhwirt mehrere Maßnahmenempfehlungen aus: Strengere Tempolimits, die mit Section Control überwacht werden. Genaue Abstandskontrollen, die den Fahrerinnen und Fahrern visualisieren, wenn sie zu dicht auffahren. Und bei Stausituationen bereits früh angezeigte Tempolimits, damit die Geschwindigkeit beim Ankommen am Stauende bereits niedrig genug ist, um im Falle eines Auffahrunfalls nur geringe Schäden zu verursachen. Insbesondere gilt es, Auffahrunfälle von Lkw auf Wasserstoff-Pkw zu vermeiden. Diesem würden die Tanks wohl nicht standhalten.

Eine infrastrukturelle Entwicklung erhöht die Sicherheit in Tunneln zusätzlich: "Was als Folge der schweren Ereignisse am Ende der 1990er- und frühen 2000er-Jahre in den meisten EU-Mitgliedstaaten bereits umgesetzt ist: Alle Tunnel auf Autobahnen und Schnellstraßen mit einer Länge über 500 Meter sind zweiröhrig ausgebaut und werden im Regelfall nicht mehr im Gegenverkehr betrieben. Das reduziert das Risiko erheblich", erklärt Daniel Fruhwirt.