LeiWaCo – Leichtbau-Tanks für flüssigen Wasserstoff

Der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger spielt eine Schlüsselrolle für die erfolgreiche Energiewende. Für den sicheren und effizienten Transport von Wasserstoff werden neue Mate-rialien benötigt, die sowohl leicht als auch hochfest sind und extremen Temperaturen standhal-ten. Das Forschungsprojekt LeiWaCo (Leichtbau-Wasserstoff-Container) entwickelt gemeinsam mit dem Industriepartner Suprem SA, sowie in Assoziation mit dem gleichnamigen deutschen BMBF-Forschungsprojekt innovative, thermoplastische Faserverbundwerkstoffe für den Einsatz in kryogenen Wasserstofftanks. Ziel ist die Herstellung eines leichten, dichten und kosteneffizienten Tankmaterials, das den hohen Anforderungen der Wasserstoffmobilität gerecht wird.

Ausgangslage

Wasserstoff gilt als zentraler Energieträger der Zukunft – insbesondere in den Bereichen Schwertransport, Luft- und Schifffahrt. Für die Speicherung in flüssiger Form sind jedoch extrem tiefe Temperaturen erforderlich. Herkömmliche Tanks aus Aluminium oder Stahl sind schwer, energieintensiv in der Herstellung und verlieren bei wiederholten Kältezyklen an Dichtheit.

Faserverbundwerkstoffe versprechen erhebliche Gewichtsvorteile, weisen jedoch bei kryogenen Temperaturen das Problem der Mikrorissbildung auf. Diese Risse entstehen durch unterschiedliche thermische Ausdehnung von Faser und Matrix und gefährden die Dichtheit des Tanks.

LeiWaCo begegnet dieser Herausforderung durch den Einsatz von thermoplastischen Hochleistungsmaterialien auf PAEK-Basis (z. B. PEEK, PEKK) in Kombination mit dünnschichtigen Laminaten (Thin-Ply-Technologie). Diese Materialsysteme zeichnen sich durch hohe Zähigkeit, Temperaturbeständigkeit und hervorragende Wiederverarbeitbarkeit aus und ermöglichen eine vollständig recycelbare, CO₂-effiziente Leichtbaulösung.

Ziele

LeiWaCo verfolgt das Ziel, ein serienreifes, leichtes und nachhaltiges Tankmaterial für flüssigen Wasserstoff zu entwickeln.

Die zentralen Entwicklungsziele sind:

• Materialentwicklung: Auswahl und Charakterisierung von PAEK-basierten Thermoplasten und Kohlenstofffasern mit optimalem Verhalten bei −253 °C.

• Prozesstechnologie: Entwicklung von thermoplastischen Thin-Ply-Tapes mittels Tow-Spreading-Technologie, zur Herstellung ultradünner, gleichmässiger Faserbänder.

• Herstellung & Konsolidierung: Aufbau eines Filamentwickelprozesses für die präzise Fertigung kryogener Strukturen mit integrierter In-situ-Konsolidierung.

• Validierung: Nachweis der Dichtheit, mechanischen Stabilität und Langzeitbeständigkeit unter kryogenen Bedingungen.

• Nachhaltigkeit: Einsatz recyclingfähiger Materialien und energieeffizienter Fertigungsverfahren, um den CO₂-Fussabdruck der Tankproduktion signifikant zu senken.

Diese Innovationen schaffen die Grundlage für die industrielle Herstellung leichter, sicherer und wiederverwertbarer Wasserstofftanks, die in Luftfahrt, Schifffahrt und Schwerverkehr eingesetzt werden können.

Ergebnisse

Innerhalb der Projektlaufzeit konnten wesentliche wissenschaftliche und technologische Fortschritte erzielt werden:

• Materialcharakterisierung: Drei PAEK-Polymere (PEEK, PEKK, LM-PAEK) wurden auf ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften untersucht. PEKK zeigte eine 20 % höhere Faser-Matrix-Haftung und bessere Verarbeitungseigenschaften bei tiefen Temperaturen.

• Faseranalyse: Verschiedene Kohlenstofffasern (z. B. Tenax-E HTS45, IM7, AS4) wurden evaluiert. AS4-12K und IM7 erwiesen sich als besonders geeignet für thermoplastische Matrixsysteme.

• Experimentelle Tests: Zahlreiche Materialprüfungen – u. a. Zug-, Scher- und Biegeversuche sowie Gaspermeabilitätstests – bestätigten die Eignung der entwickelten Systeme für kryogene Anwendungen.

• Tow-Spreading-Technologie: Die FHNW hat ihren Projektpartner Suprem in der Entwicklung von Thinplies mittels Tow-Spreading-Technologie unterstützt, um eine verbesserte Imprägnierbarkeit der Tapes zu erreichen.

• Wickelprozess: Erste Versuche mit der FHNW-Filamentwickelanlage zeigten eine gute Prozessierbarkeit der neuen Materialien bei 360–380 °C und führten zu dichten, rissfreien Strukturen.

Diese Resultate belegen die technische Umsetzbarkeit der Thin-Ply-Technologie für kryogene Anwendungen und liefern eine solide Grundlage für die industrielle Umsetzung.

In der nächsten Phase wird die Produktion der Thin-Ply-Tapes an der FHNW weiter untersucht und der Filamentwickelprozess für komplexe Geometrien optimiert. Zudem werden Demonstrator-Tanks gefertigt und unter realen kryogenen Bedingungen getestet.

Die Erkenntnisse fliessen direkt in die Entwicklung von Leichtbau-Wasserstofftanks für Flugzeuge, Schiffe und Nutzfahrzeuge ein. Durch den Einsatz recyclingfähiger Thermoplaste und automatisierter Fertigungsprozesse können die CO₂-Emissionen bei Herstellung und Betrieb deutlich reduziert werden.

LeiWaCo hat sich für den JEC Innovation Award 2026 beworben und steht exemplarisch für den erfolgreichen Transfer von Forschung in nachhaltige industrielle Anwendungen.

Projekt-Information