Plattform für Wasser, Gas und Wärme
Die gravimetrische Energiedichte von Wasserstoff (H2) ist sehr hoch, während die volumetrische Energiedichte bei Umgebungsdruck hingegen so gering ist, dass H2 für die Nutzung als gasförmiger Treibstoff in der Mobilität auf hohe Drücke verdichtet werden muss – typischerweise bis 350 bar (H35) bzw. 700 bar (H70). Um H2 auf diesen Druckniveaus bereitstellen zu können, müssen Kompressoren und gasführende Komponenten hohe mechanische und sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen. Dies macht die Betankungsinfrastruktur teuer.
Die derzeit am Markt verfügbaren H2-Tankstellen stammen von wenigen ausländischen Herstellern und sind meist für den Einsatz als öffentliche Tankstationen ausgelegt. Aktuell (Stand März 2026) sind 18 solche Wasserstofftankstellen in der Schweiz in Betrieb. Die Anschaffungskosten für die technischen Geräte liegen üblicherweise bei rund 1,5 bis 1,8 Mio. Franken. Für Logistikunternehmen, Werkhöfe oder kommunale Betriebe, die eine eigene (Klein-)Tankstelle auf dem eigenen Werksgelände betreiben möchten, bedeutet diese Anfangsinvestition eine hohe Einstiegshürde. Zudem fehlen Schweizer Fabrikate für genau diese Kleinflotten-Anwendung bzw. sind erst experimentell verfügbar.
Das Innosuisse-Projekt Swiss Low-Cost Hydrogen Refuelling Station (LCHRS) setzt deshalb auf eine bewusst andere Logik: mit einer Kleinanlage starten, mit dem neuen Treibstoff fortlaufend Betriebserfahrung sammeln und anschliessend durch Erweiterung mit zusätzlichen Modulen hochskalieren. Getragen wird dieses Konzept vom IET Institut für Energietechnik an der OST – Ostschweizer Fachhochschule zusammen mit einer Gruppe von Umsetzungspartnern, bestehend aus Burckhardt Compression, Swagelok Switzerland - Arbor Fluidtec und Endress+Hauser (Fig. 1).
Kern des Konzepts ist ein Baukasten aus drei Modulen (Fig. 2): ein H35-Basismodul als Einstieg für 350-bar-Betankung von LKW- und Bus-Kleinflotten, ein H35-Zusatzmodul zur Kapazitätserhöhung und ein H70-Zusatzmodul für 700-bar-Betankung von PKW (und kommende LKW-Generationen mit H70-Speichersystem). Für das Serienzielbild werden Capex-Grössenordnungen von etwa 500 000 Franken für das H35-Basismodul, 100 000 Franken für das H35-Zusatzmodul und 500 000 Franken für das H70-Zusatzmodul diskutiert – deutlich unterhalb der Investitionsschwelle heutiger H2-Tankstellen (Fig. 3).
Ein zentraler Kosten- und Kapazitätsfaktor ist die Wasserstoffversorgung. Da in der Schweiz kein flächendeckendes H2-Leitungsnetz existiert, erfolgt die Belieferung in der Praxis typischerweise über Trailer-Systeme. Aktuelle Trailer transportieren rund 350 kg H2 bei 350 bar Nenndruck. Real nutzbar sind meist ca. 300 kg, weil vor dem Trailer-Austausch ein Restdruck verbleibt. In naher Zukunft werden neue Trailer die Transportkapazität auf rund 450 kg H2 mit bis zu 450 bar erhöhen.
Das direkte «Überströmen» von H2 ist für den Betankungsbetrieb besonders attraktiv: Solange der Druck im Trailer deutlich über dem Fahrzeugdruck liegt, kann H2 ohne zusätzliche Verdichtung ins Fahrzeug strömen. Das erhöht sehr effektiv die Betankungsleistung bei gleichzeitig tiefem Energiebedarf der Tankstelle.
Doch Überströmen allein reicht zumeist nicht aus zur vollständigen Betankung von H2-Fahrzeugen, da erst mithilfe von Kompressoren die finalen Drücke in den Fahrzeugspeichern erreicht werden können. Verdichter sind allerdings auch die wesentlichen Kostentreiber einer Tankstelle. Sie müssen deshalb möglichst sinnvoll dimensioniert werden, sodass sie den Betrieb aufgrund von zu starken Massenstrom-Engpässen nicht einschränken oder das System durch zu viel installierte Kompressorleistung unverhältnismässig verteuern. Eine Betriebsstrategie im Spannungsfeld zwischen praktikabler Nutzung von Trailern und einem optimalen Zusammenspiel aus sinnvoll dimensionierten anlageninternen Speicherbänken und Kompressoren kann die Kosten und Leistungen der Tankstelle wesentlich optimieren.
Für den Prototyp war die Containerisierung ein pragmatischer Weg, den wasserstoffführenden Anlagenbau baulich geschützt zu kapseln und ihn somit klar vom übrigen Anlagenbau auf der Forschungsplattform des IET abzugrenzen. Entwicklungsseitig wurden alle drei späteren Serienmodule bewusst in einem gemeinsamen Gehäuse vereint, um Integration, Inbetriebnahme und Vergleichstests in platzsparenden Raumverhältnissen durchführen zu können (Fig. 4).
Die Anlage steht auf einem stabilen Grundrahmen, der unter anderem die beiden schweren Kompressoren trägt. Der Grundrahmen dient zugleich als tragende Struktur für den übrigen Anlagenbau und die Aussenhülle. Auch die containerartige Aussenhülle wurde statisch verstärkt. In einer frühen Projektphase wurde mit einer Dachlast von bis zu 10 Tonnen gerechnet (unter anderem für Gasspeicher und schwere Kühlgeräte zur Kühlung der Kompressoren und des H2 vor der Betankung). Entsprechend wurde der Dachrahmen so ausgelegt, dass solche Lasten sicher aufgenommen und über die Containerstruktur verteilt werden. Für das spätere Serienprodukt ist jedoch ein anderer Ansatz vorgesehen. Was im Prototyp aus Entwicklungsgründen zusammengeführt wurde, soll künftig als drei eigenständige Module mit jeweils eigener Einhausung umgesetzt werden. Damit erfolgt der Übergang von einer eher kostspieligen kundenspezifischen Containerlösung hin zu standardisierbaren Modulgehäusen, was einen wichtigen Schritt darstellt, um Komplexität, Montageaufwand und damit auch die Kosten in Richtung Serie zu reduzieren.
Technisch deckt der Prototyp die beiden Druckstufen H35 (350 bar) und H70 (700 bar) ab. Systemseitig sind jedoch drei Druckniveaus umgesetzt: H35 bis 410 bar und bis 450 bar sowie H70 bis 900 bar. Der Grund für zwei H35-Druckniveaus liegt darin, dass für bestimmte Anlagenteile bei 410 bar kostengünstigere Komponenten eingesetzt werden konnten. Für das Serienprodukt hingegen ist pro Pfad nur noch ein Druckniveau geplant. Möglich macht es der Einsatz eines kleineren Leitungsdurchmessers. Dadurch können kosteneffizientere Komponenten eingesetzt werden, was zu weiteren Kosteneinsparungen führt.
Die Verdichtung erfolgt über zwei Membrankompressoren des Umsetzungspartners Burckhardt Compression: den zweistufigen MD5-FB bis 450 bar mit ca. 10 t Systemgewicht für den H35-Pfad und den einstufigen MD2.5-V bis 900 bar mit ca. 5 t Systemgewicht als Hochdruckverdichter für H70. Die Wahl von Membrankompressoren erfolgte aufgrund der hohen Gasdrücke und der Reinheitsanforderungen (Ölfreiheit) in der H2-Mobilität, die mit membrangekapselten Verdichtungskammern in entsprechenden Kompressoren einfacher zu bewerkstelligen sind, als dies mit Kolbenverdichtern der Fall wäre.
H2 erwärmt sich beim Betanken stark, umso wichtiger ist beim Druckniveau H70 die Temperaturkontrolle während des Betankungsvorgangs. Für den Prototyp wurde die Vorkühlung so ausgelegt, dass sie in Versuchen mit Mietkühlgeräten mit vertretbarem Aufwand – finanziell wie auch anlagebautechnisch – realisierbar ist. Vorgesehen ist eine Vorkühlung bis −20 °C (T20). Erfahrungen aus dem Feldtestbetrieb sollen zeigen, ob die Dimensionierung und die Betriebsstrategie der Vorkühlung für das Serienprodukt noch angepasst werden müssen.
Der Demonstrator verfügt zur Vorkühlung über drei Wärmetauscher-Konzepte, um Systemkosten, Druckverlust und Wirksamkeit experimentell vergleichen zu können. Bei der Betankungssteuerung wurde bewusst eine robuste, tabellenbasierte Betankungsführung nach dem Standard SAE J2601 vorbereitet, da sie einfacher und kostengünstiger zu implementieren und zu validieren ist als komplexe formelbasierte Ansätze. Die H35-Betankung erfolgt am Prototyp ohne Kommunikation, während bei H70 über eine IR-Schnittstelle eine Kommunikation zwischen Fahrzeug und Tankstelle möglich ist.
Ein zentrales Werkzeug in der Konzept- und Auslegungsphase war das am IET entwickelte Simulationstool LCHRSim. Auf Basis vorgegebener Randbedingungen (u. a. Ziel-Betankungsleistungen gemäss Projektantrag) konnten Komponenten dimensioniert und Betriebsstrategien miteinander verglichen werden. Dies insbesondere im Zusammenspiel von Trailer, anlageninternen Speichern, Überström-Vorgängen und variablen Kompressor-Parametern.
Der Demonstrator wurde zudem bewusst mit zusätzlicher Messtechnik sowie rohrleitungsbedingtem «Technik-Overhead» entwickelt und aufgebaut, um verschiedene Systemzustände und H2-Transportwege experimentell betreiben und auswerten zu können. Dazu gehört auch eine «Recycle-Line», mit der H2 zur Simulation von produktivem Anlagenbetrieb im Kreis geführt wird, sodass mehrere Inbetriebnahme- und Dauerläufe in Folge möglich sind, ohne dass H2 «verloren geht» oder zwingend ein Fahrzeug für die H2-Abgabe verfügbar sein muss. Damit verfügt der Prototyp konzeptbedingt über Anlagenbestandteile, die in der Umsetzung in einem Serienprodukt weggelassen oder reduziert werden könnten (Fig. 5).
Für die Innosuisse-Zielsetzung wurden Leistungsziele über ein Zwölf-Stunden-Fenster definiert. Simulationsergebnisse von LCHRSim aus der Projektfrühphase nennen als realistische Grössenordnung sechs bis acht vollständige LKW-Betankungen pro zwölf Stunden im H35-Basismodul (abhängig von Szenario, Trailer-Druck und Betankungsmenge)plus zusätzliche Betankungen mit dem H35-Zusatzmodul. Mit der H70-Erweiterung sind rund sechs vollständige PKW-Betankungen pro zwölf Stunden möglich, abhängig vom Wechselturnus der Trailer und vom Nutzungsprofil der Tankstelle selbst. Sowohl für H35 als auch für H70 wird ein maximaler Nennmassenstrom von etwa 20 g/s angepeilt, der insbesondere bei direktem Überströmen über gewisse Zeiträume stabil erreichbar sein sollte.
Neben den technischen Resultaten lieferte die Entwicklung und der Aufbau des LCHRS-Demonstrators dem IET wertvolle Erkenntnisse für zukünftige Projekte und für die Weiterentwicklung in Richtung Serienprodukt:
Im LCHRS-Prototyp herrscht eine hohe Sensoren- und Aktorendichte mit vielen unterschiedlichen Signaltypen (analog, digital, Bus). Dies in Kombination mit einer Ex-Zone 2 im Container-Innenraum und entsprechenden ATEX¹-Konformitäten der darin verbauten Komponenten führte zu einer äusserst komplexen elektrischen Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik (EMSR-Technik). Für ein Serienprodukt und bei neuen Projekten ist zu empfehlen, die EMSR frühzeitig klar zu definieren und so die Komplexität weitestmöglich zu verringern, sodass Kosten reduziert werden können.
Eine Parallelisierung von Engineering- und Bauprozessen führte im Projekt zu Inkonsistenzen (z. B. häufige P&ID- und EMSR-Änderungen). Ein rechtzeitiger Engineering Freeze reduziert diese Problematik zwar, ist bei einem Forschungsprojekt jedoch schwierig umzusetzen, aber spätestens bei der Weiterentwicklung zum Serienprodukt unumgänglich.
¹ EU-Richtlinie für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemässen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen
Die Anforderungen an die zu verwendende Software müssen so früh wie möglich festgelegt werden. Eine spätere Überführung der bereits erledigten Arbeiten in eine neue Software ist sehr aufwendig und fehleranfällig.
Das angestrebte sehr kompakte Design führte zu einem projektspezifischen «Huckepack»-Design (Elektromotor über Kurbelwellengehäuse) im MD5-Kompressor-Rahmen und zu spürbaren Zeit-Kosten-Überschreitungen. Diese Problematik wäre allerdings nur mit einer generell kleineren Maschine zu lösen gewesen.
Über die Projektlaufzeit traten Preissteigerungen von über 10% auf (v. a. bei gasführenden Komponenten). Teuerung und Risiken im internationalen Handel (z. B. Lieferzeiten, Engpässe) sind in der Budgetierung genügend zu berücksichtigen, um das Projekt gegenüber den geopolitischen Geschehnissen robuster zu machen.
Jedes Forschungs- und Innovationsprojekt betritt Neuland und muss sich in neue Themenfelder vortasten. Auch in diesem Projekt konnte viel neue Erfahrung im Hochdruck-Gashandling, Rohrleitungsbau (u. a. Einsatz verschiedener Verbindungstechnologien), Ex-/Brandschutz, Wärmetauscherentwicklung und -bau sowie im Themenbereich EMSR gesammelt werden. Mit dem erworbenen Know-how und den Erkenntnissen können daraus entstehende Folgeprojekte oder Serienprodukte optimiert und kostengünstiger umgesetzt werden. Das Ziel einer preisgünstigen und an Kundenbedürfnisse anpassungsfähigen modularen Lösung bleibt vorerst einer kommenden Serienvariante vorbehalten. Der Prototyp ist jedoch schon sehr kompakt. Der gesamte gasführende Rohrleitungsbau befindet sich mit den beiden Kompressoren innerhalb des 20-Fuss-Containers. Möglich wurde dies durch den verdichteten Rohrleitungsbau und durch die Nutzung diverser Oberflächen zur Anbringung von Leitungsmodulen.
Der Demonstrator wurde bewusst «grosszügig» instrumentiert und um Testfunktionalitäten ergänzt. Für die Serienmodule wurden jedoch bereits in der Entwicklungs- sowie später in der Bauphase des Demonstrators konkrete Möglichkeiten zur Kostensenkung identifiziert. Dazu zählen u. a. vereinfachte Speichermodule mit deutlich weniger gesonderten Leitungen und damit weniger Rohrverbindern sowie weniger (pneumatisch betätigte) Ventile, der Verzicht auf doppelt geführte Ventile und eine generell reduzierte Zahl an Rückschlagventilen. Neben der bereits thematisierten Reduktion des Durchmessers zur Verwendung von kostengünstigeren gasführenden Komponenten soll die Einpassung des H35-Kompressors in die vorgängigen und nachfolgenden Leitungsstränge konstruktiv verbessert werden, um unbegründete Redundanzen und entsprechende Mehrkosten zu reduzieren.
Das Projekt-Konsortium hat vertraglich vereinbart, den Prototyp als Versuchsplattform weiter zu nutzen: Die Umsetzungspartner (Fig. 1) können ihre H2-Technologien weiterentwickeln. Auch Firmen ausserhalb des Konsortiums können die LCHRS als Testplattform nutzen.
Seit Herbst 2025 wurden zudem Nebenprojekte im Rahmen des Bachelorstudiengangs «Erneuerbare Energien und Umwelttechnik» und des «Master of Science in Engineering» gestartet: In einer Projektarbeit entwickelte ein Masterstudent eine Steuerungslogik für die Betankungsprozesse H35 und H70 als Grundlage für die spätere Programmierung der Betankungssteuerung.
Im Frühling 2026 wird eine Bachelorarbeit zur Entwicklung eines H2-Fahrzeug-Dummys durchgeführt. Dieser Dummy soll Testbetankungen ermöglichen, die Betankungssteuerung der LCHRS verifizieren und dabei durch höhere Druck- und Temperaturbeständigkeit als ein reales Fahrzeug zusätzliche Sicherheit im Fehlerfall schaffen.
Vor dem zukünftigen Feldtest ist eine mehrwöchige Testbetriebskampagne am Standort Rapperswil vorgesehen, um die Anlage im Kreislaufbetrieb über längere Zeit stabil zu betreiben und Betriebsstunden und Erfahrungen auf beiden Kompressoren zu sammeln.
Danach soll der LCHRS-Demonstrator an einen externen Standort verschoben und bei einem kleineren Flottenbetreiber testweise betrieben werden. Einerseits, um wichtige praxisnahe Betriebserfahrungen im realen Umfeld zu sammeln, und andererseits, weil am Aufbaustandort in Rapperswil aus Platzgründen keine LKW-Betankung möglich ist. Mit den Zielen, reale Fahrzeugbetankungen durchführen zu können und Erfahrungen mit Anforderungen an die Bedienung, Wartung und generelle Verfügbarkeit zu sammeln, soll die Systemreife von etwa TRL 5 nach TRL 7 verschoben werden können.
Der Feldtest ist damit nicht nur ein «Proof of Concept», sondern der Schritt, der über Serienfähigkeit des aktuellen Prototyp-Zustandes entscheidet. Gesucht wird ein Standortpartner, der einen Pilotbetrieb ermöglicht und gemeinsam mit dem IET und Industriepartnern Betriebsdaten, Servicekonzepte und Optimierungen erarbeitet.
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