Erstmals wurde ein mit Brennstoffzellen

Erstmals wurde ein mit Brennstoffzellen-Motor ausgerüstet Wasserstoffauto unter extremen
Bedingungen am Simplon getestet wurde. Zehn bis fünfzehn Jahre wird es dauern, bis das völlig
schadstofffreie Auto serienreif sein wird. Dies die Prognose der Verantwortlichen von Volkswagen und
dem Paul-Scherrer-Institut (PSI); gemeinsam haben sie die Grundlagen dafür entwickelt.
Was auf den ersten Blick aussieht wie ein Umweltsünder, ist das pure Gegenteil: Was aus dem Auto
entweicht, ist reiner Wasserdampf - und sonst nichts. Das Fahrzeug besteht einen Extremtest: Ein
wasserstoffbetriebenes Auto mit Brennstoffzellenantrieb erreicht die Simplon-Passhöhe. Das PSI und
Volkswagen arbeiten gemeinsam am Auto der Zukunft. Das Zwischenergebnis ist eine
Technologieplattform, die Erkenntnisse für eine zukünftige Serienentwicklung bringen soll.
Dass die Beteiligten von der Sache überzeugt sind, zeigt die Auswahl der Teststrecke, so Ulrich
Eichhorn, Forschungsleiter Volkswagen: "Wir wollten bewusst die Extreme abstecken. Was kann man
mit diesem Fahrzeug? Und deshalb sind wir hier an die Kälte auf einen Pass gegangen. Dazu kommt
natürlich der sportliche Anreiz, die erste Passfahrt mit einem Brennstoffzellenauto oder mit einem
Wasserstoffauto zu machen."
Der Start zum Projekt Wasserstoffauto liegt schon einige Jahre zurück. Die Ankunft auf dem Simplon
ist so etwas wie ein Etappensieg. Im März 1999 arbeiteten die Wissenschaftler am Paul-ScherrerInstitut in Villingen an der Verbesserung der Brennstoffzelle, die aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom
produziert. Ein großer Schritt gelingt mit der Entwicklung einer neuartigen Membran. Das PSI fand
eine Methode, diesen wichtigen Bestandteil kostengünstig herzustellen und trotzdem langlebig zu
machen.
Die Membran ist beidseitig von Elektroden umgeben, die mit Platin als Katalysator angereichert sind.
Bipolarplatten aus Grafit komplettieren die Brennstoffzelle. 125 solcher Zellen werden zu einem Stapel
zusammengebaut.
Im Frühling 2001 erhöht sich das Tempo im Rennen unter den Automobilherstellern. Bei Volkswagen
in Wolfsburg wird eine Karosserie mit einem Elektromotor ausgerüstet und für den Einbau des
Brennstoffzellenantriebes vorbereitet. Im Sommer laufen am PSI die Tests der Brennstoffzellenstapel
auf Hochtouren. Sie sollen den Elektromotor mit Energie versorgen. Im Herbst ist das System
zusammengebaut und steht mit dem Elektromotor auf dem Prüfstand an der ETH Zürich. Auch wenn
der Antrieb funktioniert: Vom serienmäßigen Wasserstoffauto für jedermann ist man noch Jahre
entfernt, meint Philipp Dietrich, Projektleiter am PSI:
"Im Bereich der mobilen Applikationen, im Verkehr, ist man heute in einem gewissen Teststadium. Ich
denke, dass im Lauf dieses Jahrzehntes die ersten Projekte in Serie gehen könnten, in Kleinserien.
Und längerfristig kann ich mir durchaus vorstellen, dass das Fernziel heißen wird: Die
Wasserstoffwirtschaft als der große Energieträger in der Mobilität."
Um den Wasserstoff optimal auszunutzen, muss der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen möglichst
hoch sein. Das Funktionsprinzip ist einfach. Von der einen Seite wird Sauerstoff, von der anderen
Wasserstoff in die Elektroden geleitet. Während die positiven Wasserstoffionen durch die Membran
diffundieren, entsteht ein Elektronenfluss: Strom. In der Verbindung mit Sauerstoff entsteht am
anderen Ende, also am Auspuff quasi, nichts anderes als Wasser.
Die Testfahrt wurde Ende November verschoben, ursprünglich war sie für Mitte Dezember
vorgesehen. Für Verzögerungen sorgte unter anderem die Integration der Supercaps, eine der großen
Innovationen am Antriebssystem.
Philipp Dietrich: "Das sind Energiespeicher, in denen man Strom speichern kann, ähnlich wie mit
einem Kondensator, wie man ihn aus der Elektronik kennt, nur mit dem Unterschied, dass die
Energiedichte deutlich höher ist, und ich ganz hohe Leistungen über eine begrenzte Zeit ziehen kann.
Wesentlich mehr als in einer normalen Batterie." Mit den Supercaps lässt sich die Energie beim
Bremsen des Autos speichern und beim nächsten Beschleunigen wieder nutzen. Der Wirkungsgrad
des Gesamtsystems wird so markant erhöht.
Anfang Januar ist das System im Auto eingebaut, das Fahrzeug steht im Rollenprüfstand bei der
EMPA in Dübendorf. Die Tüftler von PSI, ETH und Volkswagen sind fast am Ziel. Das
Wasserstofffahrzeug von Volkswagen und Paul-Scherrer-Institut fährt zum allerersten MalDie
Erleichterung beim Projektleiter und seinen Mitarbeitern ist deutlich zu spüren.
"Es läuft so, wie es längst hätte laufen sollen", ist Philipp Dietrich erfreut. "Jetzt hoffen wir, dass es in
diesem Tempo weitergeht." Vier Tage später steht das Auto in Brig und wird für die Testfahrt am
Simplon bereit gemacht. Alles läuft planmäßig. Vorerst. Dann aber gibt es Probleme, auch wenn sie
sich für den unbeteiligten Beobachter nicht ankündigen. Eine eingefrorene Wasserleitung, fehlende
Befeuchtung oder schlicht ein leerer Wasserstofftank machen den ersten vier Versuchen ein
plötzliches Ende. Im schlechtesten Fall mitten im Tunnel.
Ein letzter Versuch, eine letzte Chance. Und diesmal klappt
es. Trotz beißender Kälte, trotz steiler Rampen: Das
Wasserstoffauto erreicht die Simplon-Passhöhe. Nach kurzem
Jubel schaut Philipp Dietrich bereits wieder nach vorn: "Wir
haben gezeigt, dass wir von der Leistung her etwas bringen
können. Der nächste Punkt ist ebenfalls ein Hauptziel dieses
Projektes: Wir wollen einen sehr guten Verbrauch im
Stadtverkehr erreichen: Zyklentests auf dem Rollenprüfstand."
Im Rahmen der Diskussion um neue Energieformen, Energiesteuer und alternative Antriebskonzepte
stellt sich die Frage, inwieweit neue Verfahren zur Energieerzeugung bereits vorhanden sind und,
wenn ja, ob diese in Konkurrenz mit herkömmlichen Antriebsarten treten könnten.
Heute gängige Kraftstoffe auf Erdölbasis (Benzin bzw. Diesel) dezimieren die natürlichen Ressourcen
und erzeugen darüber hinaus Schadstoffe, die nachteilig für Mensch und Natur sind. Energiespeicher
für Fahrzeugantriebe werden jedoch bis auf weiteres notwendig sein, um den Personen- und
Gütertransport zu Land, zu Wasser und in der Luft zu ermöglichen. Es wird zur Zeit an der weiteren
Optimierung der herkömmlichen Antriebsarten gearbeitet. Bei der Verbesserung der angewandten
Techniken und damit dem Heraufsetzen der Wirkungsgrade gibt es jedoch Grenzen. Nach
Expertenmeinung könnte der Benzinverbrauch der Neuwagenflotten in den nächsten zehn Jahren um
30% reduziert werden. Der Schadstoffausstoß wird damit zwar verringert, aber nicht völlig eingestellt
werden, und die natürlichen Ressourcen werden weiter reduziert. Es bleibt folglich die Notwendigkeit,
nach anderen praktikablen Möglichkeiten und neuen Techniken in diesem Bereich zu suchen.
Auf den ersten Blick erscheint Wasserstoff (H2) ein geeigneter Energiespeicher, der den Weg in eine
schadstoffreie Zukunft weisen könnte. Wasser ist in ausreichendem Maße vorhanden, bei der
Verbrennung wird relativ viel Energie frei, und es entstehen keine Schadstoffe.
Erste Versuche waren erfolgreich, und Wasserstoff scheint durchaus für den mobilen Fahrzeugantrieb
geeignet zu sein. Auf den zweiten Blick gibt es jedoch auch Probleme. Wasserstoff ist mit Sauerstoff
hochexplosiv, die Erzeugung von H2 ist aufwendig, und die Speicherung sowie die Betankung sind
problematisch. Dann, auf den dritten Blick, zeigt sich, daß die Schwierigkeiten zu bewältigen sind und
in den letzten Jahren weitgreifende Fortschritte gemacht wurden.
Mittlerweile ist die Technik auf einem Entwicklungsstand, auf der es Prototypen von
wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen in der dritten oder vierten Generation gibt. Vielerorts laufen
Projekte, in denen unterschiedliche Modelle ihre Tauglichkeit im Alltag unter Beweis stellen sollen. Die
Anzahl der Veröffentlichungen und Studien zu diesem Thema nimmt stetig zu.
Vor zehn Jahren wurde damit angefangen, Wasserstoff als Energieträger ernstzunehmen. Einige der
Ideen von damals sind gescheitert, andere sind in Ansätzen verwirklicht worden. Die Speicherung von
H2 in Metallhydriden oder die Bindung an Toluol gehören zu den nicht so aussichtsreichen Varianten.
Chancenreicher ist die Nutzung von gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff in herkömmlichen
Verbrennungsmotoren sowie die "kalte Verbrennung" von H2 in Brennstoffzellen.
Beim Vergleich der neuen Antriebsverfahren mit konventionellen Verbrennungskraftmaschinen
erscheint die Wasserstofftechnik nicht konkurrenzfähig, da einzelne Komponenten zu teuer sind und
die Herstellung von H2 nicht auf ökologische Weise möglich ist. Nimmt man jedoch die Entwicklung
der letzten Jahre als Maßstab, so zeigt sich, daß bis zum Jahre 2004 die Serienreife von Pkw und
Bussen mit Wasserstoffmotor oder Brennstoffzellenantrieb möglich ist. Die Kosten für diese Modelle
wären vergleichbar mit heutigen Fahrzeugen.
Unter Berücksichtigung der gesamten notwendigen Infrastruktur scheint eine Umstellung der
Energiewirtschaft in den nächsten 30 bis 50 Jahren möglich zu sein.
-Technologie: Luigi Galvani stellt zum ersten Mal die Theorie der
Umwandlung von chemischer in elektrische Energie auf.
nassen Konduktor wird Strom erzeugt.
Naturforscher Alecandre Cesar Charles erfährt davon und läßt am
send, daß die Montgolfiers Heißluft
verwendet haben. Charles erzeugt Wasserstoff, indem er durch Übergießen von Eisenfeilspänen mit
Schwefelsäure im Faß unter dem Ballon 25m3 Wasserstoff gewinnt.
ydrogène" (hydor = Wasser, griechisch;
genes = erzeugend) = Wasser-Bildner.
Elektrolyse von Wasser in einem U-Rohr.
-1896, walisischer Richter) experimentiert mit der
Elektrolyse von Wasser und entdeckt, daß der Prozeß umkehrbar ist. Mit Hilfe von Elektrizität wird
Wasser bei der Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Andersherum kann man in
einer Brennstoffzelle Elektrizität erzeugen, indem Wasserstoff und Sauerstoff verbunden werden.
kann.
Werk "Die geheimnisvolle Insel" den Ingenieur Cyrus Smith auf die Frage, womit die Menschheit nach
Erschöpfung der natürlichen Brennstoffe heizen werde, sagen: "Wasser, doch zersetzt in seine
chemischen Elemente und zweifelsohne zersetzt durch Elektrizität. Ich glaube, daß eines Tages
Wasserstoff und Sauerstoff, aus denen sich Wasser zusammensetzt, allein oder zusammen
verwendet, eine unerschöpfliche Quelle von Wärme und Licht bilden werden, stärker als Steinkohle.
Eines Tages werden die Kohlebunker der Dampfschiffe und die Tender der Lokomotiven anstelle von
Kohle mit diesen beiden komprimierten Gasen gefüllt sein...."
Gewinnung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mit Strom, den er mit großen
Brennspiegeln aus Sonnenenergie zu erzeugen hofft. Und dann "kann dieser Strom Wasser spalten."
("Die Sonnenwärme und ihre industrielle Anwendung", A. Muchot, auf deutsch 1987 erschienen im
Olynthus-Verlag).
-Elemente einen höheren
Wirkungsgrad als Wärmekraftwerke haben.
Wasserstoff verbrennen. Die speziellen Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff ermöglichen es,
daß 62 der 97 Passagiere gerettet werden können. Nicht der Wasserstoff hat sich entzündet, sondern
die Umhüllung des Zeppelins durch elektrostatische Aufladung.
n beginnt die Arbeit an alkalischen Brennstoffzellen von Varta und Siemens.
Flugzeugmotor)
gfernflug in der Raumfahrt von einer "Atlas-Centaur"-Rakete
für die Raumfahrt mit dem Beginn der Gimini- (1963 - NASA) und Apollo-Missionen (ab 1968 bei den
Mondflügen).
-Bootes "eta" mit Wasserstoff
wirtschaftlichen Einsatz als Stromerzeuger für Satelliten und Raumfahrzeuge.
70ern arbeiten Wissenschaftler aus Europa, der Sowjetunion, China und Japan an
wasserstoffbetriebenen Maschinen und benutzen diese für neuentwickelte Raketen.
-Shuttle.
-Raketenmotor entwickelt und 1979 erfolgreich in die EuropaRakete Ariane eingebaut. Mittlerweile 80 Starts. Die Ariane 5 benutzt nur noch Wasserstoff vom Start
bis zur Landung.
Dahlberg regt die nach der Ölverteuerung 1979
entstandene Diskussion an, indem er sein Konzept solarer Wasserstoff-Plantagen in tropischen
Regionen vorstellt.
-Kraftwerks in Tokio
omotor eines VW-Busses des
Kernforschungszentrums Karlsruhe mit 17,5 kW.
-Anlage von Siemens für das U-Boot U1 der Bundesmarine
-russisches Entwicklungsprogramm mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug
(Airbus 310)
991 Arbeiten am Demonstrationskraftwerk Neunburg vorm Wald
-Brennstoffzellen-Aggregat (auf Erdgasbasis) auf ihrem
Betriebsgelände in Dorsten als Strom- und Wärmelieferant für die Bochumer Stadtwerke.
beiten Wissenschaftler an einer kostenaufwendigen Variante, der DO 328. Kanada
und Norwegen stehen als potentielle Abnehmer bereit.
-Brennstoffzellenantrieb
(Nettoleistung von 10 kW) von Siemens (KWU)
Betrachtet man den geschichtlichen Verlauf, wird deutlich, daß an der Wasserstofftechnik schon seit
über 200 Jahren geforscht wird. Die Entdeckung der Brennstoffzelle ist mittlerweile 150 Jahre her. Die
Frage ist, ob diese Technik geeignet ist, heutige Probleme zu lösen und damit eine aussichtsreiche
Alternative für die Zukunft bieten kann.
Die Entwicklung der Energieversorgung in den vergangenen Jahrzehnten und Jahrhunderten zeigt,
daß die Energiegewinnung aus Erdöl, Erdgas oder anderen endlichen Primärenergieträgern erst eine
relativ kurze Zeitspanne einnimmt. Das Ende dieser Zeitspanne ist bereits diverse Male vorhergesagt
worden. Es werden jedoch immer wieder neue Quellen entdeckt, bis auch diese letztendlich einmal
ausgeschöpft sein werden. Die Rohölpreise werden bei einer weiteren Reduzierung der Reserven
steigen, ebenso die Kraftstoffpreise, und Autofahren könnte zu einem teuren Hobby werden.
Dann muß bereits eine Alternative vorliegen. Es wird nicht reichen, sich erst bei einer
Rohölverknappung Gedanken über einen adäquaten Ersatz zu machen. Dann wird es zu spät sein.
Schon jetzt muß geforscht und getestet werden, was ökologisch und ökonomisch die beste Alternative
ist.
Die entscheidende Frage in der weiteren Entwicklung wird sein, wie die Menschheit in späteren
Jahren und Jahrzehnten ihren Energiebedarf decken kann. 1993 lag der weltweite Verbrauch bei 11
Mrd. t Steinkohleeinheiten (SKE) an Primärenergie. Davon wurden bis zu 90% von den fossilen
Energieträgern Öl, Kohle, Gas gedeckt.
Bedarf:
Dieser Energiebedarf unterscheidet sich von Land zu Land. Momentan sieht es noch so aus, daß es
einen enormen Unterschied zwischen den Industrieländern und sogenannten Entwicklungsländern
gibt (s. Abb. 1).
Abb. 1
Quelle: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie, 1993
Zum einen verbraucht die westliche Welt mehr als die Hälfte der weltweiten Energievorkommen, zum
anderen stellt sie jedoch lediglich ein Siebtel der Weltbevölkerung. Mit der voranschreitenden
Industrialisierung der dritten Welt wird deren Energiebedarf drastisch steigen, so daß insgesamt eine
weitere Zunahme der Verbrauchszahlen zu erwarten ist.
Der Energiebedarf selbst unterscheidet sich ebenfalls je nach Lage und Industrialisierungsgrad.
Allgemein gilt, daß es folgende energieverbrauchende Sektoren gibt, die 1993 den in Prozenten
angegebenen Anteil am Endenergieverbrauch hatten:
Industrie: 24,9%
Haushalt: 30,5%
Verkehr: 27,0%
Gewerbe, Handel, Dienstleistungen: 17,3%
militärische Dienststellen: 0,3%
Wählt man den für den Normalbürger interessantesten Bereich heraus, die privaten Haushalte, zeigt
sich dort folgende Aufteilung (s. Abb. 2):
Abb. 2
Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (1993)
Rund ein Drittel der Endenergie in Deutschland wird in den privaten Haushalten verbraucht. Wiederum
ein Drittel davon wird im Schnitt für die individuelle Fortbewegung eingesetzt in Form von Benzin oder
Diesel für Autos. Bezieht man den Transport per Lastwagen, Eisenbahn, Flugzeug und Schiff noch mit
ein, wird deutlich, daß der Sektor Transport und Verkehr ein zentraler Aspekt ist in Hinsicht des
Energieverbrauchs. Greenpeace nennt Zahlen, denen zufolge der Verkehr mittlerweile für 60% des
Endverbrauchs an Ölprodukten verantwortlich ist, Tendenz steigend. [Worm, 1995]
Dazu gilt, es eine Vielzahl von Randbedingungen zu berücksichtigen, wie z.B.:
- den Anstieg der Bevölkerungszahlen,
- die weltweite Zunahme der Fahrzeugzahlen,
- die steigende Umweltbelastung durch den Verkehr,
- die zunehmenden Entfernungen im Transportwesen,
- usw.
Verbrauch:
Es stellt sich die Frage, wie diese Energie zur Zeit erzeugt wird bzw. in Zukunft erzeugt werden soll. In
der Vergangenheit zeigte sich folgendes Bild:
Abb. 3
Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft, Energiepolitik, Bonn, März 1992
Im Vergleich zeigt Abbildung 4 die Zahlen von 1997.
Abb. 4
Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft, Energiedaten 97/98, S.6
Es gab eine Steigerung in der Kernenergie um 3% und beim Mineralöl sowie beim Naturgas um 5%.
Abgenommen hat der Kohleanteil am Primärenergieverbrauch: bei Steinkohle um 2% und bei
Braunkohle um 10%. Die Zahlen bei Wasser- und Windkraft sowie bei "sonstigem" sind relativ
unpräzise. Es läßt sich jedoch sagen, daß die regenerativen Energien von 1990 bis 1997 von 1,4%
auf 2,0% zugenommen haben.
Der Mineralölabsatz in Deutschland verzeichnet insgesamt einen Anstieg (s. Tab. 1). Der
Primärenergieverbrauch lag bei knapp 500 Mio. t SKE, was 39,5% Anteil am Gesamtverbrauch
entspricht. Die absoluten Zahlen sind demnach in den letzten Jahren (seit 1994) gestiegen, wenn
auch der prozentuale Anteil von Mineralöl leicht abgenommen hat. Dies geht jedoch hauptsächlich auf
den witterungsbedingten Heizölanstieg zurück. In Zukunft (bis zum Jahr 2020) steht in Deutschland im
Kraftstoffsektor ein Rückgang des Mineralölanteils bevor. Der Pkw-Bestand steigt zwar weiter, aber
die gesamte Fahrleistung ist rückläufig. Ausschlaggebend für die Abnahme ist der geringere
Verbrauch der sparsameren Neufahrzeuge. [Deutsche Shell AG, 1996]
Tab. 1
1994
1995
1996
Mio. t Ottokraftstoff
29,8
30,1
30,0
Mio. t Dieselkraftstoff
25,5
26,2
26,0
Mio. t Heizöl
43,5
42,5
45,4
Mio. t Ges. Inlandsabsatz
126,1 126,2 128,4
Mio. t SKE Primärenergieverbrauch 479,0 485,6 499,6
% Mineralölanteil
41,0
40,0
39,5
Quelle: Fakten und Argumente, Deutsche Shell AG, Hamburg, Nov. 1997
Über die Jahre gesehen, hat sich der Ölverbrauch seit 1960 in den USA verdoppelt und in Europa
vervierfacht und im pazifischen Raum versechsfacht. Nach heutigen Berechnungen reichen das Erdöl
und das Erdgas noch für 100 Jahre. Selbst wenn noch weitere neue Ölquellen gefunden werden
sollten, stellt sich die Frage, ob es zu verantworten ist, diesen Rohstoff bei einem relativ geringen
Wirkungsgrad in Verbrennungskraftmaschinen zu verbrauchen.
Das Forschungszentrum Jülich hat eine Abschätzung vorgelegt, die den Nutzungsgrad von
Primärenergie darstellt (s. Tab. 2). Es wird deutlich, wo überall Verluste auftreten und wie hoch
ungefähr der Anteil an Primärenergie ist, der bis zum Verbraucher gelangt. Diese Kette ließe sich
noch weiterführen, da selbst die Endenergie nicht zu 100% genutzt werden kann, da kein Gerät oder
Aggregat einen Wirkungsgrad von 100% aufweisen. [FZJ, 1998]
Tab. 2: Energieverluste 1997
Primärenergieeinsatz in Form von Kohle, 14.795 PJ = 505 Mio. t SKE
Erdöl, Erdgas, Sonne, Wind und Uran
100%
Umwandlungsverluste im Energiesektor
Nichtenergetischer Verbrauch
- 25,6%
- 7%
Eigenverbrauch im Energiesektor
- 4,4%
Endenergie in Form von Koks, Strom,
Heizöl, Benzin, Diesel, Fernwärme
= 63%
Umwandlungsverluste
- 33%
Nutzenergie in Form von Prozeß- u.
Raumwärme, Antriebskraft, Licht,
Warmwasser, Information
= 4438 PJ = 151 Mio. t SKE
= 30%
Quelle: Forschungszentrum Jülich, Forschen, Nr. 1/98, April 1998
4.2. Schadstoffe
Der gesamte Verkehrsbereich benötigt nach unterschiedlichen Angaben 50-60% der WeltErdölproduktion. Verkehrsexperten schätzen, daß die Gesamtzahl aller Kraftfahrzeuge von 800 Mio.
(1997) auf rund 1,6 Mrd. im Jahr 2030 [Daimler Benz, 1996] bzw. auf 2,0 Mrd. [Greenpeace, 1996]
angewachsen sein wird. Die globale Autoflotte wächst derzeit prozentual doppelt so schnell wie die
Weltbevölkerung. Das bedeutet z.B. für Bangkok, daß dort der Autofahrer inzwischen durchschnittlich
44 Tage pro Jahr im Stau verbringt.
Die Debatte über den Kraftstoffverbrauch beinhaltet auch die Diskussion über die Schadstoffe, speziell
aus dem Verkehrsbereich. In dem Maße, wie der Verbrauch zunimmt, steigt verständlicherweise der
Schadstoffausstoß. Zentraler Punkt ist die Reduzierung des CO2-Anteils, da hier eine enge
Verbindung mit dem Treibhauseffekt vorliegt.
Der Verkehr gibt über 60% aller auftretenden NOx-Emissionen, über 55% aller CO-Emissionen und
etwa 20% aller CO2-Emissionen ab. Der überragende Anteil wird im Straßenverkehr - insbesondere
von Pkw - freigesetzt. [Höhlein, 1995]
Betrachtet man den Ausstoß von Schadstoffen, unterteilt in die Bereiche, in denen sie erzeugt
werden, wird die Bedeutung des Verkehrssektors deutlich (Abb. 5).
Abb. 5
Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft, Energiedaten 97/98, S.6
*: Land-, Forst und Bauwirtschaft, Militär-, Schienen-, Wasser- und Luftverkehr
Im Zuge der Diskussion über den Treibhauseffekt gibt es eine Aufteilung verschiedener Gase,
inwieweit sie hierfür als relevant bezeichnet werden können. Kohlendioxid ist mit 50%
hauptverantwortlich (s. Abb. 6). [BMW, 1993]
Abb. 6
Quelle: BMW, Aktuelles Lexikon: Treibhauseffekt, 1993
Wenn die durch den Treibhauseffekt hervorgerufenen Ozon-Spitzenwerte merklich gesenkt werden
sollen, müßten bei steigendem Kraftfahrzeugbestand und zunehmendem Individualverkehr deutliche
Senkungen der Emissionen um mehr als 50% erfolgen. Tests in den USA haben gezeigt, daß die
Vorläufersubstanzen um ca. 50% gesenkt werden müssen, wenn eine Verringerung der OzonSpitzenwerte um etwa 20-30% erzielt werden soll.
Für die Pkw-Fahrzeugtechnik bedeutet das:
- und mittelfristig die Einführung neuer Energieträger wie Erdgas, Methanol und Wasserstoff
für Verbrennungsmotoren,
- bis langfristig (5 bis 10 Jahre) die Entwicklung von Antrieben mit Brennstoffzellen als
Energiewandler auf der Basis von aus Erdgas hergestelltem Methanol oder auf der Basis von
Wasserstoff.
4.3. Die Entwicklung
Bei der Analyse der Verbrauchs- und Schadstoffdaten kommt man nicht umhin zu fragen, wie die
weitere Entwicklung aussehen wird. Dazu hier ein kurzer Ausblick:
Der weltweite Energiebedarf wird weiter steigen. Wissenschaftler erwarten, daß er von 1995 bis 2015
um über 50% zunehmen wird.
Der Verbrauch von Primärenergieträger lag vor fünf Jahren noch bei insgesamt 11 Mrd. t SKE
weltweit. Der Anteil regenerativer Energieträger nahm damals wie heute nur einen kleinen Teil ein.
Wenn keine radikale Trendwende eintritt, wird der Anteil auch im Jahr 2010 nur unwesentlich
angestiegen sein (s. Abb. 7).
Abb. 7
Quelle: PROGNOS AG und Fraunhofer-Institut für Systemtechnik u. Innovationsforschung
Abb. 8
Quelle: PROGNOS AG und Fraunhofer-Institut für Systemtechnik u. Innovationsforschung
Nach einem VDI-Bericht besteht zumindest für Deutschland die Aussicht auf eine andere Entwicklung.
Demnach könnten durch eine zielstrebige Energiepolitik im Jahr 2030 etwa 20-25% des deutschen
Energieverbrauchs durch erneuerbare Energiequellen gedeckt werden. [Nitsch, Dienhart, 1997]
Daß dies generell machbar ist, zeigt die Schweiz, in der bereits 40% des Elektrizitätsbedarfs über
Wasserkraft gedeckt werden.
4.4. Alternative - fossile Energien
In Abbildung 8 ist zu sehen, daß in der Prognose für das Jahr 2010 bei der Aufteilung des
regenerativen Energieanteils die Sonne als Energielieferant aufgeführt ist. Zwar nicht mit besonders
hohem Prozentsatz, aber sie wird eingeplant. Tatsächlich ist die Sonne die größte und ergiebigste
Energiequelle, die es gibt. Selbst in der Entfernung, in der die Erde um die Sonne kreist, liefert sie
enorme Energiemengen.
Als Beispiel:
Primärenergie verbraucht wird.
Oder anders formuliert:
Energiebedarfs der gesamten Erdbevölkerung.
So ließe sich z.B. mit Solarkraftwerken auf einer Fläche von 3% der Sahara der Energiebedarf
Europas und Afrikas decken.
"Solare Wasserstoffwirtschaft"
Die ersten Konzepte von einer "solaren Wasserstoffwirtschaft" wurden bereits in den fünfziger Jahren
entwickelt. Hinter diesem Begriff verbirgt sich die Idee, daß die Sonnenenergie nicht genutzt wird, um
über Photovoltaik Strom oder um in Wärmetauschern warmes Wasser zu erzeugen. Die Idee ist
vielmehr, die Sonnenenergie zur Wasserstoffspaltung zu gebrauchen.
Da Wasserstoff als Element separat nicht in der Natur vorkommt, sondern nur durch die Aufspaltung
von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, stellt sich die Frage, wie dies bewerkstelligt werden kann.
Gelänge es, Sonnenenergie zu konzentrieren, damit eine genügend große Energiemenge
zusammenkommt, die notwendig ist, um Wasser zu spalten, wäre dies ein durchweg ökologisches
Verfahren zur Wasserstoffherstellung. Der Wasserstoff könnte transportiert werden und an anderer
Stelle unter Energiefreisetzung wieder verbrannt werden. Bei der Oxidation entstünde (fast) nur
Wasser, so daß keine Umweltprobleme aufträten.
Das Interessante an dieser Idee ist, daß die Sonne unbegrenzt vorhanden ist und Wasser lediglich
verwendet, aber nicht verbraucht wird. Damals war dies eine revolutionäre Idee, mittlerweile erscheint
dies durchaus umsetzbar.
In diesem Sinne ist Wasserstoff keine Energiequelle, sondern ein Energieträger, der unter
Verwendung von Energie erst erzeugt werden muß.
Die Vorteile von Wasserstoff als Energieträger sind im groben folgende:
Wasserstoff ist:
Zur Herstellung von Wasserstoff ist relativ viel Energie notwendig, da dieses Element eine hohe
Bindungsenergie besitzt, der Sauerstoff also nur sehr schwer abtrennbar ist. Würde man dafür
Energie heranziehen, die aus Primärenergieträgern erzeugt worden wäre, hätte dieses Konzept
keinerlei ökologischen Anspruch. Es wäre ökologisch betrachtet unsinnig, Kohle zur
Energiegewinnung unter Schadstoffausstoß zu verbrennen, um mit der daraus gewonnenen Energie
Wasser aufspalten zu können, damit dann Wasserstoff als "schadstofffreier Energieträger" genutzt
werden kann. Vielmehr müßte bereits bei der Erzeugung von Wasserstoff ein alternatives Konzept
verfolgt werden. Eine Möglichkeit wäre die solare Wasserstoffwirtschaft.
Eine Speicherung ist notwendig, weil Wasserstoff nicht immer an Ort und Stelle erzeugt werden kann,
wo er gebraucht wird. Eine Möglichkeiten wäre z.B. ein mobiler Reformer zur Umwandlung von
Methanol.
Eine Speicherung ist außerdem notwendig, da in Mitteleuropa das Energieangebot der Sonne nur
schlecht mit dem Energiebedarf übereinstimmt. Im Sommer, wenn weniger Energie benötigt wird,
scheint die Sonne stark; im Winter, wenn deutlich mehr Energie verbraucht wird, scheint sie nur sehr
begrenzt. Außerdem gibt es starke tageszeitliche und wetterbedingte Schwankungen der
Sonneneinstrahlung. Ähnliches gilt für die Windenergie oder andere alternative Konzepte.
Es wird darauf hinauslaufen, daß der Wasserstoff dort erzeugt wird, wo unter guten ökologischen
Bedingungen ausreichend Energie bereitgestellt werden kann. Von dort muß er (flüssig oder
gasförmig) in die Regionen transportiert werden, wo er benötigt wird. Dann kann er mobil oder
stationär genutzt werden, indem die Energie wieder freigesetzt wird, die in ihn hineingesteckt wurde.
In diesem Sinne dient er lediglich als Speicher für diese chemisch gebundene Energie.
Diese Speicherung geschieht naturgemäß nicht in einem Verhältnis 1:1. Es treten wie bei jedem
physikalischen oder chemischen Prozeß auch in dieser Umwandlungskette Verluste auf. Ziel der
Forschung und Entwicklung ist es nun, hier einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Tab. 3: Übersicht über Effizienz- und Kostenverhältnisse zwischen solarem Strom (Erzeugung = 1,0)
und solarem Wasserstoff für fortgeschrittene Technologien.
Wirkungsgrad
Wirkungsgrad
Kosten
Kosten
nur Produktion einschl. Transport nur Produktion einschl. Transport
Strom
100
88
100
150
GH2
73
65
160
190
LH2
60
52
250
440
Quelle: Nitsch, J., Dienhart, H., u.a., VDI-Bericht (1997), 1321, "Fortschrittliche Energiewandlung und
Anwendung", VDI-Verlag, Stuttgart, S. 767-782
Nach Tabelle 3 enthält gasförmiger Wasserstoff in Mitteleuropa noch 65% der Energie des solaren
Stroms und kostet einschließlich Transport nahezu das Doppelte des erzeugten Solarstroms. Bei
flüssigem Wasserstoff stehen dem Nutzer noch etwa 50% der ursprünglichen Energie des
Solarstroms zu über vierfachen Kosten zur Verfügung. [Nitsch, Dienhart, 1997]
Es bieten sich noch eine Unmenge weiterer Varianten an. In Frage käme u.a. die Nutzung von
Windenergie. In Skandinavien und Nordamerika gibt es bereits riesige Windparks, wo viele Hunderte
Windräder Energie erzeugen. In diesem Zusammenhang gibt es bereits Projekte, daß
Einfamilienhäuser mit einem Windrad sich selbst versorgen und von der Warmwasseraufbereitung bis
hin zum Backofen alles mit Wasserstoff betrieben wird (s. Kap. 10.3 Wasserstoff-Haus). Des weiteren
gibt es bereits Projekte, die die Wasserkraft von riesigen Staudämmen nutzen. Auch die Verbrennung
von Biogas oder Müll wären Möglichkeiten (s. Anhang: Biodiesel).
Selbstverständlich darf nicht verschwiegen werden, daß auch diese Varianten Spuren in der Natur
hinterlassen. Es ist lediglich die Frage, wie signifikant diese Spuren bzw. deren Auswirkungen sind.
Um darüber korrekte Abschätzung machen zu können, bedarf es einer ausgiebigen Recherche und
Analyse aller dazugehörigen Faktoren, was sicherlich nicht einfach ist und niemals den Anspruch auf
Vollständigkeit erheben kann, da immer Vereinfachungen gemacht werden müssen.
5. Wasserstoff
5.1. Eigenschaften
Die Bezeichnung Wasserstoff existiert erst seit 1787; in diesem Jahr "taufte" der Franzose Lavoisier
den Wasserstoff als "hydrogène" (hydor = Wasser, griechisch; genes = erzeugend) = Wasser-Bildner.
Das Element an sich gibt es schon länger und zwar seit der Entstehung der Erde bzw. des Weltalls. In
der Natur kommt dieser Stoff so gut wie gar nicht vor, da sich zwei Atome hiervon immer ein
Sauerstoffatom suchen, um damit zu Wasser zu reagieren. Wasserstoff selbst ist ein Molekül aus zwei
Wasserstoffatomen (H2).
Physikalische Eigenschaften:
Chemische Eigenschaften:
= LH2 (liquid hydrogen) siedet bei TS = -252,77°C.
Heizwert: 119,97 MJ/kg = 33,33 kWh/kg = 10,78 MJ/Nm3 = 3,0 kWh/Nm3
- 4,1 Vol%; obere 75,0 - 79,2 Vol%
- 75Vol% Wasserstoff in Luft sind brennbar.
tall, stellt über 90% aller Atome, rund ¾ der gesamten Masse.
Kern.
verarbeitet.
Tab. 4: Massen- und volumenbezogener Energieinhalt von Energieträgern
Treibstoffe H2-Speich. Stromsp.
Wasserst. Methanol Benzin Diesel Metallhy. Pb-Bat.
Energiedichte (kWh/kg) 33 6 13 12 3 0,04
Energiedichte (kWh/l) 2* 5 9 10 4 0,09
*: flüssiger Wasserstoff bei -273°C
[Carpetis, 1996]
Kommt Wasserstoff mit Luftsauerstoff in Kontakt und wird die erforderliche Zündenergie zugeführt, so
"verbrennt" er zu Wasser und gibt bis zu 90% der Energie wieder ab, die man vorher zur Spaltung des
Wassers aufbringen mußte. Bei seiner Verbrennung entsteht, abgesehen von Wasser in Form von
Wasserdampf, nur noch eine sehr kleine Menge Stickoxyd durch die Reaktion mit Luftstickstoff. Es
entstehen keine Kohlenwasserstoffe, keine Schwefeloxyde, kein Kohlenmonoxid, nicht einmal
Kohlendioxyd (CO2), welches bei jeder Verbrennung von fossilen Brennstoffen entsteht (auch in
Katalysator-Autos) und im wesentlichen für den Treibhauseffekt verantwortlich ist.
Aus einem Tank austretender flüssiger Wasserstoff erwärmt sich, verdampft durch seine hohe
Wärmeleitfähigkeit und die große Temperaturdifferenz zu Luft, steigt auf und verdünnt sich, so daß die
untere Zündgrenze sehr rasch unterschritten wird. Die Gefahr einer großflächigen Lachenbildung wie
bei Benzin entsteht somit nicht.
Aus den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Wasserstoffs läßt sich für den
Fahrzeugbetreiber bei sorgfältiger Handhabung und entsprechenden fahrzeugseitigen Maßnahmen
kein höheres Gefahrenpotential als bei der Speicherung herkömmlicher Energieträger ableiten.
[Regar, 1989]
5.2. Herstellung
Dem einen oder anderen wird noch ein Schulversuch aus dem Chemieunterricht in Erinnerung sein:
Versuch zum Nachweis der Elektrolyse von Johann W. Ritter, deutscher Chemiker um 1800:
Ein wassergefülltes U-Rohr aus Glas, in jedem Schenkel eine Platin-Elektrode als Stromzuführer, ist
an eine 2-Volt-Gleichstrombatterie angeschlossen. Der Strommesser zeigt Null. Erst wenn ein paar
Tropfen Säure oder Lauge ins Wasser geträufelt werden, fließt ein Strom - das Wasser ist zum
Elektrolyt geworden, der Ionen leitet.
Über der Pluselektrode, der Anode, sammelt sich gasförmiger Sauerstoff, über der Minus-Elektrode,
der Kathode, gasförmiger Wasserstoff. Dieser Prozeß heißt "Wasserelektrolyse", die Zersetzung oder
Spaltung von Wasser mittels elektrischem Strom. [Weber, 1988]
So einfach sich das auch anhören mag, es gibt bei der Elektrolyse doch etwas mehr zu beachten als
diesen Schulversuch. Nur als Beispiel soll die Werkstofffrage angesprochen werden.
Bei der Elektrolyse steigen Gasbläschen von den Elektroden auf und erhöhen damit den elektrischen
Widerstand des Elektrolyten. Dort, wo sie an den Elektroden entstehen, spielen sich komplizierte
elektrochemische Vorgänge ab, die den Innenwiderstand der Elektroden vergrößern. Widerstand
bedeutet Stromverlust und Erwärmung. Dies wiederum bedeutet Einbußen beim Wirkungsgrad. Zur
Reduzierung der Verluste gibt es die Möglichkeiten, die Betriebstemperaturen auf über 80°C zu
erhöhen oder Elektroden aus edlen Metallen oder größere Elektroden-Oberflächen zu verwenden.
Aber jede dieser Maßnahmen zieht eine Reihe neuer Probleme nach sich. Erhöht man z.B. die
Betriebstemperatur, wird auch die Säure oder Lauge immer aggressiver gegenüber den Elektroden
und kann deren Standzeit wesentlich verkürzen. [Weber, 1988]
Mittlerweile sind in der Technik enorme Fortschritte gemacht worden, was die Materialienforschung
angeht, so daß z.T. die Temperaturen durchaus erhöht werden können, ohne daß es zu schnellem
Materialversagen kommt.
Mit der Elektrolyse ist es also möglich, das Molekül H2O in seine Bestandteile aufzuspalten. Dies ist
jedoch nur ein Verfahren zur Wasserstoffherstellung. Es gibt weitere Methoden, die hier nur kurz
aufgelistet werden sollen.
Herstellungsverfahren von Wasserstoff:
H2 + n CO
-Prozeß)
- drucklose Kohlestaubvergasung (Koppers-Totzek)
- Druckvergasung um Festbett (Lurgi)
- Braunkohle-Hochtemparaturvergasung (Winkler)
lyse (Norsk Hydro; 70% HU - 75% HU*)
-Dampfelektrolyse (HOT ELLY)
*: Wirkungsgrad bezogen auf den unteren Heizwert HU
Die spezifischen Wasserstoff-Produktionskosten sind heute am geringsten für die ErdgasDampfreformierung (5,- US$/GJ) und am höchsten für die photovoltaische betriebene
Wasserelektrolyse (47,- bis 104,- US$/GJ).
Unabhängig von hier angesprochenen Herstellungsverfahren fällt Wasserstoff bei vielen
verschiedenen Industrieprozessen als Nebenprodukt an, so daß knapp 40% des momentanen
Bedarfs von dort gedeckt werden können. Die Industrie stellt zur Zeit weltweit etwa 500 Mrd.
Kubikmeter Wasserstoff pro Jahr her. Nur ein Fünftel wird für die Erzeugung von Energie genutzt.
6. Der Wasserstoffmotor
6.1. Motorentechnik
Betrachtet man den geschichtlichen Verlauf der Technikentwicklung von Wasserstoff - von der
Namensgebung durch Lavoisier bis hin zu heutigen Wasserstoffflugzeugen oder
Brennstoffzellenautos - wird deutlich, daß die Idee von einer auf Wasserstoff basierenden
Energieversorgung bereits über hundert Jahre alt ist s. Kap. 3 Geschichte).
Bis heute gibt es diverse Projekte, bei denen Wasserstoff in Autos (Pkw und Lkw), Bussen und
Flugzeugen eingesetzt wird. In den USA befindet sich ein Brennstoffzellenantrieb für Lokomotiven in
der Entwicklung. Auch die Nutzung in Schiffen ist vorstellbar.
Für Fahrzeugantriebe mit Wasserstoff kommen grundsätzlich zwei Konzepte in Frage:
(s. Kap. 7).
Verbrennungsmotor:
Der Betrieb eines herkömmlichen Hubkolbenmotors ist durchaus mit Wasserstoff möglich, und diese
Technik wird bereits angewandt. Anhand der unten erwähnten Vor- und Nachteile sollen im folgenden
die dabei auftretenden Schwierigkeiten sowie mögliche Abhilfen aufgezeigt werden.
Vorteile:
V-1: Umweltverträglichkeit
V-2: Extreme Abmagerungsfähigkeit eines Wasserstoff/Luft-Gemisches bedeutet geringerer
Kraftstoffverbrauch.
Nachteile:
N-1: Unregelmäßige Verbrennungsabläufe durch:
N-1.1: Rückzündung in der Ansaugphase
N-1.2: Glühzündung in der Kompressionsphase
N-1.3: klopfende Verbrennung
N-1.4: Wasser-Anlagerungen an der Zündkerze beim Kaltstart
N-2: Geringe Leistungsdichte infolge von Liefergradverlusten
N-3: Schlechte Schmiereigenschaften von Wasserstoff
N-4: Hoher Aufwand für Flüssigwasserstoff-Förderpumpe und die Einspritzelemente.
V-1: Auf die gute Öko-Bilanz, den ersten und wichtigsten Vorteil von wasserstoffbetriebenen
Verbrennungskraftmaschinen, wurde bereits in Kapitel 4 eingegangen.
Nochmals erwähnt sei, daß die Wasserstoffverbrennung ohne die Erzeugung von CO2 geschieht, was
kein anderer Kraftstoff kann. Es fallen lediglich Stickoxidemissionen an. Die noch zu lösende Aufgabe
ist der Konflikt zwischen hoher Leistungsdichte und Vermeidung von Stickoxidemissionen.
Um der Forderung nach günstigem Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig niedriger Stickoxidemission
nachkommen zu können, ist es notwendig, daß im unteren Teillastbereich der Motor mit einer
konstanten Luftzahl von
Leistung, betrieben wird.
V-2: Die "extreme Abmagerungsfähigkeit" eines Gemisches bedeutet, daß ein Motor nach dem
Magerkonzept ausgelegt ist. Dies ist der Fall, wenn die Luftzah
-LuftIn Worten bedeutet dies: Ein Gemisch ist mager, wenn das Verhältnis von Kraftstoff zu Luft relativ
klein ist. Wenn relativ wenig Treibstoff pro Volumeneinheit Gemisch notwendig ist, dann ist auch der
Kraftstoffverbrauch gering.
N-1: Die bei den Nachteilen angesprochenen Unregelmäßigkeiten bei den Verbrennungsabläufen
haben folgende Ursachen:
N-1.1: Während der Ansaugphase strömt das Kraftstoffgemisch bei geöffneten Einlaßventilen in die
Brennkammer, in der sich zum Teil noch heißes Restgas befindet. Bevor nun der Ansaugvorgang
beendet ist, kann es zu einer Entzündung des bis dahin in den Brennraum geströmten Gases
kommen, was dann zu einer Rückzündung führt, da die Einlaßventile noch geöffnet sind.
Eine Wassereinspritzung kann diese Rückzündungsneigung des Motors verringern und außerdem die
Stickoxidbildung reduzieren sowie eine klopfende Verbrennung vermeiden. Im unteren Teillastbereich
kann die Einspritzung entfallen, da hier dieses Problem nicht auftritt.
N-1.2: Die Zündenergie von Wasserstoff beträgt nur etwa 1/10 derjenigen von herkömmlichen
Kraftstoffen aus Kohlenwasserstoffen. Dies hat zur Folge, daß heiße Stellen, heißes Restgas oder
Ölkohlepartikel im Brennraum das Wasserstoff/Luftgemische entzünden können. Für einen
selbstzündfreien Betrieb müssen deshalb heiße Stellen im Brennraum beseitigt bzw. die Zündenergie
des Gemisches angehoben werden, da der Motor ansonsten nur in einem sehr kleinen
Drehzahlbereich problemlos zu betreiben ist.
Heiße Stellen in der Brennkammer können zum Teil durch geeignete konstruktive Maßnahmen
reduziert werden. Dafür muß eine gute Wärmeableitung gewährleistet sein, d.h. die Kühlung über
Kühlrippen bzw. Kühlwasserkanäle muß gut durchdacht sein und es müssen entweder gut
wärmeleitende Materialien oder Materialien mit geringer Wärmekapazität gewählt werden. Außerdem
müssen bei der Brennraumgestaltung in die Brennkammer hineinragende Spitzen und Kanten
vermieden werden, weil diese aufgrund der schlechten Möglichkeiten zur Wärmeableitung besonders
heiß werden und quasi als zusätzliche Zündkerze fungieren würden.
In der Praxis wird so vorgegangen, daß der Zylinderkopfbereich eine verstärkte Kühlung erhält. Dies
wird nach Änderungen in den Kühlwasserführungen durch eine bessere Umströmung von
natriumgekühlten Auslaßventilen erreicht.
Die untere und obere Zündgrenze von Wasserstoff liegen so weit auseinander, daß nahezu jedes
Gemisch zündfähig ist. Damit ist es zwar möglich, einen Wasserstoffmotor wie einen Dieselmotor
ohne Drosselklappe zu betreiben. Um aber die Zündgrenze anzuheben, bedarf es weiterer
Maßnahmen. Wichtig ist, daß eine Absenkung der Temperatur des im Zylinder verbleibenden
Abgases sowie der Kompressionsendtemperatur erreicht wird. Der bereits angesprochene
Magerbetrieb, aber auch eine Abgasrückführung können u.a. dazu beitragen, weil bei weniger
Kraftstoff pro Volumeneinheit die Verbrennungstemperatur niedriger liegt. Eine gängige Variante ist
auch die Kühlung der angesaugten Luft bzw. des angesaugten Gemisches durch Wassereinspritzung
oder durch die Vorbeiführung am tiefkalten Wasserstoff.
N-1.3: Die Oktanzahl des Wasserstoffs liegt deutlich unter der von Normalbenzin, weswegen es leicht
zu einem klopfendem Verhalten kommen kann. Zur Vermeidung sind Maßnahmen möglich wie z.B.
wird. Es ist auch möglich, dies durch eine Abkühlung des angesaugten Gemisches zu erreichen, z.B.
durch die Einspritzung von Wasser. Wegen der Klopfgefahr muß einem erhöhten Ventilsitzring- und
Ventilverschleiß durch geeignete verschleißfeste Werkstoffe begegnet werden.
N-1.4: Probleme bezüglich Kaltstart könnten mit einer Zündanlage, die folgende Forderungen erfüllt,
gelöst werden:
Mit einem Hochspannungs-Kondensator-Zündsystem, abgeschirmten Zündkabeln und einer
speziellen Zündkerze kann diese Forderungen erfüllt werden. Der Zündzeitpunkt wird hierbei über
eine vollelektronische digitale Zündanlage gesteuert.
N-2: Das schlechte Kraft-Volumen-Verhältnis entsteht durch die geringe Dichte von Wasserstoff,
wodurch das Gas ein großes Volumen einnimmt. Dadurch werden - bei Zugabe des Wasserstoffs in
das Saugrohr - rund ein Drittel der angesaugten Luftmenge verdrängt, was eine Reduzierung des
Luftliefergrades zur Folge hat. Der volumetrische Prozentsatz von Wasserstoff in Luft liegt bei 29,5%,
bei Benzin liegt er bei 1,8%. Zusammen mit dem ebenfalls geringeren Gemischheizwert (3240 kJ/m3)
und der Volumenverkleinerung (Molschrumpfung) des Verbrennungsproduktes ist dies die wesentliche
Ursache für die Leistungsminderung des Wasserstoffmotors bei äußerer Gemischbildung im Vergleich
zum Benzinmotor.
Generell läßt sich sagen, daß der Wirkungsgrad bei wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotoren
besser ist als bei Benzinmotoren und Gasmotoren. Dies kommt zustande, da der
Verbrennungsprozeß im Wasserstoffmotor aufgrund der hohen Brenngeschwindigkeit des
knallgasähnlichen Wasserstoff/Luftgemischs dem thermodynamisch günstigen Gleichraumprozeß
näher kommt als der Benzinmotor. Genauer gesagt liegen Zünd- und Diffusionsgeschwindigkeit des
Wasserstoffs höher.
Dadurch ist ein Motorwirkungsgrad von bis zu 40% möglich (Stand 1991).
N-3: An den Kolben werden konstruktive und werkstoffseitige Maßnahmen, wie z.B. verschleißfeste
Kolbenringe, erhöhte Schaftrauhigkeit, Graphitierung des Schafts usw., vorgenommen, mit der
Zielsetzung eines besseren Ölfilmaufbaus und damit einer Verschleißminimierung. Eine anfänglich
befürchtete Wasserstoff-Versprödung der Werkstoffe tritt nicht auf.
N-4: Allgemeine Probleme bei der Nutzung von tiefkaltem Wasserstoff gibt es hinsichtlich der
Materialien in der Brennkammer und dem Zuleitungssystem beim Einspritzen des Kraftstoffs (T = 20
K) sowie bei Verdichtern, die trotz der tiefen Temperaturen eine hohe Lebensdauer aufweisen
müssen.
Bei den bis hierher angestellten Betrachtungen war keine wesentliche Unterscheidung bezüglich
flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff notwendig, da in der Brennkammer immer ein gasförmiges
Wasserstoff/Luftgemisch vorliegt. Lediglich bei Großmotoren ist es nicht auszuschließen, daß flüssiger
Wasserstoff eingespritzt werden kann.
6.2. Gemischbildung
Damit es zu einer Verbrennung kommen kann, muß ein zündfähiges Gemisch in der Brennkammer
vorhanden sein. Dieses Gemisch sollte möglichst homogen und im gesamten Brennraum gleichmäßig
verteilt sein. Um diese beiden Minimalanforderungen zu erfüllen, gibt es zwei unterschiedliche
Verfahren:
In beiden Fällen wird von gasförmigem Wasserstoff ausgegangen, da der Kraftstoff auf jeden Fall
unter den gegebenen Umständen wegen seiner niedrigen Siedetemperatur nicht flüssig bleiben wird.
Selbst wenn im Tank Flüssig-Wasserstoff gespeichert wird, wird dieser erst verdampfen, bevor er zur
Gemischaufbereitung gelangt.
Das dann entstehende Wasserstoff-Luft-Gemisch besteht aus viel Wasserstoff und wenig Luft. Dies ist
ein energiereiches Gemisch, welches zunächst zu unkontrollierbaren Zündungen neigt. Eine
kontrollierbare Verbrennung ist durch die beiden erwähnten Verfahren möglich.
Äußere Gemischbildung:
Gasförmiger Wasserstoff wird mit geringem Überdruck in das Ansaugrohr eingeblasen, so daß er sich
noch vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum mit der gegebenenfalls durch einen Turbolader
verdichteten angesaugten Luft vermischt. Dieses Gemisch wird nach dem Einlaß in den
Verbrennungsraum mit Zündkerzen gezündet. Ein hoher Luftüberschuß (Magerbetrieb) stellt sicher,
daß keine Rückzündung erfolgt und die Verbrennungstemperatur niedrig gehalten wird, was zu
geringen Stickoxidemissionen und verminderten thermischen Verlusten führt. Es sinkt dabei jedoch
die spezifische Motorleistung, was wiederum mit Aufladung ausgleichbar ist. Wasserstoff hat zwei
Eigenschaften, die sich hier nachteilig bemerkbar machen. Infolge seiner hohen
Flammenfrontgeschwindigkeit (Flammen breiten sich in Wasserstoff viel rascher aus als in anderen
brennbaren Gasen.) schlägt die Flamme aus dem Verbrennungsraum leicht in das Ansaugrohr zurück.
Und wegen der sehr niedrigen Zündenergie entzündet sich der einströmende Wasserstoff oft schon an
heißen Stellen im Brennraum oder an heißen Restgasen. Abhilfe gegen solche Früh- und
Fehlzündungen schafft die Kühlung des Ansauggemisches durch Einspritzen von Wasser (aus einem
separaten Behälter). Gegen das Klopfen, hervorgerufen durch unregelmäßigen Verbrennungsablauf,
hilft die Zurücknahme der Verdichtung, was sich wiederum in verminderter Motorleistung (etwa 25%
gegenüber einem hubraumgleichen Benzinmotor) niederschlägt. Der Ausstoß von Stickoxiden
entspricht dem eines Benzinmotors mit geregeltem Katalysator. Vorteile der äußeren Gemischbildung
liegen in der Einfachheit und im geringen erforderlichen Wasserstoffdruck. Nachteile sind eine im
Vergleich zu Benzin- bzw. Dieselmotor verringerte volumetrische Leistungsausbeute des Motors sowie
die Neigung zu unregelmäßigem Verbrennungsablauf.
Abb. 9
Quelle: Projektbegleitung Kraftfahrzeuge und Straßenverkehr, Wasserstoffantriebe, Köln, Verlag TÜV
Rheinland, 1989, S. 27
Eine beispielhafte Gemischbildungsanlage ist in Abbildung 9 dargestellt. Es handelt sich um ein
System mit Stauscheibenluftmengenmesser. Ein Steuerkolben, auf den die Bewegung der
Stauscheibe über einen Schwenkhebel übertragen wird, dosiert den Wasserstoffstrom über einen
Steuerschlitz. An diesem Öffnung wird mittels eines Differenzdruckreglers eine konstante
Druckdifferenz vor und hinter dem Steuerschlitz erzeugt, so daß die Schlitzfläche direkt ein Maß für
die Wasserstoffmasse darstellt (vorausgesetzt Temperatur und Druck bleiben konstant).
Für eventuell auftretende Änderungen von Wasserstoff-Versorgungsdruck und -Temperatur beinhaltet
das Differenzdruckventil Kompensationseinrichtungen. Oberhalb der Wasserstoff-Dosiereinrichtung
befindet sich die Dosiereinrichtung für die Wassereinspritzung. Sie entspricht im wesentlichen dem
Mengenteiler einer Bosch-K-Jetronic für Benzinmotoren. Der Steuerdruck im Mengenteiler kann über
einen von der Drosselklappe angesteuerten Druckminderer so verstellt werden, daß das
Stauscheibengleichgewicht verändert wird und somit das Luft-Kraftstoffgemisch im Kennfeld die
erforderlichen Werte erreicht. Mit den in die Einspritzleitungen eingebauten Magnetventilen kann die
Wassereinspritzung im Teillastbereich zugunsten eines besseren Kraftstoff- sowie Wasserverbrauchs
abgeschaltet werden.
Abb. 10: Einspritzdüse für kryogene Gemische
Quelle: Peschka, W., Wasserstoffantrieb für Kraftfahrzeuge, (1997), Stuttgart, S. 14
Innere Gemischbildung:
Die Injektion von Wasserstoff bei Umgebungstemperatur ist wegen des Aufwandes für die Verdichtung
kaum realisierbar, es sei denn, man nimmt die nur teilweise Ausnutzung der Speicherkapazitäten von
Hochdruckspeichern in Kauf.
Deswegen bleiben die Forschungen konzentriert auf kalten, gasförmigen Wasserstoff. Der wird unter
sehr hohem Druck (8-12 MPa) direkt in den Brennraum eines nach dem Ottoprinzip modifizierten und
auf der Basis eines Dieselmotors arbeitenden Hubkolbenmotors eingeblasen und dort mit dem
Luftsauerstoff gemischt und fremdgezündet (mittels Zündkerzen). Hinsichtlich Strahlbildung und
Mischungsprozeß ergeben sich jedoch ganz erhebliche Unterschiede gegenüber Dieselkraftstoff. Dies
kommt durch den gasförmigen Zustand des zu injizierenden kryogenen Mediums, dem großen
Dichteunterschied zwischen Kraftstoff und Luft, der erheblich größeren
Flammenausbreitungsgeschwindigkeit und völlig unterschiedlichen Verhältnissen hinsichtlich
turbulenter Mischung. Der hohe Druck zur Einspritzung ist notwendig, da es ansonsten zu
Fehlzündungen und zu einer klopfenden Verbrennung kommen kann. Das Mischungsverhältnis
lumetrische
Leistungsausbeute ist ähnlich hoch wie beim Dieselmotor. Um eine exakte Füllung des Motors und
eine genau terminierte Zündung des Brennstoffgemisches sicherzustellen, sollten die Ventile
hydraulisch angesteuert und ein vollelektronisches Management des Verbrennungsvorgangs
durchgeführt werden.
Nachteil der inneren Gemischbildung ist ein hoher technischer Aufwand.
6.3. Beispielmotoren
a) MAN:
Im Zuge des Wasserstoffprojekts "Flughafen München", an dem sich mehrere Firmen beteiligt haben,
hat MAN einen Motor für einen Bus entwickelt, der ab Herbst 1998 seine Arbeit aufnehmen soll.
Bei dem Motor handelt es sich um einen modifizierten Erdgasmotor (6-Zylinder-Reihenmotor, 4-TaktOttomotor mit 12 l Hubraum, freisaugend, Motorbezeichnung: H 2866 UH). Die Maschine hat zwei
Gemischaufbereitungssysteme, die völlig unabhängig voneinander arbeiten. Jeder Zylinder hat eine
Wasserstoff- und eine Benzin-Einspritzanlage. Diese sind am Einlaßstutzen angebracht (äußerer
Gemischbildung) und werden elektromagnetisch angesteuert. Der Wasserstoff wird mit dem Druck
aus dem Tanksystem eingeblasen, was ungefähr p = 3,5 bar entspricht.
Der Motor hat eine maximale Leistung von 140 kW bei 2200 U/min (Wasserstoffbetrieb) bzw. 170 kW
bei 2200 U/min (Benzinbetrieb) und ein maximales Drehmoment von MDmaxH = 750 Nm bei n = 1000
U/min, bzw. MDmaxBenzin = 840 Nm bei n = 1000 U/min. Dieser Unterschied kommt durch den
geringeren volumetrischen Wirkungsgrad, da Wasserstoff selbst mehr Raum einnimmt. Wegen des
Klopfens mußte das Verdichtungsverhältnis durch Modifizierung der Brennkammergeometrie
verringert werden auf 8 : 1.
Bei der Motorsteuerung handelt es sich um ein Bosch-Motoronic-Steuergerät (Typ M 3.3), welches
über eine Kennfeldzündung mit ruhender Hochspannungsverteilung sowie Klopfregelung verfügt. Bei
Benzinbetrieb wird das Gemisch durch zwei Lamdasonden, bei Wasserstoffbetrieb durch
Luftmassenmessung (Heißfilm-Luftmassenmessung) auf
Die Ansteuerung des Wasserstoff-Einblasventils erfolgt durch ein zusätzliches Steuergerät, das die
von der Motronic empfangenen Informationen über Einblasbeginn und -dauer in Steuerbefehle für die
Drehschieberventile umsetzt. Die Motorleistung wird über eine elektronisch angesteuerte und
elektromotorisch angetriebene Drosselklappe geregelt.
Diese drei Motorsteuergeräte kommunizieren über einen CAN-Datenbus miteinander.
Der Kraftstoff wird in Form von gasförmigem Wasserstoff in 15 aluminiumumwickelten Behältern mit
einem Gesamtvolumen von 2550 l und einem Energieinhalt von insgesamt 1650 kWh bei einem
Betriebsdruck von 250 bar gespeichert. Damit ist eine Reichweite von 150 km möglich. Das Betanken
dauert ca. 10 min.
Der Betriebsdruck der Wasserstoffanlage (3,5 bar) wird bei einer Druckabsenkung aufgrund des
Verbrauchs durch in den Tank integrierte Druckaufbauheizung aufrechterhalten.
Beim Fahrzeug handelt es sich um einen Bus vom Typ: MAN SL 202 LH2, Baujahr 1996, Leergewicht
11,5 t. Er kann eine Höchstgeschwindigkeit von ca. 90 km/h erreichen.
[MAN, 1996]
b) Daimler-Benz
Daimler-Benz bietet eine für Lastkraftwagen entwickelte Wasserstoffmaschine an. 1996 veröffentliche
Daimler die Versuche an einem Dieselmotor (6-Zylinder Viertakt Direkteinspritzer, OM 447 hLA). Die
Maschine ist mit einem Turbolader mit Rückkühlung ausgestattet und arbeitet bei einem Luftverhältnis
Die NOx-Werte, die im ECE-R49 13-Punkte-Test erreicht wurden, lagen bei 10% der EURO II
Grenzwerte von 7,0 g/kWh, während die Werte für die maximale Leistung von 220 kW und das
maximale Drehmoment von 1140 Nm denen von herkömmlichen Dieselmotoren entsprechen.
Bei diesem Motor handelt es sich um eine Maschine mit innerer Gemischbildung (s. Abb. 11). Prof. Dr.
Ing. W. Peschka (stellv. Institutsleiter des DLR) vertritt die Meinung, daß unkontrollierte
Frühzündungen bei einer äußeren Gemischbildung nie völlig ausgeschlossen werden können, egal,
ob Wasserstoff bei normaler oder bei sehr geringer Temperatur verwendet wird. Bei innerer
Gemischbildung treten seiner Meinung nach diese Probleme nicht in dem Maße auf.
In Abbildung 11 (oben) ist die Brennkammer-Gestaltung dieses Aggregats angedeutet. Als Zündhilfe
wird in diesem Fall eine Glühkerze M 14 x 1,25 mm mit 20 mm Abstand zur Einspritzdüse verwendet.
Durch den Swirl (Verwirbelung), die Drehung des Gemisches in der Brennkammer, wird das
eingespritzte Gemisch zur Glühkerze geblasen und soll außerdem für eine gute Verteilung des Gases
im Brennraum sorgen.
Aufgrund des frühen Einspritzbeginns kann es bei innerer Gemischbildung leicht zum Klopfen
kommen. Um dies zu verhindern, wurde eine Düse mit einem weiten, sphärischen Einspritzbereich
gewählt und das Verdichtungsverhältnis wurde herabgesetzt auf
Eingespritzt wird mit einem Druck von pH = 40 bar, was auch bei Vollast ausreicht.
Die Abbildung darunter zeigt die Leistungskurve bei Vollast von der Wasserstoffmaschine im Vergleich
zu einem normalen Busmotor. Bei vergleichbarer Leistung mit dem herkömmlichen Dieselmotor (P =
Der Kurvenverlauf des Drehmoments ähnelt dem von Ottomotoren oder Wasserstoffmotoren mit
externer Gemischbildung. Das maximale Drehmoment MDmax = 1140 Nm liegt jetzt bei n = 1600
U/min. Obwohl das Moment bei n = 1000 U/min um 300 Nm geringer ist, ist die Momentenelastizität
trotzdem hoch. Mehr als 80% des maximalen Drehmoments ist von n = 940 U/min bis n = 2200 U/min
verfügbar. Damit ist ein derartiger Motor für z.B. einen Stadtbus geeignet. Im optimalen Betriebspunkt
liegt der Verbrauch von Wasserstoffmotoren bei gleicher Leistung im Vergleich zu Dieselmaschinen
um 9,5% höher.
Positiver Nebeneffekt ist, daß dieser Motor mit einer relativ geringen Geräuschentwicklung läuft.
[Digeser, Jorach, 1996]
c) BMW
Umfassende Untersuchungen an Personenkraftwagen gibt es von BMW. Der bayrische
Automobilhersteller vertritt die Ansicht, daß die vielfältigen Anforderungen an ein Fahrzeugtriebwerk
bei Wasserstoffanwendung von einer Hubkolbenmaschine am besten erfüllt werden. Aufgrund der
hohen erforderlichen Zündtemperatur des Gemisches sei der Betrieb nur mit Fremdzündung möglich.
Im BMW-Motor wird der flüssige, tiefkalte Kraftstoff mittels des Tankdruckes durch den KühlwasserWasserstoff-Wärmetauscher gefördert, wird dort verdampft und dem zentralen Dosierventil zugeleitet,
welches elektrisch betätigt wird. Die erforderlichen Kennfelder zur Ansteuerung sind in die
Motorelektronik integriert. Das Dosierventil bildet eine kompakte Einheit mit der Verteileranlage für die
individuelle Einblasung, so daß die Gefahr von Wasserstoffleckagen weitgehend ausgeschlossen
werden kann.
Der Motor arbeitet in seinem gesamten Betriebsbereich qualitätsgeregelt mit Luftüberschuß. Die
magere Gemischbildung bewirkt einen guten Wirkungsgrad sowie minimale Stickoxidemissionen.
Aufgrund der wesentlich geringeren Zündwilligkeit des mageren Gemisches im Vergleich zum
stöchiometrischen werden Frühzündungen im Saugrohr vermieden. Daher können eine
Wassereinspritzung und die damit verbundenen Wartungsprobleme entfallen. Diese Vorteile führen
jedoch zu einer erheblichen Leistungseinbuße gegenüber einem mit konventionellem Brennstoff
betriebenen Aggregat, zumal ein Gasmotor schon bei Betrieb mit stöchiometrischem Gemisch eine
geringere spezifische Leistung erzielt.
Mit einem mechanisch angetriebenen Kreisellader ist es nach BMW-Aussage gelungen, diesen
Nachteil teilweise zu kompensieren, so daß die Motorleistung bei Wasserstoffbetrieb ca. 30% unter
der des Serienfahrzeugs liegt. Hiermit sollen ausreichende Fahrleistungen möglich sein.
Das Kraftstoffleitungssystem zwischen Ventilblock und Motor ist am Wagenunterboden
weitestmöglich, auffahrsicher im Schutz der Fahrzeugträger verlegt und vor mechanischer
Beschädigung (Steinschlag) geschützt. Wasserstofführende Bauteile, die an der Fahrzeugaußenhaut
liegen, wie Sicherheitsventile und Tankstutzen, sind über flexible Elemente mit dem System
verbunden, um Verformungen ausgleichen zu können.
[Regar, 1989]
6.4. Kosten
Bei der Berücksichtigung der Kosten von Wasserstoffantrieben gilt es, diese aufzuschlüsseln.
Zum einen sind da die Kosten für den Wasserstoff selbst.
In Québec/Kanada kostet Wasserstoff (mit einem Energieäquivalent von 1 l Benzin) 1,50 DM. In
Québec läuft ein Wasserstoffprojekt (EQHHPP), wo Staudämme Wasserkraft in Energie umformen,
die wiederum für die Erzeugung von Wasserstoff genutzt wird.
Nahe Los Angeles/USA steht eine Solarkraftanlage (350 MW). Würde hieraus Wasserstoff gewonnen
werden, würde das Energieäquivalent von 1 l Benzin 5,- DM kosten.
Je nach Standort des Kraftwerkes, in dem der Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt wird, kostet
eine Kilowattstunde zwischen 20 und 30 Pfennig; solare Elektrizität 40 Pfennig.
Zum anderen muß abgeschätzt werden, wie hoch der Preise für ein Fahrzeug ist, das mit Wasserstoff
angetrieben wird.
Eine Kleinstserie von fünf LH2-Pkws ergibt einen Stückpreis von 500.000,- DM.
Bei Serienproduktion lassen sich die Kosten für den Wasserstoffmotor auf die Kosten eines
vergleichbaren konventionellen Dieselmotors senken. Für die Speicherung, die Leitungen und die
Aufbereitung des Kraftstoffs im Fahrzeug muß für massenproduzierte Komponenten mit Mehrkosten
gerechnet werden, die den Endpreis eines LH2-Pkws um maximal 25% über den Preis eines
konventionellen, benzinbetriebenen Fahrzeugs gleicher Leistung und gleichen Nutzwertes steigen
lassen würden.
In höhere Größenordnungen gelangt man, wenn man den Mitteleinsatz bis zur Marktreife betrachtet.
Bis zur mittleren Serienfertigung, für die eine allgemeine Betriebserlaubnis Grundvoraussetzung ist,
können sich die Aufwendungen mit allen erforderlichen Tests und Genehmigungen auf (einige) 100
Mio. DM belaufen. Dies ist aber nicht wasserstoffspezifisch, sondern eine in der Automobilindustrie
durchaus gängige Größenordnung bei einem Modellwechsel.
Tab. 5: Preise für Wasserstoff
Nebenprodukt aus der chemischen Industrie, gasförmig 0,44 bis 0,72 DM / l*
verdichtet für die Anwendung im Automobilverkehr 0,87 bis 1,59 DM / l*
Flüssigwasserstoff erzeugt mit kostengünstiger Elektrizität (z.B. aus kanadischen Wasserkraftwerken),
ab Freihafen Hamburg 2,25 DM / l* (1996)
1,80 DM / l* (1998)
Tankfertiger Wasserstoff aus Biomasse (Wasserdampfdruckvergasung) 0,87 bis 1,74 DM / l*
Aus Algen- und Bakteriensystemen 2,18 DM / l*
[Schindler, 1996]
*: Liter Benzinäquivalent
6.5. Emissionen
Unter dem Aspekt der Gemischaufbereitung und der Motorenauslegung (s. Kap. 6.1.1 u. 6.1.2) wurde
bereits einiges zu den Schadstoffen gesagt. Hier nun einige Worte zu den Potentialen des
Verbrennungsmotors und vorgegebenen Grenzwerten.
Die Europäische Union (EU) plant für das Jahr 2000 eine neue Abgasrichtlinie, die den
amerikanischen Vorschriften weitgehend entsprechen soll. In den USA (Kalifornien) wird zur Zeit der
sogenannte SULEV-Standard (Super Ultra Low Emission Vehicle) diskutiert.
Tab. 6: Grenzwerte von 1994
Standard Kohlenwasserstoff* HC Kohlenstoffmonoxid CO Stickstoffe NOx
US 1994 0,25 3,4 0,4
ULEV 0,04 1,7 0,2
[Daimler-Benz a, 1994]
*: ohne Methananteil
US 1994: US amerikanische Grenzwerte von 1994
ULEV-Limits (Ultra Low Emission Vehicles - Automobile mit minimalen Abgasemissionen):
kalifornische Abgasgrenzwerte
In einer neueren Richtlinie aus Nordamerika haben Staaten wie Kalifornien, Massechusetts und New
York den Automobilherstellern einen Plan vorgegeben:
sein, also Elektrofahrzeuge.
10% verbindlich.
Bezüglich Stickoxiden liegt der oben erwähnte Standard (SULEV) um einen Faktor 30 unter dem
heutigen schweizerischen Standard, bei den Nichtmethan-Kohlenwasserstoffen um Faktor 20.
Interessant ist nun die Feststellung, daß der Standard bereits heute von erdgasbetriebenen
Verbrennungsmotoren erreicht wird - lange vor dem vorgeschlagenen Termin von 2004.
Schadstoffentstehung:
Am Beispiel der inneren Gemischbildung soll nun die Stickoxidbildung analysiert werden. Andere
Emissionen treten bei der Wasserstoffverbrennung nicht auf, da in diesem Kraftstoff kein Kohlenstoff
enthalten ist.
Es können zwei Prozesse unterschieden werden, in deren Verlauf es zu Stickoxidbildung kommt. Zur
sofortigen Stickstoffmonoxidbildung nach "Fenimore" kommt es bei reinem Wasserstoff nicht, da diese
nur in Verbindung mit Kohlenwasserstoffen auftritt.
Bei der NO-Bildung nach "Zeldovich" wird der molekulare Luftstickstoff aufgespaltet, bevor er mit
Sauerstoff zu Stickoxiden reagiert. Dieses Aufbrechen der Bindung geschieht erst bei hohen
Temperaturen von T = 2300°C und verläuft relativ langsam. Um die Reaktionstemperatur
herabzusenken, damit weniger NOx entsteht, bietet sich das Magerkonzept an. Bei Ottomotoren
entstehen dabei unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die ihrerseits Schadstoffe sind. Wasserstoff
hingegen ist ebenso gut geeignet für eine magere Verbrennung wie Dieselmotoren. Bis zur Hälfte der
Last ist die NOx-Entwicklung vernachlässigbar gering (NOx < 5ppm), da relativ viel Luft vorhanden ist
und nur relativ geringe Temperaturen auftreten. Mit zunehmender Last steigen die Werte bis auf NOx
< 100ppm. Bei höherer Umdrehung erzeugt der Turbolader einen höheren Druck, was wiederum ein
magereres Gemisch bewirkt.
Im Vergleich zum Grenzwert des EURO II (NOx = 7,0 g/kWh, HC = 1,1 g/kWh, CO = 4,0 g/kWh) liegt
der Wert für wasserstoffbetriebene Motoren bei 10%. Spuren von HC und CO unter jeweils 1% treten
durch Schmieröl und Reaktionspartner in der Luft auf.
Eine bisher lediglich angedachte Alternative zum Wasserstoffmotor ist die Gemischaufbereitung mit
Wasserstoff und reinem Sauerstoff. Dann würde die Stickoxidbildung wegfallen und der Motor würde
so gut wie ohne Schadstoffausstoß fahren.
Aus Effizienzgründen wird sich jedoch der Verkehr voraussichtlich auf luftatmende Triebwerke
beschränken. Die Mitführung von Sauerstoff in Fahrzeugen würde erhebliche zusätzliche technische
und wirtschaftliche Hindernisse für die Einführung von Wasserstoffahrzeugen bedeuten.
Das beste technische Verfahren zur Minimierung der Stickoxide ist und bleibt der Betrieb mit hohem
-Grenzwerte für Gas-Ottomotoren aus der TA-Luft
deutlich unterbieten.
Wasserdampfbildung:
Bis jetzt unberücksichtigt sind die Folgen geblieben, die einen vermehrter Wasserdampfausstoß auf
die Umwelt und das Klima (lokal und global) haben könnte.
Wasserdampfemissionen lassen sich technisch (außer durch Verbrauchsreduktion) nicht reduzieren,
statt dessen werden sie steigen. Wasserdampf ist zwar das am häufigsten in der Atmosphäre
vorkommende, klimarelevante Gas, aber wesentlich weniger klimaaktiv als CO2. Die
Wasserdampfemissionen aus der heutigen Energiewirtschaft liegen bei 0,005% der natürlichen
Vorkommen. Selbst unter ungünstigen Verhältnissen regionaler Ballungsräume würde ein voll auf
Wasserstoff umgestellter Fahrzeugverkehr Wasserdampfemissionen nur im Promillebereich
natürlicher Emissionen freisetzen.
Werden Szenarien der Wasserstoffnutzung und daraus realistische Wasserstoffgasemissionen
abgeleitet, dann würden die H2-Emissionen um maximal bis zu 5% bzw. 1,5 Mio. t / Jahr ansteigen
und damit der Gehalt in der Atmosphäre von heute 0,51 ppm auf 0,54 ppm ansteigen.
Würden für das Jahr 2050 angenommen von etwa 1 Mrd. Straßenfahrzeuge ausgegangen, die zu 10 20% mit LH2 betrieben würden, so würden sich hieraus erhöhte H2-Emissionen von 0,2 - 0,8 Mio.
t/Jahr ergeben. In den letzten Jahren lag die jährlich H2-Zunahme aufgrund anthropogener
Verbrennungsprozesse (Industrie, Autoabgase) bei etwa 1 Mio. t H2 / Jahr. Erste Abschätzungen
lassen nach heutiger Kenntnis vermuten, daß durch einen verstärkten H2-Einsatz keine relevanten
Veränderungen in der heutigen Wasserstoffbilanz der Atmosphäre bewirkt werden. Wegen
nichtlinearer Abläufe chemischer Reaktionen in der Atmosphäre besteht hier aber noch Forschungsund Klärungsbedarf.
7. Brennstoffzelle
Auf einem völlig anderen Konzept als die Verbrennungskraftmaschine beruht die BrennstoffzellenTechnik (BSZ). Wie bereits erwähnt, gibt es diese Technologie schon lange (ca. 150 Jahre, s. Kap. 3).
Erste ernstzunehmende Forschungsarbeiten in diesem Sektor gab es in den achtziger Jahren,
intensiver wurden die Entwicklungsarbeiten jedoch erst in den letzten fünf bis zehn Jahren. Einzelne
Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb existieren bereits. Und zwar nicht irgendwelche
überdimensionierten Versuchsfahrzeuge, wie die erste Generation, die zum Teil noch Lkw-Format
hatte, sondern Pkw mit großer Reichweite und zeitgemäßem Leistungsangebot. Das Interesse am
Einsatz der Brennstoffzellentechnologie hat in den 90er Jahren sprunghaft zugenommen. Indikatoren
hierfür sind u.a. eine deutlich zunehmende Anzahl von Veröffentlichungen, eine Reihe von in Amerika,
Japan und Europa installierten Demonstrationsanlagen (Prototypen) sowie erhöhte Aktivitäten zur
Bildung nationaler bzw. internationaler Arbeits- und Interessengruppen.
7.1. Funktionsweise
Bei der Herstellung von Wasserstoff wurde bereits auf die Elektrolyse eingegangen, und es wurde
angedeutet, daß der Wasserstoff quasi als Energiespeicher zur Verfügung steht, damit die in ihn
hineingesteckte Energie transportiert und an anderer Stelle wieder freigegeben werden kann. Jetzt
geht es darum, wie diese Energiefreisetzung vor sich gehen soll.
Abb. 12: Schema einer SOFC
Quelle: Vesper, A., Heißes Ding im Forschungszentrum, Forschen, Nr. 1/98, (1998), S. 15
Im Prinzip ist der Vorgang in der Brennstoffzelle nichts anderes als die Umkehrung der Elektrolyse.
Wasserstoff ist von sich aus gewillt, zusammen mit Sauerstoff wieder zu Wasser zu reagieren. Dazu
bedarf es keiner externer Energiezufuhr, statt dessen wird Energie abgegeben (endotherme
Reaktion).
Letzten Endes findet in einer Brennstoffzelle nichts anderes statt als eine Knallgasreaktion, jedoch
unter kontrollierbaren Bedingungen. Es soll schließlich nichts explodieren, sondern kontrolliert
verbrennen. Deswegen spricht man bei diesem Vorgang auch von der "kalten Verbrennung".
Die genaue Funktionsweise der Brennstoffzelle läßt sich am besten anhand der Abbildung 12
erklären. Bei dem dargestellten Schema handelt es sich um eine SOFC, bei der Sauerstoffionen als
Ladungsträger dienen. Ansonsten übernehmen meist Wasserstoffionen diese Funktion. Die folgende
Erläuterung bezieht sich auf die Funktionsweise einer "Proton Exchange Membrane-Brennstoffzelle"
(PEM).
Das Herz der PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Minuspol) und der
Kathode (Pluspol), getrennt durch eine feste, ionendurchlässige Polymer-Membran (ca. 0,1 mm dick)
als Elektrolyt. Jede der Elektroden ist mit einem dünnen Nickel- oder Platin-Katalysator-Film
beschichtet. Wasserstoff wird der Anode zugeführt und teilt sich in Elektronen und Protonen (positive
Wasserstoffionen) angesichts des Platin-Katalysators. Die freien Elektronen werden als brauchbarer
elektrischer Strom durch den äußeren Kreislauf genutzt. Die Protonen diffundieren durch die
Elektrolytmembran zu der Kathode. An der Kathode rekombinieren Sauerstoff aus der Luft, Elektronen
aus dem äußeren Kreislauf und Protonen und ergeben Wasser und Wärme.
Zwischen Kathode und Anode kann sich nun eine Spannung aufbauen. Verbindet man beide
Elektroden, etwa über einen Elektromotor, miteinander, fließen die Elektronen von der Anode zur
Kathode und liefern so beispielsweise die Energie für den Antrieb des Busses. Die Reaktionswärme
kann genutzt werden, um damit das Fahrzeug zu heizen. Dieses Beiprodukt ist ein Vorteil gegenüber
Elektrofahrzeugen mit Batterie.
Es kann direkt Wasserstoff zugeführt werden oder auch Erdgas oder Methanol mit vorgeschaltetem
Reformer. Volumen und Gewicht von Methanol ist in etwa gleich groß wie bei Benzin oder Diesel. Der
Kraftstoff wird durch Graphitplatten (Bipolarplatten) geleitet, in die jeweils feine Gänge gefräst sind.
Durch diese Gänge wird bei der einen Platte Wasserstoff, bei der anderen Sauerstoff geleitet (s. Abb.
13). Um diese Versorgung über die Querschnittsfläche von 200 oder 400 cm2 einer Zelle gleichmäßig
zu gewährleisten, ist ein optimiertes Strömungsfeld notwendig. Ein geeigneter Brennstoffzellenstapel
(Stack) arbeitet bei kleinen Brennstoff- und Luftüberschüssen und bei einem Überdruck von nur 0,5
bis 1 bar. Dies ist notwendig, um die Wirkungsgradverluste durch Kompression klein zu halten.
Gleichzeitig gilt es, durch Luftkühlung die Verlustwärme aus dem Stapel abzuführen. Selbst bei einem
elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle von 60% sind diese Wärmeverluste noch immens.
Eine zusätzliche Funktion der Bipolarplatte ist der Wasserhaushalt: Auf der Wasserstoffseite muß die
Membran befeuchtet, auf der Luftseite muß das Produktwasser entfernt werden.
Abb. 13: Schema eines SOFC-Stacks
Quelle: Vesper, A., Heißes Ding im Forschungszentrum, Forschen, Nr. 1/98, (1998), S. 16
Jeder Stack enthält etwa 150 dicht aneinanderliegende Brennstoffzellen. Die PEM kann mit einem
festen Elektrolyten bei relativ niedrigen Temperaturen (etwa 80 °C) betrieben werden. Als Resultat der
elektrochemischen Reaktion erhält man Gleichstrom, der einen Verbraucher speisen kann, und
Wasser. Jede einzelne Brennstoffzelle erzeugt ca. 0,6 V (entspricht einer Leistung von ca. 100 W).
Erst viele in Reihe geschaltete Zellen, die "Stacks", liefern genügend Energie für den Fahrbetrieb.
Mehr Zellen innerhalb der Stapel erhöhen die Spannung - eine größere Oberfläche der Zellen erhöht
den Strom.
Die Größe des Tanks bestimmt die Reichweite. Die Größe der Brennstoffzelle dagegen bestimmt die
Leistung.
Vorteile der Brennstoffzelle:
1. umweltschonend, keine Schadstoffemissionen
2. vibrationsfrei, keine bewegten Teile
3. leise, nur Gebläse, geräuscharm
4. effizient
5. modularer Aufbau
6. keine Schaltvorgänge
7. gutes Anfahr- und Lastwechselverhalten
8. Die Brennstoffzelle ist eine neuartige Technik, die noch ausbaufähig ist.
9. Die Brennstoffzelle besitzt eine hohe Akzeptanz in der Fachwelt und bei umweltbewußten Bürgern.
10. Aus dem Auspuff (Abluftkanal) kommt nur etwa 55°C warmer Wasserdampf.
11. In Kombination mit einer nachgeschalteten Dampfturbine erreicht eine BSZ einen Wirkungsgrad
von 65% - Kohlekraftwerke schaffen 40%.
12. hervorragendes Teillastverhalten: nahezu keine Wirkungsgradeinbußen bei Betrieb zwischen 50%
und 100%. Sie arbeitet nur, wenn der Strom tatsächlich benötigt wird.
Wagt man den Vergleich mit anderen Antriebsarten (ausführlicher in Kap. 10), so ergibt sich folgendes
Bild (s. Abb. 14).
Abb. 14
Quelle: Bossel, U., Delfanti, S., u.a., Brennstoffzelle - Bedeutung für die Schweiz, BrennstoffzellenFörderkreis, Januar 1998, S. 3
Bei allen herkömmlichen thermischen Stromerzeugern wird der Brennstoff zwar mit gutem
Wirkungsgrad verbrannt, aber die Umsetzung der dabei erzeugten Wärme in hochwertige
mechanische Energie ist natürlichen Grenzen unterworfen. Je heißer der Prozeß ist, desto höher liegt
der Wirkungsgrad (Carnot´scher Wirkungsgrad).
Aufgrund der physikalischen Grenzen erreichen die mit Brennstoffzellen vergleichbaren kleineren
Stromerzeuger nur Wirkungsgrade um 25 - 30%. Kleine Brennstoffzellen besitzen jedoch
Wirkungsgrade, die erst für große Kombi-Kraftwerke typisch sind. Für Brennstoffzellen hat das
Carnot´sche Gesetz keine Gültigkeit. Sie arbeiten nach dem "Nernst Prinzip" und erlauben wesentlich
höhere Wirkungsgrade. Zwar gibt es auch hier Grenzen, diese bieten jedoch einen wesentlich
größeren Spielraum für die Optimierung einer Anlage. Bei den heute angebotenen BrennstoffzellenAnlagen werden die Zellenstapel in der Regel für 50% Wirkungsgrad ausgelegt, was nach Abzug des
elektrischen Eigenverbrauchs Gesamtwirkungsgrade von etwa 40% ergibt. Speziell bei Teillast liegt
dieser noch erheblich höher.
Verbrennungskraftmaschine:
elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle ist dagegen mehr kontrollierbar.
-Prozeß und kann theoretisch einen 1,5mal so hohen Wirkungsgrad erreichen wie herkömmliche Verbrennungskraftmotoren.
Elektrofahrzeuge:
Brennstoffzelle so lange, wie Wasserstoff vorhanden ist. Das Wiederbefüllen der Tanks dauert nur
einige Minuten (3 min). Zum Teil geschieht dies auch einfach nur durch Auswechslung einer
Wasserstoffpatrone.
Selbstentladung auf, und die Flexibilität bezüglich der Leistung und der Kapazität ist höher.
Über den Erfolg eines Brennstoffzellenfahrzeugs wird nicht "die Brennstoffzelle" - gleichgültig welchen
Herstellers - entscheiden, sondern das Zusammenwirken einer großen Zahl von Komponenten. Das
Gewicht, das Volumen und die Kosten des Brennstoffzellenstapels sind Schlüsselgrössen für die
Wettbewerbsfähigkeit des Gesamtkonzepts.
Mit einem zusätzlichen Elektroantrieb besteht die Möglichkeit, Bremsenergie mit Hilfe von
Hochleistungsbatterien oder Superkondensatoren zurückzugewinnen. Damit wäre ein
Wirkungsgradgewinn in der Größenordnung von gegen 20% - je nach Fahrzyklus - realisierbar. Es
könnte dann die Energie eines Bremsvorganges vollständig aufgenommen und zum Anfahren oder
Beschleunigen wieder zur Verfügung gestellt werden.
Um den Superkondensator im Zusammenspiel mit der Brennstoffzelle und dem Elektromotor
erfolgreich einzusetzen, ist noch die dementsprechende Leistungselektronik notwendig.
Typische Anforderungen, die an eine Brennstoffzelle gestellt werden, sind für mobile Anwendungen
5000 Gesamtbetriebsstunden und für stationäre, dezentrale Energiesysteme >40.000
Betriebsstunden.
Um die Entwicklung speziell in diesem Bereich zu veranschaulichen, nehme man die Größe bzw. die
volumenspezifische Leistungsdichte der unterschiedlichen Generationen von Stacks:
l.
werden.
Angewandte Technik
Im Januar 1998 hat General Motors (GM) auf der Detroiter Autoschau eine Fahrzeugfamilie mit
alternativen Antrieben auf der Basis des Elektrofahrzeugs EV1 vorgestellt. Dazu gehörte u.a. ein
Brennstoffzellen-Antriebssystem für ein Brennstoffzellenauto. Für 1999 hofft GM die Testphase für das
Fahrzeug beenden zu können, um es 2004 produktionsreif präsentieren zu können.
Der vorgestellte Brennstoffzellen-Hybridantrieb wird mit Methanol, das an Bord des Fahrzeugs in
Wasserstoff reformiert wird, angetrieben. Der Drehstrommotor verfügt über eine Leistung von 101
kW/137 PS und ist mit einem GM ATV Gen II-Modul (Antriebselektronik) ausgestattet. Die 44 in Reihe
geschalteten NiMH-Batteriemodule dienen als Leistungsreserve und als Speicher für die elektrische
Energie aus der Bremsanlage.
Der EV1 verfügt über eine Reichweite von 450 km bei einem Verbrauch von 3 l Benzinäquivalent auf
100 km. Die Karosserie besteht aus einer Leichtbaustruktur mit einer ausgefeilten Aerodynamik und
einer energierückgewinnenden Bremsanlage. Damit ist eine Höchstgeschwindigkeit von 130 km/h
möglich. [Opel, 1998]
Abb. 15: Der EV1 mit Brennstoffzelle von Opel
Quelle: General Motors
Ähnlich dem EV1 wird auch beim NECAR 3 von Daimler-Benz Methanol als Energieträger genutzt. Da
diese Variante auf Methanol mit nachgeschaltetem Reformer basiert, soll an dieser Stelle darauf nicht
weiter eingegangen werden.
Renault präsentierte ein Brennstoffzellenfahrzeug (FEVER), bei dem kein Methanol für den Antrieb
verwendet wird, sondern nur Wasserstoff. Bei einer Reichweite des Tankinhalts von 500 km und einer
Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h kann der FEVER einen vergleichbaren Reisekomfort wie
herkömmlich angetriebene Autos bieten.
Die elektrische Leistung der Brennstoffzelle beträgt 30 kW bei 90 Volt Gleichstrom, die
Leistungsdichte liegt bei 130 W/l. Ein Stromrichter wandelt diese 90 Volt zu einem Strom mit einer
Spannung von 250 Volt um. Dieser Strom versorgt einen synchronen Elektromotor, dessen
Wirkungsgrad 92% beträgt. Das System verfügt über eine kurze Reaktionszeit. Bei entsprechender
Betätigung des Gaspedals beschleunigt der Renault ohne jegliche Verzögerung. Auch beim Start gibt
es keine langen Wartezeiten. Nach fünf bis zehn Minuten Vorwärmzeit hat die Brennstoffzelle ihre
normale Arbeitstemperatur erreicht.
Eine wiederaufladbare Batterie nimmt die Bremsenergie sowie andere überschüssige Energie auf. Sie
dient dem Anlassen und hält Energie für zusätzlichen Bedarf bei starken Beschleunigungen zur
Verfügung. Ein elektronisches Steuersystem lenkt die Stromerzeugung und ist unter anderem für die
Speicherung der Bremsenergie in den Batterien verantwortlich. Die Elektronik kontrolliert und
gewährleistet den reibungslosen Ablauf sowie die Sicherheit des Benutzers. Der Wartungsbedarf bei
diesem Fahrzeug ist fast gleich null, da die Anzahl der Teile, die in Bewegung sind, gering ist.
Der Wasserstoff wird in flüssiger Form mitgeführt und erst unterwegs in Gas umgewandelt. Das hat
gewisse Vorteile gegenüber der Lagerung des Wasserstoffs in Gasform: Gasförmiger Wasserstoff
erfordert einen Druck von 700 bar, brächte daher mehr Gewicht und benötigte mehr Platz. Bei
Lagerung von flüssigem Wasserstoff kann daher eine größere "Sprit"-Reserve mitgeführt werden.
Gespeichert wird er in einem Tiefsttemperaturtank bei 253°C, der durch seine Konstruktion den Inhalt
vor Temperaturschwankungen schützt. Da Wasserstoff in flüssiger Form nur 70 Gramm pro Liter
wiegt, beträgt das Gewicht des Tankinhalts mit seinen 120 Litern acht Kilogramm. Die Reichweite ist
vergleichbar mit der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.
Bisher kostet flüssiger Wasserstoff ungefähr 1,- DM pro Liter. Ein Mittelklassewagen würde ungefähr
24 Liter auf 100 km verbrauchen, was für diese Strecke Spritkosten von 24,- DM bedeutet und damit
die Ausgaben bei herkömmlichen Wagen im Augenblick noch übersteigt.
[Renault, 1998]
7.2. PEM
PEMFC = Proton Exchange Membran = Polymer-Elektrolyt-Membran Fuel Cell; arbeitet bei 20-100°C
und weniger als 1,5 bar.
Unter den verschiedenen Typen (s. Tab. 7) werden am ehesten der PEM-NiedertemperaturBrennstoffzelle Aussichten auf den Einsatz in Personenfahrzeugen eingeräumt. Eine dünne
Polymerfolie als Festelektrolyt bildet ihr zentrales Element. Dies ist eine hauchdünne, gerade mal 50
bis 200 Mikrometer dicke Folie des Spezialkunststoffs Nafion®. Dieser wiederum zeichnet sich durch
eine besondere Leitfähigkeit für die Ladungsträger, die positiv geladenen Kerne des
Wasserstoffatoms, aus. Heutige PEM-Brennstoffzellen erreichen eine Leistungsdichte bis zu einem
Watt pro Quadratzentimeter Membranfläche.
Keine Brennstoffzelle kann Methanol direkt als Treibstoff nutzen. Alle benötigen molekularen
Wasserstoff. H2 muß also entweder mitgeführt werden oder aus Methanol durch einen
Reformierungsprozeß hergestellt werden. Dabei entsteht u.a. CO2 und CO (Kohlenmonoxid in einem
Anteil von etwa 2%). Weniger als ein Tausendstel dieser Menge ist für den Platinkatalysator der
Brennstoffzelle schon ein starkes Gift. Die Toleranzgrenze liegt derzeit bei etwa zehn CO-Teilchen pro
einer Million Katalysator-Teilchen. Die Empfindlichkeit von PEM gegen CO beruht auf der Blockierung
der Platinbelegung der Anode, wodurch die Umsetzungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs und somit
die Zellspannung sinkt. Das hat wiederum zur Folge, daß der elektrische Wirkungsgrad der
Brennstoffzelle sinkt.
Durch Legieren von Platin (Pt) mit Ruthenium (Ru) kann die CO-Verträglichkeit von PEMBrennstoffzellen verbessert werden. Durch Ru-Zusatz von 40 - 60% wurden bis heute ca. 100 ppm
erreicht. Mit reinem Platin beschichtete Anoden hingegen vertragen nur 10 ppm CO.
[Iwase, 1995]
Das Gewicht, die Größe und die Kosten des Brennstoffzellenaggregates sind zur Leistungsdichte der
Membran umgekehrt proportional. In praktisch allen auf dem Markt befindlichen Brennstoffzellen wird
diese kommerziell erhältliche Nafion-Membran eingesetzt. Die Herstellung dieses perfluorierten
Polymers bedingt seinen relativ hohen Preis.
Bei Siemens sollen Experimente ergeben haben, daß die Belegung der Membran mit dem teuren
Platin als Katalysator von derzeit ca. 4 mg/m2 auf unter 0,15 mg/m2 reduziert werden kann, ohne die
elektrochemischen Eigenschaften zu verschlechtern.
Bei den PEM-Brennstoffzellenantrieben herrschen prinzipiell zwei Antriebsvarianten vor: einerseits der
direkte elektrische Antrieb mittels Inverter auf den elektrischen Antriebsmotor, andererseits der
Hybridantrieb mittels Inverter als Grundlastabdeckung direkt auf den elektrischen Antrieb sowie in
Schwachlastphase Aufladung eines Energie- oder Leistungsspeichers und dessen parallele Kopplung
an den elektrischen Antrieb in Phasen der Spitzenlastabdeckung.
Wie die Prototypen von Daimler-Benz zeigen, sind aus Gründen des dynamischen Betriebsverhaltens
Hybridkonzepte nicht erforderlich, möglicherweise aber für eine Übergangszeit aus Kostengründen
gegenwärtig eine sinnvolle Arbeitsalternative. Die meisten Hybridkonzepte arbeiten mit Batterien als
Energiespeicher.
PEM-Brennstoffzellen können bei Umgebungstemperatur direkt angefahren werden (Kaltstart). Die
Nennbetriebstemperatur wird nach kurzer Zeit erreicht, da die Verlustwärme das System in
Abhängigkeit von der Belastung aufheizt. Wird der Laststrom geändert, so folgt die
Brennstoffzellenspannung sehr rasch (typischerweise 0,1 sec) der Laständerung. Aufgrund dieses
Lastwechselverhaltens und der Zunahme des Wirkungsgrades im Teillastbetrieb sind
Niedertemperaturbrennstoffzellensysteme in besonderem Maße für intermittierenden Lastbetrieb
geeignet.
Vorteile der PEM:
Wartungsaufwand und schnellen Kaltstart.
Pkws (< 2,5 l/kW).
hres inneren Aufbaus läßt sich die PEM sehr einfach modular von einigen Watt bis zu
mehreren 10 kW aufbauen.
Nachteile:
konnte der Platinanteil jedoch auf einen Wert weit unter 4,0 mg/cm2 gesenkt werden (< 0,2 mg/cm2).
[Carpetis 1997]
Tab. 7: verschiedene Typen von Brennstoffzellen
Quelle: Bongartz, W., Stand der Technologie von Brennstoffzellen zu Antrieb von Kraftfahrzeugen,
Aachen, (1996), S. 5-25
Reformer
Die Herstellung von Wasserstoff durch Reformierung ist ein Kernthema der
Brennstoffzellentechnologie. Allen Reformierungsprozessen ist gemein, daß das resultierende Gas
zuviel Kohlenmonoxid enthält, das die Leistung der Brennstoffzelle verringert. Die Platinkatalysatoren
heutiger Brennstoffzellen vertragen nur 10-20 ppm CO im Anodenbrenngas. Die verschiedenen
Reformierprozesse führen jedoch zu einem CO-Gehalt von 0,1-0,2%. Eine Feinreinigung ist daher
unabdingbar.
Funktionsweise:
Die erste Verfahrensstufe, der Reformierreaktor, erzeugt durch Umsetzung von Erdgas und Dampf bei
Temperaturen zwischen 700 und 900°C ein wasserstoffreiches Gasgemisch. Dieses Gemisch enthält
noch einen hohen Anteil an Kohlenmonoxid, das zusammen mit Wasserdampf in zwei
nachgeschalteten katalytischen Konvertern (Shift-Reaktoren) in Kohlendioxid überführt wird. Dabei
entsteht weiterer Wasserstoff. Die Gasreinigungsstufe entfernt schließlich das in der
Konvertierungseinheit nicht umgesetzte CO - etwa 0,5Vol.% - bis auf einen geringen Rest-anteil von
10 ppm und gewährleistet so die für die Membran-Brennstoffzelle erforderliche Brenngasqualität.
Der Reformierreaktor kann nach zwei Prinzipien arbeiten:
Atmosphärendruck, kann aber auch unter Drücken bis zu 6 bar arbeiten.
ide
erzeugt, da er mit Umgebungsluft arbeitet. Dafür kann er Lastwechseln schneller folgen als der
Dampfreformer.
[Schaumberg, 1997]
7.3. Kosten
Innerhalb der letzten zehn Jahre wurden die Kosten für Brennstoffzellen um den Faktor zehn
reduziert. Aber immer noch ist der Preis zehnmal zu hoch.
Preis allein für die Brennstoffzelle:
-$30/kW
Preis für ein Brennstoffzellenauto:
Die Firma Magnet Motor produziert Brennstoffzellen für den Pkw-Einsatz (1998):
rialpreis weniger als 200,-DM/kW in Serie
Nach Angaben von Ballard ergeben stationäre Kraftwerke mit hohem Wirkungsgrad und langer
Lebensdauer (mehr als 40.000 Stunden) Kosten von $1000 bis $2000 pro Kilowatt bei
Massenanfertigung.
Mobile Brennstoffzellensysteme mit hoher Energiedichte, geringem Volumen, geringem Gewicht bei
geringerer Lebensdauer (5.000 bis 20.000 Stunden) ergeben geringere Kosten von $50 bis $200 pro
Kilowatt bei Massenanfertigung.
Die kanadische Firma baut einen Prototypen für die Universität Georgetown mit einem "onboard"Reformer, um Methanol in Wasserstoff zu spalten. Dieser Prototyp soll 1999 fertig sein und in den
Jahren 2001-02 auf den Markt kommen. Die Kosten für diesen Typ werden sich voraussichtlich auf ca.
$55.000 belaufen, bis zum Jahr 2005 abnehmend auf $12.000; vergleichsweise kostet eine
Dieselmaschine $14.000.
Ein Bus (275 HP) für 65-75 Personen mit einer Reichweite von 550 km wird 1999 auf dem Markt
erwartet. Die Kosten für den Motor werden sich voraussichtlich auf $240.000 belaufen, günstiger
werdend bis zum Jahr 2005 auf $30.000. Der gesamte Fahrzeugpreis wird geschätzt auf $550.000
($300.000 im Jahr 2005). Zum Vergleich kosten herkömmliche Dieselbusse $225.000, Erdgasbusse
$300.000 und Elektrobusse (Oberleiter) alles in allem $600.000.
Bei den Autos liegt der Bedarf insgesamt bei 30 Mio. jährlich. Ballard plant gemeinsam mit DaimlerBenz einen Methanol-Pkw mit 50 kW (70 HP). Der Prototyp könnte 2000 fertig sein. Der Verkauf
könnte 2003-2004 beginnen. Der Preis für den Motor beträgt zur Zeit noch $10.625; verbilligt sich bis
zum Jahr 2005 auf $3.375.
Zum Vergleich: Ein Verbrennungsmotor kostet $3.000-4.000. [Hoppe, 1997]
Tab. 8: Geschätzte Kostenentwicklung in US-Dollar pro Kilowatt und geschätzte Entwicklung der
Gesamtleistung in Megawatt
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
Auto: $/kW
65 45 32 29 26
Bus: $/kW 500 400 200 150 120 100 65 45 40 35
Ges.leist. MW - 1 3 8 36 150 2310 6150 11700 20500
[Hoppe, 1997]
Die Stacks tragen 40% der Gesamtkosten für die Brennstoffzelleneinheit. Um z.B. die Kosten für den
Platin-Katalyten zu verringern, muß die Platinmenge minimiert werden, die auf den Katalyten
aufgebracht werden muß. Bis jetzt wurde diese Zahl bereits um 90% verringert, kann aber noch weiter
heruntergeschraubt werden.
Indem andere Herstellungsverfahren für die Platten (bzw. die Kanäle in den Platten) gefunden werden
- wie z.B. Pressen unter Wärmezufuhr - könnten diese Kosten um 98% reduziert werden. [Hoppe,
1997]
Tab. 9: Geschätzte Kosten pro Kilowatt der einzelnen Brennstoffzellen-Komponenten in US $ / kW
1999 / 2010
Platin-Katalysator 65 / 6
Polymer-Membran 70 / 10
Platten 80 / 2
Sonstiges 15 / 2
Gesamt 230 / 20
[Hoppe, 1997]
Zur Zeit sind Brennstoffzellen für den Gebrauch in Fahrzeugen noch 10mal oder 15mal zu teuer, um
konkurrenzfähig zu sein.
8.1. Speicherung
Im Zuge der Entwicklung der Wasserstofftechnologie gab es immer wieder Bedenken und
Schwierigkeiten mit der Speicherung von Wasserstoff. Diesen Aspekt gilt es genauer zu betrachten,
da es hierbei zum einen um den Entwicklungsstand heutiger Gas- und Flüssigkeitstanks geht und zum
anderen um die technischen Möglichkeiten bei der Betankung mit tiefkalten oder hochkomprimierten
Stoffen.
Damit man Wasserstoff als Energieträger, besonders als Treibstoff für Fahrzeuge, einsetzen kann,
muß man ihn wirksam (d.h. mit möglichst hoher Dichte) und sicher (d.h. unter möglichst geringem
Überdruck) im Tank speichern können.
Es sind dazu bis heute vier Speichermöglichkeiten bekannt. Eine davon ist die Bindung an eine
Metallegierung.
a) Metallhydrid:
Diese Legierungen können große Mengen Wasserstoff sozusagen wie ein Schwamm "aufsaugen" und
so speichern und wieder abgeben. Der Wasserstoff kann in einer noch höheren Dichte als im flüssigen
Zustand gespeichert werden. Solche Verbindungen werden Metallhydride genannt (oder MetallWasserstoff-Legierungen oder Wasserstoffschwämme). Der Wasserstoff läßt sich, trotz der hohen
Speicherdichte im Metallhydrid, unter niedrigem Druck beladen und entnehmen. Diese Variante ist
wegen der geringen Drücke und der Bindung von Wasserstoff die sicherste.
[Schlapbach, 1998]
Vor- und Nachteile:
+ im Vergleich zu Druckgasflaschen und Kryospeichern für flüssigen Wasserstoff sichere,
kompakte Speichermethode
+ der desorbierte Wasserstoff ist ultrarein
+ kompakte Bauweise
+ niedrige Drücke
- schwere Speicher, enthalten nur wenige Gew.% Wasserstoff
- geringe Reichweite
- lange Betankungszeit
1984 bis 1988 gab es Versuche in Berlin, die die grundsätzliche Alltagstauglichkeit des
Wasserstoffantriebs mit Metallhydrid-Speicher und äußerer Gemischbildung erwiesen. [Weber, 1988]
Zehn Jahre später hat sich die Situation leicht verändert. Mittlerweile gab es häufige Meldungen von
neuen Superlegierungen, die eine vielfach höhere Speicherkapazität aufweisen sollten. Es gibt zwar
neue bessere Metallhydride, schlüssige Konzepte jedoch noch nicht, so daß der Durchbruch noch auf
sich warten läßt.
b) MTH:
Diese Buchstaben MTH sind abgeleitet von Methylzyklohexan, dem Stoff, der letzten Endes als
Kraftstoff für diese Alternative zur Verfügung stehen sollte. Die Vorgehensweise dieses Verfahrens
sieht folgendermaßen aus:
1. Schritt: Bindung:
Wasserstoff wird chemisch an den Benzinzusatz Toluol gebunden. Dabei entstehen aus 1kg
Wasserstoff und 15 kg Toluol 16 kg der Flüssigkeit Methylzyklohexan.
2. Schritt: Dehydrierung:
Methylzyklohexan wird mittels eines Katalysators wieder in Toluol und Wasserstoff zerlegt, und zwar
an dem Ort, wo der Wasserstoff gebraucht wird.
3. Schritt: Wiederbeladung:
Das übriggebliebene Toluol wird mit neuem Wasserstoff beladen.
Abgesehen von dem Versuch ist jedoch auch diese Methode keine wirkliche Alternative.
An dieser Stelle sollen die zwei verbleibenden Varianten besprochen werden. Dabei handelt es sich
um die Speicherung von
c) gasförmigem
oder von
d) flüssigem Wasserstoff
in extra dafür entwickelten Tanks. Fahrzeugtanks sind hohen Belastungen ausgesetzt. Zum einen
müssen sie Schwingungen und Erschütterungen sowie zum Teil starke Temperaturunterschiede
ertragen. Zum anderen müssen sie im Falle eines Unfalls enorme Kräfte aushalten und sollten keinen
Kraftstoff entweichen lassen.
Seit Jahren wird zu bedenken gegeben, daß Wasserstoff sich nicht als Kraftstoff für Fahrzeuge eignen
würde, weil gerade dieses Tankproblem noch nicht zufriedenstellend gelöst sei. In den letzten Jahren
hat sich jedoch speziell in diesem Bereich viel getan. Es gibt mittlerweile Konzepte, wie ein
Wasserstofftank aufgebaut sein sollte. Es gibt Materialien, die auch bei starker Belastung standhalten.
Und das Brenn- bzw. Explosionsverhalten von Wasserstoff ist genauer analysiert worden. Vorab läßt
sich deswegen schon sagen, daß es das Tankproblem, wie es viel diskutiert wird, nicht mehr gibt.
Kleinere stationäre Speicher werden ausnahmslos als Übertage-Druckgasspeicher ausgeführt. Im
industriellen Bereich hat sich bereits eine Typenstandardisierung ergeben. So werden z.B.
zylindrische Druckspeicher mit einem max. Betriebsüberdruck von 5 MPa mit einem Durchmesser von
2,8 m mit einem maximalen Inhalt bei 4,5 MPa von 1305 Nm3 bis 4500 Nm3 angeboten. Inklusive
Speicher werden damit spezifische Speichergewichte und -volumina von 0,24 - 0,31 kWh/kg und
0,135 kWh/l erreicht. Daneben können auch kleine Flaschenspeicher stationär genutzt werden, falls
die erforderlichen Volumina ausreichend sind.
In den letzten Jahren wurden vor dem Hintergrund der Einführung erdgasbetriebener Fahrzeuge
kompakte mobile Druckgastanks entwickelt. In der Regel sind diese bis zu einem Fülldruck von 20
MPa zugelassen. Aufgrund der Gewichtsvorteile im mobilen Bereich wurde in den letzten Jahren die
Stahlflasche durch Composite-Tanks ergänzt. Die Speichergrößen reichen hier von 50 l bis 392l.
Die geringsten Speicherdichten um 0,5 kWh/kg werden mit Stahlflaschen bei 20 MPa erreicht. Die
höchsten Speicherdichten erreichen leichte Vollverbundflaschen, die bis zu einem Betriebsdruck von
24,8 MPa in Deutschland zugelassen sind.
Die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in kleineren Stand- bzw. Transportbehältern bis zu etwa
100 l ist heute in ähnlicher Weise Stand der Technik wie bei flüssigem Helium. Größere Behälter
werden zum Teil auch in Perlit-Vakuumisolierung ausgeführt, während kleinere Speicher stets mit
Superisolierung und kontinuierlicher Abgaskühlung versehen sind. Vakuumsuperisolierte Tanks
erreichen Abdampfraten von 0,4 % pro Tag, große Tanks mit Vakuumpulverisolierung haben je nach
Geometrie Verluste von 1 - 2 % pro Tag.
Übliche Standtanks reichen von etwa 1.500 l Inhalt (ca. 1.100 Nm3) bis 75.000 l (ca. 60.000 Nm3).
Heutige Fahrzeugtanks fassen bis zu 140 l flüssigen Wasserstoff (LH3), diese wiegen um die 60-70
kg, bei einem Druck von maximal 5 bar. Dies entspricht in etwa einem Energieäquivalent von 40 l
Benzin. Damit ist heute ungefähr eine Reichweite von 400 km möglich.
Zylindrische Wasserstoffspeicher für Pkw haben eine doppelte Außenwand. In die rund 3 cm dicke
Hochvakuum-Isolation zwischen diesen Wänden sind bis zu 70 Lagen Aluminiumfolie im Wechsel mit
Glasfibermatten eingelegt. Von der Wärmedämmung her betrachtet entspricht dies einem 4 m dicken
Styropor-Isolationsmantel. Es treten Verdampfungsverluste auf, so daß die Temperatur im Tank um
maximal 1°C pro Tag steigt - bei großen Tanks noch weniger.
An dieser Stelle soll beispielhaft (s. Abb. 16) der Tank des MAN-Busses analysiert werden, der am
Flughafen München seine Anwendung findet.
Abb. 16: schematische Darstellung des Wasserstoff-Tank-Systems
Quelle: Knorr, H., Rüdiger, H., The MAN Hydrogen Propulsion System for City Buses, MAN, Linde,
1996, Nürnberg
Jeder der drei Tanks ist mit einem Thermometer versehen und mit einer Füllstandanzeige, die die
Überwachung bei der Befüllung und bei Betrieb gestattet. Bevor der Wasserstoff zum Motor gelangt,
wird er über Wärmetauscher erwärmt, die ihre Energie aus dem Kühlwasserkreislauf beziehen. Steigt
der Druck in den Tanks auf über 3,8 bar, wird gasförmiger Wasserstoff abgelassen, um den Druck zu
verringern. Unter 3,0 bar wird flüssiger Wasserstoff verdampft.
Für die Druckmessung ist ein Drucksensor im Tanksystem untergebracht. Das Überwachungssystem
für die Tanks mit der dazugehörigen Regelungstechnik erlaubt u.a. eine gleichmäßige Entleerung aller
drei Tanks. Sollte Tank 1 nahezu leer sein, wird er aus Tank 2 und 3 wieder aufgefüllt, so daß alle drei
Tanks gleichmäßig entleert werden.
Das zum Tanksystem gehörende Leitungssystem wird ebenfalls mit Sensoren überwacht, so daß
Leckagen erkannt werden können. Ausweichendes Gas wird über Entlüftungsleitungen über das Dach
abgeleitet.
Beim Transport gilt es zwei Möglichkeiten zu unterscheiden. Die erste wäre der Transport von
gasförmigem Wasserstoff. Druckwasserstoff wird heute entweder in mobilen Drucktanks per Lkw oder
Eisenbahn vom Produzenten zum Verbraucher geliefert oder über ein Pipelineverteilnetz, an welches
mehrere Produzenten und Verbraucher angeschlossen sind. Der Straßentransport erfolgt per Lkw in
Stahlflaschen bei 20 MPa mit einem Volumen von etwa 2400 - 3600 Nm3 pro Fahrzeug.
Die zweite Möglichkeit ist der Transport von flüssigem Wasserstoff. Flüssigwasserstoff wird heute vor
allem in kleinen Mengen gehandelt. Hier erfolgt der Straßentransport in Lastwagen mit etwa 5000 l
Inhalt. Die Belieferung erfolgt je nach Abnahmemenge entweder in vakuumisolierten Flaschen oder
durch Betankung eines Standtanks.
Der interkontinentale Wasserstofftransport per Schiff wird als Flüssigwasserstoff erfolgen. Heute
werden hierfür große Schiffe mit entsprechenden Tank- und Hafenanlagen entworfen. Eine
Realisierung wird jedoch so lange unterbleiben, bis der Handel mit Wasserstoff entsprechende
Ausmaße annehmen wird.
Als bereits heute marktfähige Variante wird derzeit von Hydro-Québec der Transport in 40 Zoll
Flüssigwasserstoffcontainern vorbereitet. Da die Wasserstofferzeugung und -verflüssigung in Québec
aufgrund der geringen Stromkosten der Wasserkraftwerke besonders günstig ist, könnte damit
innerhalb der kommenden zwei Jahre sehr kostengünstiger Wasserstoff verfügbar sein.
Sowohl bei stationären als auch bei mobilen Wasserstofftanks ist es unerläßlich, Undichtigkeiten zu
vermeiden. Die Systemkomponenten müssen also absolut dicht ausgelegt sein und über ihre ganzen
Lebensdauer und unter den definierten Umgebungsbedingungen zuverlässig funktionieren. Ferner
empfiehlt es sich, die Zahl der potentiell möglichen Leckstellen, wie Rohrverbindungen,
Evakuierungsventile, Abblasventile und sonstige Komponentenverbindungen so klein wie möglich zu
halten. Aus der Flüssigphase verdampfte Wasserstoffmengen müssen über definierte Wege so sicher
wie möglich an die freie Umgebungsluft abgegeben werden können.
Die wasserstofführenden oder -speichernden Komponenten müssen so angeordnet werden, daß sie
so weit wie möglich außerhalb der Gefahrenzonen liegen und vor Unfalleinwirkungen weitestgehend
geschützt sind. Sie müssen so installiert werden, daß im Falle einer Unfalleinwirkung das Abbrechen
oder die Lockerung wasserstofführender Leitungen oder Komponenten vermieden wird (z.B. durch
flexible Tankanschlüsse in Fahrzeugen bzw. in Betankungseinrichtungen).
Sollten dennoch Defekte auftreten, die zur Freisetzung von Wasserstoff führen können, so muß dieses
Wasserstoffgas durch ein Sensorensystem entdeckt werden können (z.B. Messung von
Druckverlusten, Messung von Verlusten der Isolationswirkung von LH2-Speichern, Identifizierung von
freigesetztem Gas). Diese Maßnahmen sollen genügend Zeit für eventuelle Gegenmaßnahmen
verfügbar machen.
Für den Fall kryogener Flüssigwasserstoffspeicherung in Fahrzeugtanks führte BMW an
unterschiedlich präparierten Kraftstofftanks umfangreiche Versuchsreihen durch. Dabei wurden
unterschiedliche Materialien und Wandstärken des Innenbehälters getestet sowie Vakuumverlust im
Isolationsspalt und Versagen der Sicherheitsventile. Als mögliche Einwirkung auf die Tanks wurde
angenommen:
Die gesammelten Resultate sollten zu Erkenntnissen darüber führen, welche Konsequenzen ein
Tankversagen haben würde, welche Parameter die Tankzerstörung beeinflussen und damit
berücksichtigt werden müssen bzw. wie ihre Auswirkungen bewertet werden müssen.
Im Falle eines Druckaufbaus durch Versagen der Isolation oder durch Feuereinwirkung von außen
muß sichergestellt sein, daß die Sicherheitsventile für einen ausreichenden Durchfluß ausgelegt sind.
Ferner muß ein Konzept vorliegen, wie größere Wasserstoffgasmengen sicher freigesetzt und
abgeführt werden können.
Wichtigstes Ergebnis dieser Test war, daß die Kryokraftstofftanks mit Stahl- oder AluminiumInnenbehältern und Stahl-Außenbehältern bereits heute die gestellten Sicherheitsanforderungen
erfüllen. Ein wesentlicher Punkt ist in diesem Zusammenhang die durch den TÜV festgestellte
Sicherheit. Zu diesem Aspekt sagt der TÜV Bayern:
"Wasserstoff ist nicht so explosiv wie man vielleicht denkt"
Um diese Aussage glauben zu können, bedarf es einiger Informationen:
Pkws oder auf dem Dach von Bussen.
ermöglicht eine vorherbestimmte Sollbruchstelle den kontrollierten Druckabbau, so daß eine Explosion
verhindert werden kann.
Temperaturen sind dabei durchgehend über 900 °C auf fast der gesamten Tankoberfläche. Der
Wasserstoff entweicht dabei durch die Sicherheitsventile - langsam und fast unbemerkt. Es gibt keine
Explosion oder eine unkontrollierte Freigabe von Wasserstoff. Die Tanks zeigen eher ein gutartiges
Verhalten.
nden werden Tanks mechanisch verformt, ohne daß es zu
einer Explosion kommt.
Belastungen standhält.
ng von Wasserstoff, sondern mit der
Verschmelzung von Atomkernen.
Das Challenger-Unglück entstand nicht durch den Wasserstoff, sondern durch eine defekte
Raketeneinheit mit festem Brennstoff.
9. Betankung:
Die im folgenden geschilderte Tankprozedur entspricht dem technischen Standard von 1992. Damit
gibt sie nicht den heutigen Stand wieder, zeigt aber sehr deutlich alle notwendigen Schritte und zu
berücksichtigenden Punkte.
Das Umfüllen von flüssigem Wasserstoff vom Standtank in den Fahrzeugtank erfolgt durch Überdruck
im Standtank. Mittels eines am Standtank montierten Druckaufbau-Verdampfers können vor der
Betankung maximal 4 bar Überdruck eingestellt werden. Hinter dem Absperrventil wird der benötigte
Wasserstoff über ein vakuumisoliertes Leitungssystem und einen ebenfalls vakuumisolierten flexiblen
Metall-Wellschlauch zum Fahrzeugtank geleitet.
Die Schnittstelle ist eine Johnston-Cox-LH2-Kupplung. Hierbei handelt es sich um ein
vakuumisoliertes Rohrstück, das in ein konzentrisches, ebenfalls vakuumisoliertes Gegenstück
eingeführt und mit diesem verschraubt wird. Da beim Abkühlen des Leistungssystems auf
Temperaturen von -253°C und beim Füllen des Fahrzeugtanks LH2 verdampft, muß eine weitere
Schlauchverbindung zum Ableiten dieses GH2-Abgases (gasious hydrogen) vorgesehen werden. Da
das GH2-Abgas aber annähernd LH2-Temperatur erreicht, ist die Abgasleitung ebenfalls
vakuumisoliert. Dies geschieht zur Vermeidung der an den kalten Leitungsoberflächen ansonsten
stattfindenden Luftkondensation und der Verletzungsgefahr.
Hinter dem Abgasanwärmer (Umgebungsluft-Wärmetauscher) wird der auf annähernd
Umgebungstemperatur angewärmte GH2-Abgasvolumenstrom durch ein Drosselventil geregelt.
Dadurch kann die LH2-Betankung von Versuchsfahrzeugen bei unterschiedlichen Druckdifferenzen
zwischen Standtank und Abgasleitung bzw. Fahrzeugtank untersucht werden. Der entspannte
gasförmige Wasserstoff wird anschließend über den Abgaskamin in die Atmosphäre abgegeben.
Sämtliche Leitungssysteme, die während der Betankung auf die Temperatur des LH2 abgekühlt
werden, müssen vor dem Ankuppeln des Fahrzeugs durch Evakuierung und Spülen gründlich von Luft
und eventuell eingedrungener Luftfeuchtigkeit befreit werden.
Zum Evakuieren wird eine auf das Leitungssystem abgestimmte Vakuumpumpe eingesetzt. Das
neben GH2 zum Spülen des Leitungssystems benötigte Helium wird über Gasflaschen zur Verfügung
gestellt. Um auch im Winter einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, wird die Vakuumpumpe
thermostatgeregelt beheizt. Außerdem wird nach der Befüllung des Fahrzeugs das zum Anwärmen
der Kupplung notwendige GH2 bei Bedarf in einem elektrischen Heizer erwärmt.
1997 waren die Kupplungselemente so weit modifiziert, daß die Verbindung bei
Umgebungstemperatur hergestellt werden kann, ohne daß die Kupplungsteile zeitintensiv gekühlt
bzw. wieder aufgewärmt werden müssen.
Der Start des Betankungsablaufs erfolgt nach Herstellen der mechanischen und elektrischen
Verbindungen vom Steuerpult der Bedienwarte aus. Die einzelnen Betankungsschritte könne sowohl
durch manuelles Schalten von Ventilen als auch automatisch über eine speicherprogrammierbare
Steuerung durchgeführt werden. Die in den jeweiligen Systemabschnitten herrschenden Drücke und
Temperaturen sowie Füllstand und die aktuellen Ventilstellungen werden am Steuerpult angezeigt und
mit einer separaten Meßwerterfassung aufgezeichnet. Beim Überschreiten von Grenzwerten oder
Ansprechen der Gaswarnanlage wird die Betankung unterbrochen, und alle Ventile werden
geschossen.
Für das eigentlichen Betanken werden ca. 5 min benötigt. Evakuieren und Spülen des
Leitungssystems mit Helium und GH2 sowie das spätere Anwärmen der Kupplung erfordern etwa
knapp die Hälfte der kompletten Zeit.
- Ankuppeln: 1 min
- Evakuieren/Spülen: 5 min
- Abkühlen: 2 min
- Tanken: 5 min
- Anwärmen: 3 min
- Inertisieren/Abkuppeln: 2 min
gesamt: 18 min
Mittlerweile hat sich die Betankungszeit auf 3 min reduziert.
Wie in Abbildung 17 zu sehen ist, nimmt die Befüllrate mit abnehmender LH2-Siedetemperatur
deutlich zu. So kann der Fahrzeugtank bereits bei einer Verringerung der Siedetemperatur im
Standtank von 26 auf 24 K in weniger als der halben Zeit befüllt werden.
Wenn die Druckdifferenz zwischen Stand- und Fahrzeugtank zu groß wird (> 1,5 bar) und dadurch der
Druck im Fahrzeugtank unter den Siededruck sinkt, verdampft dort so viel Wasserstoff, bis der
Gleichgewichtszustand wieder erreicht wird. Die Befüllrate kann aus diesem Grund bei Erreichen des
Gleichgewichtssiededrucks nicht weiter erhöht werden. Vielmehr nehmen mit steigender
Druckdifferenz die Verdampfungsverluste zu.
Abb. 17
Quelle: Szyszka, A., Tachtler, J., Pkw-Betankung mit Flüssigwasserstoff, Bericht aus
Technik und Wissenschaft 68/1992, S. 37, Linde, München
Aus Abbildung 18 kann entnommen werden, daß die Verdampfungsverluste beim Befüllen des LH2Fahrzeugtanks reduziert werden können, wenn unterkühlter Flüssigwasserstoff aus dem Standtank
verwendet wird.
Abb. 18
Quelle: Szyszka, A., Tachtler, J., Pkw-Betankung mit Flüssigwasserstoff, Bericht aus Technik und
Wissenschaft 68/1992, S. 36, Linde, München
Im Leitungssystem tritt während des Betankungsvorgangs immer ein gewisser Druckabfall zwischen
Standtank und Fahrzeugtank auf. Wenn jedoch der Wasserstoff unterkühlt ist, kommt es erst zu einem
Ausgleich der Drücke, bis der Gleichgewichtszustand eingetreten ist. Erst dann kommt es zu einer
Verdampfung. Außerdem kann zu Beginn des Füllvorgangs die von den Wänden des durchströmten
Leitungssystems abgegebene Restwärme zunächst noch von der Flüssigkeit aufgenommen werden,
bevor die Siedetemperatur erreicht wird.
10. Vergleich
In welchem Maße all die bis jetzt beschriebenen Punkte überhaupt als positiv oder negativ angesehen
werden können, läßt sich z.T. intuitiv entscheiden. Einige Aspekte lassen sich jedoch erst richtig
einordnen, wenn man einen Vergleich anstellt. Am besten läßt sich Neues mit dem bisher Bekannten
vergleichen.
Bei den Kraftstoffen lassen sich z.B. die Vorteile von Wasserstoff und Mineralöl gegenüberstellen (s.
Tab. 10).
Tab. 10: Gegenüberstellung von Kraftstoffen
Wasserstoff als Treibstoff / Mineralöl (Benzin/Diesel)
fast vollständige Vermeidung von Emissionen / leichte Handhabung von Benzin und Diesel
Reaktion bei der Verbrennung nur zu Wasser / hohe Energiedichte
Gewinnung aus normalem Wasser / wirtschaftlich günstig
keine Abhängigkeit von endlichen, fossilen Energieträgern / bekannte, bewährte Technik
schafft neue Arbeitsplätze / umfassendes Tankstellennetz
Fahrzeugsysteme im Vergleich
Das elektrochemische Funktionsprinzip der Brennstoffzelle unterliegt im Vergleich zum
Verbrennungsmotor nicht dem Carnot-Wirkungsgrad, weshalb bereits heute bei nicht zu hohen
spezifischen Leistungen Wirkungsgrade bis ca. 60% (mit Wasserstoff) erreicht werden.
Elektroantriebe haben den Vorteil, daß ihre Wirkungsgrade bei tiefen Lasten hoch bleiben. Der
Wirkungsgrad der Brennstoffzelle nimmt bei Teillast sogar zu. Im neuen europäischen Fahrzyklus
kann mit einem Gesamtwirkungsgrad (inklusive Elektromotor und Getriebe) von rund 45%
(Elektroantrieb) gerechnet werden. Ein Verbrennungsmotor erreicht im Falle sehr fortschrittlicher
Technik ca. 25% (direkt einspritzender Dieselmotor mit Common-Rail-Einspritzung, inklusive Getriebe)
bei einem maximalen Wirkungsgrad des Motors von über 40%. Die erwähnten 45% bzw. 25% sind
jeweils ab Zapfsäule gemessen. Werden die vorgelagerten Prozesse (z.B. Herstellung von
Wasserstoff aus Erdgas inklusive Kompression, Produktion von Dieselöl aus Rohöl) mit berücksichtigt,
so sinken die Wirkungsgrade der gesamten Kette auf rund 30% respektive 20%. [PSI, 1998]
Anderen Angaben zufolge kann man von einem Systemwirkungsgrad bei flüssigem Wasserstoff
inklusive der Reformierung von ca. 40% ausgehen, wobei die Brennstoffzellen selbst bei 75% bis 80%
liegen.
Für den Vergleich verschiedener Treibstoffe sind auch deren Gewicht und Volumen relevant, da sie
die Ausmaße der Treibstofftanks bestimmen. Um das Äquivalent des Brennwertes von 30 kg (40 l)
Benzin mit zu führen, muß der Fahrer 60 kg (70 l) Methanol, 24 kg (ca. 110 l) Erdgas oder 10 kg (etwa
370 l) Wasserstoff tanken, wobei sich die zwei letztgenannten Werte auf komprimierte Gase bei 300
bar Druck beziehen.
[PSI, 1998]
Ballard ist es in den letzten Jahren gelungen, die Leistungskonzentration der mit Wasserstoff
betriebenen Brennstoffzelle zu erhöhen (1 kW/kg bzw. 2 kW/l ohne zugehörige Systeme; 0,15 kW/kg
im Stapel für Fahrzeuge). (s. Tab. 11)
Tab. 11: Vergleich verschiedener Autofabrikanten
BSZ Hersteller Fahrzeug Datum Kraftstoff Dichte Leistung
Ballard Daimler NECAR I 1994 Wg 180 W/l 50 kW
Ballard Daimler NECAR II 1996 Wg 1000 W/l 50 kW
Ballard Daimler NECAR III 1997 Mf 1000 W/l 50 kW
Toyota Toyota FCEV 1996 Wg 167 W/l 20 kW
Toyota Toyota FCEV 1997 Mf 193 W/l 25 kW
De Nora Renault FEVER 1997 Wf 130 W/l 30 kW
Quelle: Hoppe, A., Nesbitt Burns, High Tech Research, (1997), S. 10
Wg: Wasserstoff, gasförmig Wf: Wasserstoff, flüssig Mf: Methanol, flüssig
Antriebe im Vergleich
Daimler-Benz-Forscher haben versucht, verschiedene Antriebe miteinander zu vergleichen, indem sie
verschiedene Daten während des Fahrbetriebes und der Kraftstoffherstellung auf ein fiktives Fahrzeug
bezogen. Ein direkter Vergleich fällt wegen der verschiedenen Fahrzeugtypen bei den
unterschiedlichen Antriebssystemen schwer.
Bei dem fiktiven Fahrzeug handelt es sich um ein Auto mit einem Gesamtgewicht von 880 kg plus
etwaigen Zusatztankgewichten. Die mechanische Fahrleistung von 15 kW entspricht einem Ottomotor
mit 28 kW bei 600 cm3.
Der Versuchsablauf ist auf den neuen Europäischen Fahrzyklus Teil I und II ausgerichtet. Die
Berechnung berücksichtigt den Fahrbetrieb sowie den Energiebedarf für die Kraftstoffherstellung (vom
Primärenergieträger über Raffinerie oder Kraftwerk bis zum Tank bzw. Energiespeicher).
Abb. 19: Antriebe im Vergleich
Quelle: Daimler-Benz Pressemeldung, Mai 1997, Antriebe im Vergleich
Es zeigt sich, daß der Verbrennungsmotor beim Fahrbetrieb vergleichsweise schlecht abschneidet. Da
der Wasserstoffmotor ein umgebauter Hubkolbenmotor ist, benötigt er ebensoviel Energie für den
Fahrbetrieb wie der Ottomotor. Der Dieselmotor braucht zwar etwas weniger, jedoch nicht wesentlich.
Der Wirkungsgrad einer ICE (Internal Combustion Engine = Verbrennungskraftmaschine) liegt - wie
bereits oben erwähnt - nicht sehr hoch. Die Brennstoffzelle mit Wasserstoff hat noch nicht einmal die
Hälfte des Energiebedarfs und auch die Brennstoffzelle mit Methanol steht um einiges besser da.
Noch besser schneidet lediglich der Elektromotor ab. Bezüglich der Kraftstoffherstellung sieht es fast
genau andersherum aus. Am schlechtesten schneidet der Elektromotor ab mit mehr als doppelt so
hohem Energiebedarf, als wie er für den Fahrbetrieb benötigt. Am zweitaufwendigsten ist die
Gewinnung von Wasserstoff für die Verbrennungskraftmaschine. Hier liegt der Gesamtenergiebedarf
bei 68 kWh/100km. Allerdings muß man berücksichtigen, daß der Wasserstoff mit Dampfreforming
aus Erdgas erzeugt wurde. Da bei dieser Herstellungsart relativ hohe Temperaturen benötigt werden,
ist der Energiebedarf dementsprechend hoch. Durch neu oder verbesserte Verfahren (autothermer
Reformer) wäre sicherlich eine Energieeinsparung möglich. Gerade mal halb so aufwendig ist die
Erzeugung von Methanol (13 kWh/100km) oder Wasserstoff (12 kWh/100km) für Brennstoffzellen.
Noch besser schneiden die konventionellen Verbrennungskraftmaschinen ab. Überhaupt kein Anteil
fällt bei der regenerativen Herstellung von Wasserstoff an. Dies ist etwas zu idealistisch. Selbst bei der
Energiegewinnung durch Solaranlagen wird vorerst Energie für die Herstellung der Anlagen benötigt.
Außerdem fallen immer Verluste an (Transport), so daß es nie gelingen wird, bei der Betrachtung der
gesamten Energieumwandlungskette bei Null zu bleiben.
Insgesamt ergibt sich ein Bild, bei dem die Brennstoffzelle mit regenerativer Wasserstoffherstellung
am wenigsten Energie benötigt. Im Vergleich dazu brauchen konventionelle Antriebsarten etwa 250%
für die Kraftstoffherstellung und den Fahrbetrieb. Bei einem batteriebetriebenem Fahrzeug wäre der
Bedarf etwa 300% im Vergleich. Selbst wenn die Brennstoffzelle mit Wasserstoff (Dampfreformierung)
oder Methanol angetrieben würde, läge sie immer noch um 7-13 kWh/100km niedriger als der
"sparsame" Dieselmotor.
Abb. 20: Tankvolumina im Vergleich
Quelle: Daimler-Benz Pressemeldung, Mai 1997, Antriebe im Vergleich
In obiger Abbildung ist dargestellt, wie groß in Litern das Volumen an Kraftstoff sein muß, damit der
Antrieb 750 km zurücklegen kann.
Den größten Platzbedarf weist der Elektromotor mit 1030 l auf. Gut die Hälfte (570 l) davon benötigt
der Wasserstoffmotor - egal wie der Wasserstoff erzeugt wurde, schließlich geht es nur um die
Speicherung und nicht um die Herstellung.
Wiederum die Hälfte davon nimmt der Wasserstoff für die Brennstoffzelle ein (230 l) - ebenfalls gleich
bei Dampfreformierung und regenerativer Herstellung. Fast schon in den Bereich von konventionellen
Kraftstoffen kommt das Methanol mit 44 l. Diesel (38 l) und Benzin (29 l) haben in dieser Hinsicht die
besten Voraussetzungen, da sie mit erheblichem Abstand zu Wasserstoff und der Batterie am
wenigsten Raum einnehmen.
Derartige Größenunterschiede lassen sich über das schlechte Kraft-zu-Volumen-Verhältnis erklären.
Es muß 15mal soviel Wasserstoff im Vergleich zu Benzin in die Brennkammer geleitet werden, um
eine ähnlich gutes Verbrennungsgemisch realisieren zu können. Berücksichtigt man diesen Faktor,
kommt man schnell von 570 l auf 38 l. Außerdem besitzen die Kraftstoffe unterschiedliche Brennwerte.
Methanol z.B. besitzt einen geringeren Energieinhalt als Benzin oder Diesel. Der Methanol-Heizwert
ist halb so hoch wie der von Benzin, weshalb der Platzbedarf an Methanol für die Brennstoffzelle
höher liegt. Teilweise wird dieser Aspekt durch den höheren Wirkungsgrad von Brennstoffzellen
kompensiert.
Für eine derartige Reichweite ist der Elektromotor gänzlich ungeeignet. Neben dem immensen
benötigten Volumen wäre eine Batterie übermäßig schwer, so daß diese Alternative außen vor steht.
Abb. 21
Quelle: Daimler-Benz Pressemeldung, Mai 1997, Antriebe im Vergleich
Wird der Energie- und Platzbedarf für die Kraftstoffe analysiert, muß auch die Schadstoffemission
betrachtet werden (s. Abb. 21).
Auf den ersten Blick fällt sofort ins Auge, daß beim Otto- und Dieselmotor extrem hohe Werte
auftreten im Vergleich zu allen anderen Antriebsarten. Da Kraftstoffe aus Mineralöl
Kohlenstoffverbindungen mit diversen Additiven sind, die zusammen mit dem Sauerstoff aus der
Umgebungsluft verbrennen, treten vielerlei Schadstoffe auf. Dazu gehört Kohlenmonoxid, das in
hohem Maße anfällt, aber auch Kohlendioxid, das zwar in gleichem Maße wie beim Elektro- und dem
Wasserstoffmotor entsteht, was aber eindeutig zu viel ist, da CO2 zu den Gasen gehört, die den
Treibhauseffekt vorantreiben. Nach diesen Angaben liegen die CO2-Werte für Brennstoffzellen um 20
- 40% niedriger als bei konventionellen Antrieben.
Das Kohlendioxid ist der einzige Wert, der bei Brennstoffzellen in relevanter Größenordnung
produziert wird - egal ob beim Antrieb mit Methanol oder Wasserstoff. Kohlenwasserstoffe fallen
lediglich bei der Herstellung dieser Wasserstoff an. Beim Fahrbetrieb kann davon kein Anteil
hinzukommen, da kein Kohlenstoff an der Verbrennung teilnimmt. Beim Methanol liegt dieser Wert nur
unwesentlich höher. Stickoxide werden ausgestoßen, weil Stickstoff zu 78% in der Umgebungsluft
enthalten ist und somit an der Reaktion beteiligt ist. Dieser Wert liegt jedoch um Längen niedriger als
beim Otto- oder Dieselmotor und auch um mehr als die Hälfte niedriger als beim Elektromotor. Dies ist
dementsprechend auch der einzige Schadstoff, der beim Wasserstoffmotor (regenerativ) emittiert wird.
Daß bei den regenerativen Herstellungsverfahren von Wasserstoff (bei der Brennstoffzelle und bei der
Verbrennungskraftmaschine) Emissionswerte von Null angegeben werden, ist (wie bereits im Bezug
auf obiges Diagramm erwähnt) nicht ganz korrekt, macht aber deutlich, daß diese Werte zu
vernachlässigen sind - insbesondere im Vergleich mit Zahlen in der Größenordnung von 540 bzw. 846
mg/km.
10.2. Energiebilanz
Die Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt hat im April 1997 eine Studie veröffentlicht
[Carpetis, 1997], die sich mit der "Bewertung von Brennstoffzellen-Antrieben in Fahrzeugen im
Hinblick auf Energie- und Schadstoffbilanz" befaßt. Hier soll eine kurze, aber trotzdem ausreichend
informative Wiedergabe der Inhalte und Ergebnisse dieses Vergleichs zwischen einem herkömmlichen
Ottomotor und einer Brennstoffzelle dargestellt werden.
Abb. 22: typischer mittlerer Kraftfahrzeugverbrauch (Stadtzyklus - EPA)
[Carpetis, 1997]
Der Wirkungsgrad am Kurbelwellenende beim Ottomotor (s. Pfeil) beträgt 20%, bei der Brennstoffzelle
(elektrischer Ausgang, s. Pfeil) 48%. Der Ottomotor liefert an den Wellenausgang die Energie, die
praktisch auch genutzt werden kann. Der größte Teil der Verluste ist bereits intern berücksichtigt
worden , bis auf die Getriebeverluste. Die elektrische Ausgangsenergie der Brennstoffzelle verringert
sich hingegen noch, da elektrische Umwandlungsverluste anfallen. Außerdem muß ein Teil der
Energie für den Kompressor abgezweigt werden, so daß die Ausgangsenergie nicht als Endleistung
angesehen werden kann. In diesem hier betrachteten Fall wurde die Kompressorleistung zu 100%
durch die Brennstoffzelle gedeckt. Durch eine Energierückgewinnung aus der Bremsvorgang ließe
sich bis zu 50% Kompressorleistung decken, so daß der Wirkungsgrad um ca. 0,5% steigt.
Der Verbrauch im ersten Fall liegt bei 7,31 l/100km, im zweiten Fall bei 4,63 l/100km.
Abb. 23: höheres Verbrauchsverhältnis (stop-and-go - ECE-1)
[Carpetis, 1997]
Abbildung 23 verdeutlicht, daß "Stop and go" sich extrem ungünstig auf den Verbrennungsmotor
auswirkt. Dieser steigt in diesem Fall um 26% auf ca. 3000 kJ/km. Der Verbrauch des
Brennstoffzellenfahrzeugs steigt nur halb so stark, um 13%.
Abb. 24: hohes Verbrauchsverhältnis (Autobahn) [Carpetis, 1997]
[Carpetis, 1997]
Die gesamte Antriebsenergie, d.h. die Summe aus den Energieanteilen in Abbildung 24 zur
Überwindung des Roll- und Luftwiderstandes und der Bremsenergie, ist viel höher, wobei der
Luftwiderstand stark zugenommen, die Bremsenergie hingegen abgenommen hat.
Der Kraftstoffverbrauch liegt dennoch niedriger, da der Mittellastbereich für beide Antriebsarten
günstiger ist.
Mit zunehmender Last steigt der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors stärker als der von der
l/100km und bei der Brennstoffzelle bei 4,5 l/100km.
Aus den gezeigten Resultaten ergibt sich, daß der Energiefluß von der Fahrsituation (bzw. vom
Fahrzyklus) abhängen und deswegen konkrete Vergleiche der Antriebsarten ausschließlich innerhalb
nur eines Fahrzyklus nicht zulässig sind.
In folgender Graphik (s. Abb. 24) geht es um den spezifischen Fahrzeugenergiebedarf E für alle
relevanten Fahrzyklen und für drei Antriebskonzepte.
Die Antriebsarten:
In allen Fällen ist der Verbrauch des konventionellen Ottomotor-Antriebs höher als der des
Brennstoffzellenantriebs mit Wasserstoff als Kraftstoff. Die Brennstoffzelle mit Methanol nimmt eine
mittlere Stellung zwischen diesen beiden ein, wobei bei Vollast sein Verbrauch sogar höher als der
des konventionellen Antriebskonzeptes wird.
Die Vorteile des Brennstoffzellenantriebs bezüglich Kraftstoffverbrauch sind am größten beim
Stadtverkehr nach der ECE-Norm. Der Quotient aus Benzinverbrauch durch Wasserstoff- bzw.
Methanolverbrauch ist sehr groß. Etwas geringer werden diese Vorteile, je schneller gefahren wird.
Bei Vollast ist die Differenz zum Ottomotor nicht mehr so relevant (beim Wasserstoffantrieb).
Abb. 25
[Carpetis, 1997]
Abbildung 26 entspricht der obigen Graphik mit dem Unterschied, daß die gesamte
Energieumwandlungskette berücksichtigt wurde. Der angegebene spezifische Energieverbrauch PE
beinhaltet zusätzlich zum Fahrzeugenergiebedarf E auch den Bedarf für die Bereitstellung, Transport
und Verteilung des Kraftstoffes.
Es wurde angenommen, daß die Sekundärenergieträger Wasserstoff und Methanol aus dem
Primärenergieträger Erdgas gewonnen wurden.
Abb. 26
[Carpetis, 1997]
Bei dieser Betrachtung zeigt sich, daß die Unterschiede zusammenschrumpfen. Bei größerer Last
(Autobahn und Vollast) steigt der Methanolbedarf sogar weit über den Bedarf von herkömmlichen
Kraftstoffen. Auch Wasserstoff liegt lediglich im unteren Lastbereich (Stadtverkehr) etwas unter dem
Benzinbedarf.
Insgesamt gesehen zeigen diese Resultate, daß der Primärenergiebedarf der Brennstoffzellenantriebe
nicht als primärer Vorteil gegenüber den konventionellen Antrieben betrachtet werden kann. Es ist
vielmehr das Potential der Brennstoffzelle zur Vermeidung der Emissionen bei der Fahrzeugnutzung
(lokale Emissionsfreiheit), dem bei der Bewertung große Bedeutung zukommt.
Energieumwandlungsketten
In diesem Abschnitt geht es um eine Bewertung von Antrieben und Energieträgern für den
Straßenverkehr mit Hilfe der Energieumwandlungsketten (EUK) vom Primärenergieträger bis zum Pkw
im jeweiligen Fahrzyklus. Es sollen die Energie- und Emissionsbilanzen verglichen werden.
Als einheitliche Definitionsgrundlage existiert von der Europäischen Union (EU) ein Fahrzyklus, der
durchfahren werden muß und wobei die freigesetzten Schadstoffe gemessen werden. Mittlerweile gibt
es als Emissionsstandard für Kraftfahrzeuge in Europa die EURO II, die seit dem 1.1.1997 gültig ist.
Die EURO III soll ab 2000 gelten.
Tab. 12: Pkw-Emissionsstandards nach dem Fahrzyklus der EU für Fahrzeuge über 3,5 t
Jahr Kategorie CO (g/km) NOx (g/km) HC (g/km) Partikel (g/km)
1996/97 2. Stufe Otto 2,2 0,51) 0,51)
1996/97 2. Stufe Otto* 2,7 0,25 0,34
1996/97 2. Stufe Diesel 1,0 0,71) 0,71) 0,08
1996/97 2. Stufe Diesel* 1,1 0,63 0,711) 0,08
2000 3. Stufe Otto2) 2,3 0,15 0,2
2000 3. Stufe Diesel2) 0,6 0,5 0,561) 0,05
20053) 4. Stufe Otto2) 1,0 0,08 0,1
20053) 4. Stufe Diesel2) 0,5 0,25 0,31) 0,025
*: ohne Aufwärmzeit von 40 sec
1): Kohlenwasserstoffe und Stickoxide als Summe
2): EU-Vorschlag
3): Zielwerte werden 1998 noch einmal geprüft.
Tabelle 12 zeigt die Emissionsstandards, wie sie ab dem Jahre 2000 in der Europäischen Union
vorgesehen werden könnten.
Vorgesehen ist ein Energieverbrauch im europäischen Fahrzyklus beim CO2-Kriterium von max. 120
gCO2/km oder etwa 5 lBenzin/100km. Es existiert jedoch keine Diskussion der technischen
Lösungsansätze.
Der Brennstoffzellenantrieb mit Methanol als Energieträger konnte nur von seinen Komponenten her
bewertet werden, nicht aber vom Gesamtverhalten im Fahrzyklus.
Die Werte der Tabelle 13 in Zeile 1 (EURO 2000) und 3 (EURO 2005) sind gesetzt entsprechend dem
EU-Vorschlag mit Emissionen von 120 gCO2/km bzw. mit dem Energiebedarf von 5 l/100km. Die
Werte in der EUK-Spalte sind jeweils die Summe der Pkw- und KK-Werte, da sich die gesamte
Energieumwandlungskette zusammensetzt aus der Kraftstoffkette (zur Erzeugung des Treibstoffes)
und der Verwendung im Pkw.
Tab. 13: Energieverbrauch und Emissionen verschiedener Kraftstoffketten
Kraftstoffkette Standard Emission Energie in MJ/100km Emissionen in g/100km
CO2 | CO
EUK Pkw KK EUK Pkw KK EUK Pkw KK
Rohöl/Benzin1) EURO-2000 172 161 11 12900 12000 900 231 230 1
Rohöl/Benzin1) Feldversuch 273 256 17 19800 18400 1400 629 627 2
Rohöl/Benzin1) EURO-2005 172 161 11 12900 12000 900 101 100 1
Erdgas/Methan Reformer BSZ2) Technikums-Ergebnisse4) 145 94 513) 8250 6640 1610 1 <1 1
Kraftstoffkette Standard Emission Emissionen in g/100km HC | NOx
EUK Pkw KK EUK Pkw KK
Rohöl/Benzin1) EURO-2000 31 205) 1 18 15 3
Rohöl/Benzin1) Feldversuch 125 815) 2 64 59 5
Rohöl/Benzin1) EURO-2005 11 105) 1 11 8 3
Erdgas/Methan Reformer BSZ2) Technikums-Ergebnisse4) <1 <1 <1 4 <<1 4
Quelle: Höhnlein, B., Biedermann, P., VDI Bericht Nr. 1307, S. 285-300, 1996, , Jülich
EUK: Energieumwandlungskette
Pkw: Personenkraftwagen
KK: Kraftstoffkette
HC: alle Kohlenwasserstoffe und organische Verbindungen ohne Methan
1): Verbrennungskraftmaschine, Abgasnachbehandlung
2): Methanolreformer zur Wasserstoffherstellung und Niedertemperatur-Brennstoffzelle
3): im wesentlichen Methanol-Herstellung aus Erdgas
4): Errechnet auf Basis von 1000 kg Pkw-Gewicht mit Kennfeld-Durchschnittswerten.
5): einschließlich Methan
Vereinbarung: "<1" meint: 0,1-1
"<<1" meint <0,1
Energiebedarf:
Die Studie zeigt, daß momentan die Realität noch etwas an der Theorie vorbeigeht. Beim Feldversuch
ist der Energiebedarf um fast 60% höher gegenüber dem Referenzfall (die Grenzwerte für 2000 bzw.
2005). Den ausschlaggebenden Anteil übernimmt der Pkw-Anteil, der um fast 100 MJ/100km höher
liegt als geplant.
Beim Brennstoffzellenauto liegt der Energiebedarf der EUK um 40% niedriger als der Grenzwert. Für
die Kraftstoffkette ist der Grenzwert beinahe um den Faktor fünf überschritten. Dies liegt daran, daß
die Methanolherstellung aus Erdgas noch sehr energieaufwendig ist. Dieser hohe Wert wird jedoch
durch den niedrigen Energieverbrauch im Pkw kompensiert.
In Bezug auf die Abgase läßt sich sagen, daß die Werte aus dem Feldversuch allesamt über den
Grenzwerten liegen. Bei der Kraftstoffkette liegen die Emissionen rund 50% über Soll.
Kohlendioxid-Bilanz:
Die Emissionen in der Praxis von Benzinautos weisen eine Größenordnung um 150% des Sollwertes
auf, bei der Brennstoffzelle um knapp über 50%. Dafür treten in der KK der Brennstoffzelle fast
doppelt so große Werte wie erlaubt auf. Diese sind deswegen so hoch, weil Methanol aus Erdgas bei
einem energetischen Wirkungsgrad von 66% hergestellt werden muß. Insgesamt liegt die
Brennstoffzellen-EUK gerade einmal bei 65% von EURO-2005.
Kohlenmonoxid-Bilanz:
Für die CO-Emissionen der Pkws liegen zwischen Fall 2 und Fall 4 drei Größenordnungen, wobei
festzuhalten ist, daß mit Benzin betriebene Pkws heute schon unter bestimmten Voraussetzungen den
CO-Standard EURO-2005 einhalten und unterbieten können.
Die Werte in der letzten Spalte 1 gCO/100km kommen durch dieselbetriebene Tanklastwagen
zustande. In den ersten drei Fällen ist dieser Wert relativ unbedeutend. Im Fall 4, bei gleichem
absoluten Niveau, ist dieser Wert entscheidend und entsteht durch den Methanoltransport.
Kohlenwasserstoff-Bilanz:
In der EUK-Spalte steht immer die Summe aus der Pkw- und KK-Spalte, nur bei den
Kohlenwasserstoffen nicht. Dies kommt daher, daß hier die Verdunstungsemissionen eine große Rolle
spielen. In den ersten beiden Fällen sind dies etwa 50% der gesamten HC-Emissionen bei Pkws im
Fahrzyklus. Für alle weiteren Fälle wurde diese schwierig zu definierende Emissionsquelle zu Null
gesetzt.
Der tatsächliche Schadstoffausstoß ist rund viermal so hoch, wie EURO-2000 es erlaubt, wobei im
Fall der Pkw-Emissionen der Methan-Anteil zu den HC-Daten dazugezählt wird.
Im Vergleich zu den Standards und dem Feldversuch sind die Technikums-Ergebnisse der
Brennstoffzelle zu vernachlässigen, da sie nur einige Zehntel Gramm auf 100 Kilometern betragen.
Stickoxid-Bilanz:
Die Relationen sehen ähnlich aus wie bei der CO-Bilanz.
Auch hier wird der überragende Anteil der Emissionen innerhalb der EUK durch die Pkw im
Fahrzyklus verursacht. Im Fall 4 werden Emissionen in Höhe von fast 3 gNOx/100km allein durch den
Transport von Methanol in dieselbetriebenen Tankwagen verursacht.
Im Gegensatz dazu treten auch hier drei- bis viermal so hohe Emissionen auf wie gestattet.
Alles in allem läßt sich sagen, die EUK mit Brennstoffzellen-Pkw zeigt deutliche Vorteile gegenüber
dem Referenzfall (Benzin-Pkw) und auch gegenüber hier nicht betrachteten Erdgas-Pkws. Bei den
Emissionen zeigt der Vergleich die deutliche Überlegenheit des Brennstoffzellenantriebs,
insbesondere bei den CO- und NOx-Emissionen, aber auch bei den HC-Emissionen.
Energiedichte
Unterschiedliche Kraftstoffe benötigen unterschiedlich viel Raum und Gewicht pro Energieeinheit, sie
besitzen folglich verschiedene Energiedichten.
Erdgas besteht im wesentlichen aus Methan (CH4) und verfügt über ähnliche Stoffeigenschaften wie
Wasserstoff. Beide Stoffe sind bei Umgebungsbedingungen gasförmige Energieträger, die bei der
Verwendung als Fahrzeugkraftstoffe unter hohem Druck oder flüssig bei tiefen Temperaturen
gespeichert werden müssen. Die entsprechenden Tanksysteme weisen im Vergleich zu
konventionellen Kraftstofftanks generell niedrigere Energiedichten auf (s. Abb. 27). [Strobl, 1995]
Da bei Benzin- oder Dieseltanks Kunststoffe oder relativ dünne Metallkonstruktionen eingesetzt
werden können, die zudem in Bezug auf die Formgebung eher ungebunden sind, liegt die
Energiedichte pro Gewichtseinheit am höchsten. Je niedriger die Temperaturen oder je höher die
Drücke liegen, desto mehr Material muß eingesetzt werden, wodurch die gewichtsbezogene
Energiedichte sinkt. Die volumenbezogene Dichte liegt bei Wasserstoff am niedrigsten und bei Benzin
am höchsten (s. Tab. 4, Kap. 5.1). Dafür sind je nach Antriebsart (z.B. bei Brennstoffzellen) höhere
Wirkungsgrade möglich.
Abb. 27
Quelle: Strobl, W., E. Heck, E., VDI Bericht Nr. 1201, S. 173-185, 1995, München
10.3. Emissionen
Im Laufe der Betrachtungen wurde bereits mehrmals auf die Emissionen, die im Verkehr entstehen,
eingegangen.
Ein Vergleich zwischen der Brennstoffzelle und der Verbrennungskraftmaschine ist müßig, weil sich
allein durch die Funktionsweise der Brennstoffzelle (s. Kap. 7) ein bemerkenswerter
Schadstoffausstoß ausschließt. Als Endprodukt nach der Reaktion in der Zelle entsteht nur Wasser.
Ein Vergleich würde darauf hinauslaufen, (fast) ein "Nichts" mit den Schadstoffen eines Benzin- oder
Dieselmotors zu vergleichen, was ein sehr einseitiges Unterfangen wäre und deswegen unterlassen
werden soll.
Bei einem Verbrennungsmotor, der mit Wasserstoff angetrieben wird, entsteht als Nebenprodukt
etwas Stickoxid durch die Verbrennung von in der Umgebungsluft enthaltenem Stickstoff. Der Ausstoß
an Stickoxiden entspricht maximal dem eines Benzinmotors mit geregeltem Katalysator. Im Vergleich
zum Grenzwert des EURO II für herkömmlichen Hubkolbenmotoren (NOx = 7,0 g/kWh) liegt der Wert
für wasserstoffbetriebene Motoren bei 10%.
Spuren von HC und CO unter jeweils 1% treten durch Schmieröl und Reaktionspartner in der Luft auf.
Ein Vergleich wäre also wenig sinnvoll.
Zu berücksichtigen bleibt, daß die gesamte Energieumwandlungskette in Betracht gezogen werden
muß. Wie jedoch bereits erwähnt, gibt es unterschiedliche Wasserstoffherstellungsverfahren. Zu
einem Teil fällt Wasserstoff als Nebenprodukt in der Industrie an. Zu einem anderen Teil wird
Wasserstoff alternativ erzeugt. Und die bestehenden Herstellungsmethoden verändern sich im Laufe
der momentan verstärkten Wasserstofftechnologie-Entwicklung. Da es zur Zeit noch nicht absehbar
ist, auf welchem Wege die Wasserstoffproduktion am günstigsten geschehen wird, ist ein Vergleich
zum jetzigen Zeitpunkt schwierig.
Statt dessen soll zum Thema Emissionen folgende Graphik deutlich machen, in welcher
Größenordnung ein Vergleich - in diesem Fall für stationäre Generatoren - ausfallen würde.
Abb. 28
11. Ausblicke
Die weitere Entwicklung
Eine Abschätzung über die Richtung und die Geschwindigkeit des Fortganges der Energiepolitik ist
schwierig, da viele Entscheidungsträger mit unterschiedlichen Interessen an diesem Prozeß beteiligt
sind.
Das Bundesministerium für Bildung, Forschung, Wissenschaft und Technologie z.B. fördert zwar ein
PEM-Projekt, bei dem Komponentenhersteller, Brennstoffzellenproduzenten, Automobilindustrie und
wissenschaftliche Institute zusammenarbeiten, aber ob und in welchem Ausmaß Brennstoffzellen
künftig ein Platz eingeräumt wird, darüber gibt es keine eindeutigen Aussagen.
Nach Meinung der Bundesregierung unter Bundeskanzler Kohl hat sich in den letzten Jahren die
Mehrzahl deutscher Unternehmen aus der Entwicklung von neuen Wasserstofftechniken
zurückgezogen, nicht zuletzt mangels Marktperspektiven.
Tab. 14:
Projektmittel in Mio. DM zur Förderung der Wasserstofftechnologie (ohne Brennstoffzelle)
1995 1996 1997
6,020 4,386 2,552
Quelle: Bundesregierung, Zukunft der Wasserstoff-Technologie, Drucksache 13/11207, 24.6.1998
Membranbrennstoffzellen (PEM) bieten sich als die geeignetste Wandlungstechnologie an,
Wasserstoff mit hohem Wirkungsgrad und bei niedrigen Betriebstemperaturen vollständig
emissionsfrei in Antriebsenergie umzuwandeln. PEM ist der geeignete Brennstoffzellenantrieb für
Busse, Nahverkehrszüge, Straßen- und Stadtbahnen, Lkws, Service- und Komunalfahrzeuge und
auch Pkw im städtischen und stadtnahen Raum. Sie bieten insbesondere im städtischen Fahrprofil bis
zu doppelt so hohe Wirkungsgrade wie Dieselmotoren und eröffnen damit die Chance:
en und Reichweiten als Batterieantriebe zu erreichen.
Kauf nehmen zu müssen.
[Wurster, 1997a]
Obwohl in der industriellen und verkehrstechnischen Anwendung Wasserstoff zuerst einmal gasförmig
benötigt wird bzw. eingesetzt werden kann, wird es erforderlich werden, Wasserstoff in flüssiger Form
zu transportieren. Wenn H2 langfristig seinen Weg in den Verkehrssektor (Flugzeuge, Eisenbahn,
Schiffahrt, Landfahrzeuge) finden soll, dann ist wegen der erforderlichen Reichweiten (Lkw, Bahn)
oder der Massebeschränkungen (Luftfahrt) absehbar, daß dies in flüssiger Form als LH2 erfolgen
muß. [Wurster, 1997b]
Mit flüssigem Wasserstoff als Kryokraftstoff kann der Gemischbildungsprozeß und damit der
motorische Betrieb gegenüber dem Gasbetrieb bei Umgebungstemperatur erheblich verbessert
werden. In Bezug auf die Reichweite je Tankfüllung und die massenbezogene gespeicherte
Energiemenge kommt der Wasserstoffmotor dem mit konventionellen Kraftstoffen erzielten Standard
nahe.
Mitte Februar 1998 wurde eine "Studie zur globalen Entwicklung von Wissenschaft und Technik"
veröffentlicht, in der über 2.000 Experten zu den großen Innovationstendenzen der nächsten 20 Jahre
befragt werden.
Hier einige der Prophezeiungen der Experten:
und Materialien von Autos können recycelt oder wiederverwendet werden.
hrzeugtechnik ermöglichen es, den Schadstoffausstoß der Autos
soweit zu verringern, daß die Ozon-Spitzenwerte gegenüber 1990 um 70% zurückgehen.
-Liter-Serienauto.
et sein.
[Altmann, 1998]
Aller Voraussicht nach wird es noch etwas dauern, bis eine umfassende Wasserstoff-Wirtschaft
Realität wird. So hat z.B. allein die flächendeckende Einführung von Zapfsäulen für bleifreies Benzin
in Europa rund sieben Jahre gedauert.
Amerika
Einen guten Ausblick auf einen möglichen Fortgang der Forschungsarbeiten liefert die Betrachtung
der Verhältnisse auf der anderen Seite des Atlantiks. In den USA heißt es, so wie der Computer und
die Telekommunikation die Dezentralisierung und Dematerialisierung im Informationenswesen
vorangetrieben haben, verspricht die Brennstoffzelle die Energiekonsumenten unabhängig zu machen
von zentralen Stromgeneratoren - man sagt:
"Energie will frei sein (Energy wants to be free)."
Das einzige, was fehlt, um dies umzusetzen, ist die öffentliche Unterstützung. Die US Regierung hat
hunderte Millionen von Dollar in die Brennstoffzellenforschung und -entwicklung über mehrere Jahre
investiert. Aber in den letzten Jahren, in denen diese Investitionen Ergebnisse hervorbringen, herrscht
die Auffassung, Brennstoffzellen repräsentierten eine stagnierende Technologie.
Wasserstoff-Haus
Zum Ende der Betrachtung und als Ausblick für eine mögliche Zukunft soll das "Wasserstoff-Haus"
beschrieben werden, auch, wenn dieses Beispiel nicht direkt zum Thema gehört.
Die Realisierung von der "solaren Wasserstoffwirtschaft" liegt noch in weiter Ferne. Es existieren
jedoch bereits Projekte wie z.B. die "Wasserstoff-Häuser", in denen die gesamte Energieversorgung
auf Wasserstoff aufgebaut ist. Ein Beispielhaus sieht etwa folgendermaßen aus:
Der Strom für Licht und Haushaltgeräte wird durch die Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff bzw.
Luft in Brennstoffzellen erzeugt, die in der Energiekammer des Hauses stehen. Das zweite
Reaktionsprodukt ist reines Wasser in einer Menge, die den Trinkwasserbedarf der Bewohner deckt.
Über einen Wasserstoff-Anschluß in der Garage kann nachts der Speicher des Autos aufgetankt
werden.
Die Anlieferung des Wasserstoffs in flüssiger Form geschieht durch wärmeisolierte Leitungen oder per
Kühlwagen, wobei der Flüssig-Wasserstoff im Haus oder unter dem Garten in isolierten Behältern
gespeichert und erst vor dem Gebrauch verdampft wird.
Der Wasserstoff gelangt als Gas zum Herd und zum Heizkessel. Zur Verbrennung notwendige
Flammenbrenner entsprechen üblichen Gasbrennern mit nur geringfügigen Abänderungen.
Auf diese Art und Weise ist es möglich, völlig autark zu leben. Solarzellen auf dem Dach, ein Windrad
oder ein Klein-Wasserkraftwerk erzeugen Strom, der teils direkt verwendet wird oder zur Gewinnung
von Wasserstoff in eine Elektrolyse-Anlage geleitet wird. Anfallender Sauerstoff kann als
Oxidationsmittel in der hauseigenen Kläranlage dienen.
Beispiele:
1. Amerikaner R. E. Billings, 1979, Independence/Missouri für Auto, Traktor und Selbstversorgerhaus
mit Kleinwasserkraftwerk und Wärmepumpe
2. Härnösand/Nordschweden, Ingenieur Olof Tegström, Demonstrationsprojekt WELGAS
[Weber, 1988]
zu 2):
Das Wasserstoff-Demonstrationsprojekt WELGAS, durchgeführt von Olof Tegstroem in den Jahren
1985 und 1986, beinhaltet die Energieversorgung eines Einfamilienhauses mit einem Windgenerator.
Dieser Strom wird auch zum Heizen verwendet. Ein Elektrolyseur wandelt einen Teil des Windstroms
in Wasserstoff um, der auch in einem auf Wasserstoffbetrieb umgerüsteten Pkw genutzt wird. Das
Projekt wurde international gesponsort und erhielt verschiedenste Auszeichnungen. [Altmann, 1996]
12. Ergebnisse
Die Wasserstofftechnologie ist ein altes und auch ein neues Forschungsgebiet. Erste Entdeckungen in
diesem Bereich gab es bereits vor Jahrzehnten. Weitreichende technische Neuerungen existieren
jedoch erst seit den Entwicklungsfortschritten der letzten Jahre.
Vor dem Hintergrund, daß fossile Energieträger nicht unendlich vorhanden sind und die Umwelt
belasten, hat sich zunehmend die Erkenntnis verbreitet, daß es so wie bisher nicht weitergehen kann.
Der Verbrauch von Primärenergieträgern und der damit einhergehende Anstieg der
Schadstoffmengen machen es notwendig, rechtzeitig nach Alternativen zu suchen, die auf einer
neuen Basis den Weg in ein neues Energiezeitalter weisen.
Der heutige Energiemix basiert noch auf Mineralöl, Kohle und Kernenergie. In Anbetracht der
Tatsache, daß der Kohlebergbau durch Subventionen künstlich am Leben gehalten wird und
ausländische fossile Energieträger lange, energieverbrauchende Transportwege zurücklegen müssen,
erscheint diese Variante keine befriedigende Lösung zu sein. Kernenergie stellt immer noch ein
unberechenbares Risiko dar, so daß von einem Ausstieg aus der Atomenergie gesprochen wird. Und
Mineralöle belasten die Umwelt und werden in einigen Jahrzehnten zu Ende gehen.
Die Natur stellt von sich aus Unmengen an Energie in jeglicher Form zur Verfügung. Bis heute ist es
noch nicht gelungen, ein Konzept zu entwickeln, welches z.B. die Sonne als Energiequelle
berücksichtigt und ihrer Größe entsprechend in die Energiewirtschaft integriert. In diesem
Zusammenhang kursiert der Begriff der "solaren Wasserstoffwirtschaft", der Sonne und Wasserstoff
als Energiequelle und Energiespeicher der Zukunft beschreibt.
Wasserstoff, als das am häufigsten vorkommende Element auf der Erde, besitzt vielerlei
Eigenschaften, die es im Vergleich mit anderen Stoffen von diesen positiv abhebt. Als Verbindung mit
Sauerstoff ist Wasser in fast unerschöpflicher Menge vorhanden, braucht nicht erzeugt oder abgebaut
zu werden, und es kann quasi nicht "verbraucht" werden. Wasser an sich besitzt für Mensch und
Natur keine schädlichen Eigenschaften, egal in welchem Aggregatzustand es vorliegt. Und es kann
Energie speichern, um diese in nichtstationären Aggregaten nutzen zu können.
Wasser bietet umfassende Möglichkeiten, die zur Zeit noch nicht erschöpfend berücksichtigt worden
sind.
Durch die Aufspaltung von Wasser entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Für diese Trennung in
seine Bestandteile ist Energie notwendig, die später mit relativ geringen Verlusten wieder freigesetzt
werden kann. Solange der Wasserstoff als Molekül H2 vorliegt, egal ob gasförmig unter Druck oder
flüssig bei geringen Temperaturen, kann es als transportabler Energiespeicher dienen.
H2 kann über weite Entfernungen transportiert werde, um von der Stelle der Herstellung zum Ort der
Nutzung zu gelangen. Er kann aber auch verwendet werden, um die Fortbewegung eines Fahrzeuges
zu ermöglichen. Für beide Varianten existieren Speicherungs- und Transportsysteme, die mindestens
genauso sicher sind wie konventionelle Systeme.
Der Sicherheitsaspekt, der bei Wasserstoff eine große Rolle spielt, ist bereits ausgiebig erforscht
worden und stellt kein wirkliches Problem mehr dar. Tanks für gasförmigen aber auch für flüssigen
Wasserstoff existieren und entsprechen modernen Sicherheitsstandards. Sie halten schwersten
Belastungen stand. Im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen ist das Brandverhalten von H2 sogar
positiver, da es zu keiner Lachenbildung kommen kann und eine Wasserstoffflamme eine viel
geringere Wärmeabstrahlung aufweist.
Für den Transport liegen neue Konzepte vor. Es existieren Projekte über neuartige Containerschiffe
für den Übersee-Transport. Für die individuelle Versorgung können zum Teil Pipelines gebaut und
ausgebaut werden, oder es kann auf bewährte Liefersysteme zurückgegriffen werden, wie es sie
bereits für flüssiges Helium auf der Straße und der Schiene gibt.
Andere Speichervarianten, wie z.B. Metallhydride, gilt es weiter zu erforschen. Es sind durchaus
Einsatzgebiete vorstellbar, in denen diese Medien Vorteile aufweisen. Momentan erscheint der
Durchbruch jedoch noch nicht in greifbarer Nähe zu liegen.
Werden Wasserstoff und Sauerstoff wieder zusammengeführt, entsteht lediglich Wasser. Mit neuen
Techniken ist es möglich, diese Reaktion kontrolliert ablaufen zu lassen, ohne ein erhöhtes
Sicherheitsrisiko. Leider ist die Meinung sehr weit verbreitet, daß diese beiden Reaktionspartner ein
hochexplosives Gemisch ergeben. Tatsächlich handelt es sich auch um die vielseits bekannte
Knallgasreaktion. Fakt ist jedoch, daß in einem Hubkolbenmotor mit Benzin- oder Dieselkraftstoff
genau das gleiche passiert wie in einem Wasserstoffmotor. Etwas anders, aber noch unbedenklicher
läuft es in einer Brennstoffzelle ab, in der eine sogenannte "kalte Verbrennung" stattfindet bei ca. 80
°C.
Beide angesprochenen Antriebsverfahren - der Wasserstoffmotor und die Brennstoffzelle - bieten Vorund Nachteile, die es gegeneinander abzuwägen gilt. Anderen Antriebsvarianten mit Wasserstoff
können nach dem heutigen Wissensstand keine realistischen Zukunftsaussichten eingeräumt werden.
Der Verbrennungsmotor bedarf keines aufwendigen Umbaus. Lediglich die Zuleitungen müssen
modifiziert und dem neuen Kraftstoff angepaßt werden. In gleichem Maße, wie herkömmliche
Verbrennungskraftmaschinen immer weiter optimiert werden, können sie als wasserstoffbetriebene
Hubkolbenmotoren umgebaut werden. Verbesserungen zum problemlosen Betreiben dieser
Aggregate sind bereits bekannt und auch hinlänglich erforscht, so daß Probleme (z.B. mögliches
Klopfen) in den Griff zu kriegen sind. In wie weit sich eine innere oder äußere Gemischbildung
anbietet, hängt vom jeweiligen Einsatzbereich und von dem vorliegen Know-how ab. Eine gewisse
Markt- und Wissenslücke liegt noch im Bereich der Förderpumpen und Verdichter für kryogene
Medien, aber auch hier zeichnen sich Lösungen ab.
Als Speichermedium bietet flüssiger Wasserstoff gewisse Vorteile gegenüber gasförmigem. Auch
wenn in diesem Fall im tiefkalten Temperaturbereich gearbeitet wird. Die Energiedichte liegt höher und
die technische Realisierbarkeit ist mit Superisolation und kaltziehbaren Kupplungen gegeben.
Bei den Brennstoffzellen bietet sich hauptsächlich die PEM-Brennstoffzelle als Antriebsmodul an.
Andere Zellentypen kommen nicht ernsthaft in Betracht. Die Frage nach Art und Aufbereitung des
Treibstoffes ist jedoch noch nicht endgültig geklärt.
Brennstoffzellen können mit Wasserstoff und mit Methanol betrieben werden. Methanol ist zwar
einfacher herstellbar und transportierbar, erzeugt aber mehr Schadstoffe bei der "kalten Verbrennung"
und benötigt einen vorgeschalteten Reformer an Bord des Fahrzeuges zur Aufbereitung. Wasserstoff
kann direkt genutzt werden, ist jedoch nur tiefkalt oder unter hohen Drücken speicherbar, verbrennt
dafür aber nahezu schadstoffrei. Die Brennstoffzelle an sich ist mittlerweile so weit ausgereift, daß sie
bereits als hocheffizienter Energiewandler angesehen werden kann. Sie wird immer kleiner, leichter
und billiger, bei trotzdem hohem Wirkungsgrad.
Ein zentraler Aspekt beim Vergleich neuer Technologien mit konventionellen
Verbrennungskraftmaschinen ist das Preis/Leistungs-Verhältnis. Es muß gleiche Leistung zu gleichen
Preisen angeboten werden können. Allein der positive Umweltaspekt der Wasserstofftechnik ist zwar
bereits ein gutes Argument. Angenommen wird eine neue Technologie jedoch erst, wenn sie billiger
oder maximal genauso teuer ist wie die alte.
Aus diesem Grund gehen die derzeitigen Forschungsarbeiten hauptsächlich in Richtung der
Einsparung oder des Austausches von Materialien und der Erhöhung der Leistungsfähigkeit. Speziell
bei der Brennstoffzelle liegen die Hoffnungen hoch, daß sich die Entwicklung der letzten Jahre
fortsetzen kann und die Kosten weiter so schnell sinken. Ein großer Schritt wäre z.B., wenn es
gelingen sollte, die Platinbeschichtung durch einen anderen billigeren Werkstoff zu ersetzen.
Egal, welche Technik sich letzten Endes durchsetzten wird, der Wasserstoffmotor oder die
Brennstoffzelle, diese Technologie muß sich gegenüber der herkömmlichen Antriebstechnik
behaupten und Konkurrenzfähigkeit beweisen.
In Hinsicht der Leistung haben die Wasserstoffkonzepte mit den Benzin- und Dieselmotoren bereits
gleichgezogen. Es existieren Fahrzeuge, Busse und Personenkraftwagen, die vom Äußeren und vom
Fahrkomfort keinerlei Unterschied zu konventionellen Fahrzeugsystemen erkennen lassen. Speziell
Buskonzepte haben bereits ihre Alltagstauglichkeit unter Beweis gestellt. Zum Teil fahren Busse im
normalen Linienverkehr und zeigen, wie gut sie für derartige Einsatzgebiete geeignet sind. Bei
Personenwagen gibt es zur Zeit noch geringe Einschränkungen. Der NECAR 3 (Daimler-Benz) ist z.B.
nur ein Zweisitzer und der Wasserstoff-BMW verfügt über ein geringeres Kofferraumvolumen. Aber
bereits die nächste Generation dieser Modelle (NECAR 4 wird Ende 1998 erwartet) wird eine weitere
Verbesserung mit sich bringen. Von der Beschleunigung bis zur Reichweite stehen diese Fahrzeuge
ihren Vergleichspartnern in nichts nach. Statt dessen fahren sie leise und ohne zu rucken.
Zur Zeit besteht noch das Problem des richtigen Herstellungsverfahrens für Wasserstoff. Es gibt in
ausreichendem Maße effiziente Verfahren, um mit hohem Wirkungsgrad H2 erzeugen zu können. Die
Frage ist jedoch, wo die dafür notwendige Energie herkommen soll.
Am Beginn einer möglichen neuen Energiewirtschaft wird es erforderlich bleiben, konventionelle
Energiequellen für die Produktion von H2 einzusetzen. Nach und nach könnte es dann gelingen,
vermehrt auf alternative Verfahren zu setzen, wie z.B. die solare Wasserstoffwirtschaft und die
Nutzung von Wind- und Wasserkraft. Der Einsatz von H2 ist erst durchweg sinnvoll, wenn weder bei
der Herstellung noch bei der Nutzung Primärenergieträger verbraucht oder Schadstoffe freigesetzt
werden.
Zu Anfang bietet sich u.a. die Möglichkeit, den ohnehin in der Industrie anfallenden, bis jetzt
ungenutzten Wasserstoff zu verwenden.
Einen Vergleich der Schadstoffemissionen eines Otto- oder Dieselmotor und eines Wasserstoffmotors
anzustellen, ist müßig, da bei der Verbrennung von H2 außer geringen Mengen Stickoxids (fast) keine
Schadstoffe anfallen. Auch die Gegenüberstellung mit Elektroantrieben fällt zugunsten der "neuen
Technologie" aus, da Batterien zu schwer sind und zu lange Beladungszeiten aufweisen bei zu
geringer Reichweite.
Knackpunkt ist und bleibt die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit. Da noch keine Serienreife der
Wasserstofftechniken vorliegt, lassen sich keine konkreten Fakten vergleichen.
Nach einer Studie von Autoherstellern ist es möglich, Brennstoffzellen für unter 100,- DM/kW
herzustellen. Derzeit könnten Brennstoffzellen in Massenproduktion für 350,- DM/kW hergestellt
werden.
Nach Expertenmeinung stehen die Chancen dafür gut, daß Anfang des nächsten Jahrzehntes die
Marktreife erreicht sein wird. Marktführende Automobilfirmen streiten darum, als erste
Wasserstoffahrzeuge anbieten zu können. Spätestens im Jahre 2004 soll dieses Ziel erreicht sein. Bis
dahin sollen die Produktionskosten noch weiter reduziert werden, so daß z.B. komplette
Brennstoffzellenautos für den gleichen Preis wie herkömmliche Pkw verkauft werden können.
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14. Abkürzungen
Abb. Abbildung
AFC Alkaline Fuel Cell
AG Aktiengesellschaft
BAM Bundesanstalt f. Materialforschung
Bat. Batterie
BMBF Bundesmin. f. Bild., Wissen., Forsch. u. Technologie
BMW Bayerische Motorenwerke
BRD Bundesrepublik Deutschland
BSZ Brennstoffzelle
C Kohlenstoff
CARB california air resources board
CNG compressed natural gas
CO Kohlenstoffmonoxid
CO2 Kohlenstoffdioxid
DLR Deutsche Forschungsanstalt f. Luft- u. Raumfahrt
DMFC Direct-Methanol Fuel Cell
ECE Economic Comission for Europe
EMF äußere Gemischbildung
EQHHPP Euro-Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Project
EU Europäische Union
EUK Energieumwandlungskette
EZEV equivalent zero emission vehicle
FC Fuel Cell
FCEV Fuel Cell Electric Vehicle
FH Fachhochschule
Gew% Gewichtsprozent
GH2 gasious hydrogen
GJ Giga-Joule
GM General Motors
GmbH Gesellschaft mit beschränkter Haftung
h Stunde
H2 Wasserstoff
H2O Wasser
HC Kohlenwasserstoffe
HU unterer Brennwert
IAA Internationale Automobil Ausstellung
ICE Verbrennungskraftmaschinen = internal combustion engine
IMEP indicated mean effective pressure
IMF innere Gemischbildung
Ind. Industrie
K Kelvin
Kap. Kapitel
KK Kraftstoffkette
kW Kilowatt
kWh Kilowattstunde
LH2 liquid hydrogen
Lkw Lastkraftwagen
LNG liquid natural gas
MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
MD Drehmoment
Mio. Million
Mpa Mega-Pascal
Mrd. Milliarden
MTH Methylzyklohexan
MW Megawatt
n Drehzahl
Nm Newtonmeter
Nm3 Normqubikmeter
NOX Stickoxid
O Sauerstoff
p Druck
P Leistung
PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
Pb Blei
Pd Paladium
PEM Polymer Elektrolyt Membran = Proton Exchange Membran
PJ Peta-Joule
Pkw Personenkraftwagen
ppm parts per million
PS Pferdestärke
PSI Paul-Scherrer-Institut
Pt Platin
RPM revolutions per minutes
Ru Ruthenium
SKE Steinkohleeinheit
SOFC Solid Oxide Fuel Cell
SULEV Super Ultra Low Emission Vehicle
T Temperatur
Tab. Tabelle
TDC oberer Totpunkt = top dead center
Ti Titan
TÜV Technischer Überwachungsverein
U Umdrehung
ULEV Ultra Low Emission Vehicle
US$ nordamerikanischer Dollar
USA United States of America
VDI Verein Deutscher Ingenieure
Vol% Volumenprozent
1. Wasserstoff-Herstellung
Dampfreformer
Der Dampfreformer (Steamreformer) von Linde verfügt über eine Nennkapazität von bis zu 50.000
Normkubikmetern (Nm3) Reinwasserstoff pro Stunde und beliefert über ein Rohrleitungsnetz (100 km)
Großkunden in der Region Leuna/Bitterfeld. Ein Teil des Wasserstoffs wird in einer nachgeschalteten
Prozeßstufe auf eine Qualität von 99,999% gereinigt, verdichtet (mit bis zu 200 bar) und als
Reinstwasserstoff per Trailer zu Kunden in ganz Deutschland geliefert. Mit 820 Lieferstellen verfügt
die Firma somit über das dichteste Netz aller Gasanbieter. Dieses Verfahren deckt allein rund 60% der
Wasserstoffproduktion in Deutschland.
Im Dampfreformer wird aus Erdgas und Wasserdampf in einem Reaktor bei hohen Temperaturen
zunächst Wasserstoff, Kohlenmonoxid und -dioxid erzeugt und in einem zweiten Prozeßschritt der
Kohlenmonoxid-Anteil mit Dampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff konvertiert. Schließlich wird das
Produkt in einer Druckwechseladsorption von störenden Bestandteilen gereinigt.
Autothermer Reformer
Anstelle von Erdgas eignet sich auch Methanol zur Herstellung von Wasserstoff, da Methanol
ebenfalls aus einem sehr hohen Anteil von Wasserstoffmolekülen besteht.
Wie bereits ober erwähnt, stehen grundsätzlich die beiden Verfahren der Dampfreformierung (unter
Wärmezufuhr) sowie der partiellen Oxidation (unter Wärmefreisetzung) zur Verfügung, um
Wasserstoff auch aus Methanol freizusetzen.
Anfang des Jahres 1998 gelang es am Paul-Scherrer-Institut durch eine geeignete Kombination der
beiden Verfahren in einem "autothermen Reformer", die energetische Ausbeute (ausgedrückt z. B.
durch den Heizwert des produzierten Wasserstoffs) wesentlich zu steigern. Die WasserstoffProduktionsrate (16 000 Liter pro Stunde und pro Liter des Reaktorvolumens) übertrifft den besten
publizierten Wert um einen Drittel. Wenn es gelingt, auch die erforderlichen Zusatzaggregate klein zu
halten, kann eine wesentliche Forderung erfüllt werden, die zur Zeit noch die Hersteller von mobile
Brennstoffzellen beschäftigt:
Der Methanolreformer sollte weniger Gewicht und Volumen aufweisen als das
Brennstoffzellenaggregat, das die Leistung erzeugt (s. Brennstoffzelle).
Kværner-Verfahren
Dies ist die CO2-freie Erzeugung von Wasserstoff und Aktivkohle aus Erdgas oder Schweröl und
Strom. Seit Anfang der achtziger Jahre entwickelt die KVAERNER ENGINEERING S.A. aus
Norwegen einen sogenannten Plasmabogenprozeß, der Kohlenwasserstoffe bei ca. 1600°C in
Reinstkohle und Wasserstoff trennt. Zu diesem Prozeß, bei dem selbst keine nennenswerten
Emissionen auftreten, sind neben dem Primärenergieträger (Erdgas, Öl) Kühlwasser und Elektrizität
notwendig. Eine seit April 1992 arbeitende Pilotanlage stellt aus 1000 Nm3/h Erdgas und 2100 kWe
Leistung etwa 500 kg/h Reinstkohle (Aktivkohle) und 2000 Nm3/h Wasserstoff her. Als weiteres
Nebenprodukt wird Heißdampf mit einer Leistung von etwa 1000 kW erzeugt. Unter Berücksichtigung
aller potentiell verwertbaren Produkte arbeitet die Anlage mit fast 100% Wirkungsgrad, wovon etwa
48% im Wasserstoff, etwa 10% im Heißdampf und die restlichen 40% in der Aktivkohle enthalten sind.
Hochleistungs-Elektrolyseur
Wie bereits erwähnt ist die Elektrolyse nichts anderes, als die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff
und Sauerstoff. Demnach ist ein Elektrolyseur ein Aggregat, in dem diese Reaktion stattfindet.
Die GHW (Gesellschaft für Hochleistungs-Elektrolyseure zur Wasserstofferzeugung mbH), die 1988
von der Motoren- und Turbinen-Union Friedrichshafen (mtu-Friedrichshafen) mit einem Anteil von
40%, von Linde (40%) und den Hamburgische Electricitäts-Werken HEW (20%) gegründet wurde,
verfolgt folgende Idee:
Elektrische Energie aus Wind und Sonne, Wasserkraft oder konventionellen Systemen
Damit Wasserstoff in der mobilen Anwendung überall benutzt werden kann, ist eine flächendeckende
Wasserstoffversorgung notwendig, z.B. durch Tankstellenelektrolyseure.
Bis heute muß Wasserstoff - egal ob in gasförmiger oder flüssiger Form - häufig über lange Strecken
transportiert werden. Die Verflüssigung bzw. die Hochdruckverdichtung ist teilweise aufwendiger, als
der Aufwand zur Herstellung der Gase selbst.
mtu-Friedrichshafen:
"Mit einem Hochleistungs-Elektrolyseur, der vor Ort bedarfsabhängig betrieben wird, kann ein
Großverbraucher problemlos seinen Bedarf an Wasserstoff und Sauerstoff selbst decken. Diese
Versorgungsautakie ist in vielen Fällen wirtschaftlicher als die Versorgung über die Straße."
Vorteile:
Der Hochleistungs-Elektrolyseur arbeitet zum Einen als Speicher und zum Anderen als Wandler.
Elektrolytisch wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt und in beiden Gasen bis zur
Rückverstromung gespeichert. Wasserstoff ist selbst für große Mengen elektrischer Energie ein
idealer Speicher. Die Rückverstromung kann mit sehr hohem Wirkungsgrad in Brennstoffzellen oder
wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen geschehen.
Der Betriebsdruck in diesem Aggregat liegt bei 30 bar. Bei Nennlast ist ein Wirkungsgrad von 80%, bei
20% Last ein Wirkungsgrad von 90% möglich.
Der MTU-Elektrolyseur wird bereits an der Tankstelle am Flughafen München seit dem Sommer 1998
eingesetzt.
Biochemische Herstellung
Bakterien und auch Grünalgen produzieren unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff.
Purpurbakterien der Art Rhodospirillum rubrum beispielsweise können pro Kilogramm Biomasse
täglich bis zu drei Kubikmeter Wasserstoff erzeugen.
"Was in manchen Waldseen an die Oberfläche steigt, sind nicht nur Methan-, sondern auch
Wasserstoffblase"', sagt Sabine Tramm-Werner, Biotechnologin an der Rheinisch-Westfälischen
Hochschule (RWTH) Aachen.
Die Purpurbakterien leben in den tieferen Schichten der Seen und verarbeiten mit Hilfe des
Sonnenlichts die organischen Substanzen, die zu ihnen hinunterschweben. "Wenn sie zuviel Nahrung
bekommen und zugleich unter Stickstoffmangel leiden, geben sie Wasserstoff ab, um das Innere ihrer
Zellen im sicheren chemischen Gleichgewicht zu halten", erklärt Tramm-Werner.
"Unsere Arbeitsgruppe aus Bio- und Verfahrenstechnikern will binnen eines Jahres im
Freilandversuch eine kontinuierliche und energieautake Wasserstoffproduktion erreichen - und das mit
einer Mindestmenge von stündlich zwei Litern Wasserstoff pro Quadratmeter Kollektorfläche" steckt
Tramm-Werner das Ziel ab. Ein Vorteil von diesem Konzept gegenüber der Wasserstofferzeugung
über Solarzellen ist, daß keinerlei komplizierten und teuren Elektrolyse-Apparaturen nötig sind. Einen
Weg, Wasserstoff in Zukunft biochemisch billiger aus Traubenzucker zu gewinnen, zeigen Jonathan
Woodward und seine Kollegen vom Oak Ridge National Laboratory.
Der Trick der amerikanischen Wissenschaftler ist, daß sie eine bereits bekannte Methode
vereinfachen, Wasserstoff von Bakterien erzeugen zu lassen. So bedienen sie sich nicht mehr der
Mikroorganismen, sondern nur noch deren Enzyme. Diese beschleunigen biochemische Reaktionen
milliardenfach. Die Forscher nutzen zunächst einen solchen Biokatalysator, um Traubenzucker in
Glukonsäure zu überführen. Dabei wird Wasserstoff frei, wonach das Hilfsmolekül erneut Wasserstoff
vom Traubenzucker aufnehmen kann.
Die Enzyme stammen aus Archaebakterien, die in glimmenden Kohlehalden oder Tiefseevulkanen
vorkommen. Sie arbeiten bei 60°C, einer Temperatur, bei der die Reaktionen schnell ablaufen und
sich keine schmarotzenden Bakterien in der Traubenzuckerlösung breitmachen. Weiter verbessern
wollen die Forscher ihr Verfahren, indem sie ein drittes Enzym mit einbeziehen. [New Scientist, 1996]
2. Nachreinigung des Brenngases
An die Reinheit des produzierten Wasserstoffes werden höchste Anforderungen gestellt, denn
geringste Spuren von Kohlenmonoxid beeinträchtigen die Aktivität des Edelmetallkatalysators in der
Brennstoffzelle. Für das in Wasserstoff-Brennstoffzellen verwendete Platin wird ein Volumenanteil des
CO von 10 ppm als obere akzeptable Grenze angesehen. Solche Werte können nur mit einer
Nachreinigungseinheit erreicht werden. Reinster Wasserstoff kann durch Palladiummembranen mit
geeigneten Zusätzen abgetrennt werden, doch macht deren geringe Durchlässigkeit große
Membranflächen und die Verwendung hoher Drücke erforderlich. Das Problem daran ist wiederum,
daß große Membranflächen bei gegenwärtig verfügbaren Modulen in hohen Kosten resultieren und
hoher Drücke den Gesamtwirkungsgrad durch die erforderliche Kompression des Reformats
verschlechtern.
Um das Potential der Methode auszuloten, werden am Paul-Scherrer-Institut(PSI/Schweiz) neue
Membrantypen auf ihre Eignung im realen Reformatgas untersucht. Alternativ zur Membrantechnik
werden eine Reihe katalytischer Verfahren ausprobiert, wobei am PSI der "präferentiellen Oxidation"
der Vorzug gegeben wird. Die Aufgabe, kleinste Mengen von CO zu CO2 zu oxidieren, ohne den in
großem Überschuß vorhandenen Wasserstoff zu verbrennen, stellt eine Herausforderung an den
Entwurf des dafür eingesetzten Katalysators dar.
3. Wasserstoff-Speicherung
Unabhängig von diesen angesprochenen Möglichkeiten, Wasserstoff als Kraftstoff für
Fahrzeugantriebe zu nutzen, gibt es noch weitere Alternativen, die hier jedoch nur kurz angesprochen
werden sollen.
Falls der Wasserstoff-Technologie tatsächlich der Durchbruch gelingen sollte, wird dies sicherlich im
Brennstoffzellensektor geschehen oder als Ersatz für herkömmliche Treibstoffe bei
Verbrennungskraftmaschinen. Im Laufe der Entwicklung gab es jedoch weitere Versuche, die zum Teil
gar keine schlechten Aussichtschancen hatten und an denen teilweise immer noch geforscht wird.
Von daher ist es durchaus möglich, daß bei der Erfindung oder Entdeckung neuer Verfahren oder
Materialien auch andere Alternativen wieder hervorgeholt werden.
Gemeinsam haben diese Außenseiterverfahren, daß es bei ihnen um die Speicherung von
Wasserstoff geht. In diesem Gebiet gibt es jedoch eine große Menge von Möglichkeiten, die sich darin
unterscheiden, wie dieser Wasserstoff getankt, gespeichert und dann für den Antrieb genutzt werden
kann.
Metallhydrid
Es gibt Metalle, die große Mengen Wasserstoff sozusagen wie ein Schwamm "aufsaugen" und so
speichern und wieder abgeben können. Der Wasserstoff kann so in einer noch höheren Dichte als im
flüssigen Zustand gespeichert werden. Solche Verbindungen werden Metallhydride genannt (oder
Metall-Wasserstoff-Legierungen oder Wasserstoffschwämme). Der Wasserstoff läßt sich, trotz der
hohen Speicherdichte im Metallhydrid, unter niedrigem Druck beladen und entnehmen. Die
Speicherung von Wasserstoff in Metallhydriden ist von allen Varianten bei weitem die sicherste und
deswegen für Autos besonders interessant.
[Schlapbach, 1998]
Der Wasserstoff steht hierbei gasförmig zur Verfügung. In dieser Art kann jeder herkömmliche
Benzinmotor problemlos mit Wasserstoff betrieben werden.
Viele elementare Metalle, intermetallische Verbindungen und ein- oder mehrphasige Legierungen sind
in der Lage, Wasserstoffatome zwischen die Metallatome einzulagern und chemisch zu binden.
i-Ti2Ni oder Mg-Mg2Ni
Es handelt sich um gewisse Legierungen und metallische Verbindungen, die - bei normaler
Temperatur und geringem Überdruck - Wasserstoff unter Wärmeentwicklung absorbieren bzw.
aufnehmen und ihn bei Druckverminderung unter Wärmezufuhr wieder abgeben bzw. desorbieren.
Für praktische Anwendungen als Auto-Speichertank kommen nur Metallhydride niedriger
Desorptionstemperatur in Frage, zudem müssen sie rasch ab- und desorbieren und nicht zuletzt
preiswert sein. Ein Hydridspeicher auf Titan-Basis desorbiert zwar knapp über Raumtemperatur (zur
Desorption von Hochtemperatur-Hydriden würde die Energie der Auspuffgase nicht ausreichen), faßt
aber bei 280 kg Masse nur den Energiegegenwert von elf Liter Benzin (er ist also rund 25-mal so
schwer wie ein voller Benzintank). Metallhydridspeicher hatten 1994 das 25fache Gewicht und das
zehnfache Volumen von herkömmlichen Benzintanks. Bezüglich derartiger Zusatzmassen ist zu
berücksichtigen, daß 100 kg weniger Gewicht eine Kraftstoffeinsparung von bis zu 0,3 Liter auf 100
km bringen.
Vor- und Nachteile:
+ im Vergleich zu Druckgasflaschen und Kryospeichern für flüssigen Wasserstoff sichere,
kompakte Speichermethode
+ der desorbierte Wasserstoff ist ultrarein
+ kompakte Bauweise
+ niedrige Drücke
- schwere Speicher, enthalten nur wenige Gew.% Wasserstoff
- geringe Reichweite
- lange Betankungszeit
Anfang der siebziger Jahre entschieden sich die Forscher bei Daimler-Benz zur Entwicklung eines
fahrzeugtauglichen Metallhydridspeichers. Eine spezielle Legierung auf der Basis von Titan,
Vanadium und Mangan erwies sich am geeignetsten, um Anforderungen wie möglichst große
Reichweite, schnelle Wiederbetankung (in ca. 10 min) und problemloses Verhalten beim Kaltstart zu
erfüllen. 1975 fuhr das erste Fahrzeug der Welt mit einem Wasserstoff-Hydridspeicher. Genau zehn
Jahre später (1985) gründten Daimler-Benz und Mannesmann in Mülheim/Ruhr eine gemeinsame
Tochtergesellschaft: die Gesellschaft für Hydrid- und Wasserstofftechnik GmbH (HWT).
1984 bis 1988 gab es Versuche in Berlin, die die grundsätzliche Alltagstauglichkeit des
Wasserstoffantriebs mit Metallhydrid-Speicher und äußerer Gemischbildung erwiesen. Bei diesem
Flottenversuch wurden zehn Kombi-Pkws und ein Kleintransporter eingesetzt, die dem ärztlichen
Notfalldienst dienten und zum Senatsfuhrpark gehörten. Sie wurden an einer eigens gebauten
Tankstelle aufgetankt.
Deren Speicher waren aus zwei oder drei Modulen zusammengesetzt, wovon jeder 140 kg wog und
85 kg Pulver einer Titan-Vanadium-Mangan-Legierung enthielt. Diese Menge Pulver konnte 1,5 kg
Wasserstoff mit dem Energieinhalt von 5,5 l Benzin binden. Der Füllvorgang mit 50 bar über
Schlauchleitungen und Schnellverschlußkupplung (und Kühlung zur Abfuhr der HydridBildungswärme) nahm etwa 10 min in Anspruch. [Weber, 1988]
Zehn Jahre später hat sich die Situation leicht verändert. Mittlerweile gab es häufige Meldungen von
neuen Superlegierungen, die eine vielfach höhere Speicherkapazität aufweisen sollten. Es gibt zwar
neue bessere Metallhydride, schlüssige Konzepte jedoch noch nicht, so daß der Durchbruch noch
etwas auf sich warten läßt.
Neusten Meldungen zu folge gibt es jetzt "Graphit Nanofaser". erfunden haben Nanofibers die
Chemnikerin Nelly Rodriguez und ihr Team von der Northeastern University in Boston/Massachusetts.
Die Mikrofasern sollen eine unglaubliche Speicherkapazität haben, die alle bisherigen
Wasserstoffspeicherverfahren übertreffen soll und damit das Problem der Wasserstoffspeicherung
lösen kann. Jedes Gramm Kohlenstoff ergibt etwa 30 l Wasserstoff. Dies liegt vermutlich an dem
hohen kristallinen Anteil zwischen den Kohlenstoffgitter-Ebenen, wo sich die Wasserstoffatome fest
und dicht gepackt anlagern können. Der genaue Anlagerungsmechanismus ist jedoch noch nicht
geklärt.
Wird der Druck reduziert, können bis zu 95% der adsorbierten Wasserstoffmenge wieder freigesetzt
werden. Ein Fahrzeugtank von etwa 25 l Volumen und 87 kg Masse soll bis zu 8.000 Kilometer
Reichweite ermöglichen.
Allerdings kann der Tank nur vier bis fünfmal gefüllt werden. Was danach passiert, ist noch unklar.
Laut Aussagen der Forscher sollen die Mikrofasern nicht sehr teuer sein.
"Mit einem Tank, der 50 kg wiegt, könnte man 8000 km weit fahren!", schwärmte Dr. Ferdinand Panik,
Leiter des "Projekthauses Brennstoffzelle" bei Daimler Benz.
[Morawietz, 1998]
MTH
Die Buchstaben MTH sind ableitet von Methylzyklohexan, dem Stoff, der letzten Endes als Kraftstoff
für diese Alternative zu Verfügung stehen sollte. Die Grundidee dieser Variante kam 1975 aus den
USA, und wurde 1979 am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz zusammen mit der ETH Zürich
weiterentwickelt. Man tankt eine Flüssigkeit, an die Wasserstoff chemisch gebunden ist. Mit Hilfe der
Auspuffhitze wird dieser Wasserstoff in einer bordeigenen Anlage abgetrennt und die Restflüssigkeit
belädt man später von neuem mit Wasserstoff.
Im Einzelnen sieht dieses Verfahren so aus:
1. Schritt: Bindung:
Wasserstoff wird chemisch an den Benzinzusatz Toluol gebunden. Dabei entstehen aus 1kg
Wasserstoff und 15 kg Toluol 16 kg der Flüssigkeit Methylzyklohexan.
2. Schritt: Dehydrierung:
Methylzyklohexan wird mittels eines Katalysators wieder in Toluol und Wasserstoff zerlegt, und zwar
am Ort, wo der Wasserstoff gebraucht wird.
3. Schritt: Wiederbeladung:
Das übriggebliebene Toluol wird mit neuem Wasserstoff beladen.
Es gab in den achtziger Jahren bereits weitreichende Versuche mit diesem Verfahren.
-1) unternommen. Die DehydrierAnlage maß 25 m3, was der gesamten Ladefläche des Lkws (16 Tonner) entsprach. Die Dehydrierung
an sich wurde mit Propangasbrennern vorgenommen.
H-2. Die Dehydrier-Anlage maß nur noch 8,7 m3 (30% der Ladefläche), und wog
3,6 t. Die Dehydrierung geschah mit heißen Auspuffgasen und Wasserstoffbrennern. Bei dem Motor
handelte es sich um einen 110-kW-6-Zylindermotor.
-3. Die Dehydrier-Anlage wog nur noch 950 kg bei einem Volumen von 2,5 m3.
Toluol ist wie Metallzyklohexan leicht zu handhaben und beliebig lange lagerbar, dient also nur als
Wasserstoffträger und wird in diesem Kreislauf nicht verbraucht.
Das Ziel von Prof. M. Taube vom PSI war, den von der Schweiz im Sommer produzierten
Überschußstrom dazu zu nutzen, per Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen und damit derartige
Fahrzeuge antreiben zu können.
4. Brennstoffzellentypen
4.1. PAFC
Phosphorsäure-Elektrolyten (PAFC = Phosphoric Acid Fuel Cell)
Sie ist am weitesten für stationäre Anwendungen entwickelt (Kraftwerke, vor allem bei Kraft-WärmeKopplung).Der Leistungsbereich liegt bei 0,1-10 MW.
Da diese Zelle sowohl Kohlendioxid als auch bis zu 2% Kohlenmonoxid toleriert, kann sie vorwiegend
mit reformiertem Erdgas und Luft betreiben werden, allerdings mit niedrigeren Wirkungsgraden als
andere Typen.
Ladungsträger sind wie bei der PEM Protonen H+, der Elektrolyt ist reine Phosphorsäure. Die
Arbeitstemperatur liegt bei 200°C. Sie weist einen relativ hohen elektrischen Wirkungsgrad von 40%
bei gleichzeitiger Wärmeauskopplung auf.
4.2. MCFC
Karbonatschmelze-BSZ (MCFC = Molten Carbonate FC bei 650°C)
Der Betrieb erfolgt mit vorgeschalteter Gasreinigungsanlage bei hohen Temperaturen von rund 650°C.
Bei diesen Temperaturen zerbrechen die organischen Kohlenwasserstoffe der Energieträger in der
MCFC in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Als Energieträger kann unter diesen Umständen vieles
dienen (Erd-, Kohle-, Bio-, Deponiegas). Bei einer Karbonatschmelze-Brennstoffzelle besteht der
Elektrolyt in den Zellen aus Kalium- und Lithiumkarbonat, beides sehr preisgünstige Materialien. Das
Karbonat muß soweit erhitzt werden das es schmilzt - erst dann sind die Ionen der Karbonatsalze
beweglich und können die Elektronen transportieren (Ladungsträger sind CO3-Ionen). Dank
Abspeckung der Nebenaggregate und Rohrleitungssysteme ist das "Hot Modul" jetzt klein und
kompakt und somit marktfähig. Es kann bis zu 10 MW Leistung erzeugen und erreicht recht gute
Wirkungsgrade im stationären Betrieb.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen können direkt mit Erdgas oder anderen kohlenwasserstoffhaltigen
Brenngasen betrieben werden, da die Reformierung zellintern in der Anodenkammer stattfinden kann.
Da der Aufheizvorgang einer MCFC mehrere Stunden in Anspruch nimmt, eignen sich MCFC
ausschließlich zum Einsatz im Grundlastbetrieb. [Heuser, 1995]
Sowohl MCFC, als auch SOFC sind unempfindlich gegen Kohlenoxiden. Die Gasreinigung beschränkt
sich auf die Entfernung von Schwefel- und Chlorverbindungen
4.3. AFC
Alkalische Brennstoffzelle (AFC = Alkaline Fuel Cell)
Sie ist die zuerst entwickelte Brennstoffzelle, die als Niedertemperaturzelle für mobile Anwendungen,
Raumfahrtprogramme und Unterwasserfahrzeuge eingesetzt worden ist. Mittlerweile erscheint sie nur
noch für den stationären Betrieb geeignet. Obwohl diese Zelle mit höherem Wirkungsgrad im
Vergleich zu den anderen Typen arbeiten kann, ist das Interesse an der AFC abgeflacht. Die
energieliefernden Reaktionen verlaufen langsamer und dieser Typ kann nur mit reinem Wasserstoff
und Sauerstoff arbeiten. Die Ladungsträger im Elektrolyten sind OH--Ionen. Die Arbeitstemperatur
liegt bei 60-80°C bei einem Druck von 2 bar.
4.4. DMFC
Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) wandelt Methanol ohne vorherige Reformierung direkt in
elektrische Energie. Für eine gute Reaktionskinetik und eine einfache Verfahrenstechnik wäre ein
druckloser Betrieb bis 200°C ideal, der neue, wasserfreie Membranen benötigt. Die DMFC weist eine
hohe Speicherdichte auf und bietet damit eine große Fahrzeugreichweite. Sie hat nur eine geringe
Systemkomplexibilität und bestehende Betankungsverfahren können beibehalten werden.
Für eine möglichst schnelle Kinetik und zur Vermeidung von Katalysatorvergiftungen sind
Betriebstemperaturen im Bereich 100-200°C wünschenswert. Als Elektrolyt bisher verwendete
wasserhaltige Membranen trocknen bei Temperaturen oberhalb 100°C aus und besitzen keine
ausreichende Leitfähigkeit mehr. Nur im aufwendigeren Betrieb unter Druck sind Temperaturen von
130-140°C möglich, dabei ist aber die Materialstabilität der eingesetzten Membranen im Dauerbetrieb
kritisch. Deswegen werden nun in einem Verbundprojekt phosphorsäuregedopte, temperaturstabile
Membranmaterialien getestet. Basismaterial ist Polybenzimidazol PBI, bekannt als
hochtemperaturstabile Textilfaser für Schutzkleidung. Dieses Material zeigt gute Leitfähigkeit für
Protonen und trocknet nicht aus. Derartige Membranen können deshalb drucklos bis 200°C betrieben
werden.
Methanol wird an der Anode unter Abgabe von Elektronen und Protonen zu Kohlendioxid oxidiert, an
der Kathode erfolgt unter Aufnahme der Elektronen und Protonen die Reduktion von Sauerstoff zu
Wasser. Als Elektrolyt zum Protonentransport dient eine polymere Ionenaustauschmembran.
4.5. SOFC
Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC = Solid Oxide FC)
Der fester Elektrolyt aus Oxidkeramik (Zirkonoxid) wird im Betriebstemperaturbereich von 950 - 1000
°C ionenleitend. Bei niedrigeren Temperaturen reicht die Leitfähigkeit der Ladungsträger
(Sauerstoffionen) des Elektrolyten für einen stärkeren Stromfluß in aller Regel noch nicht aus.
Elektrolyt in einer SOFC ist üblicherweise eine wenige zehntel Millimeter dicke Schicht aus Yttriumstabilisiertem Zikoniumdioxid. Die einzelnen Schichtsysteme aus Kathode, Elektrolyt und Anode
werden im eingebauten Zustand (in Stacks) jeweils durch bipolare Platten voneinander getrennt.
Brennstoff und Oxidationsmittel könne die gleichen sein wie bei der MCFC, aber der Wirkungsgrad ist
noch höher.
Um das SOFC-Konzept rentabler zu machen, müssen weniger teure Spezialmaterialien eingesetzt
werden. Dies geht jedoch nur, wenn geringere Temperaturen herrschen. Kernstück der Brennstoffzelle
ist der Elektrolyt, dessen Dicke gleich der Diffusionsstrecke der Sauerstoffionen ist. Je länger die
Diffusionsstrecke, desto höher muß die Temperatur sein.
Im April 1998 wurde nun die Schichtdicke des Elektrolyten drastisch reduziert auf ein bis zwei
Hundertstel Millimeter. Weil damit die Trägerfunktion des Elektrolyten wegfiel, die Brennstoffzelle
quasi zu instabil wurde, wurde die Anode als tragendes Element umfunktioniert. "Durch das neue
Zellendesign, das sogenannte Substratkonzept, konnten wir die Betriebstemperatur ohne
Leistungsverlust um rund 200°C senken. Bei 750°C erreichen wir im Augenblick eine elektrische
Leistung bis zu 0,2 Watt pro Quadratzentimeter Zellfläche", erklärt Dr. Vinke vom PSI. Damit sind
keine Spezialwerkstoffe mehr notwendig. Z.B. reichen Eisen-Chrom-Metalle völlig aus. Weiterer
Vorteil ist, daß mit geringerer Temperatur auch die Alterung langsamer verläuft, sich somit also die
Lebensdauer erhöht.
Die Weiterentwicklung der neuen SOFC ist jedoch gefährdet, weil Finanzmittel fehlen. Notwendig
wären Prüfstände, die die Lebensdauer testen. Die kosten um die 100.000,- DM und etwa zehn davon
werden benötigt. Verglichen aber mit den rund 1,5 Mrd. DM, die die Entwicklung eines neuen Autos
mit herkömmlicher Technik kostet, sind dies Peanuts. Das Bundesministerium für Bildung,
Wissenschaft, Forschung und Technologie sieht sich jedoch außerstande, weiter zu finanzieren, da
diese Forschung nicht innerhalb der nächsten zwei Jahre fertig wird.
5. Vergleich AFC - PEM
Bei Überlegungen hinsichtlich der Weiterentwicklung von Wasserstofftechniken stellt sich die Frage,
ob der wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotor oder die Brennstoffzelle die beste Lösung für die
Probleme darstellt. In Bezug auf die Brennstoffzelle muß jedoch unterschieden werden, welcher Typ
am ehesten geeignet ist für die mobile Anwendung. Deswegen soll die nachstehende
Gegenüberstellung zwischen der alkalischen Brennstoffzelle und der PEM die jeweiligen Vor- und
Nachteile verdeutlichen.
Um den Rahmen nicht zu sprengen wird bei der Diskussion lediglich auf die Punkte eingegangen, die
für den mobilen Einsatz relevant sind.
Tab. 14: Vergleich AFC und PEM: charakteristische Unterschiede
AFC
+ geringe Überspannung der Sauerstoffreduktion
+ hohe spezifische Leitfähigkeit des Elektrolyten
+ preisgünstige Materialien (Kunststoffe) verwendbar
+ einfache Herstellungstechniken ermöglichen Kostensenkung
+ keine Edelmetalle notwendig
- flüssiger, alkalischer Elektrolyt
- Dichtungstechnik BSZ-Block / Elektrolytkreis aufwendiger
- Separator als Elektrolytmatrix erforderlich
- bei Luftbetrieb CO2-Abreicherung oder Adsorption notwendig
PEM
+ geringe Überspannung der Wasserstoffoxidation an Platin-aktivierten Anoden
+ Dünnschichtstrukturen ermöglichen hohe Leistungsdichten
- Membrankosten sehr hoch
- Edelmetallkatalysatoren nicht zu substituieren, deswegen teuer
- Herstellungstechnik der Elektroden / Membran-Strukturen aufwendig
+ CO2 inerter Elektrolyt
- sorgfältige Kontrolle der Wassergleichgewichte / Gradienten in Membran und Gaskreislauf notwendig
+ Elektrolytmembran gleichzeitig Gas-Separator+ Festelektrolyt; kein Elektrolytkreislauf
- Sauerstoffreduktion und Kathodenpermeabilität begrenzen Kinetik
Quelle: ZSW, DLR, LBST, "Bedeutung, Einsatzbereiche und technisch-ökonomische
Entwicklungspotentiale von Wasserstoffnutzungstechniken", Band I: Energetische Nutzungstechniken,
März 1992, Stuttgart
Ein großer Vorteil der PEM gegenüber anderen Brennstoffzellen ist die hohe Leistungsdichte, die eine
kompakte Bauweise ermöglicht. Die AFC weist zwar eine hohe spezifische Leistungsfähigkeit auf, dies
reicht jedoch noch nicht, um klein bauen zu können. Für Busse wird sie jedoch bereits verwendet.
Dazu kommt, daß die Elektrolytmembran zwei Funktionen bei der PEM übernimmt: sie ist gleichzeitig
der Gasseparator, wobei bei anderen Typen z.B. eine Elektrolytmatrix notwendig ist.
Zudem ist der Elektrolyt ein Festmaterial und bedarf so keines separaten Flüssigkeitskreislaufes.
Demgegenüber stehen hohe Material- und Herstellungskosten, da Edelmetalle benötigt werden und
die Technik für den Bau der Elektroden/Membran-Struktur relativ aufwendig ist.
6. Meinungen
Die kritische Haltung der alten Bundesregierung schlägt sich auf den Bericht des Umweltbundesamtes
nieder.
"In Bereichen der stationären Energieversorgung erscheint ihr Einsatz (Brennstoffzellentechnologie,
Anm.) sinnvoll und entwicklungsfähig, da sie in ausgewählten Bereichen bereits fossile Energieträger
wesentlich effizienter in Strom- und Nutzwärme wandeln kann als bisherige Kraftwerke oder
Wärmeerzeuger. Anders sieht es beim Einsatz der Brennstoffzellentechnologie in Fahrzeugen aus.
[...]
Der Einsatz von Wasserstoff im Verkehr ist aufgrund der hohen Energieverluste bei der Herstellung
und Aufbereitung des Energieträgers nicht zu befürworten. Daneben ist die direkte Nutzung von
Erdgas gegenüber der Herstellung von Methanol für eine nachhaltige Nutzung der Ressourcen
vorzuziehen. Im Vergleich zu einer Nutzung von regenerativer Energie im Verkehr ist der Einsatz fossil
betriebener Kraftwerke durch elektrische regenerative Energie wesentlich sinnvoller, als der Ersatz
von benzinbetriebenen Kraftfahrzeugen durch Wasserstoffantriebe jeglicher Art. Das Beispiel einer
exemplarischen Kosten-Nutzen-Analyse für zukünftige, verhältnismäßig kostengünstige
Brennstoffzennenantriebe hat gezeigt, daß durch verbrauchsoptimierte Fahrzeuge mit Ottomotor mit
niedrigsten Abgasemissionen Emissionsminderungen und Ressourcenschutz kosteneffizienter
realisiert werden können als durch Brennstoffzellenfahrzeuge." [Kolke, 1998a]
Reinhard Kolke äußert sich in einem Vortrag "Der Einsatz von Brennstoffzellenantrieben und
notwendigen Komponenten ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt wenig untersucht". "Der Einsatz von
Wasserstoff im Verkehr ist aus heutiger Sicht nicht sinnvoll." [Kolke, 1996]
Im Umweltbundesamt kursiert die Ansicht, daß das ULEV-Fahrzeug bereits eine beachtenswerte
Emissionsreduktion von 50-85% ermöglicht. Diese Reduzierung der direkten Emissionen sei
ausreichend, um die gesteckten Ziele der Luftqualität zu erreichen. Eine weitere Reduzierung der
direkten Emissionen sei nicht notwendig. Als Ergebnis könne demnach festgestellt werden, daß das
Brennstoffzellensystem inklusive der Speicherung mindestens 4,5 bis 5 mal so teuer sei wie das
ULEV-Konzept. [Kolke, 1997]
"Auch Studien der DLR (Nitsch et al., 1997) kommen zu dem Schluß, daß keine Notwendigkeit einer
raschen Markteinführung von Wasserstoff im Rahmen einer effizienten Klimapolitik besteht." [Kolke,
1998b]
Prof. Bernd Höhlein von der Fachhochschule Aachen/Jülich sagt zu diesem Thema:
"Bei aller Freude über die geringen Abgaswerte und den deutlich reduzierten Treibstoffhunger der
Testautos darf man eines nicht vergessen: Nur wenn, sozusagen vom Bohrloch - das heißt vom
Primärenergieträger - bis zum rollenden Rad, die Gesamtbilanz von Energiebedarf und
Schadstoffausstoß sowie die Kosten stimmen, hat die Brennstoffzelle wirklich eine Chance."
Mit Hilfe von Rechnersimulationen im Forschungszentrum Jülich analysieren und vergleichen
Ingenieure die unterschiedlichen Energieumwandlungsketten (EUK) des Straßenverkehrs. Zu den
berücksichtigten Kriterien zählen u.a. der spezifische Energiebedarf eines Fahrzeugs, der
Primärenergiebedarf der kompletten EUK sowie die Schadstoffemissionen des Fahrzeugs und der
vorgelagerten Prozeßschritte. Diese Berechnungen haben gezeigt, daß die Brennstoffzelle auch in
den beiden entscheidenden Fragen nach Energiebedarf und Umweltverträglichkeit mehr als
konkurrenzfähig ist.
Prof. B. Höhlein:
"Eine Reduktion der CO2-Produktion um rund 40% ist möglich. Beim CO erwarten wir etwa ein
Hundertstel, bei den Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen etwas mehr als ein Zehntel
der Vergleichs-EUK. [...] Wenn wir das derzeit praktikabelste System - das Wasserstoffbetriebene
Brennstoffzellenauto mit bordeigener Reformierung von Methanol zu Wasserstoff - betrachten, dann
stellen wir fest, daß der spezifische Energiebedarf gut 40% unter dem des Benzin-betriebenen
Referenzfahrzeugs mit Verbrennungsmotor liegen könnte. Dieses verbraucht in unserer Studie nach
dem "Neuen Europäischen Fahrzyklus" fünf Liter auf 100 Kilometern."
Zitate
Joschka Fischer, deutscher Außenminister, März 2002, Wasserstoff-Kongress der Grünen in Berlin:
"Ohne Nachhaltigkeit kein Frieden."
"Wenn wir eine gerechte Verteilung der Energieressorcen wollen - und dies ist die Voraussetzung für
Frieden - geht es nicht ohne die Umstellung auf eine nachhaltige Wirtschaft."
"Wir brauchen eine echte Revolution in der Energiewirtschaft."
"Eine echte Revolution verspricht die Vision der Wasserstoff-Wirtschaft."
"Wir stehen hier erst am Beginn, ich hoffe am Beginn des Wasserstoff-Zeitalter."
Joseph J. Romm, Assistenz-Sekretär für Energieeffizienz und erneuerbare Energien beim USMinisterium für Energie:
"Die Informationsrevolution und die kommende Energierevolution sind ähnlich darin, daß wir
menschlichen Scharfsinn nutzen, um Energie und Rohmaterialien zu ersetzen. Wir können die
Informationstechnologie benutzen, um Verkehr und Transport zu verhindern. Und wir können die
Energietechnologie benutzen, um den Energieverbrauch, die Luftverschmutzung und den Verbrauch
von natürlichen Ressourcen zu reduzieren. Beide Revolutionen repräsentieren einen fundamentalen
Wechsel in eine Welt, in der wir nicht ressourcengebunden sind, obwohl wir einen höheren
Lebensstandard haben."
Sandy Thomas, Forscher bei Directed Technologies Inc., der für Ford Brennstoffzellenprogramme
entwickelt:
"Wenn ich 1% vom Budget für Nuklearwaffen vom Energieministerium nehmen könnte und es für
Brennstoffzellen ausgeben könnte, würde dies 10 Jahre Forschungsarbeit für Wasserstoff
ausmachen."
Für Nuklearwaffen werden $4 Mrd. ausgegeben, für alle Brennstoffzellenprogramme insgesamt $90
Mio.
William Hoagland, Präsident von Hydrogen 2000:
"Da gibt es eine Menge politische und andere Kräfte, die die konventionelle Mineralölstruktur
unterstützt. Wir haben keine Wasserstoffindustrie oder eine öffentliche Anhängerschaft, die nach
einem Wechsel ruft."
Einen relativ kritischen Standpunkt gegenüber den angesprochenen Systemen vertritt Greenpeace.
"Wasserstoffmotoren-Konzepte sind wegen Transport-, Speicher- und Sicherheitsproblemen bis auf
weiteres nicht praktikabel. Der energetische Gesamtwirkungsgrad der Kette von der WasserstoffErzeugung bis zur Nutzung im Fahrzeug ist bei der gegenwärtigen Infrastruktur sehr schlecht. Eine mit
regenerativ erzeugtem Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle allerdings würde eine energetisch und
emissionsseitig sehr günstige (ferne) Zukunftsoption darstellen. Greenpeace hofft, daß hier schnell
Fortschritte erzielt werden." [Worm, 1996]
Die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technik gilt als die Zukunftstechnologie des neuen
Jahrtausends. Innerhalb der letzten Jahre sind ungeheuer viele neue Projekte in Angriff genommen
worden, so dass es schwierig ist, den Überblick zu behalten.
Hier sind einige dieser Projekte und Aktivitäten aufgelistet - allerdings mit dem Stand von 1999.
Aktuellere Informationen gibt es in den Büchern von Sven Geitmann.
1. Ballard
Bei der Firma "Ballard Power Systems" handelt es sich um den inzwischen wohl größten
Brennstoffzellenhersteller weltweit.
Der Gründungsvater Geoffrey Ballard, Erfinder und Unternehmer, bezeichnet als Pionier der
Brennstoffzellen-Technik, sagte einmal über seinen Traum: Ich will, daß "meinen Enkeln eine bessere
Umwelt garantiert wird."
Firoz A. Rasul, Ballard-Präsident:
"Der Bekanntheitsgrad von Ballard und seinen Bemühungen ist 1997 enorm gestiegen und ist in
vielen führenden Magazinen erschienen. Brennstoffzellen, mit ihrer Aussicht auf saubere, effiziente
Energie, haben sich in den Mittelpunkt geschoben."
Ballard Power wird von zwei Analysten im US-Anlegermagazin "Barron`s" als eine der zehn
aussichtsreichsten Aktien der kommenden Jahre bezeichnet und dabei in einem Atemzug mit ungleich
größeren Multis wie Hewlett-Packard, Royal Dutch Shell oder Sony genannt. Mittlerweile gibt es
zahlreiche Kaufempfehlung der Ballard-Aktie. Wer glaubt, daß mit Umweltschutz am Aktienmarkt kein
Geld zu verdienen ist, muß sich anscheinend eines Besseren belehren lassen: Die Aktie von Ballard
Power Systems verzeichnet seit Anfang 1997 etwa 300% Kursgewinn. Mittelfristig dürfte sich der
Anstieg fortsetzen.
Im Laufe der Jahre hat sich Ballard vom kleinen Betrieb zu einem wichtigen Entwicklungsunternehmen
entwickelt. Neben Brennstoffzellen für die mobile Anwendung plant und produziert die Firma auch
stationäre Generatoren.
Ballard Generation Systems (BGS) und ALSTHOM versorgen den europäischen Markt bereits mit
Kraftwerken. BGS wird ab 1998 die Alpha-Einheit einer 250 kW Anlage bauen und testen, um sie
2001 auf den Markt zu bringen. Die Leistung von diesem Generator reicht aus, um z.B. kleine Hotels
oder Einkaufszentren versorgen zu können.
Schwerpunkt bei Ballard ist die Forschung und Weiterentwicklung von Brennstoffzellen für Autos und
Busse. Bezüglich der Fortschritte im Bussektor sind folgende Meilensteine zu verzeichnen:
-Emission-Vehicle Bus) mit 125 PS/90 kW
Bus) mit 275 PS/205 kW, 400 km Reichweite
in Chicago von CTA getestet wird.
Dieses jetzt in Angriff genommene Demonstrationsprogramm ist in Zusammenarbeit mit dem
Umweltministerium von Chicago und Ballard entstanden. Die Busse werden von der Chicago Transit
Authority (CTA), Chicago/USA, im öffentlichen Verkehr eingesetzt und sind somit weltweit die ersten
zero-emission Brennstoffzellenbusse im normalen Personenverkehr.
Jeder der drei Busse kostete $1,6 Mio. Die Tankstelle mit dem Wasserstoff kostete $9 Mio.
Ebenfalls drei Busse mit Brennstoffzellenantrieb gehen als Prototypen für den Stadtverkehr an die BC
Transit, British Columbia/Kanada.
Entwicklung und Kosten:
Ballard hat eine Studie veröffentlicht, nach der jährlich weltweit schätzungsweise 170.000 Busse
verkauft werden, wobei allein die USA 30% davon tragen. Mittelklasse Busse für Flughafenverkehr
und Vororte werden jährlich weltweit ca. 75.000 verkauft. Ballard plant dafür einen 100 kW MethanolBus (135 HP) für 30 Personen mit einer Reichweite von 550 km heraus zu bringen.
Die kanadische Firma baut einen Prototypen für die Universität Georgetown mit einem "onboard"Reformer, um Methanol in Wasserstoff zu spalten. Dieser Prototyp soll 1999 fertig und in den Jahren
2001-02 auf dem Markt sein. Die Kosten für diesen Typ werden sich vorerst auf ca. $55.000 belaufen,
bis zum Jahr 2005 abnehmend auf $12.000. Vergleichsweise kostet eine Dieselmaschine $14.000.
Der von CTA getestete Bus (275 HP) für 65-75 Personen mit einer Reichweite von 550 km wird 1999
auf dem Markt erwartet. Die Kosten für den Motor werden sich voraussichtlich auf $240.000 belaufen,
günstiger werdend bis zum Jahr 2005 auf $30.000. Der gesamte Fahrzeugpreis wird geschätzt auf
$550.000 ($300.000 im Jahr 2005). Zum Vergleich kosten herkömmliche Dieselbusse $225.000,
Erdgasbusse $300.000 und Elektrobusse (Oberleiter) alles in allem $600.000.
Bei Schwerlastwagen (8-Tonner) ist ein Bedarf von ca. 900.000 Stück weltweit. Ballard sieht für
diesen Bereich eine Methanolmaschine mit 200 kW (250 HP) ähnlich dem 275 HP vor.
Bei den Autos liegt der Bedarf insgesamt bei 30 Mio. jährlich. Ballard plant gemeinsam mit DaimlerBenz einen Methanol-Pkw mit 50 kW (70 HP). Der Prototyp könnte 2000 fertig sein. Der Verkauf
könnte 2003-2004 beginnen. Der Preis für den Motor beträgt $10.625; runter bis 2005 auf $3.375.
Zum Vergleich: ein Verbrennungsmotor kostet $3.000-4.000.
Tab. 1: geschätzte Kostenentwicklung in US-Dollar pro Kilowatt und geschätzte Entwicklung der
Gesamtleistung in Megawatt
1998
Auto
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
65
45
32
29
26
[$/kW]
Bus
[$/kW]
500
400
200
150
120
100
Ges.leist.
[MW]
-
1
3
8
36
150 2310 6150 11700 20500
65
45
40
35
Quelle: Ballard
Brennstoffzelle:
Es ist Ballard in den letzten Jahren gelungen, die Leistungskonzentration der mit Wasserstoff
betriebenen Brennstoffzelle wesentlich zu erhöhen (1 kW/kg bzw. 2 kW/l ohne zugehörige Systeme;
0,15 kW/kg im Stapel für Fahrzeuge).
1995 erreichten Ballard/Daimler lediglich eine Leistungsdichte von 1000 Watt/Liter.
Tab. 2: Vergleich verschiedener Autofabrikanten
BSZ
Hersteller Fahrzeug Datum Kraftstoff Dichte
Leistun
g
Ballard
Daimler
NECARI
1994
Wg
180W/l
Ballard
Daimler
NECARII
1996
Wg
1000W/l 50kW
Ballard
Daimler
NECARIII
1997
Mf
1000W/l 50kW
Toyota
Toyota
FCEV
1996
Wg
167W/l
20kW
Toyota
Toyota
FCEV
1997
MF
193W/l
25kW
DeNora
Renault
FEVER
1997
Wf
130W/l
30kW
50kW
Quelle: Ballard
Wg: Wasserstoff, gasförmig
Wf: Wasserstoff, flüssig
Mf: Methanol, flüssig
Die Stacks tragen 40% für die Brennstoffzelleneinheit bei. Der Elektrolyt der PEM ist abgeleitet von
Teflon.
Anstelle diese Elemente weiterhin von Dow oder DuPont zu kaufen, hat Ballard ein eigenes Verfahren
entwickelt und könnte so die Kosten hierfür auf ein Siebtel reduzieren.
Um die Kosten für den Platin-Katalyten zu verringern, muß die Platinmenge minimiert werden, die auf
den Katalyten aufgebracht werden muß. Bis jetzt wurde diese Zahl bereits um 90% verringert, kann
aber noch weiter heruntergeschraubt werden.
Indem andere Herstellungsverfahren für die Platten (bzw. die Kanäle in den Platten) gefunden werden
- wie z.B. Pressen unter Wärmezufuhr - könnten diese Kosten um 98% reduziert werden.
Tab. 3: geschätzte Kosten pro Kilowatt der einzelnen Brennstoffzellen-Komponenten
US$/kW
1999
2010
Platin-Katalysator
65
6
Polymer-Membran
70
10
Platten
80
2
sonstiges
15
2
gesamt
230
20
Zur Zeit sind Brennstoffzellen für den Gebrauch in Fahrzeugen noch 10mal oder 15mal zu teuer, um
konkurrenzfähig zu sein.
Zukunftsentwicklung:
Ende 1998 soll NeCar 4 präsentiert werden. (Nachtrag: NeCar 4 wurde im März 1999 präsentiert.)
Ebenfalls ein A-Klasse-Auto, allerdings mit einem halb so großem Reformer, der im Rumpf des
Fahrzeuges integriert sein soll, so daß die Rücksitzbank wieder eingebaut werden kann.
NeCar 5 wird für den Herbst 1999 erwartet und soll nochmals um den Größenfaktor von zwei reduziert
werden. Auf der Grundlage dieses Autos soll entschieden werden, ob die Serienproduktion in Angriff
genommen werden soll. Diese Entscheidung wird Ende 1999 erwartet, so daß die Markteinführung im
Jahre 2004 geschehen könnte, was von Ballard und Daimler-Benz auch so geplant ist.
BMW
BMW ist eine der wenigen Firmen, die in ihrem Konzept für die Zukunft nicht auf Brennstoffzellen
sondern auf wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren setzen.
Den ersten Versuchswagen gab es 1979. Damit zählen die Bayerischen Motoren Werke zu den
Automobilhersteller mit der längsten Erfahrung bei Wasserstoffantrieben.
Mittlerweile existiert dieses Wasserstoffauto in der vierten Generation.
Die Strategie, die im Hause BMW verfolgt wird, gliedert sich in drei Schritte:
1. Schritt: Nutzung von komprimiertem Erdgas (CNG)
für Gas besteht
-250 km
2. Schritt: Wechsel zu flüssigem Erdgas (LNG)
-Tankstellen
Vergleich zu CNG
3. Schritt: Wasserstoffauto
-253°C)
-Technik
Erdgas stellt nach Meinung der BMW-Ingenieure einen logischen Zwischenschritt dar. Nach
Wasserstoff ist Erdgas der Energieträger mit dem höchsten Wasserstoffgehalt und in seinen
Stoffeigenschaften dem Wasserstoff am nächsten verwandt.
Bei Zweistoffbetrieb, wie er im 1. Schritt vorgesehen ist, liegt der Wirkungsgrad etwa gleich mit dem
normalen Benzinbetrieb. Lediglich die maximale Leistung ist bei Erdgas etwas geringer. Seit Januar
1997 unterschreiten die Erdgasfahrzeuge die ULEV-Grenzwerte.
Eine Variante mit hochkomprimiertem gasförmigem Wasserstoff für Pkws wird wegen geringerer
Reichweite kaum verfolgt.
Die Motoren sind abgeleitet vom herkömmlichen Ottomotor. Bewährt haben sich dabei bis heute
Maschinen mit 2,5 bis 5,4 l Hubraum und einer Leistung von 80-150 kW. Für die zukünftige
Entwicklung konzentrieren sich die Forscher auf den 2,8 l 6-Zylinder-Motor.
Seit Anfang 1989 betreibt die bayerische Firma die weltweit erste Prüfanlage für Wasserstoffmotoren
mit einem umfassenden Sicherheitssystem. Aufgrund der daraus erlangten Erkenntnisse wird die
Auffassung vertreten, unkontrollierte Gemischzündung ohne aufwendige Maßnahmen beherrschen zu
können, z.B. durch Wassereinspritzung oder Direkteinspritzung.
1997 entwickelte der Betrieb einen neuen Tank mit 140 Liter Volumen, so daß er etwa 1/3 des
Kofferraumvolumens einnimmt. Darin wird der flüssiger Wasserstoff bei -253°C gespeichert. Die
Isolationsschicht konnte von 5 cm auf 2,5 cm halbiert werden, was einem 4 m dicker Styropormantel
entspricht. So ist es möglich, mit einer Tankfüllung 400 km weit zu fahren.
Fundierte Prognosen für den Serienstart gibt es derzeit nicht.
Dipl.-Ing. Wolfgang Strobl, (Leiter Forschung Energiesysteme):
"Das erste Wasserstoffauto in Kundenhand sehen wir im nächsten Jahrzehnt. Natürlich ist es auch
dann noch ein weiter Weg bis zu einem breiten Einsatz dieser Zukunftstechnologie."
Chrysler
Chrysler, Detroit/USA verfolgt ein Benzin/Stromkonzept und arbeitet nach dem Zusammenschluß mit
Daimler gemeinsam an der Brennstoffzellen-Technik.
Das Betriebssystem beim Chrysler-Konzept besteht aus einem Teilverbrennungsreaktor und diversen
Katalysatoren, die die Kohlenwasserstoffverbindung des Kraftstoffs (Benzin) nahezu rückstandsfrei in
Kohlendioxid, Wasser und Wasserstoff aufspalten. Letzterer wird zusammen mit Luft in eine
Brennstoffzelle eingespeist. Dort vollzieht sich die Reaktion, zur Erzeugung von Energie, die über
Elektromotoren die Räder antreibt.
Ein Konzept, nach dem die gesamte Anlage in einem Pkw Platz findet, hat Chrysler bereits entworfen.
Anfang 1997 enthüllte Chrysler ein Modell ihres Brennstoffzellenfahrzeugs, das mit Benzin und einem
Reformator von Arthur D. Little Inc. entwickelt wurde. 1999 soll das Fahrzeug fertig sein.
Mitte des nächsten Jahrzehnts könnte das System die Serienreife erreicht haben und auf den Markt
kommen.
Funktionsweise:
Das aus dem Kraftstofftank kommende Benzin wird in einem Verdampfer erhitzt und in gasförmigen
Zustand gebracht, um eine möglichst rückstandsfreie Verbrennung zu garantieren. Ein
Teilverbrennungsreaktor (Metallzylinder mit Zündkerze) trennt das Benzin grob in Wasserstoff und
Kohlenmonoxid. Kupfer- und Zinkoxidkatalysatoren wandeln unter Hinzufügen von Wasserdampf das
Kohlenmonoxid nahezu vollständig in ungiftiges Kohlendioxid um. Zusätzlich entsteht weiterer
Wasserstoff. Der verbleibende Kohlenstoffmonoxid-Anteil von etwa 1%, wird in der
Nachverbrennungsphase mit Hilfe eines Platinkatalysators unter Luftzufuhr weitgehende zu
Kohlendioxid transformiert. Der übrigbleibende Kohlenstoffmonoxid-Anteil sinkt unter 1/1000%. Der
gewonnene Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle mit dem Sauerstoff der Außenluft
zusammengeführt. Es entsteht elektrischer Strom, der in Batterien eingespeist wird und die
Elektromotoren an den Hinterrädern antreibt. Als Emissionen entstehen fast ausschließlich
Kohlendioxid und Wasser.
Kaum ein anderes Industrieprodukt ist nach Meinung von Chrysler Forscher Borroni-Bird einem derart
rapiden Preisverfall ausgesetzt wie die Brennstoffzellen. "Noch vor wenigen Jahren wäre sie um den
Faktor 1000 teurer als Motoren. Das gibt doch Anlaß zur Hoffnung."
Daimler Benz
Daimler-Benz ist zusammen mit Ballard einer der wichtigsten und weitesten
Entwicklungsunternehmen im Bereich der Wasserstofftechnik. Beide Firmen wollen insgesamt rund
580 Mio. DM in die gemeinsame Entwicklung und den Vertrieb von Brennstoffzellen und -Systemen
einbringen.
Innerhalb der letzten Jahre wurden mehrere Brennstoffzellenfahrzeuge vom Projekthaus
Brennstoffzelle (dbb fuel cell engines - Daimler Benz-Ballard-Gemeinschaftsunternehmen) vorgestellt,
die jeweils aufeinander aufbauten. Dieses Jahr wurde das NeCar 3 vorgestellt und es existieren
bereits Gerüchte vom NeCar 4.
Daimler-Benz will unbedingt zuerst ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug zum Verkauf anbieten. Das
Unternehmen ist derart überzeugt von seinem Vorhaben, daß sie angeben, im Jahre 2004 wird der
NEBUS vom Band rollen. Auf jeden Fall wollen sie der erste Automobilhersteller sein, der ein
Brennstoffzellenauto in Serienreife auf den Markt bringt.
Ab 2005 sollen jährlich 100.000 Brennstoffzellenautos vom Band laufen. Die Größenordnung dieser
Zahl wird deutlich, wenn man dazu sagt, daß der weltweit 15tgrößte Automobilhersteller zur Zeit
700.000 Autos produziert.
Nach Äußerungen der Vorstände wollen sich Ford und Daimler-Benz Zeit lassen bis Ende nächsten
Jahres (1999), um sich dann zu entscheiden, wer der Gewinner sein wird beim Wettlauf um den
Kraftstoff der Brennstoffzelle: Methanol oder Benzin.
Jürgen Hubbert, Vorstandsmitglied Daimler-Benz auf der IAA 97 in Frankfurt/M:
"Wir wollen unser Know-how und unsere Kapazitäten bündeln, um die ersten zu sein, die ein
Serienfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb am Markt anbieten. - Die Ziellinie sehe ich nicht vor dem
Jahr 2005"
Dr. Ferdinand Panik, Leiter des Projekthauses Brennstoffzelle im Oktober 1997:
"Das nächste Fahrzeug der NECAR-Klasse soll ein echter Viersitzer sein, innerhalb der nächsten acht
Jahre soll das erste Serienfahrzeug vom Band rollen."
Im September 1998 hatte Daimler erklärt, bisher koste jedes Kilowatt Leistung eines BrennstoffzellenMotors 5.000 bis 10.000 Mark.
Mehr als 200 Prototypen mit unterschiedlichsten Systemlösungen und Antriebsvarianten sind bis
heute von Daimler-Benz getestet und untersucht worden. Darunter befanden sich Pflanzen-,
Methanol-, Misch-, Wasserkraftstoff, Erdgas, Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Radnabenantrieb
sowie die Brennstoffzelle.
Angefangen hat alles vor über 20 Jahren mit dem angesprochenen Metallhydrid:
Anfang der siebziger Jahre entschieden sich die Forscher bei Daimler-Benz zur Entwicklung eines
fahrzeugtauglichen Metallhydridspeichers.
Als erstes Wasserstoffahrzeug der Welt wurde Mitte der siebziger Jahre ein Merzedes-Benz-City-Bus
ausgerüstet mit einem Hydrid-Speicher. Diese Art von Wasserstoffantrieb mit äußerer Gemischbildung
- der Motor bekam über das Saugrohr ein homogenes Wasserstoff-Luftgemisch eingeblasen - wurde
im Pkw und im Transporter eingesetzt und getestet. Umfangreiche Erfahrungen konnten auch mit
einem Flottenversuch von 1984 bis 1986 in Berlin gewonnen werden.
Genau zehn Jahre später (1985) gründeten Daimler-Benz und Mannesmann in Mülheim/Ruhr eine
gemeinsame Tochtergesellschaft: die Gesellschaft für Hydrid- und Wasserstofftechnik GmbH (HWT).
Es wird immer noch an Metallhydriden geforscht, die Aussichten, daß damit in den nächsten Jahren
tatsächlich ein Fahrzeug angetrieben werden könnte, sind jedoch eher gering. Der Schwerpunkt der
Forschung hat sich seit 1991 auf das "Projekt: Brennstoffzelle" konzentriert. Die von Daimler-Benz im
Forschungszentrum Ulm entwickelte Variante eines Brennstoffzellenautos nennt sich NeCar (New
Electric Car).
NECAR I
Im April 1994 fand die erste Präsentation eines Brennstoffzellenfahrzeugs im Hause Benz statt.
Damals handelte es sich um einen 3,5-Tonner, der vollgestopft war mit Technik. Es war ein
Transporter auf Basis eines MB 180 für 2 Personen, der auch gerne als "rollendes Labor" bezeichnet
wurde.
Das Brennstoffzellen-System verfügte über eine Leistung von 50 kW (Leistungsgewicht: 21 kg/kW bei
einer Spannung von 130-230 V). Die Einzelzellen waren in 12 Stacks zusammengeschaltet, mit denen
eine Höchstgeschwindigkeit von 90 km/h erreicht werden konnte.
NECAR II
Im Mai 1996 erschien der Nachfolger.
-PKW auf Basis der V-Klasse für sechs Personen
-System: Leistung 50 kW (Leistungsgewicht 6 kg/kW bei einer Spannung von 180280 V)
-Asynchronantrieb 33 kW
-Drucktanks: zwei Flaschen a 140 l, Druck: 250 bar, Gesamtgewicht: 80 kg
-Lüfter (s. NECAR III)
NECAR 3
-Klasse für zwei Personen, Länge: 3,57 m
-System: Leistung 50 kW, im Boden angebracht, weitere Komponenten anstelle
der Rückbank eingebaut
hanoltank: Reformierung im Kofferraum bis zu 2 ppm Kohlenstoffmonoxid
Methanol-Luft-Brennstoffzellensystem: Das im NECAR III eingesetzte Brennstoffzellen-System
funktioniert folgendermaßen: Salzfreies Wasser wird mit Methanol vermischt, verdampft und bei einer
Temperatur von 250-280 °C in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Der Wasserstoff
gelangt dann in die Brennstoffzelle, die ihn gemeinsam mit dem Sauerstoff der Luft katalytisch in
Strom und Wasser umsetzt. Die Wärme, die man für das Verdampfen und den Reformierungsprozeß
benötigt, stellt ein katalytischer Brenner bereit, der mit dem wasserstoffarmen Restgas der
Brennstoffzelle betrieben wird. Die Stacks selbst nutzen nur etwa 75% des angebotenen
Wasserstoffs. Sollte der Energieinhalt des Restgases nicht ausreichen, um den Brenner ausreichend
zu erhitzen, kann man dazu auch Methanol aus dem Tank nutzen.
Der Verdampfer, der dem Reformer vorgeschaltet ist, wurde von 300 kg auf 3 kg reduziert.
NEBUS
190 kW; Gesamtleistung: 250 kW; (Leistungsgewicht 5,6 kg/kW bei einer Spannung von 720 V)
unter 300 bar, Reichweite etwa 250 km, genügend für eine Tagesfüllung.
- und 24 Stehplätze, 14 t Leergewicht
-Benz-Forschung, Mannheimer Omnibusbereich,
"Kompetenzzentrum für emissionsfreie Nutzfahrzeuge" (KEN) der Daimler-Benz AG und Ballard
Power Systems, Inc./Vancouver
Vorteile vom NEBUS:
-Fahrzeuge fahren.
Oberleitung
- und Dieselbetrieb
dem Erdgasnetz mit Wasserstoff
Personen.
Batterien in die linke Seitenklappe am Heck des Busses) haben nun 25 kW statt 4,5 kW.
-System im Schnitt eine 15%
bessere Energieausbeute gegenüber einem dieselbetriebenen Bus.
Straßen.
Die Ingenieure von EvoBus in Mannheim haben einen elektrischen Radnabenantrieb eingebaut in
Zusammenarbeit mit der Zahnradfabrik Friedrichshafen (ZF). Er weist keine Getriebe und keine
Kardanwelle auf, wie bei üblichen Systemen. Statt dessen übertragen radnahe Elektromotoren die
Energie direkt auf die Räder. Der Radnabenmotor arbeitet beim Bremsen als Generator
(Motorbremse) und produziert überschüssigen Strom, der in wassergekühlten Bremswiderständen auf
dem Dach in Wärme umgewandelt und an die Luft abgegeben wird. Die Drehstrom-AsynchronMotoren sind luftgekühlt und wartungsarm.
Spezielle adaptive Dämpfungsregelung von den Firmen Wabco und Fichtel&Sachs verhindert ein zu
empfindliches Verhalten bei seitlichen Kräften, da Probleme wegen des hohen Schwerpunktes
auftreten könnten (u.a. 1900 kg Dachlast durch Tanks, Leistungselektronik, Bordnetzumformer).
Im gesamten elektrischen Bordnetz gibt es drei unterschiedliche Spannungsniveaus:
a) 600 V für den Fahrantrieb und die Antriebsachse mit den Radnabenmotoren
b) 380 V für die Lenkhelfpumpe und den Druckluftkompressor
c) 24 V für die Bordspannungs-Versorgung sowie die Reserve-Lenkhelfpumpe
Die Elektrik verteilt den Strom sowohl an den Antrieb als auch an den 380-V-Kompressor für die
Druckluftbremsanlage und die -federung. Bei einem Unfall schaltet die Wasserstoffversorgung aus
und die Brennstoffzelle liefert keinen Strom mehr. Für die Bremsanlage ist jedoch noch genügend
Druckluft gespeichert, um mehrere Male sicher bremsen zu können. Auch das hochübersetzende
Getriebe läßt sich immer noch lenken.
Bengt Hamsten, Geschäftsführer Entwicklung bei EvoBus:
"Meiner Ansicht nach ist die Brennstoffzelle mit ihrem extrem guten Wirkungsgrad, ihrer
Umweltfreundlichkeit sowie ihrer Leistung und Dynamik, die wenigstens so gut sind wie bei
Dieselmotor, die Zukunftslösung für den Öffentlichen Personennahverkehr. Ich bin überzeugt, daß es
uns in nicht all zu ferner Zukunft gelingen wird, die für die Serienreife notwendige Wirtschaftlichkeit
des Brennstoffzellenantriebs zu erreichen."
Methanol
-Heizwert ist halb so
hoch wie der von Benzin. Dieser Unterschied ließe sich jedoch über den hohen Wirkungsgrad der
Brennstoffzelle ausgleichen.
-neutral geschehen, da er aus nachwachsenden Rohstoffen
gewonnen werden kann. Durch Anpflanzen von z.B. Chinagras und einer günstigen Verarbeitung wird
der Atmosphäre die gleiche Menge Kohlendioxid entzogen, wie ihr bei seiner Verbrennung wider
zugeführt wird.
-Kreislauf ist möglich. Zunächst wird CO2 aus der Atmosphäre im Methanol
gebunden, dann wird es durch die Verbrennung im Fahrzeug in die Bestandteile CO2 und Wasser
umgesetzt und gibt es wieder an die Atmosphäre.
her und ist somit nicht an den Primärenergieträger Erdöl gebunden. Erdgas ist in großen Mengen
vorhanden, wird sogar z.T. bei der Erdölförderung einfach abgefackelt. Es läßt sich aus Biomasse wie
Holzrückständen oder Deponiegas oder aus Prozeßgasen der chemischen Industrie herstellen.
Wasserstofflieferant, um im Fahrzeug selbst Wasserstoff zu erzeugen.
den Augenblick notwendig ist.
Daimler-Benz-Prinzip:
Methanol kann technisch aus Erdgas hergestellt werden, d.h. Methanol kann in umgerüstete
Speichertanks von Tankstellen gefüllt und ganz normal getankt werden. Die Infrastruktur wie das
Tankstellennetz müßte kaum geändert werden.
So könnten nach Schätzungen von Daimler-Benz 30% weniger CO2 erzeugt werden im Vergleich zum
herkömmlichen Verbrennungsmotor. Methanol-Verbrennung in einer Brennstoffzelle soll 30%
günstiger sein als die Verwendung in einem Verbrennungsmotor. Würde Wasserstoff in Drucktanks
zwischengespeichert und umgesetzt, ließen sich in der gesamten Kette 50% CO2 einsparen.
Stickoxide, Schwefeldioxide oder Kohlenwasserstoffe fallen nicht an.
Kritiker wenden ein, daß der Prozeß vom Methanol (das ja auch erst hergestellt werden muß) über
Reformer und Brennstoffzelle zum Antrieb so viel Energie verbraucht, daß er weit schlechter
abschneidet als optimierte Verbrennungsmotoren.
Dr. Jürgen Friedrich, Leiter Fahrzeuge und Antriebe:
"Wir arbeiten derzeit daran, Wasserstoff direkt an Bord des Fahrzeuges aus Methanol zu gewinnen.
Gelingt dies - wir rechnen damit in den nächsten Jahren -, könnte man künftig den Treibstoff für die
Brennstoffzelle ähnlich wie Benzin an jeder Tankstelle tanken."
EQHHPP
1989 wurde "Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project" gestartet, das bis 1992 die technische und
ökonomische Machbarkeit der Erzeugung, der Handhabung, des transatlantischen Transports und der
Anwendungen von Wasserstoff untersuchte.
Bis 1998 wurden Anwendungstechnologien entwickelt und erprobt wie z.B.:
1. - Stadtbusse mit Flüssigwasserstoff und Verbrennungsmotor (Belgien, Deutschland)
2. - ein Stadtbus mit Brennstoffzelle und Elektromotor in Italien
3. - drei Stadtbusse mit Hythane-Druckgasspeicherung in Québec
4. - Emissionstests mit einem Sektor einer LH2-Brennkammer eines Airbustriebwerks
5. - Studien über heutige Fahrzeug- und Flugzeugemissionen im Vergleich zu Emissionen aus
H2-Antrieben am Beispiel von Los Angeles, London und München
6. - Studien über LH2-Transport-Container
Kanadische Ingenieure haben einen speziell auf die europäischen, amerikanischen und japanischen
Verhältnisse zugeschnittenen zylindrischen High-Tech Transport- und Speicherbehälter ("Super EContainer") entwickelt. Dieser soll ein Volumen von 100 Kubikmetern haben und eine Speicherdauer
von 60 Tagen ermöglichen. Nach Abnahme und Zertifizierung durch die Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin werden die ersten Wasserstofftanks 1998 im
Huckepackverfahren auf Europas Straßen und Schienen direkt bis zum Kunden unterwegs sein.
[Bahbout, 1997]
Langfristig soll Wasserstoff das Mineralöl in Japan im Verkehrsbereich (rund 70 Mio. m3) ersetzen.
Das japanische Ship Research Institute entwickelte ein Konzept zur solaren Erzeugung von
Wasserstoff. Demnach soll auf 12.000 Pontonkonstruktionen im Südpazifik Strom über Photovoltaik
erzeugt werden und daraus elektrolytisch und durch Verflüssigung jährlich 25 Mio. t LH2 gewonnen
werden, das mit 270 großen Tankschiffen (je 125.000 m3) nach Japan transportiert werden soll.
Zur Realisierung dieses Vorhabens ist ein weiteres Projekt ins Leben gerufen worden, das "Project
World Energy Network Using Hydrogen" (WE-NET).
Dieses Projekt befaßt sich mit der Bereitstellung von erneuerbarer Energie in Form von elektrolytisch
erzeugtem Wasserstoff, der als LH2 mit Tankschiffen nach Japan geliefert wird. Als Energiequellen
und deren Nutzungen werden Wasserkraft, Wind und Sonnenstrahlung betrachtet sowie Methanol,
Ammoniak oder Zyklohexane. Es läuft von 1993 bis 2020 mit einem Budget von 5 Mrd. DM.
Zentraler Punkt und wesentliches Projekt beim "Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project"
(EQHHPP) ist das James Bay-Projekt im Osten Kanadas bei Québec, wo Wasserkraft mit Hilfe von
Staudämmen Energie erzeugen soll und bereits erzeugt.
Der Hochwasserüberlauf des Speichersees "La Grande 2" in der kanadischen Provinz Québec hat
eine Länge von 1500 m und eine Breite von rund 120 m. Der Fluß La Grande mündet in den James
Bay. Das Bauwerk gehört zum Megaprojekt "James Bay", das weltweit zu den bedeutendsten
hydroelektrischen Entwicklungsvorhaben zählt und seit 1971 von der Firma Hydro-Québec betrieben
wird. Die Wasserkraftwerke sind das ganze Jahr über in Betrieb, und gegenwärtig liegt die
Erzeugungskapazität bei etwa 30.000 Megawatt. Québec deckt damit 98% seines Strombedarfs und
versorgt zugleich die Industrieregionen im Nordosten der USA.
Ende der 90er Jahre sollte das Programm eigentlich auf vollen Touren laufen. Da momentan jedoch
Geld fehlt, wurde das Projekt verkleinert. Auf Wunsch des Europaparlaments liegt seit Ende 1991 der
Schwerpunkt auf der Erprobung von Anwendungs- und Transporttechniken für Wasserstoff, weiterhin
gefördert von EU und der Regierung Québecs bis 1998.
Das hört sich beim ersten Eindruck sehr gut an, ist doch die Energieerzeugung mit Wasserkraft eine
alternative Form die Reserven an Primärenergieträgern zu verschonen. Anhand dieses Beispiels soll
jedoch einmal aufgezeigt werden, daß die Ökobilanz nicht so positiv ist, wie es eventuell erscheint.
Eine andere Betrachtungsweise kommt zu ganz anderen Ergebnissen.
Es handelt sich bei dem EQHHPP um ein Projekt, bei dem eine riesige Fläche überflutet wird und
wurde, was einen immensen Eingriff in die dortige Ökologie bedeutet, wovon Pflanzen und Tiere, aber
auch die dort ansässigen Indianer betroffen sind. Betrachtet man dieses gesamte Projekt als riesiges
Kraftwerk, kann man eine Bilanz aufstellen, wie hoch die Emissionen eines Stausees sind.
Wo Landschaft überflutet wird, wird auch Vegetation überflutet. Und diese ertränkten Pflanzen
zersetzen sich bei den unter Wasser begrenzten Sauerstoffverhältnissen nur zum Teil vollständig zu
Kohlendioxid. Der Rest vergärt zum Endprodukt Methan - als Hauptbestandteil des Sumpfgases. Die
klimaerwärmende Eigenschaft des Methans ist sehr viel größer als dies des Kohlendioxids (70fach,
bezogen auf Gewichtsverhältnisse; 25fach, bezogen auf Molekülmenge).
Nach Berechnungen einer kanadischen Arbeitsgruppe bedeutet eine 50jährige Nutzung des Sees: Pro
Quadratmeter sind in der Vegetation etwa 4,8 kg Kohlenstoff gebunden. Betrachtet man die
Zersetzungsrate und errechnet ein CO2-Äquivalent für das Methan, so kommt man schließlich auf
einen Schätzwert von 430 - 690 g CO2-Äquivalent pro Quadratmeter und Jahr. Bezieht man diesen
Wert noch auf die Leistung des Kraftwerks, ergibt sich eine Emissionsrate von Kohlendioxid und
Methan, so daß als Fazit gilt: Dieser See gibt genau so viele Treibhausgase in unsere Atmosphäre wie
ein Kohlekraftwerk. [Fenner, 1997]
Flughafen München
Am Flughafen München gibt es ein Projekt zum Thema Wasserstofftechnik, das vom Bayerischen
Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie unterstützt und unter der Zusammenarbeit
von 13 Firmen (Auflistung s. unten) umgesetzt wird. Der gesamte Projektumfang beläuft sich auf ca.
34 Mio. DM. Es handelt sich dabei um die weltweit erste öffentliche Wasserstofftankstelle am
Flughafen München und einen wasserstoffbetriebenen Bus.
Die Vorstellung dieses Vorhabens fand 1996 auf der Hannover-Messe statt. Zwischen Mai 1996 und
Februar 1997 war der Bus in Erlangen planmäßig im Liniendienst eingesetzt. Er fuhr 13.500 km und
beförderte 60.000 Fahrgäste. Dabei mußte die erst angenommene Reichweite von 250 km auf 140 km
korrigiert werden. Seit April 1997 wird der Bus in München im Linienverkehr eingesetzt.
Am 23.9.97 war der Spatenstich für die Wasserstoffanlage. Ab Oktober 1998 ist der Beginn des
Testbetriebes der Tankstelle sowie der Einsatz des Busses im normaler Fahrzeugbetrieb vorgesehen.
Ab Januar 1999 soll die Gesamtanlage einschließlich der Wasserstoffproduktion ihren Betrieb
aufnehmen. Die gesamte Laufzeit ist bis Ende 2000 geplant.
Die Betreiber sprechen von einem Musterbeispiel der Kreislaufwirtschaft, in der zudem unbegrenzte
Ressourcen zur Verfügung stehen. Die Motorentechnik und die teilweise vorhandene Infrastruktur für
Erdgas erlaubt einen fließenden Übergang vom Erdöl zum Wasserstoff.
Sie sprechen davon, daß ein neuer, ganzheitlicher "Energiekonsens" notwendig sei - und zwar in weit
umfassenderem Sinne als in der aktuellen politischen Diskussion. Voraussetzung sei die Bereitschaft
der Politik und Gesellschaft zur fairen Zusammenarbeit in Entwicklung, Realisierung und Nutzung über
Ländergrenzen hinweg.
Betreiber:
1. Aral: Erstellung Tankstelle, Tankroboter
2. BMW: Entwicklung, Aufbau, Betrieb eines Pkws
3. FMG: Gelände, Betrieb des Busses, Pkws
4. GHW: Lieferung des Elektrolyseurs (95 Nm3/h Wasserstoff)
5. Grimm: Lieferung der Sensorik
6. HDW: Lieferung der Reinigungsanlagen und der Hybridspeicher
7. IAW: Stromversorger
8. Linde: Flüssigwasserstoff-Tankanlage und Pumpstation, Flüssigwasserstoff, LH2-Engineering
9. Mannesmann: Lieferung GH2-Komponenten
10. MAN N: Gelenkbusse
11. MAN T: Gasspeichersystem für Busse
12. Neoplan: Gelenkbusse
13. Siemens: übergeordnete Leittechnik, Prozeßleitsystem SIMATIC PCS 7
Ford
Ford arbeitet an der Entwicklung einer leichten, fortschrittlichen Familienlimousine P2000, die als
Plattform für neue Limousinen mit Brennstoffzellenantrieb dienen soll. Der Prototyp der P2000 soll im
Jahr 2000 fertig sein und mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden. Das Antriebskonzept ist ein
Hybridmotor (DIATA/Elektro-Hybrid/Brennstoffzelle)
Ford-Chef Alex Trotman erklärte, Ford arbeite schon seit Jahren an Techniken zur Unterstützung der
Brennstoffzelle und betrachte "die Brennstoffzelle als eine der wichtigsten Technologien des frühen
21. Jahrhunderts".
Richard Parry-Jones, Vizepräsident der Produktentwicklung von Ford/USA:
"Wir betrachten Brennstoffzellen als die Schlüsseltechnologie, die die Automobilindustrie im frühen
21sten Jahrhundert revolutionieren kann. Die Verbrennungsmaschine war der Standard des mobilen
Transports für die letzten 100 Jahre. Es wird jedoch zunehmend schwieriger, diesen weiter zu
verbessern. Wir sind optimistisch über die Zukunft von Brennstoffzellenautos, sich den schwierigen
Umweltherausforderungen zu stellen. Unter gemeinsamer Anstrengung mit Ballard und Daimler-Benz
ist es unser Ziel, den Markteintritt zu beschleunigen."
Fuel Cells 2000
Warner Harris entwickelte einen T-1000 Vororttruck, einen Halbtonner-Pick-up mit Hybridmotor. Eine
PEM-Brennstoffzelle mit einer Leistung von 6,5 kW von DeNora/Italien wird mit reinem Wasserstoff
betrieben und versorgt die Batterie. Die Höchstgeschwindigkeit dieses Fahrzeugs beläuft sich auf ca.
100 km/h.
Harris will 1000 PEM für je 10.000,- DM von Ballard abnehmen und hofft damit den Pick-up für 40.000
- 50.000,- DM anbieten zu können.
General Motors
General Motors hat ein Brennstoffzellenprogramm, das ebenso groß ist wie ihre Forschung bei Hybridund Elektroautos. Der Opel-Partner betreibt seit Anfang der siebziger Jahre Forschungsprojekte mit
Brennstoffzellen.
Am 4. Januar 1998 hat General Motors (GM) auf der Detroiter Autoschau eine Fahrzeugfamilie mit
alternativen Antrieben auf der Basis des Elektrofahrzeugs EV1 vorgestellt. Dazu gehörte ein
Brennstoffzellen-Antriebssystem für ein Brennstoffzellenauto. Für 1999 hofft GM die Testphase für
Fahrzeug beenden zu können, um es 2004 produktionsreif präsentieren zu können.
Der vorgestellte Brennstoffzellen-Hybridantrieb wird mit Methanol, das an Bord des Fahrzeugs in
Wasserstoff reformiert wird, angetrieben. Der Drehstrommotor verfügt über eine Leistung von 101
kW/137 PS und ist mit einem GM ATV Gen II-Modul (Antriebselektronik) ausgestattet. Die 44 in Reihe
geschalteten NiMH-Batteriemodule dienen als Leistungsreserve und als Speicher für die elektrische
Energie aus der Bremsanlage.
Der EV1 verfügt über eine Reichweite von 450 km bei einem Verbrauch von 3 l auf 100 km
Benzinäquivalent. Die Karosserie besteht aus einer Leichtbaustruktur mit einer ausgefeilten
Aerodynamik und einer energierückgewinnenden Bremsanlage. Damit ist eine Höchstgeschwindigkeit
von 130 km/h möglich.
"Es ist unser Plan, alternative Technologien fertig zu haben und dann erst die Wirtschaftlichkeit zu
untersuchen" erklärt GM Vice Chairman Harry Pearce die Firmenstrategie auf einer Pressekonferenz
am 4. Januar laut einer Reuters-Meldung. Er fährt fort, daß es GM "todernst" sei mit dem Verkauf von
alternativen Antriebssystemen. Allerdings fügt er hinzu, daß die Kosten reduziert werden müßten, so
daß Käufer sich solche Fahrzeuge leisten können ohne auf Fahreigenschaften verzichten zu müssen.
Ken Baker, Vice President Globale Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten, merkt an, daß GM
Partnerschaften mit der Mineralölindustrie anstrebt, um diese Familien fortschrittlicher Fahrzeuge
einsatzfähig zu machen. "Amoco hat sich schon bereiterklärt, mit uns zusammenzuarbeiten" sagte er
in einer Presseerklärung vom 4. Januar 98.
Opel:
Ein Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten liegt bei Opel in Deutschland, wo jetzt
das "Global Alternative Propulsion Center" (GAPC) eingerichtet wurde. Es ist dem Internationalen
Technischen Entwicklungszentrum (ITEZ) in Rüsselsheim angegliedert.
Der Opel Sintra ist mit einem Drehstrommotor mit einer Leistung von 50 kW/68 PS ausgestattet. Sein
Leergewicht liegt bei 1800 kg, die er bis auf 150 km/h Spitzengeschwindigkeit beschleunigen kann.
Der Methanoltank (40 l) und der Wassertank (20 l) reichen aus für eine Reichweite, die auf dem
gleichen Niveau liegt wie bei konventionell angetriebenen Fahrzeugen. Die Antriebselektronik (GM
ATV Gen II-Modul) ist mit integrierter Hilfskraftlenkungs- und Bordnetzversorgung ausgestattet. Der
Kompressor verdichtet die Prozeßluft auf den Systemdruck von 3 bar.
In diesem Van sind vier Sitzplätze vorgesehen. Den Bereich der dritten Sitzreihe nehmen Methanolund Wassertanks sowie weitere Systembauteile zur Kraftstoffaufbereitung ein. Der Mittelplatz der
zweiten Sitzreihe wird zur Zeit noch durch den eigentlichen Brennstoffzellenblock ausgefüllt.
MAN
MAN Nutzfahrzeuge AG hat einen wasserstoffbetriebenen Bus im Zuge des Euro-Quebec HydroHydrogen Pilot Projekt (EQHHPP) gefördert von der Europäischen Union entwickelt.
Detaillierte Informationen über den von MAN konstruierten Busmotor, der im Zuge des Projektes
Flughafen München konstruiert wurde, sind bereits im Kapitel 6.3.3 dargelegt worden. Hier soll auf
den von Siemens, Linde und MAN entwickelten Wasserstoffbus eingegangen werden, der auf Basis
des MAN Niederflurbusses NL 223 mit Brennstoffzellenantrieb entwickelt wurde (s. Tab. 4).
Der Prototyp soll 1999 fertiggestellt werden und zu Beginn des Jahres 2000 den Probebetrieb bei
einem bayrischen Busbetreiber (Stadtwerke Erlangen) aufnehmen.
Die Entwicklung von Wasserstofftechnik fand bei MAN bereits in den Jahren 1992 bis 1995 statt.
Bezüglich des wasserstoffbetriebenen Busses ist das Ziel, nicht nur die Praktikabilität und die
öffentliche Akzeptanz zu testen, sondern auch eine Abschätzung der Möglichkeiten vorzunehmen, mit
diesem Fahrzeug die Luftverschmutzung im Alltagsgebrauch zu reduzieren.
Dieser Niederflurbus (Modell NL) wurde für das Projekt Flughafen München nicht gewählt, da die
Speichereinheit auf das Dach muß, dieser Bus jedoch nicht für so eine schwere Dachlast ausgelegt
war. Erst der zwei Jahre später fertiggestellte CNG-Bus (MAN SL 202 LH2) erfüllte diese Ansprüche.
Neunburg vorm Wald/Oberpfalz
In der Oberpfalz gibt es jetzt seit Jahren eine umfassende Projektanlage, die gleichzeitig mehrere
alternative Verfahren testet. Es wird mit einem Gesamtbudget von 145 Mio. DM gefördert vom Bund
(mit 35% vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technik und mit 15%
vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft, Verkehr und Technologie). Es kommen in erster
Linie Prototypen und Neuentwicklungen zum Einsatz. Die Vielzahl der Teilsystem in ihrem
Zusammenwirken macht diese Anlage weltweit einzigartig.
Eigens dafür wurde eine spezielle Gesellschaft gegründet: die "Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH"
(SWB), an der die Bayernwerk (70%), BMW (10%), Linde (10%) und Siemens (10%) beteiligt sind.
Ziel dieses Projektes ist die Sammlung praktischer Erfahrungen über die im Labor erlangten
Erkenntnisse hinaus, um neue Anstöße zur Weiterentwicklung zu erhalten. Übergeordnete Zielsetzung
des Solar-Wasserstoff-Projekts ist die Erprobung wichtiger Techniken eines solaren
Wasserstoffkreislaufs im industriellen Demonstrationsmaßstab. Unterschiedliche Technologien sollen
verglichen und im Zusammenwirken mit anderen Anlagenteilsystemen getestet werden. Für die SWB
und deren Gesellschafter stand die Gewinnung von Know-how für Planung, Errichtung und Betrieb
entsprechender Anlagen im Vordergrund. Ein weiteres Ziel ist eine qualifizierte und realistische
Öffentlichkeitsarbeit mit Informationen aus erster Hand.
Das Projekt:
legungen seit 1985
-Wasserstoff Bayern GmbH (SWB) 1986
-1999
bzw. weiterentwickelten Anlagenteilsystemen.
Die Systeme der Phase 1 werden für Langzeiterfahrungen weiterbetrieben.
Ein Testgebiet ist die Gaserzeugung. Ein alkalischer Niederdruckelektrolyseur (Nennleistung 111
kWel) arbeitet mit Kalilauge als Elektrolyt und Polysulfondiaphragma. Er erzeugt maximal 24 Nm3/h
Wasserstoff mit einer Reinheit von etwa 99,8 Vol%. Für die Speicherung ist die Verdichtung und
Aufbereitung der Gase notwendig. Separate Kompressoren verdichten Wasserstoff und Sauerstoff
des drucklos arbeitenden alkalischen Elektrolyseurs auf einen Speicherdruck von bis zu 30 bar.
Im Druckelektrolyseur (Nennleistung 100 kWel) bilden die Elektroden und das oxidkeramisches
Diaphragma eine Einheit. Der Zellblock arbeitet in einem Druckbehälter bei 32 bar. Dadurch ist eine
Kompression für die Speicherung nicht mehr nötig. Er erzeugt maximal 25 Nm3/h Wasserstoff mit
einer Reinheit von etwa 99,5 Vol%.
Der Wasserstoff wird in zwei Wasserstoffbehältern von je 5000 Nm3 bei einem Arbeitsdruck von 30
bar gespeichert. Der Gesamtinhalt der beiden Tanks entspricht dem von rund 1500 l Heizöl. Der
Sauerstoffbehälter faßt 500 Nm3. Für die Wartung (z.B. Spülen von gasführenden Anlagenteilen) steht
noch ein Tank mit flüssigem Stickstoff zur Verfügung.
Die phosphorsaure Brennstoffzellenanlage (max. Leistung: 79 kWel/42 kWth) ist die einzige ihrer Art,
die in Europa in Betrieb ist. Neben der Stromerzeugung ermöglicht sie eine Wärmeauskopplung bei
165°C. Sie kann mit Wasserstoff und Erdgas betrieben werden. Der Brennwert-Gasheizkessel
(Leistung 20 kWth) ist ein modifizierter Standardkessel. Der neuentwickelte Brenner im katalytischen
Heizgerät (Leistung 10 kWth) besitzt eine externe Vormischung von Brenngas und Luft. Er besteht aus
einem Aluminium/Siliziumoxid-Hohlzylinder. Eine katalytisch beheizte Absorptionskälteanlage
(Kälteleistung 17 kWth) speist in den Kühlwasserkreislauf der Anlage ein. Die Verbrennung bei
niedrigem Temperaturniveau (ca. 800°C) ist die Ursache des sehr geringen Stickoxidgehalts im
Abgas.
Weitere Nebensysteme sind z.B. die Lüftung, Leittechnik und eine Analysestation.
In diesem Projekt gibt es noch Teilprojekte wie den von einer Brennstoffzelle angetriebenen
Gabelstapler. Eine PEM-Brennstoffzellenanlage (Leistung 10 kWel) treibt einen SerienElektrogabelstapler an. Die Wasserstoffspeicherung erfolgt in einem Hybridspeicher, der für ca. acht
Stunden Betrieb (20 Nm3 Wasserstoff) ausgelegt ist. Der Oxidant ist Luft.
Außerdem gibt es das Teilprojekt des wasserstoffbetriebenen BMWs. Die Betankung dieses
Fahrzeuges (BMW 735i) mit flüssigem Wasserstoff (LH2, -250°C bei Umgebungsdruck) aus dem 3000
l Standardtank erfolgt in ca. 4 Minuten. Eine Tankfüllung von 140 l LH2 (entspricht 40 l Benzin)
ermöglicht eine Reichweite von ca. 400 km.
Die "Robottankstelle" ist ausgerüstet mit moderner Sensoren-, Scanner-, und Computertechnik. Dies
ist notwendig, da laut BMW Roboter unerläßlich sind zum Tanken von Wasserstoff.
Ergebnisse:
erforderlich.
- und Kostengründen sind Erzeugungs- und Speicheranlagen bevorzugt
zentralisiert zu errichten.
- und Sicherheitsgründen im Freien betrieben werden.
hat ein großes Interesse an Informationen über den Energieträger Wasserstoff
(jährlich 15000 Besucher).
Mit den Versuchsergebnissen wurde die LH2-Tankstelle gegenüber der Ausgangssituation im April
1991 so weit optimiert, daß die Zeit für einen kompletten Betankungsvorgang von anfangs über 60
min auf zunächst noch ca. 15 min verkürzt und die während dieses Vorgangs entstehenden
Verdampfungsverluste von 30% auf weniger als 10% der übertragenen LH2-Menge gesenkt werden
könnten. Eine weitere Verbesserung auf unter 9 min wurde erstmals im Oktober 1994 - seit
September 1995 ca. 5 min - mittels neu entwickelter kaltziebbarer Kupplungssysteme erreicht.
Folgebetankungen sind innerhalb von 3 min möglich.
Erkenntnisse der Betreiber:
Eine auf Wasserstoff als Energieträger basierende Energiewirtschaft kann nur nach einem erheblichen
Ausbau regenerativer Stromerzeugung beginnen.
Kosten:
Studien geben die Kosten für Photovoltaikstrom derzeit mit etwa 2,- DM/kWh an. Der damit
gewonnene Wasserstoff würde im günstigsten Fall rund 3,- DM/kWh kosten. Realistisch erscheint eine
Halbierung der Photovoltaikkosten in 10-20 Jahren. Dann wäre ein Wasserstoffpreisniveau erreicht,
das einem Heizölpreis von 15,- DM/l entspricht.
Renault
Im Gegensatz zu den bisher präsentierten Brennstoffzellenfahrzeugen anderer Hersteller wird beim
FEVER kein Methanol für den Antrieb verwandt, sondern nur Wasserstoff. Bei einer Reichweite des
Tankinhalts von 500 km und einer Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h kann der FEVER für zwei
Personen zudem einen mit herkömmlich angetriebenen Autos vergleichbaren Reisekomfort bieten.
Die elektrische Leistung der Brennstoffzelle beträgt 30 kW bei 90 Volt Gleichstrom, die
Leistungsdichte liegt bei 130 W/l. Ein Stromrichter wandelt diese 90 Volt um zu einem Strom mit einer
Spannung von 250 Volt. Dieser Strom versorgt einen synchronen Elektromotor mit Schleifringanker,
dessen Wirkungsgrad 92% beträgt. Die erreichbare Höchstgeschwindigkeit beträgt 120 km/h.
Das System verfügt über eine kurze Reaktionszeit. Bei entsprechender Betätigung des Gaspedals
beschleunigt der Renault Fever ohne jegliche Verzögerung. Auch beim Start gibt es keine langen
Wartezeiten. Bereits nach fünf bis zehn Minuten Vorwärmzeit hat die Brennstoffzelle ihre normale
Arbeitstemperatur erreicht.
Eine wiederaufladbare Batterie nimmt die Bremsenergie sowie andere überschüssige Energie auf. Sie
dient dem Anlassen und hält Energie für zusätzlichen Bedarf bei starken Beschleunigungen zur
Verfügung. Ein elektronisches Steuersystem, Supervisor genannt, lenkt die Stromerzeugung und ist
unter anderem für die Speicherung der Bremsenergie in den Batterien verantwortlich. Die Elektronik
kontrolliert und gewährleistet den reibungslosen Ablauf sowie die Sicherheit des Benutzers. Der
Wartungsbedarf bei diesem Fahrzeug ist fast gleich null, da die Anzahl der Teile, die in Bewegung
sind, stark reduziert ist. Abgase entstehen keine. Aus dem Auspuff kommt lediglich Wasserdampf und
es bildet sich geringe Abwärme.
Der Wasserstoff wird in flüssiger Form mit geführt und erst unterwegs in Gas umgewandelt. Das hat
gewisse Vorteile gegenüber der komplizierteren Lagerung des Wasserstoffs in Gasform: Gasförmiger
Wasserstoff erfordert einen Druck von 700 bar, brächte daher mehr Gewicht und benötigte mehr Platz.
Bei Lagerung von flüssigem Wasserstoff kann daher eine größere "Sprit"-Reserve mit geführt werden.
Gespeichert wird er in einem Tiefsttemperaturtank bei 253°C, der durch seine Konstruktion den Inhalt
vor Temperaturschwankungen schützt. Da Wasserstoff in flüssiger Form nur 70 Gramm pro Liter
wiegt, beträgt das Gewicht des Tankinhalts mit seinen 120 Litern nur acht Kilogramm. Die Reichweite
ist vergleichbar mit der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.
Bisher kostet flüssiger Wasserstoff ungefähr 1,- DM pro Liter. Ein Mittelklassewagen würde ungefähr
24 Liter auf 100 km verbrauchen, was für diese Strecke Spritkosten von 24,- DM bedeutet und damit
die Ausgaben bei herkömmlichen Wagen im Augenblick noch übersteigt. Doch ist bei einer weltweit
steigenden Nachfrage nach Wasserstoff mit einer deutlichen Senkung des Preises zu rechnen, so daß
er zu einem starken Konkurrenten der fossilen Brennstoffe werden kann.
Die Wasserstofflagerung ist weiterhin Gegenstand der Forschung. Das Ziel bei Renault ist die
Gewichts- und Platzminderung. Der Einsatz etwa von porösen oder geschichteten Strukturen wie
mikroskopischen Kohlenstoffasern könnte dazu führen, daß ein Behälter von 10 kg für die
Aufbewahrung von acht Kilogramm Wasserstoff ausreicht. Nun gilt es noch herauszufinden, ob diese
Laborergebnisse auch in einer Serienproduktion realisierbar sind. Eine andere Möglichkeit des
Transports an Bord besteht darin, Wasserstoff erst unterwegs aus Flüssigkeiten herzustellen, die sehr
viel Wasserstoff enthalten - wie etwa Alkohole oder Äther - und einfacher zu lagern sind als
Wasserstoff. Technisch ist diese Rückgewinnung durchaus möglich. Eine kleine Gasanlage zerlegt die
Moleküle und gewinnt somit den gewünschten Wasserstoff.
Renault hat sich das Ziel gesetzt, die Brennstoffzellen-Technik weiterzuentwickeln, um den
Serieneinsatz zu ermöglichen: Raumbedarf, Gewicht und Kosten werden in Zukunft noch weiter
reduziert, um Einsatz und Gebrauch der Brennstoffzelle zu verallgemeinern und zu vereinfachen. Die
Verwendung teurer Materialien wie etwa Platin im Katalysator der Elektroden soll verringert werden.
Gleichzeitig wird auch an der Verbesserung der Fahrzeugleistung gearbeitet. Innerhalb der nächsten
20 Jahre wird daher eine Anwendung auch bei Fahrzeugen des täglichen Bedarfs möglich sein.
Die Forschungsarbeiten begannen schon 1994 mit der Ausarbeitung dieses Projektes. Im Rahmen
des europäischen Programms "Joule" widmen sie sich seitdem einem Konzept, das den rationellen
Energieeinsatz fördert - wie etwa eine Brennstoffzelle. Die Europäische Kommission fördert dieses
zukunftsträchtige Projekt. Ziel war das Know-how, das für Integration und Betrieb einer solchen Zelle
an Bord eines Fahrzeugs notwendig ist.
Renault übernahm als Leiter die Koordination der einzelnen Arbeiten und trägt die Verantwortung für
das gesamte Projekt. Außerdem führte Renault die Zusammenstellung der einzelnen Elemente und
den Umbau des Renault Laguna, der als Basis für den Fever dient, durch.
um deren optimalen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
die Hilfssysteme und den Wasserstofftank.
Master Renault.
durchgeführt.
Toyota
Toyota forscht bereits seit 1971 auf dem Gebiet alternativer Antriebskonzepte.
1996 veröffentlichte der drittgrößte Automobilkonzern der Welt auf der Tokioter Auto Show seinen
Prototypen FCEV auf Basis des RAV4 mit einer Leistungsdichte von 167 W/l.
Auf Basis des fünftürigen RAV4 hat Toyota ein Brennstoffzellenfahrzeug vorgestellt, das sich vor allem
durch einen neuartigen Treibstoffspeicher auszeichnen soll. Anstelle eines Drucktanks besitzt der
RAV4 einen Behälter mit einer speziellen Aluminiumlegierung, die große Mengen an Wasserstoff
binden kann. Der Wirkungsgrad liegt bei rund 60%. Durch diese Lösung sollen Platz und Gewicht
eingespart werden. So bleiben die fünf Sitzplätze und der Kofferraum des Funcruisers erhalten.
Anfangs gab es unzureichende Ergebnisse mit Speichermedien auf Basis von Titan- und
Magnesiumlegierungen. Erst die BCC-Aluminiumlegierung (Body-Centured Cubic) brachte nach
Meinung der Toyota-Forscher die Wende.
Anstelle von einem Atom, wie in herkömmlichen Nickel-Metallhydrid-Batterien, kann diese Legierung
zwei Atome aufnehmen, also doppelt soviel. Der Tank wiegt 100 kg und befindet sich unter den
Vordersitzen. Er kann zwei Kilogramm Wasserstoff aufnehmen. Direkt davor befindet sich in den
Fahrzeugboden eingelassen die Brennstoffzelle (120 kg). Diese produziert bis zu 20 kW Strom, der zu
den Metallhydrid-Batterien im Heck geschickt wird. Sie speisen den vorn installierten Elektromotor, der
die Vorderachse antreibt. So soll eine Reichweite von bis zu 250 km möglich sein.
Die zweite Variante von Toyota ist der Methanolantrieb mit Reformer, veröffentlicht im September
1997 auf der Frankfurter Automesse mit einer Leistungsdichte von 193 W/l und einer Leistung von
25kW, die Reichweite beträgt 500 km.
Der Sauerstoff wird der Brennstoffzelle (108 x 50 x 24 cm) über verdichtete, angefeuchtete Luft, der
Wasserstoff wird aus dem Methanolreformer zugeführt. Der Reformer ist 30 cm im Durchmesser und
60 cm lang. Eine Nickel-Metallhydrid-Batterie (Ni-MH) mit normalen Spannung von 288 V bildet eine
Reserve, um bei Bedarf mehr Leistung zu haben.
Zitat von Toyota-Ingenieur Bill Reinert:
"Daimler-Benz ist eine der eher konservativen Firmen in der Automobilindustrie. Außerdem ist die
Fahrzeugindustrie eine der eher konservativen Industriezweige auf der Welt. Wenn nun jemand wie
Daimler Millionen von Dollars in diese Technologie investiert und daher kommt und Äußerungen
dieser Art macht, muß man sagen, daß dies sehr ernst zu nehmen ist." "Die Automobilindustrie und
Konzerne für stationäre Kraftwerke hängen eng miteinander zusammen. Beide sind so groß, daß,
wenn die eine Sparte die Brennstoffzelle für sich entdeckt hat, wird sie die andere mit in den Markt
hineinziehen."
Toyota-Präsident Hiroshi Okuda:
"Our engineers habe a strong feeling that we will be the first to market." [Geyer, 1998]
Tupolev
Im Rahmen des Cryoplane-Programmes von DASA Airbus, Dornier, Tupolev und vielen weiteren
Partnern arbeiten seit 1990 deutsche und russische Firmen am Einsatz kryogener Treibstoffe
(Flüssigwasserstoff) in der Luftfahrt. Schwerpunkt sind die Arbeiten am Wasserstoff-DemonstratorProgramm auf Basis des Regionalflugzeuges DO 328 mit 34 Sitzen. In der FH Aachen wurde ein
Hilfstriebwerk des Typs AlliedSignal GTCP 36-300 auf Wasserstoff umgestellt und im gesamten
Leistungsbereich erprobt.
Die grundsätzliche Realisierbarkeit wurde bereits am 15. April 1988 nachgewiesen, als ANTK Tupolev
das Laborflugzeug Tu 155 erprobte, dessen drittes Triebwerk alternativ mit Flüssigwasserstoff bzw.
Flüssigerdgas betrieben wurde. Als erstes mit flüssigem Wasserstoff betriebenes Flugzeug der Welt
startete dieses Exemplar zu einem 21 Minuten dauernden Probeflug in der Umgebung von Moskau.
Bis zum Jahr 2000 soll das Flugzeug auf LH2-Speicherung und Versorgung (Kosten ca. 60 Mio. DM)
sowie ein Triebwerk auf LH2-Betrieb (Kosten ca. 40 Mio. DM) umgerüstet werden. Da die künftige DO
328 Version anstatt mit Turboprop- mit Strahltriebwerken von Pratt & Whitney Canada oder von Allied
Signal Aerospace ausgestattet werden wird, ist auch die Modifizierung dieses Triebwerkstyps auf LH2Betrieb vorgesehen. Messer Griesheim soll das kryogene LH2-Betankungssystem entwickeln und
liefern. Verschiedene Integrationsmöglichkeiten der Flüssigwasserstofftanks - als Gondeln unter den
Flügeln oder als integrierter Tanks über der Passagierkabine - wurden untersucht.
Es ist geplant, diesen Demonstrator im Jahr 2000 anläßlich der EXPO 2000 in Deutschland im
Demonstrationsbetrieb, vermutlich zwischen Hannover und München, zu erproben. Nach
erfolgreichem Demonstrationsbetrieb, in dessen Verlauf die Funktionsfähigkeit des Triebwerks, die
LH2-Speicherung an Bord und die LH2-Handhabung und Betankung am Boden erprobt werden sollen,
will man eine Serienversion entwickeln und vermarkten. Erste Gespräche mit europäischen und
nordamerikanischen Airlines haben bereits stattgefunden.
Der Energieinhalt von Wasserstoff bezogen auf das Gewicht ist 2,8-mal höher als bei Kerosin, so daß
die Nutzlast des Flugzeuges vergrößert werden kann. Das Volumen für gleiche Energie ist aber 4-mal
größer, so daß sich Änderungen in der Konfiguration des Flugzeuges ergeben.
[Klug, 1998]
Projektmanager Heinz Klug:
"Spätestens 2002 wollen wir mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug in der Luft sein."
Danach benötigen wir nur noch drei bis vier Jahre "bei entsprechenden Rahmenbedingungen" zur
Serienreife.
WEIT
In Hamburg gibt es seit dem Projektstart von WEIT (Wasserstoff-Energie im Island-Transfer) Mitte
1997 mehrere Betriebe, die sich gemeinsam mit der Frage beschäftigen, in wie weit es möglich ist,
Wasserstoff durch zu setzten als neuen Energieträger.
In einem Langzeittest wollen 13 Teilnehmer klären, ob z.B. mobile Energieverbraucher von fossilen
Treibstoffen problemlos auf Wasserstoff umgestellt werden können. Oder wie sich Wasserstoff als
Treibstoff in einem urbanen Transportkonzept bewährt. Dazu sind sechs kleine Lkws umgerüstet
worden für den Betrieb mit komprimiertem, gasförmigem Wasserstoff. Eingesetzt werden diese im
ganz alltäglichen Betrieb im Hamburger Straßenverkehr.
Der zweite Schritt soll die Herstellung von Wasserstoff mit einbeziehen. Geplant ist, Wasserstoff in
Island aus regenerativen Energien zu erzeugen. Mit eingeschlossen ist der Transfer von Island nach
Hamburg ab ca. 1999.
Zevco
Zevco ist eine belgische Firma, die den Auftrag von der Gemeinde Westminster/London bekommen
hat, mehrere batteriebetriebenen Hybridfahrzeuge zu liefern, die mit einer alkalischen Brennstoffzelle
angetrieben werden.
Kosten pro Fahrzeug sind vorerst auf ca. 100.000,- DM veranschlagt. Die Gemeinde beabsichtigt zwei
Wasserstofftankstellen zu bauen und hat 20-50 weitere Fahrzeuge zur Hälfte des Originalpreises
bestellt.
Inhalt knapp erklärt:
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Dieser technische Bericht zeigt einen kurzen Abriss über die Nutzung von Wasserstoff heute
und morgen.
Es werden die wichtigsten Prinzipien von
Herstellung
o mittels Elektrolyse
o Mikroorganismen
o Sonnenlicht
o oder Reformer
Speicherung
o für gasförmigen Wasserstoff
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o für flüssigen Wasserstoff
o in Metallen
o chemisch in anderen Substanzen
und Transport
o mittels Tankwagen oder Schiffen
o Pipelines
o oder in chemisch gespeicherter Form
jeweils mit einigen Anwendungsbeispielen erklärt.
Es wird ein Auge auf die wichtigsten Nutzungsmöglichkeiten wie
Verbrennung zur Wärme oder Dampferzeugung
Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen - Technologie
oder Antrieb von Fahrzeugen
geworfen
Dabei wird auch auf die Problematik der Sicherheit eingegangen, die im Zusammenhang mit
einem Brennstoff unweigerlich auftrifft.
Die Zukunft verlangt einen neuartigen Sekundärenergieträger um Primärenergien, die nicht immer
verfügbar sind (z.B. Sonnenenergie) über Nacht oder mehrere Tage speichern zu können.
Wasserstoff kann hierzu vieles beitragen. Dennoch muss in vielen Bereichen noch Forschungs- und
Entwicklungsarbeit getätigt werden um zu einem zufriedenstellenden Resultat zu kommen.
Insbesondere punkto Wirkungsgrad sind die Resultate, die heute vorliegen noch unbefriedigend.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Wasserstoff- Element der Superlativen
3. Gewinnung von Wasserstoff
3.1 Elektrolyse
3.2 Alkalische Wasserstoffelektrolyse
3.3 Membrantechnik
3.4 Mikroorganismen als Wasserstofflieferanten ?
3.5 Wasserspaltung mittels Sonnenlicht
3.6 Wasserstoffgewinnung mittels Reformer
4 Speicherung und Transport von Wasserstoff
4.1 Druckbehälter und Kavernen für gasförmigen Wasserstoff
4.2 Behälter für flüssigen Wasserstoff (Kryptotanks)
4.3 Metalle als Wasserstoffspeicher (Metallhydrid- Speicher)
4.4 Chemische Speicherung
4.5 Transport von Wasserstoff
4.5.1 Tankwagen und Tankschiffe für Wasserstoff
4.5.2 Pipelines zum Wasserstofftransport
4.5.3 Transport in Form von Methylzyklohexan
5 Die Nutzung von Wasserstoff
5.1 Wasserstoffverbrennung
5.1.1 Eine neuartige Verdampfungstechnik
5.1.2 Wasserstoff- Gasturbine
5.1.3 kalte Verbrennung
5.2 Brennstoffzelle zur Stromerzeugung
5.2.1 Brennstoffzellen Grundsätzlich
5.2.2 fünf Grundtypen für Brennstoffzellen
5.2.3 Brennstoffzellen als Ersatz von Akkus
5.3 Wasserstoff im Verkehr
5.3.1 Wasserstoffauto
5.3.2 Busse und Lastwagen mit Wasserstoff
5.3.3 Wasserstoffflugzeug
6 Wasserstoff und Sicherheit
7 Schlusswort
1. Einleitung
Wasserstoff wird wie kein anderes Element unsere Zukunft prägen.
Obwohl es das einfachste Teilchen ist, wird es zusammen mit den
entsprechenden Primärenergieträgern die gewaltigen
Energieprobleme der Zukunft lösen. Wasserstoff ist einmal mehr ein
Beispiel wie gute Ideen in den scheinbar gelösten Problemen
untergehen. So wurden die Forschungen auf diesem Gebiet erst seit
1973 (Erdölkrise) vorangetrieben. Was man bis heute damit erreicht
hat, ist doch schon sehr ansehnlich. Die Technik ist in vielen
Bereichen mittlerweile soweit, dass sie mit ein paar Jahren intensiver
Forschung bereits in einem Jahrzehnt zur Anwendung kommen
könnte.
2. Wasserstoff- Element der Superlativen
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
Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Es stellt
rund 75% der gesamten Masse.
 Wasserstoff ist das einfachste Element. Es besteht nur aus
einem Proton und einem Elektron
 Wasserstoff ist das älteste Element überhaupt.
Wasserstoff ist das leichteste Element. Es hat eine Dichte von 0.0899g/l. Luft ist fast 15 mal
so schwer.
3. Gewinnung von Wasserstoff
3.1. Elektrolyse
Die einfachste Möglichkeit zur Herstellung von Wasserstoff ist die Elektrolyse.
Dem Wasser werden ein paar Tropfen Säure oder Lauge beigegeben, und über sich im Wasser
befindende Elektroden lässt man einen Strom fliessen. Über der Anode (plus) findet sich nun
gasförmiger Sauerstoff. Über der Kathode (minus) Wasserstoff. Die Trennwand hat die Aufgabe
Wasserstoffgas und Sauerstoff zu trennen, jedoch die Ionen passieren zu lassen.
Das Prinzip der Elektrolyse ist bereits seit 1830 bekannt. Gedanken zur Nutzung von diesem Effekt
machte man sich jedoch erst 1973 während der Ölkrise.
Mit diesem System kommt man kaum über einen Wirkungsgrad von 70%.
3.2. Alkalische Wasserstoffelektrolyse
Die alkalische Wasserstoffelektrolyse erreicht bis zu 90% Wirkungsgrad. Hier wird als Elektrolyt eine
25% Kalilauge verwendet. Durch eine Erhöhung der Betriebstemperatur und eine Verkleinerung der
Elektrodenabstände ist es nun gelungen, den Innenwiderstand deutlich herabzusetzen. Als Elektroden
wird Nickel verwendet, da dieses eine poröse Oberfläche hat, wird die Wasserstoffzersetzung stark
erleichtert.
3.3. Membrantechnik
Man kann das Elektrolyt auch durch eine Kunststoffmembran ersetzen, die wie eine Säure wirkt.
Zusätzlich ersetzt die Kunststoffmembran die Trennwand. Da die Kunststoffplatte nur einige
Zehntelmillimeter dick ist, ist der Innenwiderstand sehr klein. Der Vorteil dieser Technik ist, dass bei
gleicher Grösse und gleichem Wirkungsgrad 50mal mehr Wasserstoff gewonnen werden kann.
3.4. Mikroorganismen als Wasserstofflieferanten ?
Es gibt Bakterien, die mit Hilfe von Sonnenlicht aus Abfällen der Milch und Zuckerverarbeitung
Wasserstoffgase freisetzen können. Am erfolgversprechensten ist die Purpurbakterie. In
Laborversuchen erzeugte ein Reaktor mit 1 Liter Fassungsvermögen 150cm3 Wasserstoff pro Stunde.
3.5. Wasserspaltung mittels Sonnenlicht
Momentan laufen Versuche Wasser direkt mit Sonnenlicht zu spalten. Hierzu werden dem Wasser 3
Substanzen beigesetzt (ein Absorber, ein Akzeptor, ein Katalysator). Der Absorber gibt die
aufgenommene Energie in Form von Protonen ab. Der Akzeptor nimmt diese schliesslich wieder auf.
Die Aufgabe des Katalysators ist es den Elektronenübergang so zu steuern, dass sich das Wasser
spaltet. Die ETH Lausanne entwickelte ein solches System, bei dem der Absorber aus Ruthenium-
Bipyridin, der Akzeptoren aus Methyl- Viologen und der Katalysator aus Platin bestand. Damit
erreichte man einen maximalen Wirkungsgrad von ca. 13% . Auch gibt es noch ungelöste Probleme
wie die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff.
3.6. Wasserstoffgewinnung mittels Reformer
Bei diesem Verfahren verwendet man als Ausgangsprodukt
ein flüssiges Methanol/Wasser- Gemisch, welches bezüglich
seiner Energiedichte und Speicherfähigkeit gute
Eigenschaften aufweist und mit geringem Energieaufwand
auf ein gefordertes Druckniveau gebracht werden kann. Das
Gemisch, das zunächst in einem Verdampfer erwärmt,
verdampft und erhitzt wird, gelangt in den Reformer, wo es
durch eine katalytische Reaktion bei etwa 250 °C zu einem
wasserstoffreichen Gasgemisch umgesetzt wird.
Da dabei nicht nur Wasserstoff, sondern auch
Wasserdampf, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid entsteht,
muss noch eine Gasfeinreinigungsstufe in Form einer
Metallmembran nachgeschaltet werden, die bei einer
Betriebstemperatur von ca. 300 °C hochreinen Wasserstoff
abtrennt. Das zurückbleibende Restgas kann zur
Bereitstellung der Reaktionswärme für die Reformierreaktion
mit Hilfe eines katalytischen Brenners genutzt werden.
Das Reformer Prinzip wird heue bereits im
wasserstoffgetriebenen NECAR von Mercedes angewendet.
4. Speicherung und Transport von Wasserstoff
Theoretisch können die gleichen Speicher wie für Erdgas
verwendet werden. Das Problem ist nur, dass Wasserstoff
bei gleichem Druck und Energieinhalt das dreifache Volumen einnimmt. Die Konsequenz sind um ein
vielfaches grössere Tanks. Als Speicher kommen vor allem vier Möglichkeiten in Frage, welche hier
näher erklärt werden.
4.1. Druckbehälter und Kavernen für gasförmigen Wasserstoff
Bei dieser Art von Speichern handelt es sich meist um Stahlbehälter in Zylinder- oder Kugelform.
Vorstellbar sind Volumen von 50l bis einigen 100’000m 3. Da Wasserstoff das leichteste Gas ist, muss
es stark komprimiert werden um eine sinnvolle Energiedichte zu erreichen. Der resultierende Druck
(bis 600 Bar) erfordert entsprechende Wandstärken bei den Tanks. Die Konsequenz ist, dass die
Tanks sehr schwer werden und somit für Autos und Flugzeuge unbrauchbar sind. Die Forschung
richtet sich da gegen neue Verbundwerkstoffe, die leicht aber sehr fest sind. Eine interessante
Alternative für die Langzeitspeicherung sind natürliche Hohlräume wie alte Salzkavernen. In Kiel wird
so bereits seit 1971 Erdgas mit einem Druck von 80 - 160 Bar gespeichert. Die Verluste bei der
Wasserstoffspeicherung wären jedoch wesentlich grösser, da Wasserstoff bereits durch kleinste Risse
entweichen kann.
4.2. Behälter für flüssigen Wasserstoff (Kryptotanks)
In der Raumfahrt dient auf -253° gekühlter
Flüssigwasserstoff (LH2) als Raketenantriebsmittel.
Da LH2 nur einen achthundertstel des Volumens von
gasförmigen Wasserstoff einnimmt, sind die Tanks
wesentlich kleiner und somit auch für den Einsatz in
Flugzeugen geeignet. Die tiefe Temperatur von LH2
erfordert eine entsprechende Isolation. Isoliert werden
die Tanks ähnlich wie eine Thermosflasche mit einem
luftlehren Raum, dessen Wände verspiegelt sind.
Oftmals werden zusätzlich hohle Glaskügelchen oder
reflektierende Kunststoffolien dazwischen
geschichtet. So isoliert bleibt der Wasserstoff über Jahre flüssig. Probleme liegen bei diesem System
vor allem beim Umfüllen (Pumpen müssen extrem kälteresistent sein); beim Kühlen des Wasserstoffs
(um 1 kg Wasserstoff abzukühlen werden 10kWh verbraucht; dies entspricht ca. 25% der im
Wasserstoff gespeicherten Energie).
Um Wasserstoff auch in kleinen Tanks wirtschaftlich zu speichern sind neuartige Materialien nötig.
Kohlefaserverbundwerkstoffe sind hier sehr erfolgversprechend.
4.3. Metalle als Wasserstoffspeicher (Metallhydrid- Speicher)
Es gibt Legierungen, die unter normaler Temperatur und geringem Überdruck Wasserstoff aufnehmen
können. Wird nun der Druck vermindert und Wärme zugeführt, geben diese den Wasserstoff wieder
ab. Magnesium- Nickel- Hydride geben den Wasserstoff unter Atmosphärendruck bei 250- 350° ab;
Eisen - Titan- Hydiride bereits bei - 20 bis +75°. Die Wasserstoffatome, die fünf mal kleiner sind als die
Eisenmetalle, lagern sich in den Zwischenräumen des Gitters ein. Damit wird das Gitter ausgeweitet
und zerfällt zu einem feinen Pulver. Es gibt bereits Hydridspeicher die bei 280kg Masse "elf Liter
Benzin" aufnehmen. Lediglich das Betanken dauert noch 15 Minuten.
4.4. Chemische Speicherung
Aus 1kg (ca. 40kWh) Wasserstoff und 15kg Tulol entsteht 16kg der Flüssigkeit Methyzyklohexan. Wird
der Wasserstoff gebraucht, kann die Substanz mittels eines Katalysators wieder in ihre Bestandteile
zerlegt werden. Das Tulol bleibt im Tank und kann schliesslich wieder mit Wasserstoff angereichert
werden.
4.5. Transport von Wasserstoff
Beim Transport von Wasserstoff muss man sich dieselben Überlegungen machen wie bei der
Speicherung, da es sich hier eigentlich um nicht anderes als um eine temporäre Speicherung handelt.
4.5.1. Tankwagen und Tankschiffe für Wasserstoff
Stählerne Flaschen mit Wasserstoff in Gasform kämen vermutlich kaum in Frage, da ein 25t
Lastwagen gerade mal 270kg Wasserstoff transportieren könnte. Ein mit LH2 gefüllter Tankwagen
bringt es da schon auf mehrere Tonnen.
Im Rahmen des NASA- Programms sind bereits kleine Tankschiffe und Tankwagen mit LH2 Tanks
unterwegs. Bei der Konstruktion hat man die LNG- Tanks (LNG = flüssiges Erdgas) als Grundlage
genommen. LH2 Tankschiffe haben einen doppelwandigen Schiffsboden und grosse Kugeltanks. Da
LH2 bei gleichem Energieinhalt 2.5mal mehr Volumen einnimmt, braucht es entsprechend grössere
Tanks. Auch ist das Problem der Verdampfungsverluste nicht gelöst, die immerhin bis zu 0.2% pro
Tag betragen können. Wenn Tankwagen verwendet werden, besteht das grösste Problem beim
Umfüllen, da hier mit Verlusten bis 10% gerechnet werden muss.
4.5.2. Pipelines zum Wasserstofftransport
Im Kennedy- Raumfahrt- Zentrum sind bereits
Rohrleitungen für LH2 im Gebrauch, wenn
jedoch nur bis zu einigen 100m Länge.
Rohrleitungen für LH2 wären aufgrund der
aufwendigen Isolierung höchstens bis 50km
geeignet.
Untersuchungen haben gezeigt, dass für den
Transport von gasförmigem Wasserstoff bei
einem Druck von 70 Bar bedingt auch die
Erdgaspipelines angewendet werden könnten.
Da Wasserstoff Metalle spröde macht, müssen
die Rohre besondere Eigenschaften erfüllen.
Das heisst, dass sie entweder aus Stahl oder
extrem zähem Gusseisen bestehen müssen.
Auch an die Schweissnähte werden höhere
Anforderungen gestellt. Die älteren Leitungen
genügen diesen Ansprüchen noch nicht. Da
diese aber in ca. 20 Jahren ersetzt werden
müssen, kann man mit einer geringen
Mehrinvestition das Erdgasnetz
wasserstofftauglich machen.
4.5.3. Transport in Form von Methylzyklohexan
Wasserstoff kann natürlich auch chemisch gespeichert werden und so schliesslich in herkömmlichen
Tankwagen und Tankschiffen transportiert werden. Da Methylzyklohexan besonders gut in Lastwagen
oder Autos angewendet werden kann, macht diese Methode durchaus Sinn.
5. Die Nutzung von Wasserstoff
Bis anhin wurde viel über die Herstellung, die Lagerung und den Transport gesprochen. Nun soll auch
noch ein Auge auf die vielseitigen Anwendungsgebiete geworfen werden.
5.1. Wasserstoffverbrennung
Damit Wasserstoff zusammen mit Luft brennen kann, muss ein Mischverhältnis von 4- 75%
Volumenanteilen Wasserstoff vorliegen. Beträgt der Wasserstoffanteil 29% entfallen auf ein
Wasserstoffatom jeweils zwei Sauerstoffatome. Der Wasserstoff brennt dabei am besten und erreicht
eine maximale Temperatur von 2318°C. Bei jeder Verbrennung mit Luft über 500°C werden jedoch
Stickoxide erzeugt. Bei der kalten Verbrennung kann man dies vermeiden. Dabei sind jedoch spezielle
Brenner nötig, die mit einem Katalysator versehen sind.
Wird Wasserstoff mit reinem Sauerstoff verbrannt entsteht als "Abfall" nichts als Wasserdampf,
Bei dieser Verbrennung werden Temperaturen über 3000°C erreicht.
Wasserstoff kann fast überall da eingesetzt werden wo bis heute andere Gase benötigt wurden.
5.1.1. Eine neuartige Verdampfungstechnik
Die Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft und Raumfahrt hat mittels Wasserstoff ein
neuartiges Wasserverdampfungssystem entwickelt. Dabei wird der Effekt genutzt, dass bei der
Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff nichts als heisses Wasser entsteht. In eine Zündkammer
werden Wasserstoff und Sauerstoff unter hohem Druck eingeblasen. Dort mischen sie sich und
werden schliesslich gezündet. Da der Dampf Temperaturen bis 3300°C hat wird zusätzlich Wasser
eingespritzt, das wiederum verdampft und den Dampf so je nach beigespritzter Wassermenge abkühlt.
Vor allem für die Kraftwerktechnik ist dieses System sehr interessant.
5.1.2 Wasserstoff- Gasturbine
Neu werden auch Gasturbinen für Wasserstoff gebaut. Dabei wird in einer Brennkammer Wasserstoff
zusammen mit Luft erhitzt und schliesslich verbrannt. Mit den Gasturbinen lassen sich
Stromgeneratoren antreiben. Der grosse Vorteil des Wasserstoffes liegt hier darin, dass der
Wasserstoff keine Rückstände hinterlässt wie z.B. die fossilen Brennstoffe.
5.1.3 Kalte Verbrennung
Mittels eines Katalysators kann die Reaktionstemperatur von Wasserstoff auf Zimmertemperatur
herabgesetzt werden. Da bei der katalytischen Verbrennung nur Temperaturen bis 500°C erreicht
werden, entstehen kaum Stickoxide. Als Katalysator eignen sich Platin und Palladium sehr gut. Da
diese Metalle sehr teuer sind, versucht man auf einfachere Metalloxide auszuweichen. Am
erfolgversprechensten ist hier Hopcalit (eine Mischung aus Mangan- Kupfer und Silberoxid und wenig
Platin). Da sich die chemische Reaktion an der Oberfläche abspielt ist es sehr wichtig, dass der
Katalysator eine sehr grosse Oberfläche aufweist. Um dies zu erreichen, bringt man den Katalysator
auf Fasern oder auf einem dünnen Material auf. Es gibt bereits Reaktoren die einen Wirkungsgrad von
99.9% erreichen (jedochzusammen mit reinem Sauerstoff).
5.2. Brennstoffzelle zur Stromerzeugung
In der Brennstoffzelle werden Brennstoffe direkt durch Oxidation in Strom umgewandelt. Das Prinzip
ist seit 150 Jahren bekannt doch erst heute können die
Werkstoffprobleme gelöst werden.
5.2.1. Brennstoffzellen Grundsätzlich
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen beträgt bis 60%. Bei
der sauren Brennstoffzelle wurden bereits 85% gemessen.
Wenn Wasserstoff eingefüllt wird, wird dieser am Katalysator an der Anode in ein H+ Ion und ein eElektron aufgespalten. Das H+ Ion (Nur ein Proton) geht durch das Elektrolyt zur Kathode und
verbindet sich zusammen mit Sauerstoff und dem Elektron, das durch die Last gegangen ist, zu
Wasser.
5.2.2. Fünf Grundtypen für Brennstoffzellen
Heute unterscheidet man zwischen 5 Grundtypen. Sie werden vor allem nach dem Elektrolyt benannt
Name
Elektrolyt
Betriebstemperatur
Wirkungsgrad
alkalische
Brennstoffzelle
Lauge
70- 90°C
60 bis 90%
z.B. Kalilauge
Festpolymer
Brennstoffzelle
ionenleitende
Kunststoffmembran
70- 90°C
ca. 50%
saure
Brennstoffzelle
Säure
180- 200°C
ca. 55%
z.B. Phosphorsäure
SalzschmelzenBrennstoffzelle
flüssige Pottasche
(Kaliumkarbonat)
ca. 650°C
ca. 50%
FestoxidBrennstoffzelle
feste, ionenleitende
Keramik z.B. Zirkonxid
800- 1000°C
bis 60%
5.2.3. Brennstoffzellen als Ersatz von Akkus
In Kombination mit Wasserstofftanks könnten Brennstoffzellen einmal die teuren und schwerfälligen
Akkus ersetzen. Forschungen in diese Richtung laufen bereits. So versucht die Uni Fribourg LaptopAkkus so zu bauen und erste Automobilhersteller haben Brennstoffzellen- Autos angekündigt
(darunter Daimler- Benz und Toyota).
5.3. Wasserstoff im Verkehr
Seit einigen Jahren forschen fast alle Autohersteller fieberhaft in Richtung Wasserstoff. Hier nun ein
Abriss der erfolgversprechensten Projekte.
Interessantes Detail: Diese Forschungen laufen erst seit Ende der Siebziger Jahre, als man erkannt
hatte wie stark man vom Erdöl abhängig geworden ist.
5.3.1. Wasserstoffauto
Auf Basis ihrer berüchtigten AKlasse hat Mercedes ein Auto für
den Wasserstoffbetrieb ungerüstet.
Der NECAR 3 (New Electric CAR)
verfügt über einen Hybridantrieb
(Wasserstoff / Elektrisch)
Und so funktioniert es: Der NECAR wird mit Methanol betankt , welches nach dem Prinzip der
Wasserdampf- Reformierung in Wasserstoff umgewandelt wird. Der Wasserstoff wird schliesslich in
einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt, welche zum Antrieb dient.
Die Methode mit dem Methanol hat den Vorteil, dass auf schwere Wasserstofftanks verzichtet werden
kann. Zudem lässt sich Methanol eben so leicht betanken wie Diesel oder Benzin.
Einen etwas anderen Weg geht BMW.
BMW setzt auf den Wasserstoffverbrennungsmotor.
In der Übergangsphase soll der Motor von BMW
sowohl mit Benzin wie mit Wasserstoff laufen. Dies
würde die Umstellung sehr stark erleichtern. Bei der
Speicherung setzt BMW auf
Flüssigwasserstofftanks. Dank neuer
Betankungstechniken konnte die Tankdauer von
mehreren Stunden auf wenige Minuten reduziert
werden. Die weltweit erste öffentliche
Flüssigwasserstoff- Tankstelle, geht 1998 am
Flughafen München im Rahmen des
"Wasserstoffprojekts Flughafen München" in
Betrieb.
5.3.2. Busse und Lastwagen mit
Wasserstoff
Das Bild links zeigt den NEBUS
ein Konzept der Daimler Benz AG.
Der NEBUS verfügt über einen
Hybridantrieb Wasserstoff/
Elektrisch und könnte schon bald,
da die ganze Schaltung wegfällt,
mit höherem Komfort Personen
transportieren.
Und so funktioniert es: Die 10 Brennstoffzellen im NEBUS liefern zusammen 250kW. Nach Abzug
der Verlusten, kommen für den reinen Fahrbetrieb insgesamt 190 kW Leistung, was ca. 260 PS
entspricht. Die Stromerzeugung ist da untergebracht wo sonst Getriebe und Motor sind. Der
eigentliche Antrieb erfolgt mittels zwei 75kW starken Asynchronmotoren, die als Radnabenmotoren
konzipiert sind.
Die Leistungselektronik (Wechselrichter, Bordnetzumrichter) und die gesamte Gasanlage befinden
sich unter dem Dach. Momentan ist der NEBUS mit sieben 150- Liter- Flaschen ausgestattet die unter
einem Druck von 300 bar stehen. So ausgestattet hat der NEBUS eine Reichweite von 250km.
Ebenfalls unter dem Dach untergebracht sind die Bremswiderstände, welche die Bremsenergie
verheizen.
Wie der Bus könnten theoretisch auch Lastwagen ausgestattet werden. Nur muss dort ein neuer
Stauraum für die Tanks und die ganze Elektronik gefunden werden.
5.3.3. Wasserstoffflugzeug
Das Bild rechts zeigt
ein
Wasserstoffflugzeug
wie es in ein paar
Jahren schon über den
Himmel fliegen könnte.
Weil Wasserstoff bei
gleichem Energieinhalt
wie Kerosin das vierfache Volumen einnimmt, müssen die
Tanks entweder oberhalb der Kabinen (Bild links) oder
unten im Rumpf angebracht werden. Daher ist das
Flugzeug so hoch. Die Tanks über den Sitzen anzubringen ist auch aus Sicherheitserwägungen
günstig, da im Falle eines Unfalls der Wasserstoff nach oben aufsteigt.
Für die Luftfahrt sind herkömmliche Tanks wegen ihres Gewichts ungeeignet. Deswegen wird an
neuen Werkstoffen für die Tanks und die Isolierung geforscht.
Für die Triebwerke kann auf bestehende Lösungen zurückgegriffen werden. Lediglich die
Brennkammer, die Brennstoffpumpen und ein zusätzlicher Wärmetauscher müssen modifiziert
beziehungsweise entwickelt werden. Wegen der Gasförmigkeit von Wasserstoff ist der Betrieb eines
Triebwerks sogar einfacher zu handhaben. Um die Bildung von Stickoxiden zu vermeiden, sind
niedrige Verbrennungstemperaturen erforderlich. Bei kerosinbetriebenen Aggregaten kommt es zu
sogenannten ,,Hot Spots", Stellen im Brennraum, die heißer sind als die Umgebung. Wasserstoff
verteilt sich jedoch schnell genug, so daß die Verbrennung kontrollierter erfolgen kann.
Das primäre Verbrennungsprodukt von Wasserstoff (Wasser) führt in Höhen über 9.000 Meter (der
typischen Flughöhe von Langstreckenflugzeugen) zu vermehrter Wolkenbildung. Dies führt
höchstwahrscheinlich zu einer Verschärfung des Treibhauseffekts. Da das Wasser relativ schnell aus
der Atmosphäre verschwindet ist es gegenüber CO2, das immerhin 100 Jahre lang nicht abgebaut
wird, vergleichsweise harmlos. Trotzdem ist der Effekt nicht unterzubewerten.
6. Wasserstoff und Sicherheit
Entgegen weitverbreiteten Vorurteilen ist Wasserstoff nicht gefährlicher als andere Energieträger. Im
Gegenteil, Wasserstoff verflüchtigt sich im Falle eines Lecks sehr schnell. Im Gegensatz zu Benzin,
Diesel oder Kerosin kann sich dabei kein Flammteppich ausbilden. Auch die Knallgasreaktion ist unter
üblichen Bedingungen nicht möglich, da der Wasserstoff zu flüchtig ist, um in genügender
Konzentration vorzuliegen.
In der chemischen Industrie wird Wasserstoff seit Jahrzehnten in grossen Mengen angewendet, ohne
dass es zu Zwischenfällen gekommen ist. Auch die grosstechnische Anwendung von Wasserstoff
stellt also kein Sicherheitsrisiko dar.
7. Schlusswort
Bis ins Jahr 2030 wird eine Verdoppelung des Fahzeugbestandes prognostiziert. Mit dem
Dieselantrieb, der bis heute punkto Emissionen und Verfügbarkeit an der Spitze liegt, lassen sich die
dadurch aufkommenden Probleme nicht lösen. Zudem fordern die Gesetzgeber zunehmend mehr
emissionsfrei und geräuscharme Fahrzeuge. Die Brennstoffzellen - Technologie trägt als
leistungsfähige Alternative zum Dieselantrieb langfristig zur Lösung der Energie- und
Umweltproblematik bei.
Der bei Daimler- Benz entwickelte Wasserstoff- Bus hat ein grosses Zukunftspotential. Der
Wasserstoffantrieb schränkt weder Mobilität noch Funktionalität ein.
Bei all den schönen Worten muss man stets im Auge haben, dass Wasserstoff bloss ein
Sekundärenergieträger ist und zuerst gewonnen werden muss. Gewinnt man Wasserstoff mit Strom
aus dem AKW oder Braunkohlekraftwerk ist die Aussage, dass Wasserstoff sauber ist nichts als ein
"Schildbürgerstreich". Wasserstoff ist nur dann der saubere Energieträger, wenn seine Erzeugung
auch sauber ist. Auch die grossen Verluste bei der Erzeugung für LH2 sind ein Problem das es noch
zu lösen gilt.
Wasserstoff macht somit eigentlich nur Sinn um Energien, die uns nicht immer verfügbar sind (z.B.
Sonnenenergie), über kurze Zeit zu speichern. Auch Transporte über grössere Strecken machen,
obwohl technisch problemlos möglich, aufgrund der Verluste kaum Sinn. Eine dezentrale Lösung ist
hier gefragt.
Mein Vorschlag: Solartankstelle, die Sonnenenergie in Form von Wasserstoff anbietet. Oder
Einfamilienhaus, das den Wasserstoff für eine Speicherung der Sonnenenergie über einige Tage
benötigt.
Die Direkt-Brennstoffzelle und ihre Funktionsweise
Das Arbeitsprinzip der MCFC-Brennstoffzelle beruht, wie bei allen anderen Brennstoffzellentypen auch, auf der indirekten
Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser durch eine ionenleitende Elektrolytmatrix. Auf der Anodenseite der
Karbonat-Brennstoffzelle reduziert der Wasserstoff das die Matrix durchdringende Karbonat-Ion
zu
unter Bildung von
Wasser und setzt dabei zwei Elektronen frei:
Weil an der Anode also freie Elektronen gebildet werden, ist die Anode der negative Pol der Brennstoffzelle.
Auf der Kathodenseite werden ständig neue
- Ionen aus dem anodenseits gebildeten und der Kathode zugeführten
und dem Luftsauerstoff unter Aufnahme von zwei Elektronen gebildet:
Wegen des Verbrauchs von freien Elektronen besteht an der Kathode Elektronenmangel; sie ist die positive Elektrode der
Brennstoffzelle.
Der Aufbau der Direkt-Brennstoffzelle
Die einzelne Zelle ist als flaches "Sandwich" konstruiert. Die beiden Elektroden (Kathode und Anode) aus porösem Nickel
umschließen eine mit dem Karbonat-Elektrolyten gefüllte Trägerfolie (Matrix).
Die Gaskanäle werden durch wellblechartig strukturierte Stromsammler gebildet. Aufeinanderfolgende Zellen werden durch die
Bipolarplatte separiert. Die Zellen weisen eine Fläche von ca. 0,8 m² auf. Jede Einzelzelle hat eine elektrische Leistung von
etwa 1 kW. Etwa 300 derartige Zellen sind übereinandergestapelt und somit elektrisch in Serie geschaltet. Sie werden
zusammengehalten durch Endplatten, die mit Zugankern verbunden sind und durch entsprechende Vorspannung guten
elektrischen Kontakt zwischen den Einzelzellen bewirken. Das Brenngas und die Kathodenluft fließen im Kreuzstrom durch den
ZelBetriebsbeschreibung - Normalbetrieb
Brenngas wird mit einem Druck von ca. 1,5 bar aus der Versorgungsleitung angeliefert, in einem Druckminderer auf den
Versorgungdruck der Brenngasaufbereitungsanlage eingestellt und der Brenngasaufbereitungsanlage zugeführt.
Die Entschweflung des Einsatzgases, hauptsächlich notwendig wegen der vorher von den Stadtwerken zugegebenen
Odorierungssubstanzen, erfolgt in einem Entschwefler mit speziell imprägnierten Aktivkohlen. Die Behälter sind als
Wechselbehälter ausgeführt. Die Standzeit wird etwa ½ Jahr betragen. Das Substrat ist deponierbar oder kann in
Kohlekraftwerken verfeuert werden.
Simplified Process Flow Diagram
Hinter dem Entschwefler passiert das Erdgas einen Flow Controller (Gasfluß-Mess- und Regelgerät), mit dem entsprechend der
angeforderten elektrischen Leistung der Gasfluß (Nm3/h) eingestellt wird.
Im anschließenden Wärmetauscher wird das Gas auf ca. 480°C aufgeheizt und entsprechend dem erforderlichen Gas/DampfVerhältnis (etwa zwei zu eins) befeuchtet. Für den Startvorgang kann der Wärmetauscher separat beheizt werden.
Anschließend gelangt das Gas zum Preconverter, in dem es über einen Katalysator ins thermodynamische Gleichgewicht
gebracht wird. Im Wesentlichen werden dabei vorhandene höhere Kohlenwasserstoffe einem Steam-Reforming Prozess
unterworfen.
Das so vorbereitete Brenngas strömt zum Hot Module, wo es zunächst in den Brennstoffzellenstapel-internen
Reformiereinheiten umgewandelt wird. Dabei entsteht aus dem Erdgas im Wesentlichen Kohlendioxid und Wasserstoff.
An der Anode der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit den die Elektrolytmatrix durchsetzenden Karbonat-Ionen zu Wasser
und Kohlendioxid unter Elektronenabgabe.
Das Anodenabgas, das noch Reste unverbrauchten Wasserstoffs enthält, wird dem Kathoden-Kreislaufgas in der Mischkammer
(Mixing Zone) beigemischt, strömt mit diesem zusammen über einen katalytischen Brenner, in dem alle noch brennbaren
Bestandteile verbrannt werden, zur Kathode. Dort reagiert das enthaltene Kohlendioxid mit Luftsauerstoff unter
Elektronenaufnahme zu neuen Karbonat-Ionen.
Durch Elektronenüberfluss auf der Anodenseite wird diese zum negativen Pol der Brennstoffzelle, durch Elektronenmangel die
Kathode zum positiven Pol.
Der notwendige Reaktionssauerstoff wird in Form von Luft der Mischzone zugeführt. In diese wird zusätzlich zu Zwecken der
Kühlung und Temperaturregelung abgekühltes Kathodenabgas eingespeist. Die beiden Flüsse werden intern geregelt.
Das entstehende Abgas verläßt das Hot Module mit ca. 650°C und durchströmt die Heizseite des Wärmetauschers für das
Brenngas, die es mit einer Temperatur zwischen 400 und 450°C verläßt.
Danach steht dieses Gas einer beliebigen thermischen Nutzung zur Verfügung. Noch vor Eintritt in den Kamin wird ein kleiner
Teil davon zu den erwähnten Temperaturregelzwecken wiederum der Mischkammer zugeführt.
Die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Gleichspannungsenergie wird in einer Invertereinheit in Drehstrom (400 V)
umgewandelt und ins Netz eingespeist.
Die Anlage wird von einer Kontrollstation aus gesteuert, geregelt und überwacht, die auch alle sicherheitstechnischen
Einrichtungen überwacht und im Bedarfsfall Alarme und vollautomatische Abschaltungen auslöst.
Bei Abschaltvorgängen wird die Anlage mit Stickstoff geflutet.