hydro-genius heute in gang setzen, was uns morgen bewegt

TEAM
REGENERATIVE
GYMNASIUM
ENERGIEN
P U C H H E I M
HYDRO-GENIUS
HEUTE IN GANG SETZEN,
WAS UNS MORGEN BEWEGT
DEMONSTRATION DER BRENNSTOFFZELLENTECHNOLOGIE
AN EINEM FERNGESTEURTEN MODELLAUTO
www.gymnasiimi-puchheim.de
Rubrik: Faecher/ Regenerative Energien
Heute in Gang setzen, was uns morgen bewegt
Demonstration der Brennstoffzellentechnologie an einem Modellauto
Eine Projektarbeit von Schülern der Oberstufe betreut von:
W. Bube, N. Fischer
Gymnasium Puchheim, Bgra.-ErU-Str.il, 82178 Puchheim/München
Kurzfassung
Schüler des Gymnasiums sind für naturwissenschaftliche Problemstellungen zu begeistern, wenn es
um Zukunftsthemen und moderne Technologien geht und wenn sie selbst agieren können. Unser Projekt ist im Bereich erneuerbarer Energien angesiedelt, weil wir an unserem Gymnasium seit 1990 in
einem selbst entwickelten Grundkurs Physik "Regenerative Energiequellen" (RegEn) in der Kollegstufe Projektarbeiten durchfuhren, um Jugendlichen Umweltbildung und Verantwortung konkret zu
machen. Das RegEn Team untersucht bei diesem HighTech-Projekt den Einsatz des Energieträgers
Wasserstoff im Automobil der Zukunft. Ein leistungsstarkes Modellauto soll mit einem 150 W
Brennstoffzellenstack betrieben werden. Projektziele sind die Konzeption, die Beschaffung der Komponenten, der Aufbau und die Analyse des Systems. Die Steuerung des Stacks, die Erfassung der
Messwerte bei der Systemanalyse sowie deren Darstellung erfolgt mit der industriellen Standardsoftware Lab VIEW von National Instruments. Für die Unterstützung wurden mehrere Sponsoren gewonnen.
1. Schüler - von einer Idee beflügelt
Die gegenwärtige Energieversorgung basiert überwiegend auf erschöpf]ichen, fossilen Primärenergieträgern. Die beschleunigte Zunahme der Weltbevölkerung und der steigende Energieverbrauch, die Klimabeeinflussung, die absehbare Ressourcenknappheit bei
Öl, Kohle und Gas sind Probleme, die künftige Generationen noch stärker bewegen werden.
In unserem Grundkurses "Regenerative Energiequellen" der Kollegstufe haben wir uns theoretisch und
praktisch mit den Möglichkeiten der Erneuerbaren
beschäftigt (Anlage 1: Lehrplan und Projektarbeiten).
Bereits bei unserem letzten Projekt haben wir uns
unter dem gleichen Motto mit dem Einsatz einer
Brennstoffzelle zur Versorgung einer Klimaanlage im
Auto beschäftigt und dabei einiges über die Wasserstofftechnologie gelernt (Anlage 2: Kurzfassung).
Abb. 1.1 Klimaanlage betrieben mit einer BZ
Allerdings war das Auto ein reines Standmodell und
die Brennstoffzelle war nur geliehen. Deswegen
wuchs in uns der Wunsch ein Modellauto zu bauen,
das fährt.
Über den Förderverein der Schule haben wir Experten
eingeladen, weil wir unsere Kenntnisse über Klimaveränderung vertiefen, aber auch wissen wollten,
welche Möglichkeiten erneuerbare Energien bieten
(Anlage: 3 Vorträge). Wir haben gesehen, dass Wasserstoff langfristig, wenn er durch erneuerbare Energien erzeugt wird, ein idealer Sekundärenergieträger
sein kann.
Für uns Jugendliche ist die Wasserstofftechnologie
von großem Interesse, weil wir auch in Zukunft mit
dem Auto mobil sein wollen. Die Technologie erscheint uns zukunftsträchtig, weil der Wirkungsgrad
besser als beim Verbrennungsmotor ist und weil weniger Schadstoffe emittiert werden. Um die Wasserstofftechnologie anschaulich zu demonstrieren und
eigene Untersuchungen zu machen, wollten wir unbedingt ein ferngesteuertes Modellauto bauen, das mit
Wasserstoff fährt. Es sollte aber kein kleines Spielzeugauto sein, wie ein früheres Projekt von uns, sondern eines mit beeindruckenden Fahrleistungen, wozu
wir einen Elektromotor von 100-200W vorsahen.
Will man die für diesen Motor notwendige Energie
aus Wasserstoff gewinnen, braucht man ein leistungsfähiges Brennstoffzellen Stack und einen entsprechenden Tank. Das Modellauto soll aber nicht nur fahren,
sondern das Betriebsverhalten soll analysiert und
optimiert werden können. Die Messdaten wollen wir
mit der industriellen Standardsoftware Lab VIEW von
National Instruments mit dem PC erfassen und bearbeiten. Mit dieser grafisch orientierten Software können mit geeigneten Sensoren H2-Durchfluss, Tempe-
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rafur, Spannung und Stromstärke während der Fahrt
aufgenommen und für die Steuerung des Stacks oder
für die Analyse nach der Fahrt verwendet werden.
Unser Gymnasium hat mit NT vielfach kooperiert und
bei Projektarbeiten das Programm eingesetzt (Anlage
4: Messwerterfassung mit Lab VIEW).
Rubrik: Faecher/ Regenerative Energien
3. Die Teile fügen sich zum Ganzen
Karosserie und Antrieb
Wir merkten bald, dass unser geplantes Modellsystem
teuer werden und viel Zeit in Anspruch nehmen wird.
Finanzmittel, Kontakte mit Industrie und Forschung,
ausdauernde Teamarbeit und anhaltende Motivation
waren und sind noch gefordert. Die ersten Aufgaben
für die Teams und für die Betreuer waren:
• Sponsoren finden und überzeugen
• Konzepte entwickeln und besprechen
• Komponenten beschaffen und testen.
Dem Förderantrag an die DPG (Anlage 5: Förderantrag wurde Ende des Jahres 2003 entsprochen, nachdem wir als weitere Sponsoren EON und das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur
und Verkehr gewinnen konnten und so eine Projektsumme von 7 000 € zugesagt bekamen.
Neben den 13 Schülern der Oberstufe kooperieren
auch zwei „Ehemalige" (19 Jahre), die inzwischen
studieren.
2. Vom Lehrer zum Betreuer Pädagogische Ziele und Methodik
Bei der Bearbeitung der motivierenden Projektaufgabe
müssen sich die Schüler mit vielen Teilproblemen
selbstständig auseinander setzen. Die handlungsorientierten Teilaufgaben werden in Teams bearbeitet. Ziel
dabei ist es, Eigeninitiative. Kreativität und selbständiges Lernen zu fördern. Die Schüler treffen dabei
(schuluntypisch, aber lebensnah) auf offene Fragestellungen, für die es keine vorgefertigten Musterlösungen gibt und auch die betreuenden Lehrer keine haben.
Recherchieren, Kontakte zu Partnerfirmen, Kommunikation über das Internet und zusammenfassende
Besprechungen sind wichtige Bausteine im fortschreitenden Projekt. Bei einem solch aufwendigen Projekt
müssen ursprüngliche Zielvorstellungen geändert und
neue abgesprochen werden.
Abb. 3.1 Das Modellauto zerlegt
Als Modell wurde ein Kleinbus gewählt, da er Platz
für die nötigen Komponenten bietet: Mit 90 cm Länge, 34 cm Breite und 35 cm Höhe ist das blau lackierte
1:5 Modell ein Prachtstück, das attraktive Flächen für
unsere Sponsoren hat. Das Modellauto wurde gebraucht bei Ebay erworben und mit einem Elektromotor (50-400 W) und Getriebe ausgestattet.
-r
Das Herz: Die Brennstoffzelle
Nach vielen Angeboten, die für unser Vorhaben ungeeignet waren, ergab sich für unser Team bei der
Ausstellung unserer vorausgehenden Projektarbeit auf
dem Anwenderkongress der Firma NI im März dieses
Jahres ein wichtiger Kontakt mit dem Zentrum für
Brennstoffzellen Technik in Duisburg .
Das ZBT hat nach unseren Vorgaben ein Brennstoffzellenstack aus 14 Zellen aufgebaut, getestet und charakterisiert.
Abb, 3.2 Die vom ZBT entwickelte Konfiguration
des Stacks
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Kenndaten:
• Aktive Fiäche pro Zelle
• Dauerleistung
• Kühlung durch integrierten Lüfter
• Betriebstemperatur
• Druckverlust
Rubrik: Faecher/ Regenerative Energien
50cm2
150W
50°C
200mbar
Folgende Peripherieelemente werden von uns zum
Betrieb des System integriert:
• Luftkompressor für die Kathode
• Befeuchter für die Kathode
• Zeitgesteuertes Purge-Ventil und Rückschlagventil
am Anodenausgang
• Temperaturgesteuerter Lüfter
• Spannungswandler auf 10-16V DC zum Betrieb
des Elektromotors
Firma Swagelok wieder am Projekt zu beteiligen,
indem sie für uns eine Schulung im sicheren Umgang
mit den H2-Verbindungen macht. Zusätzlich werden
preisgünstige Sensoren zur Leckerkennung beschafft.
Abschätzungen zur im Tank gespeicherten Energie
und zur Betriebsdauer:
Um abzuschätzen, wie lange das Auto mit einer Tankfüllung fahren kann, haben wir kurz die gespeicherten
Energie und den Energieumsatz bei unserer Nennleistung berechnet.. Ausgehend von einer Dichte von
0,09g/l bei 300K und Ibar und einer spezifischen
Energie von 10,8kJ/l oder 120kJ/g ergibt sich für ein
Volumen von 2 Litern und einen Druck von 200 bar
eine gespeicherte Energie von 4320 kj. Für eine elektrische Leistung der Brennstoffzelle von 150 W und
einen Wirkungsgrad von 50 % bedeutet das eine Betriebsdauer von ca. 240 Minuten.
Das Hirn: Messung und Steuerung mit
LabVIEW und Fieldpoint
Abb, 3.3 Die fertige Brennstoffzelle mit den Anschlüssen
Die Lunge: Der Wasserstofftank
Wasserstoff als leichtflüchtiges Element mit geringer
Dichte erfordert zum einen wasserstoffdichte Verbindungen und einen hohen Druck, wenn man in einem
kleinen Behälter genügend Treibstoff für den Motor
speichern will. Das zuständige Team suchte nach
Kleintanks für Wasserstoff, die genügend Gas für den
Betrieb des Modellautos enthalten und mit den Abmessungen ins Fahrzeug integrierbar sind. Bei den
günstigeren Leihflaschensystemen wurde uns von Air
Liquid ein 2 Liter Tank mit 200 bar angeboten. Das
Team konnte auch diese Firma für die Unterstützung
des Projektes gewinnen. Eine Füllung kostet uns ca.
90 € und die Flasche wurde und von Air Liquid für 3
Monate kostenlos zur Verfügung gestellt und danach
fällt eine monatliche Miete an. Der Druck wird zunächst auf 50 bar reduziert und dann in einem Reduzierventil auf den Betriebsdruck der Zelle von
500 mbar gesenkt.
Die Verbindungen zur Brennstoffzelle müssen wasserstoffdicht sein, eine besondere Anforderung, mit
der wir bereits bei unserem vorausgehenden Projekt
Erfahrung gesammelt haben, Das Team versuchet, die
Die Schule besitzt die industrielle Standardsoftware
LabVIEW und sie wurde schon bei anderen Projekten
wirkungsvoll eingesetzt, weil man sich für jedes
Problem nach Bedarf am PC ein virtuelles Instrument
konstruieren kann. Die mit LabVIEW erstellten so
genannten virtuellen Instrumente werden in der Industrie in unterschiedlichsten Bereichen verwendet.
LabVTEW unterscheidet sich von den gängigen Programmen, die in Schulen zur Erfassung, Verarbeitung
und Darstellung von Messungen eingesetzt werden, da
es im Gegensatz zu anderen Programmiersprachen mit
seiner grafischen Programm!eroberfläche (Abb. 3.4)
leicht an unterschiedlichste Aufgaben angepasst werden kann. Die strukturierte, bedienerfreundliche und
vielseitig nutzbare Entwicklungsumgebung bietet für
den Einsatz an Schulen vielfältige Möglichkeiten. Mit
Hilfe dieses Programms haben wir bereits früher
Messwerte wie Spannung und Druck erfasst und die
gemessenen Größen in Form von Diagrammen ausgewertet.
Messwerterfassung
NIedordnictaBlta
Innenraumleniperalui
fc/ ^
Abb. 3.4a Frontpanel des virtuellen Instruments
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Backmeyer von National Instruments München kooperierten und die Ergebnisse auch auf der Messe VIP
2005 zeigen wollen.
Abb. 3.4b Diagrampanel
II
Abb. 3.6 Controllerbaustein und virtuelles Instrument
Abb. 3.5 Stand des RegEn Teams bei der VIP 2004
(W. Bube, N. Fischer, M. Fluck, R. Almgren von NI,
T. Bodendorfer)
Das RegEn Team des Gymnasius Puchheim war mit
dem Projekt Brennstoffzelle als Energieversorger für
die Klimaanlage eines Autos als Aussteller beim 9.
Technologie und Anwenderkongress der Firma National Instruments NI „Virtuelle Instrumente in der Praxis VTP 2004" am 24. und 25. März 2004 im Veranstaltungsforum Fürstenfeldbruck vertreten. Entwickler
aus verschiedensten Ingenieurdisziplinen zeigten dort
vielfältige EinsatzmögÜckeiten von virtuellen Instrumenten, die mit der grafischen Software LabVIEW
programmiert werden. Die beiden Ehemaligen aus
dem RegEn Team, Thomas Bodendorfer und Manuel
Fluck , demonstrierten, wie wir bei Projektarbeiten zur
Brennstoffzellentechnologie diese industrielle Standardsoftware zur Messwerterfassung eingesetzt hatten.
Ray Almgren, zuständig für Product Marketing und
Ausbildung bei NI zeigte sich beeindruckt von den
Projektarbeiten der Schüler des Gymnasiums Puchheim und erwähnte sie ausdrücklich in seinem Einführungsvortrag. Schüler des aktuellen RegEn Kurses
konnten bei dieser Veranstaltung wichtige Kontakte
für das derzeitige Projekt HYDROGENIUS knüpfen.
Passend zur Software LabVIEW haben wir für das
Modellauto als Hardware das Fieldpointsystems von
NI ausgewählt, weil damit sowohl das Brennstoffzellenstack variabel gesteuert als auch in Echtzeit während der Fahrt Betriebsdaten zur späteren Analyse
aufgezeichnet werden können. Das teure industrielle
System können wir zu Sonderkonditionen erwerben,
weil wir bereits bei verschiedenen Projekten mit Herrn
Die Konzeption des FieldPoint Sytems :
Der Controller erhält das Programm LabVIEW über
Ethernet, die Steuerung der BZ erfolgt über das Programm, die Messdaten werden im Speicher des Controllers abgelegt. Der Controller und die Basis für die
Sensoren und Aktoren sind auf einer gemeinsamen
Schiene mit Busverbindung montiert.
Die Datenerfassung der Einzelspannungen (7 von 14
Zellen des Stacks werden überwacht) erfolgt über das
8-Kanal Analog Modul FP AI 102 und die Temperaturmessung über 1 Zweikanalmodul, das auf die Basis
TB 10 gesteckt wird. Dort wird auch 1 Zweikanalmodul mit je 2 analogen Ausgängen (0-10V) für die Ansteuerung des Lüfters und des Luftkompressors eingesteckt. Die zusätzlich nötige elektronische Schaltung für die Pulsweitenmodulation (PWM) wird vom
ZBT geliefert. Die Ansteuerung Purge Ventils soll
über 1 Zweikanalmodul mit digitalem Ausgang für ein
zwischengeschaltetes Relais erfolgen.
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4. Das Ziel
Rubrik: Faecher/ Regenerative Energien
Ohne Sponsoren bewegt sich nichts
In den letzten Juliwochen 2004 werden die Komponenten zusammengebaut und in den Sommerferien
wird es die ersten Tests geben. Wir wollen für das
System HYDROGENTUS Spannung und Strom des
Brennstoffzellenstacks und den Wasserstoffverbrauch
registrieren. Daraus sollen mit LabVIEW die Kennlinien unter verschiedenen Belastungen ermittelt werden, ähnlich wie wir es bei unserer kleinen Zelle mit
nur 15 mW Leistung bereits getan haben,
Bayern
Ktnrilinit Br«nsto«jelle
%3
1 1•
0
50
100
Stiem 1 in inA
150
Bayerisches Staatsministerium für
Wirtschaft, Infrastruktur. Verkehr und Technologie
Abb. 4.1 Strom-Spannungs Kennlinie einer BZ
NATIONAL
INSTRUMENTS
Zentrum für BrennstoffzellenTechnik
ZBT GmbH Duisburg
(Center for Fuel Cell
Technology)) - CarlBenz-Slraße201
47058 Duisburg Germany http://www.zbtduishurg.de
Abb. 4.2 Strom-Leistungs Kenlinie einer BZ
Wir wollen aus den Daten Aussagen über den Wirkungsgrad unseres Sytems unter verschiedenen Betriebsbedingungen machen und auch die Wasserstoffkosten berechnen. Dabei sollen verschiedene Herstellungsverfahren von der Elektrolyse mit gängigem
Kraftwerken bis zur Elektrolyse mit regenerativen
Energiequellen miteinander verglichen werden. Der
Vergleich soll die Energiekosten, aber auch die Auswirkungen auf Umwelt (Klimawirksamkeit) einbeziehen. Wir wollen versuchen, die Ergebnisse aus dem
Modellsystem auf ein richtiges Fahrzeug zu übertragen (Leistung, Art des Tankes, Reichweite, Kosten,
Emissionen) und sie mit den Aussagen aus den Versuchen der Kfz-Hersteller zu vergleichen.
www.ni.coin
Vielen Dank sagt
Das RegEn Team