Brennstoffzellenantriebe - Wasserstoff H2

H2 zu Lande, zu Wasser und in der Luft

Nicht nur zu Lande in Kraftwerken und Fahrzeugen erobern Wasserstoff und Brennstoffzellen immer mehr Anwendungsbereiche. Auch zu Wasser und in der Luft bieten sich viele Einsatzmöglichkeiten. Als außenluftunabhängiger Antrieb für U-Boote hat die Technik längst Serienreife erreicht. Nun wird an einer umweltfreundlichen Stromversorgung für Überwasserschiffe gearbeitet. Die Raumfahrt gilt derzeit als größter Abnehmer von Flüssigwasserstoff – ein in Verbindung mit flüssigem Sauerstoff hochenergetischer Treibstoff. Frühzeitig wurden dort Brennstoffzellen zur Stromversorgung eingesetzt. Jetzt geht es darum, das Gebiet Luftfahrt zu erschließen. Wissenschaftler und Hersteller aus aller Welt haben auf der H2Expo, 6. Internationale Konferenz und Fachmesse für Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologien 2006 im CCH-Congress Center Hamburg, über den Stand aktueller Projekte und Forschungsaktivitäten unter anderem auch im maritimen Bereich und in der Luftfahrt berichtet.

Die Umformung von chemischer in elektrische Energie

Die klassische Variante, die PEM (Polymer Electrolyte Membrane)-Zelle, wird  mit Wasserstoff gespeist, der aus Erdgas gewonnen wird  und nur in relativ kleinen Mengen zur Verfügung steht. Die Erzeugung des Gases ist sehr aufwendig, entsprechend hoch ist sein Preis. Eine wirtschaftliche Gewinnung des Gases durch Elektrolyse wird erst dann möglich sein, wenn der Prozess mit regenerativ gewonnener elektrischer Energie  betrieben wird.   Dagegen wird die  Brennstoffzelle SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) mit klassischen Brennstoffen/Treibstoffen (fuel) wie Benzin betrieben. Die Autoindustrie experimentiert seit Jahren mit Brennstoffzellen-Antrieben.   BMW setzt auf die Weiterentwicklung der SOFC-Zelle, benannt APU-Zelle, in konventionell mit Benzin betriebenen Fahrzeugen zur Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie incl. Scheibenenteisung, Sitz- und Lenkradbeheizung. Darüber hinaus kann diese Energiequelle in absehbarer Zeit zum Betrieb der „by wire“- Systeme (elektrisch betriebene Lenkung oder Bremsen ) an Bedeutung gewinnen. Der Wirkungsgrad dieser Zelle soll fast doppelt so groß sein wie die Kombination Motor/ Lichtmaschine /Batterie. Mit einem Viertel des heutigen Energiebedarfs soll z.B. die Klimatisierung unabhängig vom Motor möglich sein. Für den Fahrzeugantrieb favorisiert BMW nach wie vor den Verbrennungsmotor.

Die SOFC-Zelle

SOFC Brennstoffzelle (APU) Quelle BMW

In der SOFC-Zelle wird chemische Energie in zwei Schritten in elektrische Energie umgewandelt. Die Brennstoffzelle arbeitet bei über 800 °C mit Wasserstoff als Brennstoff und Luftsauerstoff als Oxidationsmittel. Als Katalysator dient Zirkonium-Oxid-Keramik. Das Abfallprodukt ist Wasser. In einem vorgelagerten Transformationsprozess wird der Wasserstoff in einem Start- und in einem Hauptreformer durch Abspaltung bei Temperaturen um 800 °C aus Benzin gewonnen. Das hierbei entstehende Restgas wird verbrannt und die Wärme wird zur Aufheizung der Reaktionsluft und der Reformer verwendet.

Diederich Münkel, FH Darmstadt gibt für die SOFC-Zelle folgende Gründe als besonders interessant an:

• Höchster elektrischer Wirkungsgrad

• Direktnutzung von Erdgas ohne aufwendige Reformierung

• Anfallende Wärme auf hohem Temperaturniveau ist vielseitig nutzbar

• Auf Grund der hohen Abwärme werden kleine Kraftwerke auf der Basis der SOFC entwickelt. Hier wird die Abwärme zur Stromerzeugung in Gasturbinen genutzt.

Solche Kraftwerke sollen zukünftig Wirkungsgrade von 70% erreichen können.

Weiterhin findet man auf diesen Seiten didaktisch gut aufbereitete Informationen zu Oxidkeramischen Brennstoffzellen z.B. liest man zur

Transformation Brennstoff in Wasserstoff:

1. „Das Erdgas (= CH4) reagiert zusammen mit Wasser und Wärme, es entsteht Kohlenmonoxid sowie 3 Wasserstoffatome. 

2. Das Kohlenmonoxid reagiert mit Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff, dabei wird Wärme frei gesetzt.

3. Wasserstoff kann jetzt mit Sauerstoff reagieren, hierbei entsteht Wasser und Wärme.“

und zur Funktion der SOFC-Zelle:

1. Die zwei Gase Wasserstoff und Sauerstoff wandern vom Gasraum in den Katalysator.

2. Die Wasserstoffmoleküle werden durch den Katalysator gespalten, dabei geben die Atome jeweils ihr Elektron ab.

3. Die Elektronen wandern von der Anode zur Kathode und bewirken dabei einen elektrischen Stromfluss.

4. Elektronen rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.

5. Die Sauerstoff-Ionen wandern durch den Elektrolyten zur Anodenseite.

6. Die Sauerstoff-Ionen geben ihre zwei Elektronen an die Wasserstoff-Protonen ab und oxidieren im Anschluss zu Wasser.

…… ZU LANDE:

Sie heißen „Schluckspecht III“ oder „Sax I“ und weisen den Weg in die Zukunft innovativer automobiler Antriebssysteme. Die beiden Brennstoffzellen-Fahrzeuge, sind von Studenten entwickelt worden. Während der H2Expo 2006  im CCH-Congress Center Hamburg haben die beiden Mobile im Ausstellungsbereich auf einer „Rennstrecke“ ihre Runden gedreht. Der „Sax I“ stand den Besuchern sogar für Probefahrten zur Verfügung.

Der Schluckspecht III

Bild 2 ( KN) - Schluckspecht III

Technische Daten

Ursprünglich war das Fahrzeug mit einem Benzinmotor, danach mit einem Dieselmotor ausgestattet. Eine mit Ethanol gespeiste Brennstoffzelle ist in Entwicklung. Die Parameter Rollreibung und Luftwiderstand sind laufend optimiert worden. In allen Entwicklungsstufen hatte man das Ziel vor Augen, mit geringst möglichem Verbrauch eine möglichst lange Strecke zurückzulegen.

Beim diesjährigen (2006 Anm. d. Red.) Shell Eco-marathon in Frankreich, einem Wettbewerb für energiesparende und umweltfreundliche Fahrzeuge, hat der Schluckspecht III unter 255 Teams den vierten Platz erobert. Mit umgerechnet einem Liter Benzin fuhr das Mobil 2614 Kilometer weit.

Sax 1

Bild3 ( KN) - Sax I

Technische Daten

Die Distanz von 1742 Kilometern mit umgerechnet einem Liter Benzin legte „Sax I“ beim diesjährigen Eco-marathon zurück. Beim Eco Marathon bedeutete das im Ergebnis zwar nur den 12. Platz. „Aber wir wurden mit dem dritten Preis für technische Innovation ausgezeichnet“, wird berichtet.

trailH2

Bild4 (KN) trailH2

Technische Daten

Die aus einer Zugmaschine und einem Auflieger bestehende mobile Wasserstoffbetankungseinheit ist für den Einsatz sowohl von gasförmigem als auch flüssigem Wasserstoff konstruiert. Flüssigwasserstoff kann direkt an entsprechend ausgestattete Fahrzeuge abgegeben werden, während der unter Hochdruck gespeicherte gasförmige Wasserstoff zunächst in Pufferbehälter geleitet und danach, über eine Kupplung mit dem Fahrzeug verbunden, durch Druckausgleich in den Tank gefüllt wird. Bei der Konstruktion haben die Ingenieure der Linde AG auf höchsten Bedienkomfort geachtet: Der Tankvorgang läuft automatisch ab. Über einen Touch Screen wählt der Anwender zum Beispiel Betankungsart oder Füllmenge.

Das Projekt „traiLH2“ gilt als weltweit erste mobile Betankungseinheit für die Versorgung von Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Es ist bereits während der Fußballweltmeisterschaft 2006 an verschiedenen Spielorten eingesetzt worden.

.... ZU WASSER:

H2Yacht

Bild 5 (KN) - H2Yacht

Technische Daten

„Bei der H2Yacht verbinden sich Tradition und Innovation“, sagt Reinhard Steltzer. Auf seiner Hamburger Werft AMS Marine Yachten ist das von Dr. Ing. Walter Pelka entwickelte Brennstoffzellen-Boot gebaut worden. Durch sein extrem geräusch- und vibrationsarmes Antriebssystem eignet sich das Boot z.B. für den Einsatz in Gewässern, die nur mit Segelbooten befahren werden dürfen. Bereits in 2007 sollen die ersten Serienboote die Werft AMS Marine Yachten verlassen.

…… IN DER LUFT:

HyFish

Bild 6 (KN) - HyFish

Technische Daten

Der HyFish ist von den Designern und Konstrukteuren der Fa. Smartfish entwickelt worden, deren Vision es ist, ein Reiseflugzeug in Fischform zu bauen, das Geschwindigkeiten um 900 km/h erreicht, bei einem Brennstoffverbrauch der nicht wesentlich höher ist, als der eines Autos.

Hyflly

Bild7 ( KN) - Hyfly 3000

Technische Daten

Eine Zuladung von 350 kg reicht für das Brennstoffzellensystem und mehrere Tanks aus. Probleme bereitet den Entwicklern dagegen das Volumen. Im Innenraum sind 150 Liter Stauvolumen verfügbar, wovon allein auf das Brennstoffzellensystem rund 70 Liter entfällt. Für die gewünschten Reichweiten von über 1.000 Kilometern müsste laut den Berechnungen ein 400 l –Tank eingebaut werden. Ein  Drucktank mit flüssigem Wasserstoff von -250oC würde ein Volumen von rund 160 Liter ausfüllen. Um den Stauraum zu vergrößern, wird erwogen, den Rumpf entsprechend zu vergrößern bzw. an den Tragflächen Außentanks anzubringen. Beide Maßnahmen würden nicht unerheblichen Konstruktions- und Umbauaufwand erforderlich machen und die Flugleistungen beeinträchtigen.

BZ-S1  – Jugend forscht erfolgreich

Bild 8 (KN) - Modellauto - Dieses funktionsfähige Modellfahrzeug wird durch eine Brennstoffzelle angetrieben.

Im gleichen Maßstab hat Alexander Sommerkamp-Homann gearbeitet. Der Hamburger Gymnasiast  hat das weltweit erste mit einer PEM-Brennstoffzelle betriebene Modellboot vorgestellt,  mit dem er beim Hamburger Landeswettbewerb von „Jugend forscht/Schüler experimentieren“ den dritten Platz erreichte.   Ohne fremde Hilfe kombinierte und montierte der Schüler ein komplettes System nebst Fernsteuerung, Elektrolyseur, PEM-Brennstoffzelle, Akkumulatoren und Elektromotor. Das kleine Boot fährt völlig geräusch- und emissionsfrei seinen Kurs. Die nötige Energie für den Elektrolyseur liefern Solarzellen. Sie wandeln das Sonnenlicht in Elektrizität um, mit deren Hilfe  Wasser in  seine Bestandteile Wasserstoff  und Sauerstoff aufgespaltet wird - in den  Treibstoff und das Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle.   

Erstens kommt es anders und zweitens als man denkt:

Bild 9 (Ford AG) - Ford Vision 1975

 Nachtrag im Januar 2007:

Dieses Auto tankt Wasserstoff! Welt-Neuheit im "bild der wissenschaft"-Shop

Auszug aus der Homepage-Seite:

Die sinnvolle Geschenk-Idee +++ saubere Energie +++ ein kompletter Wasserstoff-Kreislauf! Sehr geehrte Online-Kundin, sehr geehrter Online-Kunde, erzeugen Sie mit Sonnenlicht Wasserstoff und betanken Sie Ihr Brennstoffzellen-Auto! Mit diesem futuristischen Konzept-Auto präsentieren wir Ihnen das erste Spielzeugauto, das praktisch emissionsfrei angetrieben wird, keine Batterien braucht, wieder aufgetankt werden kann und dazu noch ein Design-Kunstwerk für Auto-Ästheten ist. Das H2-Sprinter-Set ist ein komplettes Wasserstoff-System, dass den Kreislauf von der Produktion bis zur Anwendung erneuerbarer Treibstoffe auf eine sichere und spektakuläre Art und Weise vorführt. H2-Sprinter-Set. Rennwagen mit Brennstoffzelle, Wasserstofftankstelle (Elektrolyseur) mit Solarmodul. Mit deutscher Beschreibung. Der 16 x 7 Zentimeter große H2-Sprinter arbeitet mit einer echten Brennstoffzelle, die Wasserstoff ohne Verbrennung in elektrische Energie umwandelt. Sie brauchen nur Wasser in die Zapfsäule zu füllen. Ein Elektrolyseur wandelt das Wasser mit Hilfe einer Solarzelle in puren, 100% karbonfreien Wasserstoff. Während des Tankens beleuchten blaue LEDs die Sauerstoffblasen, die bei der Abspaltung entstehen. Nach dem Tanken können Sie den Wasserstoff an Bord speichern, bis Sie das Auto auf einem geraden Platz anschalten und lossausen lassen. www.wissenschaft-shop.de

Lesen Sie auch "Die Brennstoffzelle ist serienreif"

Quellennachweis

7 Fotos Katrin Neuhauser (KN)

BMW, Ford, Bild der Wissenschaft-Shop

Diese Seite von kfztech.de weiter empfehlen Autor: H.-D. Zeuschner bearbeitet: 19.02.2015 Folgen Sie kfztech auf Twitter Besuchen Sie kfztech auf Facebook Lesen Sie auch den Blog von kfztech.de