Öffentlicher Schlussbericht der Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG Eberspächerstraße 24, Esslingen

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1 Öffentlicher Schlussbericht der Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG Eberspächerstraße 24, Esslingen Zum Vorhaben: Verbundvorhaben ENSA III Entwicklung Nutzfahrzeug SOFC- APU; Teilvorhaben: Systemintegration Förderkennzeichen: 03ET2048A Laufzeit des Vorhabens: bis Industriepartner: Autor und Projektleiter: Dipl.-Ing. (FH) Andreas Kaupert Co-Autoren: Dipl.-Ing. Saskia Bostelmann Sina Keilert, B. A. Dipl.-Ing. (FH) Andreas Borst Dipl.-Ing. Samuel Brandt Oleg Dering, B. Eng. Dipl.-Ing. Richard Schmidt Datum: Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

2 VORWORT Vorwort Brennstoffzellen sind hocheffiziente, elektrochemische Energiewandler, die geräuscharm und mit vergleichsweise geringen Schadstoffemissionen aus Kraftstoff elektrischen Strom erzeugen. Insbesondere Fernverkehrs-Nutzfahrzeuge bieten ein geeignetes Einsatzgebiet für Brennstoffzellensysteme. Das Verbot des Leerlaufbetriebs eines Antriebsmotors (auch Anti-Idling genannt) und steigende Kraftstoffkosten sind in diesem Marktsegment die Treiber für die Entwicklung verbrauchsgünstiger Zusatzaggregate, sogenannter Auxiliary Power Units (APUs), sowie stationärer Anlagen auf Rastplätzen, zur Bordstromversorgung und Klimatisierung der Fahrzeugkabine. Vor allem in den USA gibt es viele Bundesstaaten mit sehr strenger Anti-Idling-Gesetzgebung (s. Abbildung 1). Abbildung 1: Anti-Idling-Gesetzgebung in den USA (Stand 2014) 1 FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 2/40

3 VORWORT Im Vergleich zu PEMFC-Systemen (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), zeichnet sich die SOFC-Technologie (Solid Oxide Fuel Cell) in der Fahrzeuganwendung durch eine geringere Systemkomplexität aus. Im Projekt ENSA I wurde der Demonstrator für eine PKW-APU und in ENSA II für eine LKW-APU in Form eines dieselbetriebenen Brennstoffzellensystems entwickelt. Der Fokus lag dabei auf der Entwicklung der notwendigen Basiskomponenten wie dem Reformer bzw. Wasserstofferzeuger, der Brennstoffzelle, dem Restgasbrenner und dem Wärmeübertrager sowie deren Zusammenspiel im Gesamtsystem. Die Industriepartner Eberspächer, ElringKlinger und MAHLE Behr setzten sich in dem Folgeprojekt ENSA III zum Ziel, die technische und kommerzielle Reife der Nutzfahrzeug-APU nachzuweisen. Die Förderung des Projekts ENSA III durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie stellt eine wichtige und tragende Säule der Finanzierung dieses risikobehafteten und innovativen Entwicklungsvorhabens dar. Derzeitige Technologie auf dem Markt Zu den verbreitetsten Anti-Idling-Technologien zählt in den USA die verbrennungsmotorische APU, welche über Drehstromgeneratoren mechanische in elektrische Energie umwandelt und elektrisch oder mechanisch einen Klimakompressor antreibt (Abbildung 2). Abbildung 2: Anwendung der verbrennungsmotorischen Diesel-APU 2 Diese elektrische Energie kann dann zur Bordstromversorgung sowie in Verbindung mit Klimakomponenten und Warmlufterzeugern zur Temperierung der Kabine eines Trucks genutzt werden. Besonders in heißen sowie sehr kalten Klimaregionen, wo Trucker über Wochen in ihren Fahrzeugen leben, werden Stromgeneratoren nachgefragt. Der für den Betrieb dieser Aggregate benötigte Kraftstoff kommt in den allermeisten Fällen aus dem vorhandenen Tank des Fahrzeugs. Wesentlicher Vorteil einer APU gegenüber dem Truck-Idling ist ein deutlich besserer Wirkungsgrad und somit ein geringerer Kraftstoffverbrauch bei gleichem Nutzen für den Betreiber. Durch den Einsatz einer solchen APU wird der Emissionsausstoß ebenfalls reduziert, weshalb diese Aggregate in Bundesstaaten und Countys mit geltenden Anti-Idling-Gesetzen betrieben werden dürfen. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 3/40

4 VORWORT Kurze Funktionsbeschreibung des dieselbetriebenen Brennstoffzellensystems Dieselkraftstoff und Umgebungsluft werden dem Reformer bzw. Synthesegaserzeuger zugeführt und mittels einer katalytisch partiellen Oxidation in ein wasserstoff- und kohlenmonoxidreiches Synthesegas umgewandelt (s. Abbildung 3). Dieses Brenngas wird anschließend in der Brennstoffzelle anodenseitig ionisiert und dort mit den Sauerstoff- Ionen, von der Kathodenluft kommend, in elektrischen Strom umgewandelt, sobald ein aktiver Verbraucher angeschlossen ist. Dieser Prozess läuft mit einem theoretischen Wirkungsgrad von über 40 % Prozent bei Temperaturen von mehr als 800 C ab. Die Brennstoffzelle setzt aus Gründen des Kosten-Nutzen-Aufwandes nicht das gesamte Brenngas um, sondern maximal 80 %. Ein Restgasbrenner stellt deshalb sicher, dass die restlichen wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltigen Bestandteile des Brennstoffzellenabgases thermisch umgesetzt und somit vor der Abgabe an die Umwelt in Wasserdampf und unschädliches Kohlendioxid umgewandelt werden. Die dabei entstehende Abwärme wird in einem Wärmeübertrager dazu verwendet, die für die Brennstoffzelle benötigte Kathodenluft vorzuwärmen. Die Restgasbrenner- Wärmeübertrager-Einheit wird auch als Rekuperator bezeichnet. Zudem kann diese Abwärme noch zur Erwärmung der Fahrzeugkabine genutzt werden, ohne einen zusätzlichen Standheizungsbrenner zu benötigen. Zur Kühlung des Reformers und zur Verbesserung des Reformierungsprozesses wird ein Teil des nicht umgesetzten Brennstoffzellen-Abgases dem Reformer wieder zugeführt, ähnlich der Abgasrückführung bei Verbrennungsmotoren. Dieser Vorgang wird als Rezirkulation bezeichnet. Das Startbrenner-Modul, bestehend aus Startbrenner und Startbrenner-Wärmeübertrager, sorgt für eine schonende Aufheizung der Brennstoffzelle. Die roten Pfeile stellen den Brenngas- bzw. Anodenabgas-Pfad und die schwarzen Pfeile den Abgas-Pfad dar. Abbildung 3: Systemschaltbild des dieselbetriebenen Brennstoffzellensystems FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 4/40

5 INHALTSVERZEICHNIS Vorwort...2 Abbildungsverzeichnis...6 Tabellenverzeichnis...7 Abkürzungsverzeichnis Kurzdarstellung Aufgabenstellung Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde Planung und Ablauf des Vorhabens Anknüpfung an wissenschaftlichen und technischen Stand Konstruktionen, Verfahren und Schutzrechte, die für die Durchführung des Vorhabens benutzt wurden Verwendete Fachliteratur sowie Informations- und Dokumentationsdienste Eingehende Darstellung Technischer Abschlussbericht und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Gesamtsystem mit 2,9 kw brutto (Meilenstein 1) Gesamtsystem mit 3,4 kw brutto (Meilenstein 2) Redoxbeständiger Stack (Meilenstein 3) Schwefeltoleranter Stack (Meilenstein 4) Funktionsnachweis auf Komponentenebene (Meilenstein 5) Funktionsnachweis auf Systemebene (Meilenstein 6) Funktionsnachweis auf Komponentenebene (Meilenstein 7) Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit Während der Durchführung des Vorhabens bekannt gewordene Fortschritte auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen Erfolgte und geplante Veröffentlichungen des Ergebnisses Öffentliche Veranstaltungen Veröffentlichungen und SOFC-APU-Informationen im Internet Doktorarbeiten Zusammenarbeit mit Hochschulen und Universitäten Danksagung Quellenverzeichnis FKZ 03ET2048A ENSA III öffentlicher Schlussbericht Eberspächer 5/40

6 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Anti-Idling-Gesetzgebung in den USA (Stand 2014) Abbildung 2: Anwendung der verbrennungsmotorischen Diesel-APU Abbildung 3: Systemschaltbild des dieselbetriebenen Brennstoffzellensystems... 4 Abbildung 4: LKW-Konzept mit dieselbetriebenem Brennstoffzellensystem Abbildung 5: Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen in ENSA III Abbildung 6: ENSA II-Demonstrator (geöffneter Zustand) Abbildung 7: ENSA II-Demonstrator (geschlossener Zustand) Abbildung 8: aktive Komponenten beim Start (rot) und Betrieb (grün) des E2D Abbildung 9: Versuch zum Meilenstein 1, (Stack D60-16 Gesamtsystem) Abbildung 10: zweiter Meilenstein 2-Versuch (Stack D60-24 im Gesamtsystem) Abbildung 11: schwefelabhängige Brenngasnutzung im Stack Abbildung 12: Einfluss von Schwefel auf die Stackleistung Abbildung 13: Schwefelvergiftung der Anode (Transportprozesse/Reaktionen) Abbildung 14: schwefelbeständiger Stack, Meilenstein 4-Versuch Abbildung 15: Gesamtsystem mit weiterentwickeltem Stack (linke Ansicht) Abbildung 16: Gesamtsystem mit weiterentwickeltem Stack (rechte Ansicht) Abbildung 17: Systemversuch 1-9 (elektr. Leistung), Vorstufe zum Meilenstein Abbildung 18: Systemversuch 1-9 (T, p), Vorstufe zum Meilenstein Abbildung 19: Funktionsweise eines Reformers Abbildung 20: Schadstoffemissionen von SOFC-APU, ICE-APU, LKW-Motor Abbildung 21: Lieferumfang, verbrennungsmotorische APU Abbildung 22: Lieferumfang der Projektpartner Abbildung 23: Aufbau der SOFC-APU von AVL Abbildung 24: SOFC-APU von DELPHI (Packaging-Studie) Abbildung 25: SOFC-APU von DELPHI in einem US-Truck Abbildung 26: Messeteilnahme an der 64. Nutzfahrzeug-IAA Abbildung 27: SOFC-APU auf der 64. Nutzfahrzeug-IAA Abbildung 28: Teilnehmer des Kick-off-Meetings Abbildung 29: Teilnehmer der Abschlussveranstaltung FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 6/40

7 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Arbeitspakete im Projekt ENSA III Tabelle 2: Meilensteinplan zum Projekt ENSA III Tabelle 3: erreichte Projektziele in ENSA I und ENSA II Tabelle 4: Funktionsnachweis auf Komponentenebene (Meilenstein 5) Tabelle 5: Funktionsnachweis auf Systemebene (Meilenstein 6-Definition) Tabelle 6: Prüfverfahren der CARB, Thermo King TriPac mit DPF Tabelle 7: Emissions-Standards der EPA, nonroad-verbrennungsmaschinen Abkürzungsverzeichnis APU - Auxiliary Power Unit ASC - Anode supported cell CARB - California Air Resources Board CPOx - Catalytic Partial Oxidation DESTA - Demonstration of 1st European SOFC Truck APU ENSA (I/II) - Entwicklung von Nebenaggregate für eine SOFC-APU ENSA (III) - Entwicklung Nutzfahrzeug SOFC-APU E2D - ENSA II-Demonstrator EPA - United States Environmental Protection Agency FU - Fuel Utilisation (Brenngasumsetzung) GS - Gesamtsystem ICE - Internal Combustion Engine (Verbrennungsmaschine) JE - J. Eberspächer GmbH & Co KG LKW - Lastkraftwagen MS - Meilenstein NFZ - Nutzfahrzeug OCV - Open Circuit Voltage (Leerlaufspannung) OWI - Oel-Waerme-Institut GmbH ppm - parts per million RT - Raumtemperatur SOFC - Solid Oxide Fuel Cell (Hochtemperatur-Brennstoffzelle) FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 7/40

8 KURZDARSTELLUNG 1 Kurzdarstellung 1.1 Aufgabenstellung Die in ENSA II für die LKW-Anwendung eines dieselbetriebenen Brennstoffzellensystems gesteckten Ziele wurden nur teilweise erreicht. Insbesondere mussten zunächst die Anforderungen wie kurze Startzeit, thermomechanische Stabilität, Wechselwirkung des Reformats mit der Anode und der Einfluss des Schwefels im Kraftstoff auf die Anode in einem umfangreichen Maßnahmenplan bearbeitet und gelöst werden. Der Nachweis der Wirksamkeit der Lösungsansätze stand auf Gesamtsystem-Ebene noch aus, weswegen das Projekt ENSA III initiiert wurde. Auf Basis der Komponenten des ENSA II-Demonstrators und des dazugehörigen Know-hows wurde das Projekt ENSA III gestartet. Folgende Projektziele zur Darstellung einer SOFC-APU für LKW-Anwendung wurden definiert: Hauptziel der Entwicklung in ENSA III war der Nachweis einer Nutzfahrzeugtauglichen APU mit dem Fokus auf Funktion, Lebensdauer und der Kostenoptimierung. Die Machbarkeit der Projektziele erfolgte durch konzeptabsichernde Untersuchungen sowie Tests von Teil- und Gesamtsystemen. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der durchgängigen Untersuchung der Fertigungsprozesse auf Eignung für eine Kleinserienfertigung und Analyse der Kostenanteile sowie die dadurch bedingte Optimierung. Erweiterung des APU-Umfangs um die Klimatisierungsfunktionen und weiterer vom Markt geforderter Komponenten. Nach Projektabschluss sollte die SOFC-APU inklusive Klimatisierung einem Zielkunden zur Fahrzeugintegration und Erprobung zur Verfügung gestellt werden. Anforderungen, welche als ENSA III-Projektziele gesteckt wurden: Standklimatisierung der Kabine Standheizung der Kabine und des Motors Elektrifizierung der Kabine Startzeit < 60 min. elektrische Leistung (netto) 3 kw Wirkungsgrad 30 % Verbrauch bei 3 kw (el., netto) ca. 1l/h (Diesel-Kraftstoff) Bauraum verbrennungsmotorische Diesel-APU Kosten verbrennungsmotorische Diesel-APU Lebensdauer (Auslegung) verbrennungsmotorische Diesel-APU FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 8/40

9 KURZDARSTELLUNG In Abbildung 4 ist der geplante Bauraum des dieselbetriebenen Brennstoffzellensystems zu erkennen. Die SOFC-APU wird wie die verbrennungsmotorische APU am Längsträger des LKWs zwischen der Vorder- und Hinterachse montiert. Das System ist vollintegriert und agiert primär als Batterielader, womit elektrische Verbraucher wie beispielsweise Klimaanlage, Beleuchtung, Laptop, Kühlschrank usw. betrieben werden. Abbildung 4: LKW-Konzept mit dieselbetriebenem Brennstoffzellensystem Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde Technische Voraussetzungen: Im Rahmen der Vorgängerprojekte ENSA I und ENSA II (Entwicklung Nebenaggregate SOFC APU) wurden die Basiskomponenten und Laborsysteme für eine dieselbetriebene SOFC-APU entwickelt. Im Zentrum des Projekts ENSA II stand die Entwicklung einer Nutzfahrzeug-tauglichen Demonstrationseinheit, welche Anfang 2012 als Laborsystem realisiert wurde. Die Abarbeitung eines außerplanmäßigen, sehr umfangreichen Maßnahmenkatalogs mit den Schwerpunkten thermomechanische Stabilität Wechselwirkung Reformat & Anode schwefeltolerantes System, Kraftstoffqualität (Diesel) redoxbeständige Brennstoffzelle hat letztendlich mehr Zeit in Anspruch genommen als geplant. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 9/40

10 KURZDARSTELLUNG Somit konnten die Einzelergebnisse aus ENSA II auf Gesamtsystem-Ebene nicht ausreichend verifiziert werden. Zum Nachweis eines leistungsfähigen, effizienten, autarken, langzeitstabilen und fahrzeugtauglichen Brennstoffzellensystems wurde das Projekt ENSA III beantragt. Wirtschaftliche Voraussetzungen: Für die Markteinführung einer SOFC-APU ist die Darstellung eines Kundennutzens bezüglich Sicherheit, Komfort und Kraftstoffeinsparung eine zwingende Voraussetzung. Dieser wurde vom Konsortium insbesondere in den USA gesehen. Unterstützt durch die entsprechende Gesetzgebung (Anti-Idling-Gesetze) gibt es bereits heute einen Markt für Wettbewerbssysteme. Dieser Markt bietet Chancen für eine APU-Fertigung mit ausreichenden Stückzahlen. Ziel des Projekts war, Systeme zu entwickeln, welche die Basis für eine wettbewerbsfähige, umweltfreundliche, mobile und dezentrale Energieversorgung darstellen. Bei der SOFC-APU liegt die Herausforderung darin, die technische Realisierung bis zu dem Zeitpunkt zu erreichen, an welchem der Markt für neue Technologien aufnahmefähig ist. Zur Markteinführung bietet sich die Kombination der SOFC-APU und einer Klimaanlage zu einer Standklimatisierungsanlage an, um den Weg zur Fahrzeugintegration dieser neuen Technologie zu beschreiten. In der Antragsphase des Projekts prognostizierten Marktanalysen für den Nutzfahrzeug- Sektor ein jährliches weltweites Potenzial von mehreren hunderttausend Einheiten. Der erzielbare Anteil des Konsortiums wurde auf 30 % nach der Anlaufphase des Produktes abgeschätzt. Daraus ergaben sich allein für Nutzfahrzeug-Anwendungen wirtschaftlich höchst interessante Perspektiven, die helfen, den Industriestandort Deutschland nachhaltig zu stützen. Das Wettbewerbssystem in der Ausführung als Zweizylinder-Dieselmotor mit Generator und mechanisch angetriebenem Kompressor wurde 2007 in Nordamerika Mal verkauft. Dies zeigte den bereits existierenden Bedarf an Anti-Idling-Systemen. Das Projekt Entwicklung Nutzfahrzeug SOFC APU III (ENSA III) wurde als Verbundprojekt der Industriepartner Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG, Esslingen [ehemals J. Eberspächer GmbH & Co. KG] (Förderkennzeichen: 03ET2048A) ElringKlinger AG, Dettingen (Förderkennzeichen: 03ET2048B) MAHLE Behr GmbH & Co. KG, Stuttgart [ehemals BEHR GmbH & Co. KG] (Förderkennzeichen: 03ET2048C) zur Förderung beim Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) beantragt. Es stellt das Nachfolgeprojekt von ENSA II dar, welches im Zeitraum von bis die Förderung folgender Firmen durch das BMWi beinhaltete: Eberspächer: Förderkennzeichen A ElringKlinger: Förderkennzeichen B BEHR: Förderkennzeichen C Die Industriepartner reichten für ENSA III jeweils eigene Förderanträge beim BMWi ein. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 10/40

11 KURZDARSTELLUNG 1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens Hauptziel der Entwicklung im Projekt ENSA III war der Nachweis, dass die SOFC-APU im LKW hinsichtlich Funktion, Lebensdauer und Kosten marktfähig ist. Das Projekt ENSA III wurde in ein organisatorisches, drei technische und ein wirtschaftliches Arbeitspaket unterteilt (s. Tabelle 1) Arbeitspaket AP 1 AP 2 AP 3 AP 4 AP 5 Thema Projektorganisation Spezifikation der NFZ-SOFC-APU mit Klimatisierung Funktionsnachweis SOFC-APU über die Lebensdauer Produkt- und Prozessentwicklung Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der SOFC-APU Tabelle 1: Arbeitspakete im Projekt ENSA III Die Ergebnisse aus den Arbeitspaketen 2, 4 und 5 flossen in das Arbeitspaket 3 zur Auslegung, Fertigung und zum Test neuer Prototypen ein. Aufgrund der positiven Erfahrung wurde die Zusammenarbeitsmatrix der verschiedenen Arbeitsgruppen aus dem Projekt ENSA II übernommen. Die Projektorganisation (Abbildung 5) ist in fünf Gruppen aufgeteilt. Ablauf des Vorhabens: Abbildung 5: Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen in ENSA III Eberspächer fungierte im Verbundprojekt ENSA III als Konsortialführer und trug die Verantwortung für das Gesamtsystem. Erzielte Ergebnisse aus den Vorgängerprojekten ENSA I und ENSA II wurden zur Weiterentwicklung in ENSA III genutzt. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 11/40

12 KURZDARSTELLUNG Das Arbeitsprogramm wurde in 12 Meilensteine unterteilt, um einerseits abgesicherte Komponenten in das Gesamtsystem überzuführen und andererseits ein redoxstabiles, schwefelverträgliches, thermozyklierbares Gesamtsystem mit einer maximalen elektrischen Leistung von 3 kw darzustellen. Die Aufgaben zur Erreichung der Meilensteine wurden teilweise parallel bearbeitet. Meilenstein Benennung der Meilensteinziele ENSA II-Demonstrator (A-Muster): 1 Gesamtsystem mit 2,9 kw brutto 2 Gesamtsystem mit 3,4 kw brutto 3 Redoxbeständiger Stack 4 Schwefeltoleranter Stack 5 Funktionsnachweis auf Komponentenebene 6 Funktionsnachweis auf Systemebene ENSA III-Demonstrator (B-Muster): 7 Funktionsnachweis auf Komponentenebene 8 Konstruktionsfreigabe (Design-Freeze auf Komponentenebene) 9 Konstruktionsfreigabe (Design-Freeze, SOFC-APU + Klimafunktion) 10 Inbetriebnahme mit aktivem Stack 11 Funktionsnachweis auf Systemebene 12 Projektabschluss: Demonstration des B-Musters (industrialisierungs- und marktfähige SOFC-APU bezüglich Serienkonstruktion, Produkt- und Prozessentwicklung) Tabelle 2: Meilensteinplan zum Projekt ENSA III Im Rahmen des Projekts wurden zahlreiche Funktionsnachweise auf Komponenten- und Systemebene erbracht. Bezüglich Funktion lag der Fokus auf der Entwicklung eines leistungsfähigen, schwefeltoleranten und redoxbeständigen Brennstoffzellensystems. 1.4 Anknüpfung an wissenschaftlichen und technischen Stand Die Projektpartner haben in der Vergangenheit durch öffentliche und industriell finanzierte Projekte, insbesondere die ENSA-, ZeuS- und SMART-Projekte, umfangreiches Know-how auf dem Gebiet der dieselbetriebenen SOFC-APU aufgebaut. Die grundsätzliche, technische Machbarkeit wurde durch zahlreiche Einzelkomponententests, Teilsystemuntersuchungen und schließlich in einem ersten autark betriebenen Gesamtsystem der 1 kw el. -Klasse nachgewiesen. Die Ergebnisse aus der Gesamtsystemsimulation zeigen zudem, dass ein Erreichen der angestrebten Serienziele theoretisch möglich ist. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 12/40

13 KURZDARSTELLUNG Aufbauend auf diesen Erfahrungen und Ergebnissen und einem Netzwerk aus Zulieferern und führenden deutschen Forschungsinstituten waren die weiteren wissenschaftlichen und technischen Erfolgsaussichten nach ENSA II als sehr gut einzustufen, weshalb dieses Wissen in das Projekt ENSA III transferiert wurde Konstruktionen, Verfahren und Schutzrechte, die für die Durchführung des Vorhabens benutzt wurden Die Firma Eberspächer beschäftigt sich seit 2002 mit der Reformierung von (Diesel-) Kraftstoffen und ist durch die Kombination der Geschäftsbereiche Abgasnachbehandlung und Fahrzeugheizungen prädestinierter Hersteller von Reformereinheiten. Innerhalb ENSA I und II entwickelte sich Eberspächer vom Reformer- und Brennerspezialisten zum Gesamtsystemverantwortlichen. Diese Erfahrung wurde komplett in das Projekt ENSA III transferiert. ElringKlinger war im Projekt verantwortlich für den Brennstoffzellen-Stack sowie für die thermische Isolation und baute zudem auf die Erfahrung aus den Förderprojekten ZeuS, SMART und ENSA I/II auf. (MAHLE) Behr entwickelte die beiden Hochtemperatur-Wärmeübertrager für die SOFC-APU und baut zudem auf die Erfahrung aus den Förderprojekten ENSA I und II auf. Als wesentliche Projektziele in ENSA I und ENSA II waren festgelegt: ENSA I Entwicklung einer SOFC-APU für PKW-Anwendung 2005 Verbesserung der Komponenten hinsichtlich Startzeit/Thermomechanik sowie grundlegende Untersuchungen der verschiedenen Betriebszustände zur Spezifikation eines Labormusters 2006 Demonstration des selbststartfähigen Laborsystems 2008 Nachweis des Autarkbetriebs und der Schnellstartfähigkeit mit dem Gesamtsystem (ENSA I-Demonstrator). ENSA II Entwicklung einer SOFC-APU für LKW-Anwendung 2012 Aufbau und Betrieb des ENSA II-Demonstrators als kompakte Einheit Tabelle 3: erreichte Projektziele in ENSA I und ENSA II Verwendete Fachliteratur sowie Informations- und Dokumentationsdienste Neben den Firmen DELPHI, Webasto und AVL beschäftigt sich nur noch das ENSA III- Konsortium öffentlich mit der dieselbetriebenen SOFC-APU. Nachdem es sich um eine Pionierarbeit handelt, gibt es nur wenig Fachliteratur. Sämtliches Wissen wurde eigenständig angeeignet oder auf Basiswissen wie beispielsweise der Materialkunde aufgebaut. Der Betrieb von Brennstoffzellensystemen kann lediglich durch Patentrecherchen in Erfahrung gebracht werden. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 13/40

14 2 Eingehende Darstellung 2.1 Technischer Abschlussbericht und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Dieses Unterkapitel beschreibt die Erreichung der einzelnen Meilensteine im Detail Gesamtsystem mit 2,9 kw brutto (Meilenstein 1) Meilenstein 1-Definition (Termin ): 1. Betrieb eines 60-Ebenen-Stacks im ENSA II-Demonstrator mit schwefelarmem, synthetischem Diesel (ShellSol) auf dem autarken Gesamtsystem- Teststand bei Eberspächer (s. Abbildung 6 bis Abbildung 8). 2. Darstellung der elektrischen Leistung von 2,9 kw (brutto) mit elektrischer Last zur Simulation von elektrischen Verbrauchern. MS 1: 2,9 kw 320 mw/cm 2 Eberspächer) Abbildung 6: ENSA II-Demonstrator (geöffneter Zustand) Abbildung 7: ENSA II-Demonstrator (geschlossener Zustand) FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 14/40

15 Abbildung 8: aktive Komponenten beim Start (rot) und Betrieb (grün) des E2D Im Dezember 2012 wurde der 60-Ebenen-Stack D60-16 im ENSA II-Demonstrator in Betrieb genommen. In weiteren Versuchen war zudem die Abhängigkeit zwischen Stacktemperatur, Reformer- und Stackleistung herauszufinden. Dazu sollte zunächst die Reformerleistung variiert werden, wobei die Ausgangstemperatur am Stack durch Anpassung der Warmluftzufuhr konstant zu halten war, um jeweils nur einen Einflussparameter zu untersuchen. Abbildung 9 zeigt, dass eine Bruttoleistung von W stabil gehalten wurde. Abbildung 9: Versuch zum Meilenstein 1, (Stack D60-16 Gesamtsystem) Fazit: Eine elektrische Bruttoleistung von 2,9 kw wurde am Gesamtsystem am erreicht. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 15/40

16 2.1.2 Gesamtsystem mit 3,4 kw brutto (Meilenstein 2) Meilenstein 2-Definition (Termin ): 1. Betrieb eines 60-Ebenen-Stacks im ENSA II-Demonstrator mit schwefelarmem, synthetischem Diesel (ShellSol) auf dem autarken Gesamtsystem- Teststand bei Eberspächer 2. Darstellung der elektrischen Brutto-Leistung von 3,4 kw mit elektrischer Last zur Simulation von elektrischen Verbrauchern Bei diesem Versuch wurde der 60-Ebenen-Stack D60-24 verwendet. Die Kühlung des Stacks war problemlos möglich. In Abbildung 10 ist der gesamte Versuch dargestellt. Im Vergleich zu Stack D60-16, welcher im Meilenstein 1 verwendet wurde, konnte eine Steigerung in der elektrischen Leistung gezeigt werden. Über einen Zeitraum von 90 Minuten wurde der Leistungspunkt 2,73 kw stabil bei einer Reformerleistung von 10 kw demonstriert. Danach lieferte die Brennstoffzelle im Gesamtsystem eine elektrische Bruttoleistung von 2,9 kw bei einer Reformerleistung von 11 kw. Abbildung 10: zweiter Meilenstein 2-Versuch (Stack D60-24 im Gesamtsystem) Fazit: Der Meilenstein 2 (3,4 kw el., brutto) konnte nicht erreicht werden. Eine gute Dichtigkeit des Stacks erlaubte einen stabilen Systembetrieb und ein problemloses Kühlverhalten. Der getestete Stack wurde als gute Ausgangsbasis für den Bau eines neuen Stacks zum Betrieb eines Gesamtsystems mit US-Diesel gesehen. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 16/40

17 2.1.3 Redoxbeständiger Stack (Meilenstein 3) Meilenstein 3-Definition (Termin ): 1. Definition der Schnittstelle System Stack 2. Betrieb eines 30-Ebenen-Stacks auf einem systemnahen Prüfstand bei ElringKlinger 3. Darstellung von 30 Redoxzyklen 4. Leistungsdegradation < 20 % 5. Abfall OCV < 4 % oder Leckage < 1 % Auszug aus dem öffentlichen Schlussbericht von ElringKlinger zum Projekt ENSA III (Autor: Dr. Tim Bause) 4. Im ElringKlinger SOFC-Stack wird eine anodengestützte Zelle eingesetzt, deren nickelhaltiges Anoden- und Substratmaterial empfindlich auf wechselnde Sauerstoffpartialdrücke reagiert. Wenn bei hohen Temperaturen Sauerstoff in den Anodenraum gelangt, oxidiert das in der Anode vorliegende Nickel zu Nickeloxid. Findet dieser Zyklus aus Oxidation und Reduktion (im Folgenden Redox-Zyklus genannt) mehrfach statt, resultieren aus den damit verbundenen mikrostrukturellen Veränderungen eine Leistungsabnahme und eine mechanische Schädigung der Zelle und damit eine verkürzte Lebensdauer des Stacks. So versagte der Stack zum Projektbeginn bereits nach wenigen Redox-Zyklen (< 10). Für den Meilenstein 3 war als Ziel ein sicherer Stackbetrieb über 30 Redox-Zyklen bei annehmbarer Leistungsdegradation (kleiner 20 Prozent) und einem Abfall der offenen Zellspannung (engl. open circuit voltage, OCV) von weniger als vier Prozent nachzuweisen. Für diese Aufgabe wurden zunächst wesentliche Redox-Parameter bestimmt, wie der zu erwartende Sauerstoffvolumenstrom als Funktion der Zeit und der Temperatur sowie die kritische Temperatur, ab der redox-bedingte Zellschädigungen auftreten können. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde eine Maßnahme entwickelt, die eine Oxidation der Anode und somit die redox-bedingte Schädigung verhindert. Mit der erfolgreichen Erprobung des Stacks D30-031, bei dem über 30 Redox-Zyklen keine Leistungsdegradation detektiert wurde, konnte die Funktionalität dieses Lösungsansatzes nachgewiesen und somit der Meilenstein 3 erreicht werden. Zur Auslegung der Maßnahme wurde am Oel-Waerme-Institut theoretisch ermittelt, wie viel Sauerstoff in Abhängigkeit von der Temperatur über den Systemausgang, also den Wärmeübertrager und Restgasbrenner, auf die Anode des Stacks diffundiert. Fazit: Der Meilenstein 3 wurde am erreicht. Im nächsten Schritt wurde diese Maßnahme in den Stack für den Funktionsnachweis auf Systemebene (Meilenstein 6) integriert. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 17/40

18 2.1.4 Schwefeltoleranter Stack (Meilenstein 4) Durch Untersuchungen im Projekt ENSA II wurde festgestellt, dass schon sehr geringe Konzentrationen an Schwefelverbindungen im Reformat massive Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks haben. Versuche am Oel-Waerme-Institut haben gezeigt, dass nach wenigen Stunden mit schwefelhaltigem Kraftstoff > 1 ppm Schwefel die elektrische Leistung des Stacks einbricht, da ein Umsatz an CO nicht mehr stattfindet (s. Abbildung 11 und Abbildung 12). Abbildung 11: schwefelabhängige Brenngasnutzung im Stack Abbildung 12: Einfluss von Schwefel auf die Stackleistung FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 18/40

19 Aufgrund dieser Tatsache ist ein Betrieb einer SOFC-APU mit handelsüblichem Dieselkraftstoff nur unter sehr großen Wirkungsgradeinbußen möglich und unwirtschaftlich. In europäischen Diesel-Kraftstoffen sind beispielsweise bis zu 10 ppm Schwefel enthalten, in den USA bis zu 15 ppm. Innerhalb der Zusammenarbeit von ElringKlinger, Eberspächer, OWI und dem IWE wurde die Aufgabe schwefeltolerantes Brennstoffzellensystem bearbeitet. In Abbildung 13 werden die beiden Phänomene gezeigt, dass einerseits die H 2 -Elektrooxidation und andererseits eine eingeschränkte Shift-Reaktion durch die Anlagerung von Schwefel am Nickel zum Rückgang des Wasserstoff- und Kohlenmonoxid-Umsatzes führen. Abbildung 13: Schwefelvergiftung der Anode (Transportprozesse/Reaktionen) 5 Auf dem Gesamtsystemprüfstand von Eberspächer wurde am OWI ein schwefeltoleranter Stack mit 27 Ebenen im CSZ-Design eingesetzt und ein 30 x 8 h-versuch mit schwefelhaltigem US-Diesel erfolgreich durchgeführt. Auszug aus dem öffentlichen Schlussbericht von ElringKlinger zum Projekt ENSA III (Autor: Marco Hoffmann) 4. Schwefel hat einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von SOFC- Systemen. Er blockiert die katalytische Wirkung von Nickel. Der Umsatz bestimmter Reformatbestandteile wird dadurch gehemmt. Die Folge ist ein nicht tolerierbarer Leistungsverlust von ca. 50 % durch die Verwendung von schwefelhaltigen Kraftstoffen, wie beispielsweise Dieselkraftstoff. Um dem entgegenzuwirken, lag die Zielsetzung von Meilenstein 4 auf dem Betrieb eines Stacks auf einem Gesamtsystem mit US Diesel und dem Nachweis von 30 Kaltzyklen mit einer Leistungsdegradation von < 25 %. Die Behinderung des Umsatzes konnte bereits im Projekt ENSA II festgestellt werden. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 19/40

20 Basierend auf diesen Untersuchungen wurde im Rahmen des Projekts SMART eine Maßnahme zur Steigerung der Schwefeltoleranz entwickelt. Auf Basis der entwickelten Maßnahme war es möglich, einen zyklischen Versuchsbetrieb mit US-Diesel über 30 Zyklen mit einer Leistungsabnahme von maximal 20 % zu absolvieren, wodurch die Kriterien des Meilensteins erfüllt wurden. Die Abbildung 14 zeigt, dass die normierte Leistung nach 30 Zyklen oberhalb der 25 % Degradationslinie liegt. Abbildung 14: schwefelbeständiger Stack, Meilenstein 4-Versuch Fazit: Der Versuch zeigte, dass die Maßnahme zur Schwefeltoleranz funktioniert. Die elektrische Leistung stabilisierte sich nach anfänglicher Degradation. Entsprechend der Meilensteindefinition (Leistungsabnahme < 25 %) wurde der Meilenstein 4 am erreicht. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 20/40

21 2.1.5 Funktionsnachweis auf Komponentenebene (Meilenstein 5) Folgende Komponenten wurden hinsichtlich Langzeitverhalten, Werkstoffaspekten und Funktion innerhalb des Meilensteins 5 getestet: Stack Reformer Restgasbrenner Restgasbrenner-Wärmeübertrager Startbrenner Startbrenner-Wärmeübertrager Luftverdichter V1 Heißgasverdichter V2 Nachdem jede Komponente im System während der Betriebszustände Aufheizung, Betrieb und Abkühlung unterschiedlich genutzt wird, unterscheidet sich der jeweilige Testzyklus. Eine Zusammenfassung der Tests zeigt die Tabelle 4. Tabelle 4: Funktionsnachweis auf Komponentenebene (Meilenstein 5) Fazit: Am wurde der letzte Absicherungsversuch zum Meilenstein 5 erfolgreich abgeschlossen. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 21/40

22 2.1.6 Funktionsnachweis auf Systemebene (Meilenstein 6) Meilenstein 6-Definition (Termin: ): Kriterium Einheit Gesamtsystem Startzeit (bis P_el._netto(max.)) min. 60 Kraftstoffverbrauch (Nennbetrieb) US-Diesel (ASTM D975, No 2-D, S15) l/h 1,0 Klimakompressor kw 0 P_el_Verbraucher kw 2,5 (E-Last) P_el_APU-Verbraucher (max.) kw 0,8 P_el_brutto (Nennbetrieb) kw 3,3 NOx-Emissionen g/h 0,2 Partikel-Emissionen g/h 0,0 Geräusch db(a) 58 Gewicht (ohne Batterie und Aufhängung) kg ca. 130 Bauraum (B x T x H) l mm 262 (475 x 834 x 660) Zyklen (Kaltstart-/ Warmstart- (@T_SOFC>580 C) ) Nr. 50/50 Lebensdauer (Betriebsstunden) h 800 Leistungsdegradation über Lebensdauer % < 30 Tabelle 5: Funktionsnachweis auf Systemebene (Meilenstein 6-Definition) Innerhalb des Meilensteins 6 wurde ein Vorversuch durchgeführt, um sämtliche Erkenntnisse aus den Meilensteinen 1 bis 5 auf Gesamtsystemebene zu übertragen. Zudem war es wichtig, Erfahrung bezüglich der Wechselwirkung der neu entwickelten Komponente, dem redoxstabilen und schwefelbeständigen Stack, im Gesamtsystem zu sammeln. Zeitlich parallel lief ein dreistufiger Maßnahmenplan zur erforderlichen Leistungssteigerung der Brennstoffzelle. Dieser Vorversuch hatte folgende Definition: Bis zu 50 (Kalt-)Zyklen mit US-Diesel (ASTM) über eine Laufzeit von 800 h Testbeginn, wenn MS 2 (> 2,9 kw), MS 3, MS 4 und MS 5 erfüllt. Der Vorversuch war in 4 Stufen eingeteilt. 1. Leistungsfähigkeit des Systems mit ShellSol 2. Schwefeltoleranz mit US-Diesel (mit Formiergas beim Aufheizen und Abkühlen) 3. Redoxbeständigkeit mit US-Diesel (mit Formiergas beim Aufheizen) 4. Realbetrieb mit schwefelhaltigem US-Diesel (ohne Formiergas) Es wurden 10 Versuche durchgeführt, um die Betriebsstrategie zu erarbeiten, mit welcher das System für den anstehenden Zyklustest innerhalb Meilenstein 6 automatisiert betrieben werden konnte. Der erste Versuch lief mit ShellSol, also schwefelfreiem Kraftstoff (< 1 ppm S). FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 22/40

23 Abbildung 15: Gesamtsystem mit weiterentwickeltem Stack (linke Ansicht) Abbildung 16: Gesamtsystem mit weiterentwickeltem Stack (rechte Ansicht) Es wurden folgende elektrische Brutto-Leistungen erreicht: kw Dieselinput kw Dieselinput (kurzzeitig) Fazit: Mit dem Stack D wurde erstmals innerhalb der ENSA-Projektreihe ein redoxbeständiger und schwefeltoleranter Stack in einem Gesamtsystem ohne Hilfsmaßnahmen mit US-Diesel über 10 Zyklen betrieben. Die initiale Schwefeldegradation stabilisierte sich und lag nach dem vierten Zyklus bei 23 %. Positiv war zudem die gute Wärmedämm-Eigenschaft der neuen Isolationsbox. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 23/40

24 Abbildung 17: Systemversuch 1-9 (elektr. Leistung), Vorstufe zum Meilenstein 6 Durch die Vorwärmung der Kathodenluft blieb die Stacktemperatur ausreichend hoch (s. Abbildung 18). Abbildung 18: Systemversuch 1-9 (T, p), Vorstufe zum Meilenstein 6 FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 24/40

25 2.1.7 Funktionsnachweis auf Komponentenebene (Meilenstein 7) Um die ambitionierten LKW-Anforderungen (wie Bauraum, Lebensdauer, Kosten, usw.) bezüglich einer fahrzeugtauglichen SOFC-APU zu erreichen, mussten alle Hauptkomponenten wie Luftverdichter, Heißgasverdichter, Reformer, Restgasbrenner, Startbrenner, Wärmeübertrager und Brennstoffzelle noch weiterentwickelt werden. In diese Bauteile liefen die ersten Erkenntnisse aus den Arbeitspaketen 4 und 5 hinsichtlich Produktentstehungs- und Realisierungsprozess unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit und von Einsparpotenzialen bei der Herstellung der Bauteile Komponentenentwicklung: Reformer Aus dem im LKW mitgeführten Dieselkraftstoff und der Umgebungsluft wird im Reformer ein wasserstoff- und kohlenmonoxidreiches Brenngas mittels katalytisch, partieller Oxidation (CPOX) erzeugt. Zur Senkung des Rußbildungspotenzials im Reformer und im Brennstoffzellen-Stack wird ein Teil des Anodenabgases mit einem Heißgasverdichter zurück in den Reformer gefördert. Die Luftversorgung wird über einen Luftverdichter realisiert (s. Abbildung 19). Abbildung 19: Funktionsweise eines Reformers Die Stoffmengenströme an Wasserstoff und Kohlenmonoxid sind maßgeblich von den Parametern Luftverhältnis bzw. Lambda des Reformers (bezogen auf den Diesel- Kraftstoffinput), die Brenngasausnutzung des Brennstoffzellen-Stacks und das Rezirkulationsverhältnis des Anodenabgases abhängig. Um einen hohen Systemwirkungsgrad zu erreichen, werden möglichst hohe Stoffmengenströme an Wasserstoff und Kohlenmonoxid benötigt. Die Vergrößerung des Katalysatordurchmessers stellt eine entscheidende und aufwendige Änderung des Reformers im Vergleich zum Konstruktionsstand von ENSA II dar. Diese Maßnahme war notwendig, um die Automatisierung des Fertigungsprozesses vom Katalysatorhersteller zu ermöglichen und die Lebensdauer des Katalysators zu verlängern. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 25/40

26 Komponentenentwicklung: Brennstoffzellen-Stack Der Brennstoffzellen-Stack wurde von der Firma ElringKlinger entwickelt und geliefert. Dazugehörige Versuchsergebnisse wurden innerhalb der Meilensteine 1 bis 6 dargestellt Komponentenentwicklung: Restgasbrenner Der Restgasbrenner befindet sich gemeinsam mit anderen Heißgasaggregaten wie der Brennstoffzelle oder dem Wärmeübertrager im sogenannten heißen Bereich des Gesamtsystems. Die Aufgabe des Restgasbrenners besteht darin, das wasserstoff- und kohlenmonoxid-haltige Anodenabgas, welches die Brennstoffzelle verlässt, thermisch zu verwerten und Schadstoffe zu eliminieren. Dafür werden Anodenabgas und Kathodenluft in einer Diffusionsflamme umgesetzt. Abhängig von Reformerleistung und Brenngasausnutzung der Brennstoffzelle können dabei thermische Leistungen zwischen 4 kw und 10 kw auftreten, welche für die Vorheizung der aus der Umgebung angesaugten Kathodenluft genutzt wird. Der Fokus lag in der Umsetzung eines seriennahen Fertigungsverfahrens bei gleichbleibender Funktion Komponentenentwicklung: Abgas-Wärmeübertrager Die Abgas-Wärmeübertrager wurden von der Firma MAHLE Behr entwickelt und geliefert. Auszug aus dem öffentlichen Schlussbericht der Firma MAHLE Behr zum Projekt ENSA III, Zusammenfassung (Autor: Martin Brenner) 6 : Bewertet man die nach Projektabschluss von ENSA III vorliegenden Ergebnisse, so ist unter den Randbedingungen der gegebenen Zyklustests ein lasergeschweißter Wärmeübertrager unter Verwendung eines hochwarmfesten Ni-Basis Werkstoffes weiterhin die technisch vielversprechendste Lösung. Die hohen Kosten eines solchen Ni- Basis Werkstoffes bleiben im Hinblick auf eine Anwendung im Automobilbereich jedoch ungünstig. Kostengünstigere Alternativen, wie z. B. austenitische Hochtemperaturedelstähle zeigen Schwächen in Bezug auf ihre Festigkeitswerte und insbesondere in Bezug auf ihr Korrosionsverhalten. Ein Einsatz dieser Werkstoffgruppe scheint für die untersuchten Wärmeübertrager insbesondere aufgrund der langen Laufzeiten nicht möglich. Im Hinblick auf Korrosion und die Problematik der Chromabdampfung eignen sich aluminiumhaltige ferritische Werkstoffe, jedoch liegen auch hier die Festigkeitskenngrößen deutlich unter denen der bevorzugten Ni-Basis Werkstoffe. Abhängig von den letztlich durch die Serienanwendung vorgegebene Randbedingungen (Zyklen, absolutes Temperaturniveau, Kosten) und dem weiteren Entwicklungsfortschritt des SOFC-Systems entscheidet sich, welcher Werkstoff und welches Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen werden. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 26/40

27 Komponentenentwicklung: Startbrenner Im ENSA II-Demonstrator wurde der Startbrenner stehend verbaut. Innerhalb von Langzeituntersuchungen stellte sich heraus, dass sich dieser Betrieb negativ auf die Dauerhaltbarkeit auswirkt. Für die Startbrenner-Anwendung wurde die Brennkammer des Eberspächer-Produktes Hydronic M II modifiziert und weiterentwickelt Komponentenentwicklung: Startbrenner-Wärmeübertrager Der Startbrenner-Wärmeübertrager für den ENSA III-Demonstrator baut konstruktiv auf dem Abgas-Wärmeübertrager auf und wurde ebenfalls von der Firma MAHLE Behr entwickelt und geliefert (s. öffentlicher Schlussbericht der Firma MAHLE Behr zum Projekt ENSA III) Medienversorgung Der Sammelbegriff Medienversorgung umschreibt alle medienfördernden Komponenten. Diese sind der Luftverdichter, der Heißgasverdichter, die Regelelektronik zum Betreiben der Verdichter sowie die Hubkolbenventile. Als Basis für die Weiterentwicklung der Verdichter diente die im ENSA II-Projekt entwickelte Baustufe 2. Die Zielsetzung der Weiterentwicklung beinhaltete folgende Punkte: Verringerung elektr. Gesamtverbrauchs der Verdichter auf 500 W im Nennbetrieb Verringerung des Bauraums und Integration in das Gesamtsystem Steigerung des Gesamtwirkungsgrades Komponentenreduzierung von zwei auf einen Luftverdichter Sowohl die Bauraumreduzierung, als auch die Steigerung des Wirkungsgrades erforderten ein neues Auslegungskonzept, bei welchem die Nenndrehzahl beider Verdichter um das Dreifache auf rund U/min erhöht werden musste. Anstatt zwei baugleiche Luftverdichter wie im ENSA II-Projekt zu verwenden, sollte der Luftbedarf des ENSA III-Demonstrators nur über einen Luftverdichter mit entsprechend höherer Förderleistung abgedeckt werden. Mit der Baustufe 3 wurde das hochdrehende Verdichterkonzept hinsichtlich Arbeitspunkte und reduzierter Bauraum bestätigt. Mit der Baustufe 4 wurde das Konzept zur Erreichung der oben genannten Ziele weiterentwickelt. Zum Betreiben der Baustufe 3 wurde eine Elektronik verwendet, welche die Funktion der Ansteuerung, aber nicht die bauräumlichen Ziele erfüllte. Mit diesem Funktionsmuster wurden die notwendigen Parameter für die Entwicklung einer Leistungselektronik ermittelt, die sowohl den Heißgas-, als auch den Luftverdichter betreiben sollte. Die Entwicklung der Leistungselektronik wurde unter Berücksichtigung folgender Hauptmerkmale durchgeführt: Kompaktes in das Gesamtsystem integrierbares Design Absicherung des Thermomanagements mittels Luftkühlung FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 27/40

28 Integration beider Verdichterregler in einem Gerät Hoher elektrischer Wirkungsgrad Die entwickelte Leistungselektronik zeichnete sich durch ein funktionales und kompaktes Design aus. Der Wirkungsgrad erreichte im Nennpunkt 90 %. Die Luftbedarfe der Komponenten unterschieden sich in der Fördermenge und waren über den gesamten Betriebszyklus variabel. Dies erforderte eine stufenlose Regelung der einzelnen Luftstränge. Da die Brennstoffzelle anodenseitig im heißen Zustand durch Sauerstoffeintrag zerstört werden kann, war es erforderlich, einen unkontrollierten Luftstrom zur Brennstoffzelle zu vermeiden. Für diesen Fall wurden Hubkolbenventile eingesetzt, die sowohl stufenlos geregelt werden konnten, als auch eine hohe Dichtigkeit im Nichtbetrieb aufwiesen. Zur Förderung des Dieselkraftstoffs wurden seriell gefertigte Dosierpumpen aus dem Standheizungsbereich von Eberspächer verwendet Abgasanlage Die Anti-Idling Gesetzgebung in den USA reguliert den Leerlaufbetrieb von LKW- Antriebsmotoren und deren Schadstoffausstoß 7. Aus diesem Grund sind auch bei sogenannten Anti-Idling-Technologien wie den APUs die Schadstoffemissionen gering zu halten, um eine Zulassung des Systems im nordamerikanischen Markt zu erlangen. Für dieselbetriebene APUs fordert das California Air Resources Board (CARB), dass die Partikelemission des LKWs im Leerlauf nicht überschritten wird. Darüber hinaus ist für Diesel-APUs an LKWs des Baujahrs 2007 und jünger verpflichtend vorgeschrieben, dass die Emissionen einen geringeren Partikelausstoß als 0,01 g/ps*h besitzen. Für die getestete I(nternal)C(ombustion)E(ngine)-APU bedeutet dies einen maximalen erlaubten Partikelausstoß von 0,149 g/h, um eine Zulassung in Kalifornien zu erlangen. Beim Marktführer Thermo King werden geschlossene Dieselpartikelfilter verwendet, welche während der Fahrt elektrisch regenerieren, um die Gesetzgebung einzuhalten. Von 2007 bis 2013 galten folgende Vorgaben: PM Product Techno- PM NOx Applicability Level Name logy Reduc- Reduc- Type tion tion 3 Proventia EHDPF DPF 85 % N/A Thermo King Tripac APU, powered by select model year 2007 to 2013 Yanmar TK270M or TK270VFM diesel engines with a diesel particulate matter certification of 0.2 grams per kilowatt hour or less. Tabelle 6: Prüfverfahren der CARB, Thermo King TriPac mit DPF 8 FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 28/40

29 In der Tabelle 7 sind die Abgas-Emissions-Standards der United States Environmental Protection Agency (kurz EPA) für Verbrennungsmaschinen außerhalb des Straßenverkehrs kleiner 8 kw aufgelistet. Seit dem Jahre 2008 gilt die Stufe TIER 4. Tabelle 7: Emissions-Standards der EPA, nonroad-verbrennungsmaschinen 9 Das Oak Ridge National Lab, das Aberdeen Test Center und der Y-12 National Security Complex haben eine verbrennungsmotorische APU der Firma Pony Pack, Inc. untersucht und diese Ergebnisse bei der Society of Automotive Engineers (SAE) als SAE Technical Paper veröffentlicht. Zusätzlich wurden die Schadstoffemissionen eines Freightliner-LKWs (Baujahrs 2001) im Leerlauf angegeben. Dabei wurde unterschieden zwischen Idling mit einer Drehzahl von 600 U/min (low) und Idling mit einer Drehzahl von 1200 U/min (high). In Abbildung 20 wurden die Ergebnisse aus dem SAE paper und den Schadstoffmessungen an der SOFC-APU zusammengeführt. Es sind die Schadstoffemissionen der SOFC-APU bei einer elektrischen Leistung von W, der ICE-APU (mit und ohne Diesel-Partikel-Filter) bei einer elektrischen Leistung von W und das Idling des LKW-Antriebsmotors bei einer Drehzahl von 600 U/min (low) dargestellt. Abbildung 20: Schadstoffemissionen von SOFC-APU, ICE-APU, LKW-Motor 10 FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 29/40

30 Insgesamt lässt sich beim Idling des LKW eine hohe NO x - und CO-Emission erkennen. Mit einem Diesel-Partikel-Filter werden die Partikel-Emissionen der ICE-APU deutlich reduziert. Die SOFC-APU emittiert so geringe Mengen an Schadstoffen wie Restkohlenwasserstoffe und NO x, dass diese nur mit einem extrem sensiblen und teuren Messverfahren detektiert werden können. Nachdem sich die Schadstoffemissionen an der Nachweisgrenze befanden, war die Entwicklung einer Abgasnachbehandlungseinheit nicht notwendig. Die Abgasanlage bestand lediglich aus einer Hochtemperatur- Verrohrung Komponentenentwicklung: Elektronik Die Leistungselektronik für den Luft- und Heißgasverdichter wurde wie bereits unter Kapitel erwähnt, innerhalb der Komponentenentwicklung Medienversorgung entwickelt. Zum Betrieb der Komponenten wurden Steuergeräte in Form von kompakten, robusten Prototyping-Systemen mit dazugehörigen Signalwandlern verwendet und der modellbasierte Steuerungscode weiterentwickelt. Zudem wurde innerhalb dieses Arbeitspakets begonnen, auch das Energie- Management-System zu entwickeln, damit das dieselbetriebene Brennstoffzellensystem so schnell wie möglich auf den elektrischen Bedarf des Fahrzeugs reagieren kann. Grundsätzlich stellt die SOFC-APU ein Batterieladegerät dar. Außerdem wurden verschiedene Batterietypen untersucht, um das Be- und Entladeverhalten zu analysieren Komponentenentwicklung: Isolationsboxen Die Isolierung des Brennstoffzellen-Stacks wurde im Projekt ENSA III von der Firma ElringKlinger weiterentwickelt und das Konzept für die Isolationsbox des ENSA III- Demonstrators parallel zur Komponentenentwicklung ausgearbeitet. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 30/40

31 2.1.8 Wirtschaftlichkeit Markt, Wettbewerb und Kostenanalyse Die verbrennungsmotorische Diesel-APU wurde im Jahre 2008 mit über Stück als stärkstes Wettbewerbsprodukt definiert, an welchem sich die SOFC-APU hinsichtlich des Verkaufspreises sowie den technischen Funktionen orientiert. Der Verkaufspreis der verbrennungsmotorischen Diesel-APU TriPac des Herstellers Thermo King setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen (s. Abbildung 21): Verbrennungsmotor mit Klimakompressor/Generator Klimaanlage (Verdampfer, Gebläse) Standheizung (Kabinenvorwärmung) Abbildung 21: Lieferumfang, verbrennungsmotorische APU Lieferumfang und dazugehöriger Verkaufspreis: 2-Zylinder-Diesel Motor (TIER 4-konform) 3,8 kw Klimaanlage (inklusive Klimakompressor, Verdampfer, Controller) 2,2 kw Standheizung Vorwärmung des LKW-Antriebsmotors (durch Kühlwasser-Anbindung) Single HVAC Controller (Heating, Ventilation and Air Condition) 120 A Drehstromgenerator (Elektrifizierung der Kabine) Inklusive Montage Verkaufspreis im Handel: US$ (bzw , bei einem Wechselkurs 1 = $ 1,12, vom ) Optional wird noch angeboten: Nachrüstung eines Diesel Partikel Filters (DPF) ca. US$ (bzw , bei einem Wechselkurs 1 = $ 1,12, vom ) Der DPF ist in Kalifornien (Nordamerika) ab 2014 gesetzlichen vorgeschrieben Arctic Package (automatische Motorvorwärmung, Vermeidung von Kaltstart in der Winterperiode unter -40 C) 65 A Drehstromgenerator (nur zur Batterieladung) Anhand durchgeführter Marktanalysen ist zu erkennen, dass der Absatz zwischen 2010 und 2014 zurückging. Trotzdem reagieren die Produkthersteller nicht mit Rabatt- Aktionen, um den Absatz hoch zu halten. Im Wettbewerb zur SOFC-APU steht neben der verbrennungsmotorischen APU auch die Batterie-APU, deren Verkaufspreise schneller als erwartet gesunken sind. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 31/40

32 Unter Berücksichtigung des Arbeitspakets 4 Produkt- und Prozessentwicklung wurden die Komponenten des ENSA III-Demonstrators für den Einsatz in einem Fahrzeug verbessert und hinsichtlich Serienfertigung weiterentwickelt, um sowohl die technischen, als auch die wirtschaftlichen Ziele zu erreichen. In Abbildung 22 ist erkennbar, welche Projektpartner welche Lieferumfänge hatten. Abbildung 22: Lieferumfang der Projektpartner Die Ermittlung der Herstellkosten einer neuen Technologie gestaltet sich sehr aufwendig und zeitintensiv, da beispielsweise die Erfahrung noch nicht vorliegt, die neuen Teile in Serie zu fertigen. In Zusammenarbeit mit den festgelegten Komponentenverantwortlichen wurden innerhalb der Stücklisten bauteilspezifische Informationen hinsichtlich der Fertigungsverfahren, der Materialart, den jeweiligen Lieferanten sowie technische Zeichnungen erfasst. Diese dienten der unternehmensinternen Kalkulationsabteilung als Grundlage zur Ermittlung der Standard-Herstellkosten. Um die verbrennungsmotorische APU mit der SOFC-APU vergleichen zu können, wurden beide Systeme auf Basis des gleichen Funktionsumfangs kalkuliert: Standklimatisierung Standheizung der Kabine und des Motors Elektrifizierung der Kabine Die Standard-Herstellkosten der SOFC-APU wurden auf Basis des Entwicklungsstands ENSA II kalkuliert und die Herstellkosten der ICE-APU abgeschätzt. Bei den Komponenten des ENSA III-Demonstrators konnten die Herstellkosten gesenkt werden. Trotzdem liegt die verbrennungsmotorische APU bezüglich der Kosten immer noch unter denen der SOFC-APU, was derzeit einen wesentlichen Nachteil darstellt. Die Materialund Herstellkosten müssen weiter gesenkt werden, um wettbewerbsfähig zu sein. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 32/40

33 Ein eventuell verbleibender finanzieller Nachteil muss durch Vorteile wie Kraftstoffersparnis, Geräuscharmut und geringe Schadstoffemissionen kompensiert werden. Zur Wahrung der unternehmerischen Interessen des Projektkonsortiums können die absoluten Zahlen nicht genannt werden Zusammenfassung Zusammengefasst wurde im Projekt ENSA III folgendes erreicht: 1. Es konnte versuchstechnisch gezeigt werden, dass das dieselbetriebene Brennstoffzellensystem mit einem dafür ausgelegten, funktionsfähigen Stack eine maximale, elektrische Bruttoleistung von 2,9 kw erzielen kann. Zum Vergleich: 0,67 kw in ENSA II. 2. Das Gesamtsystem konnte stabil und sicher betrieben werden. 3. Es wurde eine Maßnahme entwickelt, um das Nickel der Anode in der Brennstoffzelle im Temperaturbereich zwischen 500 C und der Betriebstemperatur von ca. 850 C vor Reoxidation zu schützen. 4. Es wurde eine Maßnahme entwickelt, den Grad der Anoden-Vergiftung durch Schwefel um 50% zu reduzieren. An diesem Thema arbeiten weltweit sehr viele Firmen und öffentliche Einrichtungen, um die SOFC für konventionelle, schwefelhaltige Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel nutzbar zu machen. 5. Die Kernkomponenten des Gesamtsystems wurden über Stunden betrieben und durchliefen 70 Warm- und Kaltzyklen. Diese Tests wurden durchgeführt, um Komponentenausfälle während des Betriebs im Gesamtsystem zu unterbinden. 6. Das Gesamtsystem wurde erstmals mit handelsüblichem US-Diesel und einem redoxbeständigen und schwefeltoleranten Stack betrieben. Es wurden keine Hilfsmaßnahmen wie Schutzgas beim An- und Abfahren oder schwefelarmer Diesel (< 1 ppm S) verwendet. 7. Die Komponenten für den ENSA III-Demonstrator wurden entwickelt und absolvierten erfolgreich erste Absicherungstests. 8. Das Packaging- und Montage-Konzept für den ENSA III-Demonstrator wurde ausgearbeitet und festgelegt. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 33/40

34 2.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit Die Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellentechnologien bietet ein hohes Innovationspotenzial und ist, mit Blick auf die in Deutschland, aber auch weltweit, angestrebte Reduktion der CO 2 -Emissionen und der damit verbundenen Notwendigkeit zur Effizienzsteigerung von Energiesystemen, als zielführend anzusehen. Die Entwicklung von Brennstoffzellensystemen zu marktreifen Produkten ist langwierig und für die beteiligten Unternehmen nur durch langjährigen, hohen finanziellen Aufwand zu bestreiten. Die finanziellen Risiken bei Nichterreichen der anspruchsvollen Ziele sind für die Antragssteller, als mittelständische Zuliefererunternehmen der Automobilindustrie, sehr groß. Die beantragten Fördergelder mindern spürbar das finanzielle Risiko, welches bei intensiver und belastbarer Absicherung von Komponenten, Teilsystemen und Gesamtsystemen entsteht. Größtenteils handelt es sich bei der Entwicklung des dieselbetriebenen Brennstoffzellensystems um eine Pionierleistung, da es weder ein System auf dem Markt gibt, noch ein Erfahrungsaustausch zwischen Wettbewerbern stattfindet. Fast alle Komponenten wurden nur für diese Anwendung ausgelegt, konstruiert, gefertigt und getestet, was sehr kostenintensiv war. Die Kernkomponenten wurden vorab in aufwendigen Untersuchungen abgesichert. Die Güte des funktionalen Zusammenspiels der einzelnen Komponenten in Teil- oder Gesamtsystemen zeigte sich erst im Testbetrieb. 2.3 Während der Durchführung des Vorhabens bekannt gewordene Fortschritte auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen Im europäischen Projekt DESTA (Demonstration of 1st European SOFC Truck APU) wurde der Funktionsnachweis einer SOFC-APU in einem Fernverkehr-LKW vorangetrieben. In diesem Projekt fand ein Vergleich zwischen der SOFC-APU des österreichischen Entwicklungsdienstleisters AVL (s. Abbildung 23) und der SOFC-APU von Eberspächer statt. Abbildung 23: Aufbau der SOFC-APU von AVL 11 FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 34/40

35 Beide SOFC-APUs wurden mit Brennstoffzellen des Herstellers TopsoeFuelCell ausgerüstet. In diesem Test erzielte die SOFC-APU von Eberspächer bessere Ergebnisse. Daher wurde im Konsortium beschlossen, die Eberspächer-Technologie in einen US- Truck des LKW-Herstellers Volvo Group Truck zu integrieren und darin zu betreiben. Für diese SOFC-APU hat Eberspächer Komponenten verwendet, welche sich bezüglich Funktion, Betriebsstrategie und Konstruktion von den Komponenten der ENSA-Projekte unterschieden. Das dieselbetriebene Brennstoffzellensystem wurde im Juni 2015 erstmals in Europa erfolgreich in einem LKW demonstriert. Weitere Informationen hierzu befinden sich auf der Webseite des Projekts: Die US-amerikanische Firma DELPHI ist der bekannteste Wettbewerber auf dem Gebiet der dieselbetriebenen SOFC-APU und entwickelt seit 1996 Gesamtsysteme, bestehend aus Medienversorgung, Reformer, Brennstoffzelle, Brenner, Wärmeübertrager, Entschwefelungseinheit, Elektrik und Elektronik (s. Abbildung 24). DELPHI ist weltweit neben BOSCH und DENSO der größte Automobilzulieferer. Abbildung 24: SOFC-APU von DELPHI (Packaging-Studie) 12 Im Jahre 2012 wurden in einem US-Truck bereits 1,5 kw nachgewiesen (s. Abbildung 25). Seither gab es keine neuen Erkenntnisse und Veröffentlichungen. Abbildung 25: SOFC-APU von DELPHI in einem US-Truck 12 FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 35/40

36 2.4 Erfolgte und geplante Veröffentlichungen des Ergebnisses Öffentliche Veranstaltungen 1) Messeteilnahme an der 64. Nutzfahrzeug-IAA 2012 Abbildung 26: Messeteilnahme an der 64. Nutzfahrzeug-IAA 2012 Abbildung 27: SOFC-APU auf der 64. Nutzfahrzeug-IAA ) BMWi Statusseminar Brennstoffzelle, Stand der Forschung und Handlungsbedarf für die Zukunft am 17.und in Stuttgart. Vortrag: A. Kaupert, SOFC-APU für LKW 3) Nationale Organisation: Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie, NIP- Vollversammlung am 01. und in Berlin. Vortrag: A. Kaupert, Entwicklung einer SOFC-APU (ENSA III) FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 36/40

37 2.4.2 Veröffentlichungen und SOFC-APU-Informationen im Internet Während des Projekts veröffentlichten das Oel-Waerme-Institut und die Firma Eberspächer jeweils drei Beiträge zum Thema SOFC-APU. 1. Technischer Abschlussbericht zum Förderprojekt ENSA II (Autor: A. Kaupert): 2. BINE-Projektinfo 02/2013: ENSA mobile Brennstoffzellen-APU Co-Autor: Andreas Kaupert, Jörg vom Schloß, Brennstoffzellen erzeugen Strom für LKW, Dauertest des Reformers erfolgreich abgeschlossen 4. BMWi-Report 2014 Innovation durch Forschung SOFC-Stacks und zellen für den mobilen und stationären Einsatz Jörg vom Schloß, Entwicklung eines mobilen, dieselbetriebenen Brennstoffzellensystems zur Stromversorgung parkender Nutzfahrzeuge Informationen über die SOFC-APU von Eberspächer im Internet Deutsch: Englisch: Jörg vom Schloß, Brennstoffzellen-APU für Trucks, Technische Hintergründe des Systems, FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 37/40

38 2.4.3 Doktorarbeiten Innerhalb des Projekts ENSA III wurden keine Doktorarbeiten fertiggestellt Zusammenarbeit mit Hochschulen und Universitäten Während der Projektlaufzeit wurden im Mai 2013 an der Universität Stuttgart eine Ringvorlesung und im Oktober 2013 ein Industriekolloquium an der Hochschule Esslingen im Bereich Maschinenbau gehalten. Zudem hat Eberspächer eine langjährige Kooperation mit der Hochschule Esslingen und führt ein Mal im Jahr einen Automotive Day durch. Zum Jahresende 2013, 2014 und 2015 wurden Gastvorlesungen mit Prüfungsrelevanz bei Herrn Prof. Panik von der Hochschule Esslingen im Bereich Fahrzeugtechnik im Fach alternative Antriebe abgehalten und das Vorlesungsmaterial dieselbetriebenes Brennstoffzellensystem in Form einer SOFC-APU zur Verfügung gestellt, um Studierenden über diese neue Technologie ein aktuelles Wissen zu vermitteln. Während des Projekts ENSA III wurden in Zusammenarbeit mit zahlreichen Hochschulen und Universitäten 7 Praktika, 11 Bachelorarbeiten, 1 Diplomarbeit und 1 Masterarbeit durchgeführt. Während der Projekte ENSA I bis III kamen 27 Praktika, 16 Bachelorarbeiten, 23 Diplomarbeiten und 2 Masterarbeiten zustande. FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 38/40

39 DANKSAGUNG 3 Danksagung Einen besonderen Dank möchten wir dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie für die Förderung des Projekts aussprechen. Außerdem danken wir dem Projektträger Jülich für die Unterstützung, um das Thema dieselbetriebenes Brennstoffzellensystem gemeinsam voranzutreiben. Zusätzlicher Dank gilt: dem Projektpartner ElringKlinger dem Projektpartner MAHLE Behr dem Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (IWE) dem Forschungszentrum Jülich (FZJ) dem Oel-Waerme-Institut (OWI) der Firma HEM der Firma S + R Maschinenbau der Firma Aradex der Firma ATE der Firma TTI der Firma Ferchau der Firma Eberspächer Electronics der Firma Eberspächer Controls der Firma Eberspächer Exhaust Technology den zahlreichen Zulieferern Abbildung 28: Teilnehmer des Kick-off-Meetings Abbildung 29: Teilnehmer der Abschlussveranstaltung FKZ_03ET2048A_ENSA III_öffentlicher Schlussbericht_Eberspächer 39/40