Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 6: Alternative Antriebe Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper

Transkript

1 Wasserstoff und Sauerstoff werden für sich oder zusammen zu einer unerschöpflichen Quelle von Wärme und Licht werden, von einer Intensität, die die Kohle überhaupt nicht haben könnte; das Wasser ist die Kohle der Zukunft Jules Verne, 1874 Die geheimnisvolle Insel Bild 6.1_1 Die heutige Weltenergieversorgung basiert auf dem Aufbrauchen der fossilen Energieträger. 12% der Weltbevölkerung in den Industriestaaten beanspruchen über 50% des jährlichen Primärenergieträgerverbrauchs. Energieversorgung in Deutschland Die Energie aus diesen Energieträgern wird zentral erzeugt. Energieversorgung in Deutschland

2 Bild 6.1_2 Nachteile der heutigen Weltenergieversorgung: Endlichkeit der fossilen Brennstoffe Schlechte Umweltverträglichkeit (Treibhauseffekt) Endlagerung der radioaktiven Abfälle von Atomkraftwerken Reichweiten fossiler Primärenergieträger der Welt Erdöl 42 Erdgas 65 Kohle 169 in Jahren Weltenergieversorgung Bild 6.1_3 Eine mögliche Alternative stellt die Wasserstoffwirtschaft dar Grundkonzept einer regenerativen Wasserstoffwirtschaft Der Energieträger Wasserstoff kommt in der Natur nur in gebundener Form vor. Er lässt sich nicht wie Erdöl und Kohle fördern, d.h. man muss ihn aus chem. Verbindungen herstellen. Sekundärenergieträger Solarenergie Windenergie Wasserkraft Strom Elektrolyse Wasserstoff Grundkonzept Wasserstoffwirtschaft

3 Bild 6.1_4 Eigenschaften des Energieträgers Wasserstoff Farb-, geruchloses und vollkommen ungiftiges Gas Spezifisches Gewicht: 0,0899 g/l (Luft 14,4 mal so schwer) Siedetemperatur: -252,77 C Wasserstoff hat von allen Brenn- und Treibstoffen die höchste massenbezogene Energiedichte: 1kg H 2 enthält ebensoviel Energie wie 2,1 kg Erdgas oder 2,8kg Benzin Bei der Verbrennung von H 2 vernachlässigbare Emissionen entstehen nur sehr geringe bis Bei Einsatz in Brennstoffzellen entsteht als Reaktionsprodukt nur demineralisiertes Wasser. Eigenschaften von Wasserstoff Bild 6.1_5 Verfahren zur Gewinnung von H 2 Elektrolyse (z.b. Chlor-Alkali-Elektrolyse), d.h. Einsatz von Strom zur Spaltung chemischer Bindungen Dampfreformierung (katalytische Umsetzung von leichten Kohlenwasserstoffen, wie Methan oder Benzin) Partielle Oxidation (Umsetzung schwerer Kohlenwasserstoffe, wie Rückstandsöle aus Erdölverarbeitung) Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff

4 Bild 6.1_6 Wasserstoffspeicherung als Druckgas (bis 30 MPa) als Flüssiggas bei -253 C in Hydriden fest: Metalle flüssig: Methanol Wasserstoffspeicherung Bild 6.1_7 Bereits im Jahre 1839 vom walisischen Jurist und Physiker Sir William Robert Grove entwickelt. 1. Brennstoffzelle bestand aus zwei Platin Elektronen, die jeweils von einem Glaszylinder umschlossen waren. Elektrolyt: Schwefelsäure H 2 SO 4 Spannung einer Zelle zu gering Reihenschaltung mehrerer Zellen. Geschichte der Brennstoffzelle

5 Bild 6.1_ Erste Brennstoffzelle Zahlreiche Brennstoff- zellen- Entwürfe 1960 Erster Einsatz einer Brennstoffzelle 1970 Militär nutzt Brennstoffzellen 1980 Wasserstoffund Brennstoff- zellen- Förderungen 2002 Zahlreiche Projekte u. Prototypen 2020 Einzug in Energieumwandlungsbereichen Sir W.R. Grove W. Ostwald Gemini/Apollo-Programm DaimlerChrysler Necar-Serie Geschichte der Brennstoffzelle II Bild 6.1_9

6 Bild 6.1_10 Prinzipieller Aufbau einer Brennstoffzelle Kathode Anode Elektrolytmembran Bild 6.1_11 Oxidationsmittel: Sauerstoff bzw. Luft Brennstoff: Wasserstoff Oxidationsmittelzufuhr, Brennstoffzufuhr

7 Bild 6.1_12 Anode An der Anode werden dem Wasserstoff Elektronen abgespalten. Bild 6.1_13 Kathode Verbraucher Über die Elektroden fließen die Elektronen zur Kathode und reagieren mit dem Sauerstoff. Es fließt elektrischer Strom am Verbraucher.

8 Bild 6.1_14 Elektrolytmembran Mit Hilfe des Elektrolyten wird eine Trennung von Sauerstoff und Wasserstoff realisiert. Eine mögliche Knallgasreaktion wird unterbunden. Bild 6.1_15 Der nun positiv geladene Wasserstoff verbindet sich mit dem doppelt negativ geladenen Sauerstoff zu Wasser.

9 Bild 6.1_16 Abfallprodukte Restluft und Wasser Bild 6.1_17 Bei kontinuierlicher Zufuhr des Brennstoffes (H2) gibt die Zelle dauerhaft 1,23 V Spannung ab Der Wirkungsgrad einer solchen Brennstoffzelle beträgt ca. 80% Um eine höhere Spannung zu erreichen werden mehrere solcher Zellen in Reihe geschaltet Reihenschaltung von Brennstoffzellen

10 Bild 6.1_18 Umwandlungsstufen bei Wärme-Kraft-Kopplung und Brennstoffzellen Unterschied konventionelle Energieerzeugung / Brennstoffzelle Bild 6.1_19 Vorteile von Brennstoffzellen: Hohe Wirkungsgrade (bes. im Teillastbetrieb) >60% Modularer Aufbau Hohe Leistungsdichten Geräuscharmut Umweltverträglichkeit Noch zu beseitigende Nachteile Hoher Kostenaufwand (bei Katalysator und Elektrolyt) Hoher Regelungsaufwand Fehlende flächendeckende Wasserstoffinfrastruktur Energiedichten müssen noch erhöht werden Vorteile/Nachteile Brennstoffzelle

11 Bild 6.1_20 Insgesamt gibt es sechs verschiedene Typen von Brennstoffzellen: Arten von Brennstoffzellen Bild 6.1_21 PEM Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle Elektrolyt: Protonenleitende Polymer- Elektrolyt-Feststoff-Membran aus sulfoniertem Polymer Ladungsträger: Proton (z.b. H + ) Betriebstemp.: C Leistungsabgabe sehr dynamisch, daher hervorragend für mobilen Einsatz und dezentrale Energieversorgung Die PEMFC steht im Vordergrund der gesamten Brennstoffzellenentwicklung Anwendung sehr flexibel, daher vom Mobiltelefon über Kraft-Wärmekopplung bis zu Fahrzeugantrieben einsetzbar PEM Brennstoffzelle

12 Bild 6.1_22 DMFC Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Elektrolyt: Protonenleitende Polymer- Elektrolyt-Membran Ladungsträger: Proton Betriebstemp.: C Methanol ist Eduktionsmedium Für Einsatz in mobilen KFZ am besten geeignet, da kein Reformer benötigt wird. Methanol leichter zu speichern als Wasser Methanol ist giftig Die DMFC bringt im Vergleich zur PEMFC weniger Leistung, da mehr Verlust in der Membran zu verzeichnen ist. Einsatz auch in tragbaren Anwendungen Handys u. Laptops möglich. DMFC Brennstoffzelle Bild 6.1_23 Ein Projekt in Zusammenarbeit mit DaimlerChrysler NECAR = No Emission Car NECAR 1 NECAR 2 NEBUS Betrieb mit Wasserstoff Rollendes Labor Nur Platz für 2 Personen Betrieb mit Wasserstoff Leistung 50 kw Reichweite 250 km Tanks auf dem Dach Betrieb mit Wasserstoff Leistung 250 kw Reichweite 250 km Historie NECAR I

13 Bild 6.1_24 Ein Projekt in Zusammenarbeit mit DaimlerChrysler NECAR = No Emission Car NECAR 3 NECAR 4 NECAR 5 Betrieb mit Methanol Umwandlung in H 2 durch Reformer Reichweite 400 km Nur Platz für 2 Personen Betrieb mit Wasserstoff (LH 2 ) Leistung 55 kw Reichweite 450 km Technik im Boden V max = 145km/h Betrieb mit Methanol Umwandlung in H 2 durch Reformer Leistung 55 kw Historie NECAR II Bild 6.1_25 Das NECAR 5 wird mit Methanol betankt An Bord des Fahrzeuges befindet sich ein Reformer, der aus dem Methanol Wasserstoff für die Brennstoffzelle freisetzt. NECAR 5

14 Bild 6.1_26 Bauteilanordnung NECAR Bild 6.1_27 Die Vorteile von Methanol sind: Flächendeckende Versorgung möglich Einfacherer/Sicherer Transport Billiger herzustellen als Wasserstoff Auf Dauer in ausreichender Menge preiswert produzierbar Tanken wie normales Benzin/Diesel Kann aus Müll produziert werden Vorteile Methanol als Energieträger

15 Bild 6.1_28 Weitere Anwendungen der Brennstoffzelle Brennstoffzellenfahrrad Brennstoffzellengabelstapler Weitere Anwendungen der Brennstoffzelle I Bild 6.1_29 Mini-Brennstoffzelle Leistung: 10 W Spannung: 8 V Betriebsstunden: 50 h Wasserstoff H 2 in Metallhydridspeicher Weitere Anwendungen der Brennstoffzelle II

16 Bild 6.1_30 Visionen MTU 2001: Bis 2004 das serienreife Auto mit Brennstoffzellenantrieb Bis 2020 fährt jedes fünfte Auto mit einer Brennstoffzelle Bis 2010 werden 80% der Busse mit einer Brennstoffzelle angetrieben Visionen MTU