Sind alternative Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen eine Lösung für unsere zukünftigen Energieprobleme im mobilen Sektor?

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1 Onlineversion der Kolloquium-Präsentation zur Seminarfacharbeit: "Sind alternative Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen eine Lösung für unsere zukünftigen Energieprobleme im mobilen Sektor?" (2005) Weiter Informationen, sowie die Seminarfacharbeit, findet sich unter: Wichtiger Hinweis: Alle Inhalte wurden sorgfältig geprüft und nach bestem Wissen erstellt. Aber für die hier dargebotenen Informationen wird kein Anspruch auf Vollständigkeit, Aktualität, Qualität und Richtigkeit erhoben. Es kann keine Verantwortung für Schäden übernommen werden, die durch das Vertrauen auf die Inhalte oder deren Gebrauch entstehen. Dies gilt speziell, aber nicht ausschließlich, für ältere Fach- und Studienarbeiten. Die Arbeiten dürfen zu nichtkommerziellen Zwecken (z.b. nichtkommerzielle Ausarbeitungen) direkt oder indirekt zitiert werden. Die Quelle ist zu nennen. Zu anderer Nutzung ist im Vorfeld der Autor zu kontaktieren. Alle Rechte vorbehalten COPYRIGHT Martin Herrmann, B. Sc.

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18 Präsentiert von: Martin Herrmann Friedrich Neuber Robert Wiedemann

19 Gliederung 1. Mobilität 2. Konventionelle und Alternative Kraftstoffe 3. Wasserstoff als Kraftstoff 4. Antriebstechnologien auf Basis von Wasserstoff 5. Wirtschaftlichkeit 6. Demonstrationsprojekte 7. Fazit

20 Mobilität ist der Motor des Fortschritts. Automobile Abgase, Smog, Ozonloch, Luftverschmutzung, CO 2,... Welt: > 840 Mio. BRD: 43 Mio. Mobilität = Fortschritt und Lebensqualität für Menschen Automobil auf Kosten der Umwelt 30% der konsumierten Weltenergie Endlichkeit fossile Energieträger Erdöl und Erdgas Motorisierung: Indien und China Schadstoffreduktion durch Katalysatoreinbau 1991 Gesetz in Kalifornien: Einführung von Null- Emissionsautos bis 2009 Wasserstoffauto

21 Das Benzin wird bald ausgedient haben. Fossile Brennstoffe Energieversorgung Grundlage: Fossile Brennstoffe - Reichweiten: Erdöl 40 Jahre Erdgas 60 Jahre Kohle 200 Jahre - 98% aller Kraftstoffe aus Erdöl - Energiewende Endlichkeit Umstieg auf andere Kraftstoffe CO 2 Emission (Treibhauseffekt)

22 Das Benzin wird bald ausgedient haben. Alternative Kraftstoffe Erdgas endlich Biodiesel maximal 10% aller Fahrzeuge Methanol hochgiftig Ethanol zu geringe landwirtschaftliche Flächen Biogas nur eine minimale Anzahl von Fahrzeugen Wasserstoff

23 Wasserstoff ist der Kraftstoff der Zukunft. Was ist Wasserstoff? 93% Bestandteil Universum Gas: ungiftig, farblos, geruchlos, brennbar, 14 mal leichter als Luft Wasser Oxid des Wasserstoffs große Ressourcen (Ozeane) Wichtiges Industrieprodukt Hoher Energiegehalt Speicherbar und transportierbar Emissionsfrei, umweltverträglich Kraftstoff der Zukunft Hohe Verfügbarkeit

24 Wasserstoff ist der Kraftstoff der Zukunft. Konventionelle Herstellung Partielle Oxidation schwerer Kohlenwasserstoffe Kvaerner Verfahren / Plasmabogen Kohlevergasung Vergasung von Biomasse Elektrolyse Erdgasdampfreformierung (Hauptanteil) 1. Schritt: CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 2. Schritt (Shiftreaktion): CO + H 2 O CO 2 + H 2 Anlage in Leuna Freisetzung von Kohlendioxid ( CO 2 )

25 Der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft kann nur auf Basis regenerativer Energieträger erfolgen. Regenerative Herstellung Solarenergie Windenergie Wasserkraft Biomasse Strom Elektrolyse Wasserstoff

26 Wasserstoff ist der Kraftstoff der Zukunft. Elektrolyse Wasseraufspaltung durch elektrischen Strom Auf lange Sicht einzige sinnvolle Methode Reaktionsgleichung: 2 H 2 O 2 H 2 + O 2

27 Wasserstoff ist der Kraftstoff der Zukunft. Speicherung Als Druckgas ( bis 70 MPa ) Als Flüssiggas ( bei C ) In Hydriden flüssig: Methanol (CH 3 OH) fest: Metalle Kunststoffspeicherung Grafitnanofaserspeicherung

28 Wasserstoff ist der Kraftstoff der Zukunft. Aufbau eines Flüssigwasserstofftanks

29 Wasserstoff ist der Kraftstoff der Zukunft. Tankstelleninfrastruktur Momentan über Benzin- und fünf Wasserstofftankstellen in Deutschland Flughafen München Hochbahn in Hamburg Berlin am Messedamm Berlin Spandau Stuttgart Linde AG: Tankstelle am Flughafen München Autobahnring in Deutschland Berlin, Leipzig, München, Stuttgart, Köln und Wolfsburg Insgesamt rund km lang Zapfsäulen im Abstand von durchschnittlich 50 km

30 Wasserstoff ist genauso sicher wie herkömmliche Kraftstoffe. Sicherheitsaspekte Crash Wasserstoffauto Knallgas H 2 / O 2 ( 4 75 Vol.- % ) Mehrfache Systemsicherheit Sicherheitsventil, Sollbruchstelle, Sensoren Zündtemperatur : 560 C Verbrennungsgeschwindigkeit : 3.46m/s Wasserstoff brennt nach oben weg Benzinauto Zündtemperatur : 228 C Verbrennungsgeschwindigkeit : 0.4m/s Bildet Brandteppich

31 Wasserstoffantriebstechnologien haben eine Chance. Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff Wasserstoff als Kraftstoff Brennstoffzelle + Elektromotor Wasserstoffverbrennungsmotor Hybridsysteme Benzin und Wasserstoff Brennstoffzelle und Akkumulator Mazda RX8 - Hydrogen Opel HydroGen3 Ford Focus FCEV

32 Wasserstoffantriebstechnologien haben eine Chance. Wasserstoffverbrennungsmotor Modifizierter Vier- Takt- Ottomotor Motorspezifische Modifikationen: Elektronisch geregelte Gasbildung Neuartiges Gemischbildungssystem Angepasste Kraftstoffleitungen Weitere Veränderrungen: Kürzere Einspritzintervalle Höhere Kompression Kraftstoff - Luft Gemisches Verbrennung mit Luftüberschuss

33 Wasserstoffantriebstechnologien haben eine Chance. BMW 745h Bivalenter V8 Motor H 2 -Leitungen Benzintank Wasserstofftank Zylinder: Hubraum: Leistung: 8 4,4l 135 kw / 184 PS Geschwindigkeit: 215 km/h km/h: 9,9 s Wasserstofftank Antriebswelle Tankinhalt: Reichweite: 140l LH km Bordstrom: PEM - Brennstoffzelle 5 kw / 42 V Benzintank Tankinhalt: Reichweite: 88 l 650 km

34 Die Brennstoffzelle ist ein neuartiger effizienter Energieumwandler für das Wasserstoffauto. Aufbau und Funktion Brennstoffzelle 2 H 2 + O 2 2 H 2 O (Wasserdampf) + Wärme

35 Die Brennstoffzelle ist ein neuartiger effizienter Energieumwandler für das Wasserstoffauto. DaimlerChrysler Mercedes F-Cell A - Klasse

36 Die Brennstoffzelle ist ein neuartiger effizienter Energieumwandler für das Wasserstoffauto. Mercedes F-Cell Motorleistung: 87 PS Geschwindigkeit: 145 km/h Reichweite: 150 km PEM Brennstoffzelle: 85 kw Kraftstoff: CGH 2 2 x Druckgastank (350 bar) Ballard Mark 902 Brennstoffzelle

37 Die Brennstoffzelle ist ein neuartiger effizienter Energieumwandler für das Wasserstoffauto. Brennstoffzelle und Verbrennungsmotor Thermische Energie Mechanische Energie Chemische Energie Elektrische Energie + Wärme Elektrochemische Reaktion: Wirkungsgrad 50-70%

38 Die Brennstoffzelle ist ein neuartiger effizienter Energieumwandler für das Wasserstoffauto. Brennstoffzelle: Vor- und Nachteile Hohe Leistungsdichte Optimales dynamisches Lastwechselverhalten Wirkungsgrad 50 % Geräuscharm Teillast bis 65 % Modulare Fertigung Umweltfreundlichkeit Emissionsfrei Temperaturabhängigkeit Einsetzbarkeit bis -20C Kurze Reichweiten Kurze Lebensdauer

39 Die Wirtschaftlichkeit entscheidet über die Einführung von Wasserstofffahrzeugen. Aspekte der Wirtschaftlichkeit Aggregatskosten PEM - Brennstoffzelle: 5000 /kw Benzinmotor-Systems: 50 /kw Höhere Anschaffungskosten Energiepotenzial Benzin hat das 3,5-fache Energiepotenzial von LH 2 geringere Reichweiten

40 Die Wirtschaftlichkeit entscheidet über die Einführung von Wasserstofffahrzeugen. Aspekte der Wirtschaftlichkeit Treibstoffkosten Wasserstoff ist nicht besteuert Kosten pro Liter Wasserstoff ca. 0,55 geringer Kosten als Benzin Hoher Verbrauch erhöht die absoluten Kosten

41 Die Wirtschaftlichkeit entscheidet über die Einführung von Wasserstofffahrzeugen. Optimierung der Wirtschaftlichkeit Förderprojekte: USA und Japan forschen viele Jahre USA: hohe Fördergelderbeträge EU - Förderungs- und Forschungsprojekte Viele deutsche Projekte: z.b. Münchener Flughafenprojekt Weltweit Demonstrationsprojekte zur Optimierung der Wasserstofftechnologie Wasserstofffahrzeuge werden wirtschaftlicher

42 Wasserstoffprojekte leisten ihren Beitrag für die Einführung von Wasserstoffautos. Ziele der Projekte Weiterentwicklung der Wasserstofftechnologie Erprobung neuer Fahrzeugkonzepte Alltagstauglichkeit von Wasserstofffahrzeugen bestimmen Akzeptanz in der Bevölkerung herstellen Politische Entscheidungen zur Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur

43 Wasserstoffprojekte leisten ihren Beitrag für die Einführung von Wasserstoffautos. Die kalifornische Zero Emissions Vehicle - Gesetzgebung 1991/1998 beschlossen Vorstufe trat 2005 in Kraft Ab 2009 alle Neuwagen Null-Emissionsfahrzeuge Vorreitermodell für andere Projekte Weltweit

44 Wasserstoffprojekte leisten ihren Beitrag für die Einführung von Wasserstoffautos. Caliornia Fuel Cell Partnership (CaFCP) Infolge der Zero Emissions Vehicle - Gesetzgebung entstanden 30 Firmen beteiligt (u. a. Ford, DaimlerChrysler, Ballard) Erprobung und Demonstration von Bennstoffzellentechnologie Jahr 2000: Eröffnung neues Hauptquartier

45 Wasserstoffprojekte leisten ihren Beitrag für die Einführung von Wasserstoffautos. Clean Urban Transport for Europe (CUTE) 2003 eingeführt Europaprojekt: 10 Städte Amsterdam, Barcelona, London, Luxemburg, Madrid, Porto, Reykjavik, Stockholm, Stuttgart, Hamburg Erprobung von Brennstoffzellenbussen und Infrastruktur Aufklärung über Wasserstofftechnik verschiedene Klimazonen und geologische Vorraussetzungen Stuttgart: Citaro-Bus von DaimlerChrysler

46 Wasserstoffprojekte leisten ihren Beitrag für die Einführung von Wasserstoffautos. Clean Energy Partnership (CEP) 2004 gestartet BMW, Ford, DaimlerChrysler, Opel, BVG, Aral, Linde größtes deutsches Wasserstoffprojekt CEP-Tankstelle in Berlin Erprobung der Alltagstauglichkeit

47 Wasserstoffprojekte leisten ihren Beitrag für die Einführung von Wasserstoffautos. Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project 2002 beschlossen Japanisches Projekt zur Verbesserung des Verständnis der Brennstoffzellentechnologie Aufklärung über Wasserstofftechnik Stationäre Brennstoffzellen werden in Haushalten eingesetzt Toyota FCHV-4

48 Fazit Große Anstrengungen in Forschung und Entwicklung Weiterentwicklung der alternativen Fahrzeugkonzepte in letzten Jahren Einführung der Wasserstoffautos in Kalifornien ab 2009 Einführung in Europa Entscheidung der EU zum Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur offen Wasserstofftechnologie wird sich dennoch durchsetzen Wasserstoff wird die Bevölkerung in der Zukunft beeinflussen Alternative Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen sind eine Lösung für unsere zukünftigen Energieprobleme im mobilen Sektor!

49 Präsentiert von: Martin Herrmann Friedrich Neuber Robert Wiedemann