Wann kommt die Brennstoffzelle ins Auto? HTW Dresden Fakultät Maschinenbau/Verfahrenstechnik Studiengang Fahrzeugtechnik Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik Prof. Dr.-Ing. G. Zikoridse 1
Gliederung 1. Einleitung 2. Brennstoffzelle Allgemeines Das Brennstoffzellen-System 3. Wasserstoff Herstellung und Speicherung von Wasserstoff Das Tanksystem 4. Brennstoffzellen-Fahrzeuge Technologische Herausforderungen Beispiele 5. Zusammenfassung 2
Einleitung 3
Physikalische Grundlage aller Energieumwandlungen Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden. d. h. Energie kann weder durch Politiker, Parlamentsbeschlüsse, Parteien, Bürgerinitiativen, Forschungsprogramme, Investitionen noch durch Kraftwerke, Energieversorger oder Ölgesellschaften usw. erzeugt werden. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar. Wärme kann nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden. d. h. Alle Energiewandlungen sind mit Energieverlusten verbunden. 4
Physikalische Grundlage aller Energieumwandlungen Energieumwandlung in der Verbrennungskraftmaschine: Verbrennungskraftmaschinen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffes (z.b. Benzin, Diesel, Erdgas) zunächst in Wärme und dann in die gewünschte mechanische Energie um. 2-stufige Energieumwandlung sehr hohe thermische Verluste ; daher ist der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren relativ gering Energieumwandlung in der Brennstoffzelle: Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffes (z.b. Wasserstoff, Erdgas) durch einen elektrochemischen Prozess direkt in elektrische Energie um. Direkte Energieumwandlung Verluste des Verbrennungsprozesses entfallen Gesamtwirkungsgrad ist höher 5
Brennstoffzelle 6
Funktionsprinzip der PEM-Brennstoffzelle Quelle:H-TEC Quelle: WBZU Es gibt viele verschiedene BZ-Typen, für Fahrzeugantrieb spielt hohe Dynamik große Rolle hier ist die PEM- oder die HT-PEM-BZ sehr gut geeignet, wurde in Prototypen intensiv getestet 7
Beispiel für ein Pkw-Brennstoffzellensystem XcellsisTMHY-80 Quelle: Tillmetz/Benz 2006 Stromverteilungseinheit Brennstoffzelle (80 kw) (liefert elektrischen Strom für Elektromotor) Systemmodul Steuerungseinheit (steuert beispielsweise die Gaszufuhr und überwacht permanent das Gesamtmodul) Kühlmittelpumpe (BZ muss gekühlt werden, um optimal zu arbeiten) Modular aufgebaut, um verschiedene Fahrzeuganordnungen zu berücksichtigen: - BZ-Modul wird für Grundlast ausgelegt - Lastspitzen werden über Batterie gepuffert 8
Hauptkomponenten eines H 2 -Brennstoffzellen Fahrzeugs Quelle: Stauch 2005 1: Elektromotor. 2: Brennstoffzellensystem. 3: Hochdruckbehälter. 4: Hochspannungsbatterie. Daimler A-Klasse mit Brennstoffzelle (F-CELL) seit 2002 getestet in verschiedenen Förderprogrammen (z.b. CEP-Programm) als Kleinserie von etwa 100 Fahrzeugen weltweit ausgeführt inzwischen mehr als 4 Mill Kilometer absolviert Tauglichkeit der Technologie eindeutig nachgewiesen Nachfolger Daimler B-Klasse mit verbesserten Komponenten ab 2010 in Kundenhand ebenfalls als Kleinserie 9
Wasserstoff 10
Der Kraftstoff Wasserstoff Hauptproblem: Wasserstoff ist kein Primärenergieträger, d.h. er muss mit Energieaufwand erst hergestellt werden!!! Das muss bei allen Wirkungsgradbetrachtungen berücksichtigt werden; üblich: Tank-to-Wheel: Wasserstoff wird als gegeben betrachtet Well-to-Wheel: Wasserstofferzeugung wird berücksichtigt richtige Methode Quelle: Linde AG Es gibt zwei Hauptverfahren um Wasserstoff herzustellen: Reformierung von Kohlenwasserstoffen : gängigste Herstellungsmethode. Elektrolyse: Wasser wird durch einen elektrolytischen Spaltungsprozess in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Am sinnvollsten erweist sich die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse aus regenerativen Energiequellen wie Biomasse oder auch Wind-, Wasser- oder Sonnenkraft. Gerade Solar- und Windenergie bieten noch ein enormes Potenzial, da durch die Wasserstoff-Erzeugung insbesondere die Diskontinuität dieser Energien überbrückt werden könnte. Quelle: OMV 11
H2 Speicherung = Schlüsseltechnologie für Fahrzeug Quelle: T. Brunner; BMW; 2007 12
Wasserstoff Speicherung Zur Zeit zwei kurz vor der Serienreife stehende Technologien: die Flüssig- und die Druckwasserstoffspeicherung limitierende Faktoren: Energieaufwand für Speicherung, Reichweite, Standzeiten des Speichers (Boil-off-Verluste), Betankungszeit, Speicherkosten, Sicherheit etc. Quelle: E. Wüchner, Daimler; 2007 13
Brennstoffzellen Technologie als Fahrzeugantrieb 14
Neue Antriebskonzepte Brennstoffzellen Technologie H 2 Herstellung regenerativ H 2 Speicherung bei 700 bar Industrielle Serienreife ab ca. 2015 keine CO 2 Emissionen Hochtemperatur Brennstoffzelle 15
Aufteilung der Energieströme im Fahrzeug (Beispiel DC) 100 % LH2 62,2 % BZ-Leistung 37,8 % Wärme 45,8 % ohne Nebenaggregate 37,7 % Rad 16,4 % Nebensysteme 8,1 % Umwandler, Motor, Getriebe, Differential 37,7 % Gesamtwirkungsgrad Tank zum Rad Werte: Lamm 2002 16
Vergleich der Wirkungsgrade und CO 2 -Emissionen Wirknugsgrad [%] 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 wasserstoffgetriebener FC Zafira (HydroGen3) Diesel Zafira (X20DTL-Motor) 2. Gang 1. Gang 3. Gang 4. Gang 5. Gang 0 50 100 150 200 Quelle: Hermann/Winter 2003 Geschwindigkeit [ Km/h ] Durchschnittlicher Wirkungsgrad (Tank to Wheel im Europäischen Fahrzyklus): Wirkungsgrade: 36 % / 22 % CO 2 -Emissionen (lokal): 0 g/km / 177 g/km Wirkungsgrad H 2 -Herstellung (regenerativ aus Wasserkraft 90 % und hoch effizientem Elektrolyseur 80 %) 72 % Wirkungsgrad H 2 -Speicherung (700 bar) 87 % keine weiteren Verluste berücksichtigt; aus 36% werden: Well-to-wheel-Wirkungsgrad: 22,5 %!!! Vergleichbar mit Verbrennungsmotor 17
Zusammenfassung Vorteile: - hoher Wirkungsgrad möglich, keine Limitierung durch Carnot-Faktor - hoher Wirkungsgrad im Teillastbereich - modularer Aufbau Abdeckung eines großen Leistungsbereiches - keine lokale Emission durch Stack selbst (Schadstoffe, Geräusch) - für weitere Effizienzsteigerung Kraft-Wärme-Kopplung möglich Nachteile: - hohe Kosten - Kraftstofferzeugung und Kraftstoffspeicherung - im Moment noch keine Wasserstoffinfrastruktur (Tankstellen) - Lebensdauer der Stacks noch zu gering Fazit: Für die Einführung der Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb müssen alle technologische Herausforderungen (Wasserstoff Herstellung und Speicherung, Tankstellennetz, wettbewerbsfähige Preise für Wasserstoff und Brennstoffzelle, Lebensdauer, etc.) gelöst werden bis eine flächendeckende Einführung der Brennstoffzellentechnologie als Fahrzeugantrieb werden noch einige Jahrzehnte Vergehen. bis dahin wird diese Technologie ein Nischenprodukt bleiben. 18
Ankündigung für kommende Veranstaltungen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Gennadi Zikoridse Telefon: +49 351 462 3344 Telefax: +49 351 462 3476 E-Mail: fif@fif.mw.htw-dresden.de, g.zikoridse@fad-diesel.de Web: www.fif.mw.htw-dresden.de, www.fad-diesel.de 19