HYDROGEIT - Der Wasserstoff-Guide

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Hintergrundbild Brennstoffzellen-Autos

Daimler
Daimler-Benz ist zusammen mit Ballard einer der wichtigsten und weitesten Entwicklungsunternehmen im Bereich der Wasserstofftechnik. Beide Firmen wollen insgesamt rund 580 Mio. DM in die gemeinsame Entwicklung und den Vertrieb von Brennstoffzellen und -Systemen einbringen.
Innerhalb der letzten Jahre wurden mehrere Brennstoffzellenfahrzeuge vom Projekthaus Brennstoffzelle (dbb fuel cell engines - Daimler Benz-Ballard-Gemeinschaftsunternehmen) vorgestellt, die jeweils aufeinander aufbauten. Dieses Jahr wurde das NeCar 3 vorgestellt und es existieren bereits Gerüchte vom NeCar 4.
Daimler-Benz will unbedingt zuerst ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug zum Verkauf anbieten. Das Unternehmen ist derart überzeugt von seinem Vorhaben, dass sie angeben, im Jahre 2004 wird der NEBUS vom Band rollen. Auf jeden Fall wollen sie der erste Automobilhersteller sein, der ein Brennstoffzellenauto in Serienreife auf den Markt bringt.
Ab 2005 sollen jährlich 100.000 Brennstoffzellenautos vom Band laufen. Die Grössenordnung dieser Zahl wird deutlich, wenn man dazu sagt, dass der weltweit 15tgrösste Automobilhersteller zur Zeit 700.000 Autos produziert.
Nach Äusserungen der Vorstände wollen sich Ford und Daimler-Benz Zeit lassen bis Ende nächsten Jahres (1999), um sich dann zu entscheiden, wer der Gewinner sein wird beim Wettlauf um den Kraftstoff der Brennstoffzelle: Methanol oder Benzin.

Jürgen Hubbert, Vorstandsmitglied Daimler-Benz auf der IAA 97 in Frankfurt/M:
"Wir wollen unser Know-how und unsere Kapazitäten bündeln, um die ersten zu sein, die ein Serienfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb am Markt anbieten. - Die Ziellinie sehe ich nicht vor dem Jahr 2005"

Dr. Ferdinand Panik, Leiter des Projekthauses Brennstoffzelle im Oktober 1997:
"Das nächste Fahrzeug der NECAR-Klasse soll ein echter Viersitzer sein, innerhalb der nächsten acht Jahre soll das erste Serienfahrzeug vom Band rollen."

Im September 1998 hatte Daimler erklärt, bisher koste jedes Kilowatt Leistung eines Brennstoffzellen-Motors 5.000 bis 10.000 Mark.
Mehr als 200 Prototypen mit unterschiedlichsten Systemlösungen und Antriebsvarianten sind bis heute von Daimler-Benz getestet und untersucht worden. Darunter befanden sich Pflanzen-, Methanol-, Misch-, Wasserkraftstoff, Erdgas, Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Radnabenantrieb sowie die Brennstoffzelle.
Angefangen hat alles vor über 20 Jahren mit dem angesprochenen Metallhydrid:
Anfang der siebziger Jahre entschieden sich die Forscher bei Daimler-Benz zur Entwicklung eines fahrzeugtauglichen Metallhydridspeichers.
Als erstes Wasserstoffahrzeug der Welt wurde Mitte der siebziger Jahre ein Merzedes-Benz-City-Bus ausgerüstet mit einem Hydrid-Speicher. Diese Art von Wasserstoffantrieb mit äusserer Gemischbildung - der Motor bekam über das Saugrohr ein homogenes Wasserstoff-Luftgemisch eingeblasen - wurde im Pkw und im Transporter eingesetzt und getestet. Umfangreiche Erfahrungen konnten auch mit einem Flottenversuch von 1984 bis 1986 in Berlin gewonnen werden.
Genau zehn Jahre später (1985) gründeten Daimler-Benz und Mannesmann in Mülheim/Ruhr eine gemeinsame Tochtergesellschaft: die Gesellschaft für Hydrid- und Wasserstofftechnik GmbH (HWT).
Es wird immer noch an Metallhydriden geforscht, die Aussichten, dass damit in den nächsten Jahren tatsächlich ein Fahrzeug angetrieben werden könnte, sind jedoch eher gering. Der Schwerpunkt der Forschung hat sich seit 1991 auf das "Projekt: Brennstoffzelle" konzentriert. Die von Daimler-Benz im Forschungszentrum Ulm entwickelte Variante eines Brennstoffzellenautos nennt sich NeCar (New Electric Car).

NECAR I
Im April 1994 fand die erste Präsentation eines Brennstoffzellenfahrzeugs im Hause Benz statt. Damals handelte es sich um einen 3,5-Tonner, der vollgestopft war mit Technik. Es war ein Transporter auf Basis eines MB 180 für 2 Personen, der auch gerne als "rollendes Labor" bezeichnet wurde.
Das Brennstoffzellen-System verfügte über eine Leistung von 50 kW (Leistungsgewicht: 21 kg/kW bei einer Spannung von 130-230 V). Die Einzelzellen waren in 12 Stacks zusammengeschaltet, mit denen eine Höchstgeschwindigkeit von 90 km/h erreicht werden konnte.

NECAR II
Im Mai 1996 erschien der Nachfolger.
· Grossraum-PKW auf Basis der V-Klasse für sechs Personen
· Brennstoffzellen-System: Leistung 50 kW (Leistungsgewicht 6 kg/kW bei einer Spannung von 180-280 V)
· 300 Einzelzellen (je 0,6 V) in zwei Hochleistungsstacks hintereinander geschaltet
· 110 km/h Höchstgeschwindigkeit, Drehstrom-Asynchronantrieb 33 kW
· Wasserstoff-Drucktanks: zwei Flaschen a 140 l, Druck: 250 bar, Gesamtgewicht: 80 kg
· Reichweite 250 km mit einer Tankfüllung
· Reluktanzmotor für Kühlmittel-Lüfter (s. NECAR III)

NECAR 3
· erste Präsentation im September 1997 bei der IAA
· Pkw auf Basis der A-Klasse für zwei Personen, Länge: 3,57 m
· Brennstoffzellen-System: Leistung 50 kW, im Boden angebracht, weitere Komponenten anstelle der Rückbank eingebaut
· 300 Einzelzellen (je 0,6 V) in zwei Hochleistungsstacks hintereinander geschaltet
· 120 km/h Höchstgeschwindigkeit (elektronisch beschränkt); Asynchronantrieb
· Methanoltank: Reformierung im Kofferraum bis zu 2 ppm Kohlenstoffmonoxid
· Reichweite 400 km mit einer 38 l Tankfüllung

Methanol-Luft-Brennstoffzellensystem: Das im NECAR III eingesetzte Brennstoffzellen-System funktioniert folgendermassen: Salzfreies Wasser wird mit Methanol vermischt, verdampft und bei einer Temperatur von 250-280 °C in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Der Wasserstoff gelangt dann in die Brennstoffzelle, die ihn gemeinsam mit dem Sauerstoff der Luft katalytisch in Strom und Wasser umsetzt. Die Wärme, die man für das Verdampfen und den Reformierungsprozess benötigt, stellt ein katalytischer Brenner bereit, der mit dem wasserstoffarmen Restgas der Brennstoffzelle betrieben wird. Die Stacks selbst nutzen nur etwa 75% des angebotenen Wasserstoffs. Sollte der Energieinhalt des Restgases nicht ausreichen, um den Brenner ausreichend zu erhitzen, kann man dazu auch Methanol aus dem Tank nutzen.
Der Verdampfer, der dem Reformer vorgeschaltet ist, wurde von 300 kg auf 3 kg reduziert.
 

NEBUS
· Präsentation (New Electric Bus) im Mai 1997
· Niederflurbus auf der Basis eines O 405 N
· Gesamtleitung für Fahrzeugsystem (inkl. Lenkhelfpumpen, Drucklufterzeugung und Türsteuerung): 190 kW; Gesamtleistung: 250 kW; (Leistungsgewicht 5,6 kg/kW bei einer Spannung von 720 V)
· zehn Hochleistungsstacks hintereinander geschaltet
· Spitzengeschwindigkeit: 80 km/h
· Tank: sieben glasfaserummantelte Aluminiumtanks auf dem Dach mit insgesamt 21 kg Wasserstoff unter 300 bar, Reichweite etwa 250 km, genügend für eine Tagesfüllung.
· Masse: 2,50 m breit, 3,50 m hoch, 12 m lang, 34 Sitz- und 24 Stehplätze, 14 t Leergewicht
· mittlerweile vom TÜV zugelassen
· Resultat der Zusammenarbeit der Daimler-Benz-Forschung, Mannheimer Omnibusbereich, "Kompetenzzentrum für emissionsfreie Nutzfahrzeuge" (KEN) der Daimler-Benz AG und Ballard Power Systems, Inc./Vancouver

Vorteile vom NEBUS:
· Leise, sauber, komfortabel, ohne Rucken oder vibrieren, wie sonst nur E-Fahrzeuge fahren.
· keine Speichersysteme wie Batterien oder Oberleitung
· kein Hybrid, kein Umschalten zwischen Elektro- und Dieselbetrieb
· Flottenbetrieb kompensiert die geringe Anzahl von Tankstellen
· Betankung von geschultem Personal an einer zentralen Stelle z.B. über Erdgasreformer direkt aus dem Erdgasnetz mit Wasserstoff
· gutes Verhältnis zwischen dem Aufwand der neuen Technik und der Zahl der beförderten Personen.
· Leistungsdichte ist fünfmal besser als bei NECAR I. Die Kisten mit den Brennstoffzellen (wie Batterien in die linke Seitenklappe am Heck des Busses) haben nun 25 kW statt 4,5 kW.
· Bei einem Zellenwirkungsgrad von 55% liefert das Brennstoffzellen-System im Schnitt eine 15% bessere Energieausbeute gegenüber einem dieselbetriebenen Bus.
· Er fährt wie ein normaler Stadtbus durch Mannheims Strassen.

Die Ingenieure von EvoBus in Mannheim haben einen elektrischen Radnabenantrieb eingebaut in Zusammenarbeit mit der Zahnradfabrik Friedrichshafen (ZF). Er weist keine Getriebe und keine Kardanwelle auf, wie bei üblichen Systemen. Statt dessen übertragen radnahe Elektromotoren die Energie direkt auf die Räder. Der Radnabenmotor arbeitet beim Bremsen als Generator (Motorbremse) und produziert überschüssigen Strom, der in wassergekühlten Bremswiderständen auf dem Dach in Wärme umgewandelt und an die Luft abgegeben wird. Die Drehstrom-Asynchron-Motoren sind luftgekühlt und wartungsarm.
Spezielle adaptive Dämpfungsregelung von den Firmen Wabco und Fichtel&Sachs verhindert ein zu empfindliches Verhalten bei seitlichen Kräften, da Probleme wegen des hohen Schwerpunktes auftreten könnten (u.a. 1900 kg Dachlast durch Tanks, Leistungselektronik, Bordnetzumformer).

Im gesamten elektrischen Bordnetz gibt es drei unterschiedliche Spannungsniveaus:
a) 600 V für den Fahrantrieb und die Antriebsachse mit den Radnabenmotoren
b) 380 V für die Lenkhelfpumpe und den Druckluftkompressor
c) 24 V für die Bordspannungs-Versorgung sowie die Reserve-Lenkhelfpumpe
Die Elektrik verteilt den Strom sowohl an den Antrieb als auch an den 380-V-Kompressor für die Druckluftbremsanlage und die -federung. Bei einem Unfall schaltet die Wasserstoffversorgung aus und die Brennstoffzelle liefert keinen Strom mehr. Für die Bremsanlage ist jedoch noch genügend Druckluft gespeichert, um mehrere Male sicher bremsen zu können. Auch das hochübersetzende Getriebe lässt sich immer noch lenken.
Bengt Hamsten, Geschäftsführer Entwicklung bei EvoBus:
"Meiner Ansicht nach ist die Brennstoffzelle mit ihrem extrem guten Wirkungsgrad, ihrer Umweltfreundlichkeit sowie ihrer Leistung und Dynamik, die wenigstens so gut sind wie bei Dieselmotor, die Zukunftslösung für den Öffentlichen Personennahverkehr. Ich bin überzeugt, dass es uns in nicht all zu ferner Zukunft gelingen wird, die für die Serienreife notwendige Wirtschaftlichkeit des Brennstoffzellenantriebs zu erreichen."
 

Methanol
· CH3OH: ein Alkohol
· Energiedichte (flüssig): 5,6 kWh/kg = 4,42 kWh/l
· Methanol ist bei Zimmertemperatur flüssig.
· Besitzt einen geringeren Energieinhalt als Benzin oder Diesel. Der Methanol-Heizwert ist halb so hoch wie der von Benzin. Dieser Unterschied liesse sich jedoch über den hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ausgleichen.
· Die Herstellung kann kohlendioxid-neutral geschehen, da er aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden kann. Durch Anpflanzen von z.B. Chinagras und einer günstigen Verarbeitung wird der Atmosphäre die gleiche Menge Kohlendioxid entzogen, wie ihr bei seiner Verbrennung wider zugeführt wird.
· Ein geschlossener CO2-Kreislauf ist möglich. Zunächst wird CO2 aus der Atmosphäre im Methanol gebunden, dann wird es durch die Verbrennung im Fahrzeug in die Bestandteile CO2 und Wasser umgesetzt und gibt es wieder an die Atmosphäre.
· Methanol stellt die Industrie heute überwiegend aus Erdgas oder durch das Vergasen von Kohle her und ist somit nicht an den Primärenergieträger Erdöl gebunden. Erdgas ist in grossen Mengen vorhanden, wird sogar z.T. bei der Erdölförderung einfach abgefackelt. Es lässt sich aus Biomasse wie Holzrückständen oder Deponiegas oder aus Prozessgasen der chemischen Industrie herstellen.
· Methanol kann direkt im Verbrennungsmotor verwendet werden oder indirekt als Wasserstofflieferant, um im Fahrzeug selbst Wasserstoff zu erzeugen.
· Reformer = Gasaufbereitungsanlage, um Wasserstoff an Bord zu erzeugen; genau so viel, wie für den Augenblick notwendig ist.
· Reaktion: CH3OH + H2O = 3 H2O + CO2

Daimler-Benz-Prinzip:
Methanol kann technisch aus Erdgas hergestellt werden, d.h. Methanol kann in umgerüstete Speichertanks von Tankstellen gefüllt und ganz normal getankt werden. Die Infrastruktur wie das Tankstellennetz müsste kaum geändert werden.
So könnten nach Schätzungen von Daimler-Benz 30% weniger CO2 erzeugt werden im Vergleich zum herkömmlichen Verbrennungsmotor. Methanol-Verbrennung in einer Brennstoffzelle soll 30% günstiger sein als die Verwendung in einem Verbrennungsmotor. Würde Wasserstoff in Drucktanks zwischengespeichert und umgesetzt, liessen sich in der gesamten Kette 50% CO2 einsparen.
Stickoxide, Schwefeldioxide oder Kohlenwasserstoffe fallen nicht an.
Kritiker wenden ein, dass der Prozess vom Methanol (das ja auch erst hergestellt werden muss) über Reformer und Brennstoffzelle zum Antrieb so viel Energie verbraucht, dass er weit schlechter abschneidet als optimierte Verbrennungsmotoren.
Dr. Jürgen Friedrich, Leiter Fahrzeuge und Antriebe:
"Wir arbeiten derzeit daran, Wasserstoff direkt an Bord des Fahrzeuges aus Methanol zu gewinnen. Gelingt dies - wir rechnen damit in den nächsten Jahren -, könnte man künftig den Treibstoff für die Brennstoffzelle ähnlich wie Benzin an jeder Tankstelle tanken."
 


Dies sind Auszüge aus dem ersten Buch von Sven Geitmann:

"Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Projekte"

Aktuellere Informationen finden Sie in den neuen Büchern des Hydrogeit Verlags.

 

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