1. Ballard
Bei der Firma "Ballard Power Systems" handelt es sich um den inzwischen
wohl größten Brennstoffzellen-hersteller weltweit. Der Gründungsvater Geoffrey Ballard, Erfinder und Unternehmer,
bezeichnet als Pionier der Brennstoffzellen-Technik, sagte einmal über
seinen Traum: Ich will, daß "meinen Enkeln eine bessere Umwelt garantiert
wird."
Firoz A. Rasul, Ballard-Präsident:
"Der Bekanntheitsgrad von Ballard und seinen Bemühungen ist 1997
enorm gestiegen und ist in vielen führenden Magazinen erschienen.
Brennstoffzellen, mit ihrer Aussicht auf saubere, effiziente Energie, haben
sich in den Mittelpunkt geschoben."
Ballard Power wird von zwei Analysten im US-Anlegermagazin "Barron`s"
als eine der zehn aussichtsreichsten Aktien der kommenden Jahre bezeichnet
und dabei in einem Atemzug mit ungleich größeren Multis wie
Hewlett-Packard, Royal Dutch Shell oder Sony genannt. Mittlerweile gibt
es zahlreiche Kaufempfehlung der Ballard-Aktie. Wer glaubt, daß mit
Umweltschutz am Aktienmarkt kein Geld zu verdienen ist, muß sich
anscheinend eines Besseren belehren lassen: Die Aktie von Ballard Power
Systems verzeichnet seit Anfang 1997 etwa 300% Kursgewinn. Mittelfristig
dürfte sich der Anstieg fortsetzen.
Im Laufe der Jahre hat sich Ballard vom kleinen Betrieb zu einem wichtigen
Entwicklungsunternehmen entwickelt. Neben Brennstoffzellen für die
mobile Anwendung plant und produziert die Firma auch stationäre Generatoren.
Ballard Generation Systems (BGS) und ALSTHOM versorgen den europäischen
Markt bereits mit Kraftwerken. BGS wird ab 1998 die Alpha-Einheit einer
250 kW Anlage bauen und testen, um sie 2001 auf den Markt zu bringen. Die
Leistung von diesem Generator reicht aus, um z.B. kleine Hotels oder Einkaufszentren
versorgen zu können.
Schwerpunkt bei Ballard ist die Forschung und Weiterentwicklung von
Brennstoffzellen für Autos und Busse. Bezüglich der Fortschritte
im Bussektor sind folgende Meilensteine zu verzeichnen:
· Juni 1993: Brennstoffzellenbus
(Zero-Emission-Vehicle Bus) mit 125 PS/90 kW
· Juni 1995: Brennstoffzellenbus
(275 HP Bus) mit 275 PS/205 kW, 400 km Reichweite
· März 1998: zweijähriges
Demonstrationsprogramm, bei dem der reguläre Betrieb von drei Bussen
in Chicago von CTA getestet wird.
Dieses jetzt in Angriff genommene Demonstrationsprogramm ist in Zusammenarbeit
mit dem Umweltministerium von Chicago und Ballard entstanden. Die Busse
werden von der Chicago Transit Authority (CTA), Chicago/USA, im öffentlichen
Verkehr eingesetzt und sind somit weltweit die ersten zero-emission Brennstoffzellenbusse
im normalen Personenverkehr.
Jeder der drei Busse kostete $1,6 Mio. Die Tankstelle mit dem Wasserstoff
kostete $9 Mio.
Ebenfalls drei Busse mit Brennstoffzellenantrieb gehen als Prototypen
für den Stadtverkehr an die BC Transit, British Columbia/Kanada.
Entwicklung und Kosten:
Ballard hat eine Studie veröffentlicht, nach der jährlich
weltweit schätzungsweise 170.000 Busse verkauft werden, wobei allein
die USA 30% davon tragen. Mittelklasse Busse für Flughafenverkehr
und Vororte werden jährlich weltweit ca. 75.000 verkauft. Ballard
plant dafür einen 100 kW Methanol-Bus (135 HP) für 30 Personen
mit einer Reichweite von 550 km heraus zu bringen.
Die kanadische Firma baut einen Prototypen für die Universität
Georgetown mit einem "onboard"-Reformer, um Methanol in Wasserstoff zu
spalten. Dieser Prototyp soll 1999 fertig und in den Jahren 2001-02 auf
dem Markt sein. Die Kosten für diesen Typ werden sich vorerst auf
ca. $55.000 belaufen, bis zum Jahr 2005 abnehmend auf $12.000. Vergleichsweise
kostet eine Dieselmaschine $14.000.
Der von CTA getestete Bus (275 HP) für 65-75 Personen mit einer
Reichweite von 550 km wird 1999 auf dem Markt erwartet. Die Kosten für
den Motor werden sich voraussichtlich auf $240.000 belaufen, günstiger
werdend bis zum Jahr 2005 auf $30.000. Der gesamte Fahrzeugpreis wird geschätzt
auf $550.000 ($300.000 im Jahr 2005). Zum Vergleich kosten herkömmliche
Dieselbusse $225.000, Erdgasbusse $300.000 und Elektrobusse (Oberleiter)
alles in allem $600.000.
Bei Schwerlastwagen (8-Tonner) ist ein Bedarf von ca. 900.000 Stück
weltweit. Ballard sieht für diesen Bereich eine Methanolmaschine mit
200 kW (250 HP) ähnlich dem 275 HP vor.
Bei den Autos liegt der Bedarf insgesamt bei 30 Mio. jährlich.
Ballard plant gemeinsam mit Daimler-Benz einen Methanol-Pkw mit 50 kW (70
HP). Der Prototyp könnte 2000 fertig sein. Der Verkauf könnte
2003-2004 beginnen. Der Preis für den Motor beträgt $10.625;
runter bis 2005 auf $3.375. Zum Vergleich: ein Verbrennungsmotor kostet
$3.000-4.000.
Tab. 1: geschätzte Kostenentwicklung in US-Dollar pro Kilowatt
und geschätzte Entwicklung der Gesamtleistung in Megawatt
| 1998
| 1999
| 2000
| 2001
| 2002
| 2003
| 2004
| 2005
| 2006
| 2007
|
Auto [$/kW] |
|
|
|
|
|
65 |
45 |
32 |
29 |
26 |
Bus [$/kW] |
500 |
400 |
200 |
150 |
120 |
100 |
65 |
45 |
40 |
35 |
Ges.leist. [MW] |
- |
1 |
3 |
8 |
36 |
150 |
2310 |
6150 |
11700 |
20500 |
Quelle: Ballard
Brennstoffzelle:
Es ist Ballard in den letzten Jahren gelungen, die Leistungskonzentration
der mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle wesentlich zu erhöhen
(1 kW/kg bzw. 2 kW/l ohne zugehörige Systeme; 0,15 kW/kg im Stapel
für Fahrzeuge).
1995 erreichten Ballard/Daimler lediglich eine Leistungsdichte von
1000 Watt/Liter.
Tab. 2: Vergleich verschiedener Autofabrikanten
BSZ
| Hersteller
| Fahrzeug
| Datum
| Kraftstoff
| Dichte
| Leistung
|
| Ballard |
Daimler |
NECAR-I |
1994 |
Wg |
180W/l |
50kW |
Ballard |
Daimler |
NECAR-II |
1996 |
Wg |
1000W/l |
50kW |
Ballard |
Daimler |
NECAR-III |
1997 |
Mf |
1000W/l |
50kW |
Toyota |
Toyota |
FCEV |
1996 |
Wg |
167W/l |
20kW |
Toyota |
Toyota |
FCEV |
1997 |
MF |
193W/l |
25kW |
DeNora |
Renault |
FEVER |
1997 |
Wf |
130W/l |
30kW |
Quelle: Ballard
Wg: Wasserstoff, gasförmig
Wf: Wasserstoff, flüssig
Mf: Methanol, flüssig
Die Stacks tragen 40% für die Brennstoffzelleneinheit bei. Der
Elektrolyt der PEM ist abgeleitet von Teflon.
Anstelle diese Elemente weiterhin von Dow oder DuPont zu kaufen, hat
Ballard ein eigenes Verfahren entwickelt und könnte so die Kosten
hierfür auf ein Siebtel reduzieren.
Um die Kosten für den Platin-Katalyten zu verringern, muß
die Platinmenge minimiert werden, die auf den Katalyten aufgebracht werden
muß. Bis jetzt wurde diese Zahl bereits um 90% verringert, kann aber
noch weiter heruntergeschraubt werden.
Indem andere Herstellungsverfahren für die Platten (bzw. die Kanäle
in den Platten) gefunden werden - wie z.B. Pressen unter Wärmezufuhr
- könnten diese Kosten um 98% reduziert werden.
Tab. 3: geschätzte Kosten pro Kilowatt der einzelnen Brennstoffzellen-Komponenten
US$/kW
| 1999
| 2010
|
Platin-Katalysator |
65 |
6 |
Polymer-Membran |
70 |
10 |
Platten |
80 |
2 |
sonstiges |
15 |
2 |
gesamt |
230 |
20 |
Zur Zeit sind Brennstoffzellen für den Gebrauch in Fahrzeugen noch
10mal oder 15mal zu teuer, um konkurrenzfähig zu sein.
Zukunftsentwicklung:
Ende 1998 soll NeCar 4 präsentiert werden. (Nachtrag: NeCar 4
wurde im März 1999 präsentiert.) Ebenfalls ein A-Klasse-Auto,
allerdings mit einem halb so großem Reformer, der im Rumpf des Fahrzeuges
integriert sein soll, so daß die Rücksitzbank wieder eingebaut
werden kann.
NeCar 5 wird für den Herbst 1999 erwartet und soll nochmals um
den Größenfaktor von zwei reduziert werden. Auf der Grundlage
dieses Autos soll entschieden werden, ob die Serienproduktion in Angriff
genommen werden soll. Diese Entscheidung wird Ende 1999 erwartet, so daß
die Markteinführung im Jahre 2004 geschehen könnte, was von Ballard
und Daimler-Benz auch so geplant ist.
BMW
BMW ist eine der wenigen Firmen, die in ihrem Konzept für die
Zukunft nicht auf Brennstoffzellen sondern auf wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren
setzen.
Den ersten Versuchswagen gab es 1979. Damit zählen die Bayerischen
Motoren Werke zu den Automobilhersteller mit der längsten Erfahrung
bei Wasserstoffantrieben.
Mittlerweile existiert dieses Wasserstoffauto in der vierten Generation.
Die Strategie, die im Hause BMW verfolgt wird, gliedert sich in drei
Schritte:
1. Schritt: Nutzung von komprimiertem Erdgas (CNG)
· Betrieb eines Zweistoffmotors mit
Erdgas und Benzin, weil noch kein dichtes Tankstellennetzwerk für
Gas besteht
· Reichweite mit Erdgas: 200-250
km
· seit 1995 auf dem Markt
· BMW ist auf diesem Gebiet Erster
in Europa
2. Schritt: Wechsel zu flüssigem Erdgas (LNG)
· ausschließlich Erdgasbetrieb
· Betankung mit CNG oder LNG an Flüssiggas-Tankstellen
· größere Reichweite (70%
von benzinbetriebenen Autos), wegen höherer Energiedichte im Vergleich
zu CNG
3. Schritt: Wasserstoffauto
· flüssiger Wasserstoff (-253°C)
· Übernahme der Erfahrungen
aus der LNG-Technik
· Energie für Elektrolyse aus
regenerativer Energie
Erdgas stellt nach Meinung der BMW-Ingenieure einen logischen Zwischenschritt
dar. Nach Wasserstoff ist Erdgas der Energieträger mit dem höchsten
Wasserstoffgehalt und in seinen Stoffeigenschaften dem Wasserstoff am nächsten
verwandt.
Bei Zweistoffbetrieb, wie er im 1. Schritt vorgesehen ist, liegt der
Wirkungsgrad etwa gleich mit dem normalen Benzinbetrieb. Lediglich die
maximale Leistung ist bei Erdgas etwas geringer. Seit Januar 1997 unterschreiten
die Erdgasfahrzeuge die ULEV-Grenzwerte.
Eine Variante mit hochkomprimiertem gasförmigem Wasserstoff für
Pkws wird wegen geringerer Reichweite kaum verfolgt.
Die Motoren sind abgeleitet vom herkömmlichen Ottomotor. Bewährt
haben sich dabei bis heute Maschinen mit 2,5 bis 5,4 l Hubraum und einer
Leistung von 80-150 kW. Für die zukünftige Entwicklung konzentrieren
sich die Forscher auf den 2,8 l 6-Zylinder-Motor.
Seit Anfang 1989 betreibt die bayerische Firma die weltweit erste Prüfanlage
für Wasserstoffmotoren mit einem umfassenden Sicherheitssystem. Aufgrund
der daraus erlangten Erkenntnisse wird die Auffassung vertreten, unkontrollierte
Gemischzündung ohne aufwendige Maßnahmen beherrschen zu können,
z.B. durch Wassereinspritzung oder Direkteinspritzung.
1997 entwickelte der Betrieb einen neuen Tank mit 140 Liter Volumen,
so daß er etwa 1/3 des Kofferraumvolumens einnimmt. Darin wird der
flüssiger Wasserstoff bei -253°C gespeichert. Die Isolationsschicht
konnte von 5 cm auf 2,5 cm halbiert werden, was einem 4 m dicker Styropormantel
entspricht. So ist es möglich, mit einer Tankfüllung 400 km weit
zu fahren.
Fundierte Prognosen für den Serienstart gibt es derzeit nicht.
Dipl.-Ing. Wolfgang Strobl, (Leiter Forschung Energiesysteme):
"Das erste Wasserstoffauto in Kundenhand sehen wir im nächsten
Jahrzehnt. Natürlich ist es auch dann noch ein weiter Weg bis zu einem
breiten Einsatz dieser Zukunftstechnologie."
Chrysler
Chrysler, Detroit/USA verfolgt ein Benzin/Stromkonzept und arbeitet
nach dem Zusammenschluß mit Daimler gemeinsam an der Brennstoffzellen-Technik.
Das Betriebssystem beim Chrysler-Konzept besteht aus einem Teilverbrennungsreaktor
und diversen Katalysatoren, die die Kohlenwasserstoffverbindung des Kraftstoffs
(Benzin) nahezu rückstandsfrei in Kohlendioxid, Wasser und Wasserstoff
aufspalten. Letzterer wird zusammen mit Luft in eine Brennstoffzelle eingespeist.
Dort vollzieht sich die Reaktion, zur Erzeugung von Energie, die über
Elektromotoren die Räder antreibt.
Ein Konzept, nach dem die gesamte Anlage in einem Pkw Platz findet,
hat Chrysler bereits entworfen. Anfang 1997 enthüllte Chrysler ein
Modell ihres Brennstoffzellenfahrzeugs, das mit Benzin und einem Reformator
von Arthur D. Little Inc. entwickelt wurde. 1999 soll das Fahrzeug fertig
sein.
Mitte des nächsten Jahrzehnts könnte das System die Serienreife
erreicht haben und auf den Markt kommen.
Funktionsweise:
Das aus dem Kraftstofftank kommende Benzin wird in einem Verdampfer
erhitzt und in gasförmigen Zustand gebracht, um eine möglichst
rückstandsfreie Verbrennung zu garantieren. Ein Teilverbrennungsreaktor
(Metallzylinder mit Zündkerze) trennt das Benzin grob in Wasserstoff
und Kohlenmonoxid. Kupfer- und Zinkoxidkatalysatoren wandeln unter Hinzufügen
von Wasserdampf das Kohlenmonoxid nahezu vollständig in ungiftiges
Kohlendioxid um. Zusätzlich entsteht weiterer Wasserstoff. Der verbleibende
Kohlenstoffmonoxid-Anteil von etwa 1%, wird in der Nachverbrennungsphase
mit Hilfe eines Platinkatalysators unter Luftzufuhr weitgehende zu Kohlendioxid
transformiert. Der übrigbleibende Kohlenstoffmonoxid-Anteil sinkt
unter 1/1000%. Der gewonnene Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle mit
dem Sauerstoff der Außenluft zusammengeführt. Es entsteht elektrischer
Strom, der in Batterien eingespeist wird und die Elektromotoren an den
Hinterrädern antreibt. Als Emissionen entstehen fast ausschließlich
Kohlendioxid und Wasser.
Kaum ein anderes Industrieprodukt ist nach Meinung von Chrysler Forscher
Borroni-Bird einem derart rapiden Preisverfall ausgesetzt wie die Brennstoffzellen.
"Noch vor wenigen Jahren wäre sie um den Faktor 1000 teurer als Motoren.
Das gibt doch Anlaß zur Hoffnung."
Daimler Benz
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."
EQHHPP
1989 wurde "Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project" gestartet,
das bis 1992 die technische und ökonomische Machbarkeit der Erzeugung,
der Handhabung, des transatlantischen Transports und der Anwendungen von
Wasserstoff untersuchte.
Bis 1998 wurden Anwendungstechnologien entwickelt und erprobt wie z.B.:
1. - Stadtbusse mit Flüssigwasserstoff und Verbrennungsmotor (Belgien,
Deutschland)
2. - ein Stadtbus mit Brennstoffzelle und Elektromotor in Italien
3. - drei Stadtbusse mit Hythane-Druckgasspeicherung in Québec
4. - Emissionstests mit einem Sektor einer LH2-Brennkammer eines Airbustriebwerks
5. - Studien über heutige Fahrzeug- und Flugzeugemissionen im
Vergleich zu Emissionen aus
H2-Antrieben am Beispiel von Los Angeles, London und München
6. - Studien über LH2-Transport-Container
Kanadische Ingenieure haben einen speziell auf die europäischen,
amerikanischen und japanischen Verhältnisse zugeschnittenen zylindrischen
High-Tech Transport- und Speicherbehälter ("Super E-Container") entwickelt.
Dieser soll ein Volumen von 100 Kubikmetern haben und eine Speicherdauer
von 60 Tagen ermöglichen. Nach Abnahme und Zertifizierung durch die
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin
werden die ersten Wasserstofftanks 1998 im Huckepackverfahren auf Europas
Straßen und Schienen direkt bis zum Kunden unterwegs sein. [Bahbout,
1997]
Langfristig soll Wasserstoff das Mineralöl in Japan im Verkehrsbereich
(rund 70 Mio. m3) ersetzen. Das japanische Ship Research Institute entwickelte
ein Konzept zur solaren Erzeugung von Wasserstoff. Demnach soll auf 12.000
Pontonkonstruktionen im Südpazifik Strom über Photovoltaik erzeugt
werden und daraus elektrolytisch und durch Verflüssigung jährlich
25 Mio. t LH2 gewonnen werden, das mit 270 großen Tankschiffen (je
125.000 m3) nach Japan transportiert werden soll.
Zur Realisierung dieses Vorhabens ist ein weiteres Projekt ins Leben
gerufen worden, das "Project World Energy Network Using Hydrogen" (WE-NET).
Dieses Projekt befaßt sich mit der Bereitstellung von erneuerbarer
Energie in Form von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff, der als LH2 mit
Tankschiffen nach Japan geliefert wird. Als Energiequellen und deren Nutzungen
werden Wasserkraft, Wind und Sonnenstrahlung betrachtet sowie Methanol,
Ammoniak oder Zyklohexane. Es läuft von 1993 bis 2020 mit einem Budget
von 5 Mrd. DM.
Zentraler Punkt und wesentliches Projekt beim "Euro-Québec Hydro-Hydrogen
Pilot Project" (EQHHPP) ist das James Bay-Projekt im Osten Kanadas bei
Québec, wo Wasserkraft mit Hilfe von Staudämmen Energie erzeugen
soll und bereits erzeugt.
Der Hochwasserüberlauf des Speichersees "La Grande 2" in der kanadischen
Provinz Québec hat eine Länge von 1500 m und eine Breite von
rund 120 m. Der Fluß La Grande mündet in den James Bay. Das
Bauwerk gehört zum Megaprojekt "James Bay", das weltweit zu den bedeutendsten
hydroelektrischen Entwicklungsvorhaben zählt und seit 1971 von der
Firma Hydro-Québec betrieben wird. Die Wasserkraftwerke sind das
ganze Jahr über in Betrieb, und gegenwärtig liegt die Erzeugungskapazität
bei etwa 30.000 Megawatt. Québec deckt damit 98% seines Strombedarfs
und versorgt zugleich die Industrieregionen im Nordosten der USA.
Ende der 90er Jahre sollte das Programm eigentlich auf vollen Touren
laufen. Da momentan jedoch Geld fehlt, wurde das Projekt verkleinert. Auf
Wunsch des Europaparlaments liegt seit Ende 1991 der Schwerpunkt auf der
Erprobung von Anwendungs- und Transporttechniken für Wasserstoff,
weiterhin gefördert von EU und der Regierung Québecs bis 1998.
Das hört sich beim ersten Eindruck sehr gut an, ist doch die Energieerzeugung
mit Wasserkraft eine alternative Form die Reserven an Primärenergieträgern
zu verschonen. Anhand dieses Beispiels soll jedoch einmal aufgezeigt werden,
daß die Ökobilanz nicht so positiv ist, wie es eventuell erscheint.
Eine andere Betrachtungsweise kommt zu ganz anderen Ergebnissen.
Es handelt sich bei dem EQHHPP um ein Projekt, bei dem eine riesige
Fläche überflutet wird und wurde, was einen immensen Eingriff
in die dortige Ökologie bedeutet, wovon Pflanzen und Tiere, aber auch
die dort ansässigen Indianer betroffen sind. Betrachtet man dieses
gesamte Projekt als riesiges Kraftwerk, kann man eine Bilanz aufstellen,
wie hoch die Emissionen eines Stausees sind.
Wo Landschaft überflutet wird, wird auch Vegetation überflutet.
Und diese ertränkten Pflanzen zersetzen sich bei den unter Wasser
begrenzten Sauerstoffverhältnissen nur zum Teil vollständig zu
Kohlendioxid. Der Rest vergärt zum Endprodukt Methan - als Hauptbestandteil
des Sumpfgases. Die klimaerwärmende Eigenschaft des Methans ist sehr
viel größer als dies des Kohlendioxids (70fach, bezogen auf
Gewichtsverhältnisse; 25fach, bezogen auf Molekülmenge).
Nach Berechnungen einer kanadischen Arbeitsgruppe bedeutet eine 50jährige
Nutzung des Sees: Pro Quadratmeter sind in der Vegetation etwa 4,8 kg Kohlenstoff
gebunden. Betrachtet man die Zersetzungsrate und errechnet ein CO2-Äquivalent
für das Methan, so kommt man schließlich auf einen Schätzwert
von 430 - 690 g CO2-Äquivalent pro Quadratmeter und Jahr. Bezieht
man diesen Wert noch auf die Leistung des Kraftwerks, ergibt sich eine
Emissionsrate von Kohlendioxid und Methan, so daß als Fazit gilt:
Dieser See gibt genau so viele Treibhausgase in unsere Atmosphäre
wie ein Kohlekraftwerk. [Fenner, 1997]
Flughafen München
Am Flughafen München gibt es ein Projekt zum Thema Wasserstofftechnik,
das vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und
Technologie unterstützt und unter der Zusammenarbeit von 13 Firmen
(Auflistung s. unten) umgesetzt wird. Der gesamte Projektumfang beläuft
sich auf ca. 34 Mio. DM. Es handelt sich dabei um die weltweit erste öffentliche
Wasserstofftankstelle am Flughafen München und einen wasserstoffbetriebenen
Bus.
Die Vorstellung dieses Vorhabens fand 1996 auf der Hannover-Messe statt.
Zwischen Mai 1996 und Februar 1997 war der Bus in Erlangen planmäßig
im Liniendienst eingesetzt. Er fuhr 13.500 km und beförderte 60.000
Fahrgäste. Dabei mußte die erst angenommene Reichweite von 250
km auf 140 km korrigiert werden. Seit April 1997 wird der Bus in München
im Linienverkehr eingesetzt.
Am 23.9.97 war der Spatenstich für die Wasserstoffanlage. Ab Oktober
1998 ist der Beginn des Testbetriebes der Tankstelle sowie der Einsatz
des Busses im normaler Fahrzeugbetrieb vorgesehen. Ab Januar 1999 soll
die Gesamtanlage einschließlich der Wasserstoffproduktion ihren Betrieb
aufnehmen. Die gesamte Laufzeit ist bis Ende 2000 geplant.
Die Betreiber sprechen von einem Musterbeispiel der Kreislaufwirtschaft,
in der zudem unbegrenzte Ressourcen zur Verfügung stehen. Die Motorentechnik
und die teilweise vorhandene Infrastruktur für Erdgas erlaubt einen
fließenden Übergang vom Erdöl zum Wasserstoff.
Sie sprechen davon, daß ein neuer, ganzheitlicher "Energiekonsens"
notwendig sei - und zwar in weit umfassenderem Sinne als in der aktuellen
politischen Diskussion. Voraussetzung sei die Bereitschaft der Politik
und Gesellschaft zur fairen Zusammenarbeit in Entwicklung, Realisierung
und Nutzung über Ländergrenzen hinweg.
Betreiber:
1. Aral: Erstellung Tankstelle, Tankroboter
2. BMW: Entwicklung, Aufbau, Betrieb eines Pkws
3. FMG: Gelände, Betrieb des Busses, Pkws
4. GHW: Lieferung des Elektrolyseurs (95 Nm3/h Wasserstoff)
5. Grimm: Lieferung der Sensorik
6. HDW: Lieferung der Reinigungsanlagen und der Hybridspeicher
7. IAW: Stromversorger
8. Linde: Flüssigwasserstoff-Tankanlage und Pumpstation, Flüssigwasserstoff,
LH2-Engineering
9. Mannesmann: Lieferung GH2-Komponenten
10. MAN N: Gelenkbusse
11. MAN T: Gasspeichersystem für Busse
12. Neoplan: Gelenkbusse
13. Siemens: übergeordnete Leittechnik, Prozeßleitsystem
SIMATIC PCS 7
Ford
Ford arbeitet an der Entwicklung einer leichten, fortschrittlichen
Familienlimousine P2000, die als Plattform für neue Limousinen mit
Brennstoffzellenantrieb dienen soll. Der Prototyp der P2000 soll im Jahr
2000 fertig sein und mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden. Das
Antriebskonzept ist ein Hybridmotor (DIATA/Elektro-Hybrid/Brennstoffzelle)
Ford-Chef Alex Trotman erklärte, Ford arbeite schon seit Jahren
an Techniken zur Unterstützung der Brennstoffzelle und betrachte "die
Brennstoffzelle als eine der wichtigsten Technologien des frühen 21.
Jahrhunderts".
Richard Parry-Jones, Vizepräsident der Produktentwicklung von
Ford/USA:
"Wir betrachten Brennstoffzellen als die Schlüsseltechnologie,
die die Automobilindustrie im frühen 21sten Jahrhundert revolutionieren
kann. Die Verbrennungsmaschine war der Standard des mobilen Transports
für die letzten 100 Jahre. Es wird jedoch zunehmend schwieriger, diesen
weiter zu verbessern. Wir sind optimistisch über die Zukunft von Brennstoffzellenautos,
sich den schwierigen Umweltherausforderungen zu stellen. Unter gemeinsamer
Anstrengung mit Ballard und Daimler-Benz ist es unser Ziel, den Markteintritt
zu beschleunigen."
Fuel Cells 2000
Warner Harris entwickelte einen T-1000 Vororttruck, einen Halbtonner-Pick-up
mit Hybridmotor. Eine PEM-Brennstoffzelle mit einer Leistung von 6,5 kW
von DeNora/Italien wird mit reinem Wasserstoff betrieben und versorgt die
Batterie. Die Höchstgeschwindigkeit dieses Fahrzeugs beläuft
sich auf ca. 100 km/h.
Harris will 1000 PEM für je 10.000,- DM von Ballard abnehmen und
hofft damit den Pick-up für 40.000 - 50.000,- DM anbieten zu können.
General Motors
General Motors hat ein Brennstoffzellenprogramm, das ebenso groß
ist wie ihre Forschung bei Hybrid- und Elektroautos. Der Opel-Partner betreibt
seit Anfang der siebziger Jahre Forschungsprojekte mit Brennstoffzellen.
Am 4. Januar 1998 hat General Motors (GM) auf der Detroiter Autoschau
eine Fahrzeugfamilie mit alternativen Antrieben auf der Basis des Elektrofahrzeugs
EV1 vorgestellt. Dazu gehörte ein Brennstoffzellen-Antriebssystem
für ein Brennstoffzellenauto. Für 1999 hofft GM die Testphase
für Fahrzeug beenden zu können, um es 2004 produktionsreif präsentieren
zu können.
Der vorgestellte Brennstoffzellen-Hybridantrieb wird mit Methanol,
das an Bord des Fahrzeugs in Wasserstoff reformiert wird, angetrieben.
Der Drehstrommotor verfügt über eine Leistung von 101 kW/137
PS und ist mit einem GM ATV Gen II-Modul (Antriebselektronik) ausgestattet.
Die 44 in Reihe geschalteten NiMH-Batteriemodule dienen als Leistungsreserve
und als Speicher für die elektrische Energie aus der Bremsanlage.
Der EV1 verfügt über eine Reichweite von 450 km bei einem
Verbrauch von 3 l auf 100 km Benzinäquivalent. Die Karosserie besteht
aus einer Leichtbaustruktur mit einer ausgefeilten Aerodynamik und einer
energierückgewinnenden Bremsanlage. Damit ist eine Höchstgeschwindigkeit
von 130 km/h möglich.
"Es ist unser Plan, alternative Technologien fertig zu haben und dann
erst die Wirtschaftlichkeit zu untersuchen" erklärt GM Vice Chairman
Harry Pearce die Firmenstrategie auf einer Pressekonferenz am 4. Januar
laut einer Reuters-Meldung. Er fährt fort, daß es GM "todernst"
sei mit dem Verkauf von alternativen Antriebssystemen. Allerdings fügt
er hinzu, daß die Kosten reduziert werden müßten, so daß
Käufer sich solche Fahrzeuge leisten können ohne auf Fahreigenschaften
verzichten zu müssen.
Ken Baker, Vice President Globale Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten,
merkt an, daß GM Partnerschaften mit der Mineralölindustrie
anstrebt, um diese Familien fortschrittlicher Fahrzeuge einsatzfähig
zu machen. "Amoco hat sich schon bereiterklärt, mit uns zusammenzuarbeiten"
sagte er in einer Presseerklärung vom 4. Januar 98.
Opel:
Ein Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten liegt bei
Opel in Deutschland, wo jetzt das "Global Alternative Propulsion Center"
(GAPC) eingerichtet wurde. Es ist dem Internationalen Technischen Entwicklungszentrum
(ITEZ) in Rüsselsheim angegliedert.
Der Opel Sintra ist mit einem Drehstrommotor mit einer Leistung von
50 kW/68 PS ausgestattet. Sein Leergewicht liegt bei 1800 kg, die er bis
auf 150 km/h Spitzengeschwindigkeit beschleunigen kann. Der Methanoltank
(40 l) und der Wassertank (20 l) reichen aus für eine Reichweite,
die auf dem gleichen Niveau liegt wie bei konventionell angetriebenen Fahrzeugen.
Die Antriebselektronik (GM ATV Gen II-Modul) ist mit integrierter Hilfskraftlenkungs-
und Bordnetzversorgung ausgestattet. Der Kompressor verdichtet die Prozeßluft
auf den Systemdruck von 3 bar.
In diesem Van sind vier Sitzplätze vorgesehen. Den Bereich der
dritten Sitzreihe nehmen Methanol- und Wassertanks sowie weitere Systembauteile
zur Kraftstoffaufbereitung ein. Der Mittelplatz der zweiten Sitzreihe wird
zur Zeit noch durch den eigentlichen Brennstoffzellenblock ausgefüllt.
MAN
MAN Nutzfahrzeuge AG hat einen wasserstoffbetriebenen Bus im Zuge des
Euro-Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Projekt (EQHHPP) gefördert von der
Europäischen Union entwickelt.
Detaillierte Informationen über den von MAN konstruierten Busmotor,
der im Zuge des Projektes Flughafen München konstruiert wurde, sind
bereits im Kapitel 6.3.3 dargelegt worden. Hier soll auf den von Siemens,
Linde und MAN entwickelten Wasserstoffbus eingegangen werden, der auf Basis
des MAN Niederflurbusses NL 223 mit Brennstoffzellenantrieb entwickelt
wurde (s. Tab. 4).
Der Prototyp soll 1999 fertiggestellt werden und zu Beginn des Jahres
2000 den Probebetrieb bei einem bayrischen Busbetreiber (Stadtwerke Erlangen)
aufnehmen.
Die Entwicklung von Wasserstofftechnik fand bei MAN bereits in den Jahren
1992 bis 1995 statt. Bezüglich des wasserstoffbetriebenen Busses ist
das Ziel, nicht nur die Praktikabilität und die öffentliche Akzeptanz
zu testen, sondern auch eine Abschätzung der Möglichkeiten vorzunehmen,
mit diesem Fahrzeug die Luftverschmutzung im Alltagsgebrauch zu reduzieren.
Dieser Niederflurbus (Modell NL) wurde für das Projekt Flughafen
München nicht gewählt, da die Speichereinheit auf das Dach muß,
dieser Bus jedoch nicht für so eine schwere Dachlast ausgelegt war.
Erst der zwei Jahre später fertiggestellte CNG-Bus (MAN SL 202 LH2)
erfüllte diese Ansprüche.
Neunburg vorm Wald/Oberpfalz
In der Oberpfalz gibt es jetzt seit Jahren eine umfassende Projektanlage,
die gleichzeitig mehrere alternative Verfahren testet. Es wird mit einem
Gesamtbudget von 145 Mio. DM gefördert vom Bund (mit 35% vom Bundesministerium
für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technik und mit 15% vom Bayerischen
Staatsministerium für Wissenschaft, Verkehr und Technologie). Es kommen
in erster Linie Prototypen und Neuentwicklungen zum Einsatz. Die Vielzahl
der Teilsystem in ihrem Zusammenwirken macht diese Anlage weltweit einzigartig.
Eigens dafür wurde eine spezielle Gesellschaft gegründet:
die "Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH" (SWB), an der die Bayernwerk (70%),
BMW (10%), Linde (10%) und Siemens (10%) beteiligt sind.
Ziel dieses Projektes ist die Sammlung praktischer Erfahrungen über
die im Labor erlangten Erkenntnisse hinaus, um neue Anstöße
zur Weiterentwicklung zu erhalten. Übergeordnete Zielsetzung des Solar-Wasserstoff-Projekts
ist die Erprobung wichtiger Techniken eines solaren Wasserstoffkreislaufs
im industriellen Demonstrationsmaßstab. Unterschiedliche Technologien
sollen verglichen und im Zusammenwirken mit anderen Anlagenteilsystemen
getestet werden. Für die SWB und deren Gesellschafter stand die Gewinnung
von Know-how für Planung, Errichtung und Betrieb entsprechender Anlagen
im Vordergrund. Ein weiteres Ziel ist eine qualifizierte und realistische
Öffentlichkeitsarbeit mit Informationen aus erster Hand.
Das Projekt:
· Projektüberlegungen seit 1985
· Gründung der Solar-Wasserstoff
Bayern GmbH (SWB) 1986
· Projektlaufzeit: 1987-1999
· seit 1992 in Phase 2: neue Komponenten
ergänzen konsequent die bestehende Anlage mit neu- bzw. weiterentwickelten
Anlagenteilsystemen.
Die Systeme der Phase 1 werden für Langzeiterfahrungen weiterbetrieben.
Ein Testgebiet ist die Gaserzeugung. Ein alkalischer Niederdruckelektrolyseur
(Nennleistung 111 kWel) arbeitet mit Kalilauge als Elektrolyt und Polysulfondiaphragma.
Er erzeugt maximal 24 Nm3/h Wasserstoff mit einer Reinheit von etwa 99,8
Vol%. Für die Speicherung ist die Verdichtung und Aufbereitung der
Gase notwendig. Separate Kompressoren verdichten Wasserstoff und Sauerstoff
des drucklos arbeitenden alkalischen Elektrolyseurs auf einen Speicherdruck
von bis zu 30 bar.
Im Druckelektrolyseur (Nennleistung 100 kWel) bilden die Elektroden
und das oxidkeramisches Diaphragma eine Einheit. Der Zellblock arbeitet
in einem Druckbehälter bei 32 bar. Dadurch ist eine Kompression für
die Speicherung nicht mehr nötig. Er erzeugt maximal 25 Nm3/h Wasserstoff
mit einer Reinheit von etwa 99,5 Vol%.
Der Wasserstoff wird in zwei Wasserstoffbehältern von je 5000
Nm3 bei einem Arbeitsdruck von 30 bar gespeichert. Der Gesamtinhalt der
beiden Tanks entspricht dem von rund 1500 l Heizöl. Der Sauerstoffbehälter
faßt 500 Nm3. Für die Wartung (z.B. Spülen von gasführenden
Anlagenteilen) steht noch ein Tank mit flüssigem Stickstoff zur Verfügung.
Die phosphorsaure Brennstoffzellenanlage (max. Leistung: 79 kWel/42
kWth) ist die einzige ihrer Art, die in Europa in Betrieb ist. Neben der
Stromerzeugung ermöglicht sie eine Wärmeauskopplung bei 165°C.
Sie kann mit Wasserstoff und Erdgas betrieben werden. Der Brennwert-Gasheizkessel
(Leistung 20 kWth) ist ein modifizierter Standardkessel. Der neuentwickelte
Brenner im katalytischen Heizgerät (Leistung 10 kWth) besitzt eine
externe Vormischung von Brenngas und Luft. Er besteht aus einem Aluminium/Siliziumoxid-Hohlzylinder.
Eine katalytisch beheizte Absorptionskälteanlage (Kälteleistung
17 kWth) speist in den Kühlwasserkreislauf der Anlage ein. Die Verbrennung
bei niedrigem Temperaturniveau (ca. 800°C) ist die Ursache des sehr
geringen Stickoxidgehalts im Abgas.
Weitere Nebensysteme sind z.B. die Lüftung, Leittechnik und eine
Analysestation.
In diesem Projekt gibt es noch Teilprojekte wie den von einer Brennstoffzelle
angetriebenen Gabelstapler. Eine PEM-Brennstoffzellenanlage (Leistung 10
kWel) treibt einen Serien-Elektrogabelstapler an. Die Wasserstoffspeicherung
erfolgt in einem Hybridspeicher, der für ca. acht Stunden Betrieb
(20 Nm3 Wasserstoff) ausgelegt ist. Der Oxidant ist Luft.
Außerdem gibt es das Teilprojekt des wasserstoffbetriebenen BMWs.
Die Betankung dieses Fahrzeuges (BMW 735i) mit flüssigem Wasserstoff
(LH2, -250°C bei Umgebungsdruck) aus dem 3000 l Standardtank erfolgt
in ca. 4 Minuten. Eine Tankfüllung von 140 l LH2 (entspricht 40 l
Benzin) ermöglicht eine Reichweite von ca. 400 km.
Die "Robottankstelle" ist ausgerüstet mit moderner Sensoren-,
Scanner-, und Computertechnik. Dies ist notwendig, da laut BMW Roboter
unerläßlich sind zum Tanken von Wasserstoff.
Ergebnisse:
· Weitere umfangreiche Entwicklungsarbeiten
bei den Systemen und der Infrastruktur sind noch erforderlich.
· Die Komplexität einzelner
Teilsysteme erfordert eine individuelle Planung derartiger Anlagen.
· Aus Sicherheits- und Kostengründen
sind Erzeugungs- und Speicheranlagen bevorzugt zentralisiert zu errichten.
· Die Teilsysteme sollten aus Betriebs-
und Sicherheitsgründen im Freien betrieben werden.
· Der Betrieb erfordert umfangreiche
Sicherheitstechnik und geschultes Personal.
· Die Öffentlichkeit hat ein
großes Interesse an Informationen über den Energieträger
Wasserstoff (jährlich 15000 Besucher).
· Eine wettbewerbsfähige Serienreife
des BMW ist noch nicht gegeben.
Mit den Versuchsergebnissen wurde die LH2-Tankstelle gegenüber
der Ausgangssituation im April 1991 so weit optimiert, daß die Zeit
für einen kompletten Betankungsvorgang von anfangs über 60 min
auf zunächst noch ca. 15 min verkürzt und die während dieses
Vorgangs entstehenden Verdampfungsverluste von 30% auf weniger als 10%
der übertragenen LH2-Menge gesenkt werden könnten. Eine weitere
Verbesserung auf unter 9 min wurde erstmals im Oktober 1994 - seit September
1995 ca. 5 min - mittels neu entwickelter kaltziebbarer Kupplungssysteme
erreicht. Folgebetankungen sind innerhalb von 3 min möglich.
Erkenntnisse der Betreiber:
Eine auf Wasserstoff als Energieträger basierende Energiewirtschaft
kann nur nach einem erheblichen Ausbau regenerativer Stromerzeugung beginnen.
Kosten:
Studien geben die Kosten für Photovoltaikstrom derzeit mit etwa
2,- DM/kWh an. Der damit gewonnene Wasserstoff würde im günstigsten
Fall rund 3,- DM/kWh kosten. Realistisch erscheint eine Halbierung der
Photovoltaikkosten in 10-20 Jahren. Dann wäre ein Wasserstoffpreisniveau
erreicht, das einem Heizölpreis von 15,- DM/l entspricht.
Renault
Im Gegensatz zu den bisher präsentierten Brennstoffzellenfahrzeugen
anderer Hersteller wird beim FEVER kein Methanol für den Antrieb verwandt,
sondern nur Wasserstoff. Bei einer Reichweite des Tankinhalts von 500 km
und einer Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h kann der FEVER für
zwei Personen zudem einen mit herkömmlich angetriebenen Autos vergleichbaren
Reisekomfort bieten.
Die elektrische Leistung der Brennstoffzelle beträgt 30 kW bei
90 Volt Gleichstrom, die Leistungsdichte liegt bei 130 W/l. Ein Stromrichter
wandelt diese 90 Volt um zu einem Strom mit einer Spannung von 250 Volt.
Dieser Strom versorgt einen synchronen Elektromotor mit Schleifringanker,
dessen Wirkungsgrad 92% beträgt. Die erreichbare Höchstgeschwindigkeit
beträgt 120 km/h.
Das System verfügt über eine kurze Reaktionszeit. Bei entsprechender
Betätigung des Gaspedals beschleunigt der Renault Fever ohne jegliche
Verzögerung. Auch beim Start gibt es keine langen Wartezeiten. Bereits
nach fünf bis zehn Minuten Vorwärmzeit hat die Brennstoffzelle
ihre normale Arbeitstemperatur erreicht.
Eine wiederaufladbare Batterie nimmt die Bremsenergie sowie andere
überschüssige Energie auf. Sie dient dem Anlassen und hält
Energie für zusätzlichen Bedarf bei starken Beschleunigungen
zur Verfügung. Ein elektronisches Steuersystem, Supervisor genannt,
lenkt die Stromerzeugung und ist unter anderem für die Speicherung
der Bremsenergie in den Batterien verantwortlich. Die Elektronik kontrolliert
und gewährleistet den reibungslosen Ablauf sowie die Sicherheit des
Benutzers. Der Wartungsbedarf bei diesem Fahrzeug ist fast gleich null,
da die Anzahl der Teile, die in Bewegung sind, stark reduziert ist. Abgase
entstehen keine. Aus dem Auspuff kommt lediglich Wasserdampf und es bildet
sich geringe Abwärme.
Der Wasserstoff wird in flüssiger Form mit geführt und erst
unterwegs in Gas umgewandelt. Das hat gewisse Vorteile gegenüber der
komplizierteren Lagerung des Wasserstoffs in Gasform: Gasförmiger
Wasserstoff erfordert einen Druck von 700 bar, brächte daher mehr
Gewicht und benötigte mehr Platz. Bei Lagerung von flüssigem
Wasserstoff kann daher eine größere "Sprit"-Reserve mit geführt
werden. Gespeichert wird er in einem Tiefsttemperaturtank bei 253°C,
der durch seine Konstruktion den Inhalt vor Temperaturschwankungen schützt.
Da Wasserstoff in flüssiger Form nur 70 Gramm pro Liter wiegt, beträgt
das Gewicht des Tankinhalts mit seinen 120 Litern nur acht Kilogramm. Die
Reichweite ist vergleichbar mit der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.
Bisher kostet flüssiger Wasserstoff ungefähr 1,- DM pro Liter.
Ein Mittelklassewagen würde ungefähr 24 Liter auf 100 km verbrauchen,
was für diese Strecke Spritkosten von 24,- DM bedeutet und damit die
Ausgaben bei herkömmlichen Wagen im Augenblick noch übersteigt.
Doch ist bei einer weltweit steigenden Nachfrage nach Wasserstoff mit einer
deutlichen Senkung des Preises zu rechnen, so daß er zu einem starken
Konkurrenten der fossilen Brennstoffe werden kann.
Die Wasserstofflagerung ist weiterhin Gegenstand der Forschung. Das
Ziel bei Renault ist die Gewichts- und Platzminderung. Der Einsatz etwa
von porösen oder geschichteten Strukturen wie mikroskopischen Kohlenstoffasern
könnte dazu führen, daß ein Behälter von 10 kg für
die Aufbewahrung von acht Kilogramm Wasserstoff ausreicht. Nun gilt es
noch herauszufinden, ob diese Laborergebnisse auch in einer Serienproduktion
realisierbar sind. Eine andere Möglichkeit des Transports an Bord
besteht darin, Wasserstoff erst unterwegs aus Flüssigkeiten herzustellen,
die sehr viel Wasserstoff enthalten - wie etwa Alkohole oder Äther
- und einfacher zu lagern sind als Wasserstoff. Technisch ist diese Rückgewinnung
durchaus möglich. Eine kleine Gasanlage zerlegt die Moleküle
und gewinnt somit den gewünschten Wasserstoff.
Renault hat sich das Ziel gesetzt, die Brennstoffzellen-Technik weiterzuentwickeln,
um den Serieneinsatz zu ermöglichen: Raumbedarf, Gewicht und Kosten
werden in Zukunft noch weiter reduziert, um Einsatz und Gebrauch der Brennstoffzelle
zu verallgemeinern und zu vereinfachen. Die Verwendung teurer Materialien
wie etwa Platin im Katalysator der Elektroden soll verringert werden. Gleichzeitig
wird auch an der Verbesserung der Fahrzeugleistung gearbeitet. Innerhalb
der nächsten 20 Jahre wird daher eine Anwendung auch bei Fahrzeugen
des täglichen Bedarfs möglich sein.
Die Forschungsarbeiten begannen schon 1994 mit der Ausarbeitung dieses
Projektes. Im Rahmen des europäischen Programms "Joule" widmen sie
sich seitdem einem Konzept, das den rationellen Energieeinsatz fördert
- wie etwa eine Brennstoffzelle. Die Europäische Kommission fördert
dieses zukunftsträchtige Projekt. Ziel war das Know-how, das für
Integration und Betrieb einer solchen Zelle an Bord eines Fahrzeugs notwendig
ist.
Renault übernahm als Leiter die Koordination der einzelnen Arbeiten
und trägt die Verantwortung für das gesamte Projekt. Außerdem
führte Renault die Zusammenstellung der einzelnen Elemente und den
Umbau des Renault Laguna, der als Basis für den Fever dient, durch.
· De Nora (Italien) entwickelte die
Brennstoffzelle.
· Die Ecole des Mines de Paris (Frankreich)
hat die Betriebsparameter der Brennstoffzelle definiert, um deren optimalen
Wirkungsgrad zu gewährleisten.
· Ansaldo (Italien) montierte die
Brennstoffzelle, die Hilfssysteme und den Wasserstofftank.
· Air Liquide (Frankreich) realisierte
den Wasserstofftank und den Tankwagen auf der Basis eines Master Renault.
· Volvo (Schweden) hat die Fahrzeugsimulationen,
die Batterietests und die Sicherheitsstudien durchgeführt.
Toyota
Toyota forscht bereits seit 1971 auf dem Gebiet alternativer Antriebskonzepte.
1996 veröffentlichte der drittgrößte Automobilkonzern
der Welt auf der Tokioter Auto Show seinen Prototypen FCEV auf Basis des
RAV4 mit einer Leistungsdichte von 167 W/l.
Auf Basis des fünftürigen RAV4 hat Toyota ein Brennstoffzellenfahrzeug
vorgestellt, das sich vor allem durch einen neuartigen Treibstoffspeicher
auszeichnen soll. Anstelle eines Drucktanks besitzt der RAV4 einen Behälter
mit einer speziellen Aluminiumlegierung, die große Mengen an Wasserstoff
binden kann. Der Wirkungsgrad liegt bei rund 60%. Durch diese Lösung
sollen Platz und Gewicht eingespart werden. So bleiben die fünf Sitzplätze
und der Kofferraum des Funcruisers erhalten. Anfangs gab es unzureichende
Ergebnisse mit Speichermedien auf Basis von Titan- und Magnesiumlegierungen.
Erst die BCC-Aluminiumlegierung (Body-Centured Cubic) brachte nach Meinung
der Toyota-Forscher die Wende.
Anstelle von einem Atom, wie in herkömmlichen Nickel-Metallhydrid-Batterien,
kann diese Legierung zwei Atome aufnehmen, also doppelt soviel. Der Tank
wiegt 100 kg und befindet sich unter den Vordersitzen. Er kann zwei Kilogramm
Wasserstoff aufnehmen. Direkt davor befindet sich in den Fahrzeugboden
eingelassen die Brennstoffzelle (120 kg). Diese produziert bis zu 20 kW
Strom, der zu den Metallhydrid-Batterien im Heck geschickt wird. Sie speisen
den vorn installierten Elektromotor, der die Vorderachse antreibt. So soll
eine Reichweite von bis zu 250 km möglich sein.
Die zweite Variante von Toyota ist der Methanolantrieb mit Reformer,
veröffentlicht im September 1997 auf der Frankfurter Automesse mit
einer Leistungsdichte von 193 W/l und einer Leistung von 25kW, die Reichweite
beträgt 500 km.
Der Sauerstoff wird der Brennstoffzelle (108 x 50 x 24 cm) über
verdichtete, angefeuchtete Luft, der Wasserstoff wird aus dem Methanolreformer
zugeführt. Der Reformer ist 30 cm im Durchmesser und 60 cm lang. Eine
Nickel-Metallhydrid-Batterie (Ni-MH) mit normalen Spannung von 288 V bildet
eine Reserve, um bei Bedarf mehr Leistung zu haben.
Zitat von Toyota-Ingenieur Bill Reinert:
"Daimler-Benz ist eine der eher konservativen Firmen in der Automobilindustrie.
Außerdem ist die Fahrzeugindustrie eine der eher konservativen Industriezweige
auf der Welt. Wenn nun jemand wie Daimler Millionen von Dollars in diese
Technologie investiert und daher kommt und Äußerungen dieser
Art macht, muß man sagen, daß dies sehr ernst zu nehmen ist."
"Die Automobilindustrie und Konzerne für stationäre Kraftwerke
hängen eng miteinander zusammen. Beide sind so groß, daß,
wenn die eine Sparte die Brennstoffzelle für sich entdeckt hat, wird
sie die andere mit in den Markt hineinziehen."
Toyota-Präsident Hiroshi Okuda:
"Our engineers habe a strong feeling that we will be the first to market."
[Geyer, 1998]
Tupolev
Im Rahmen des Cryoplane-Programmes von DASA Airbus, Dornier, Tupolev
und vielen weiteren Partnern arbeiten seit 1990 deutsche und russische
Firmen am Einsatz kryogener Treibstoffe (Flüssigwasserstoff) in der
Luftfahrt. Schwerpunkt sind die Arbeiten am Wasserstoff-Demonstrator-Programm
auf Basis des Regionalflugzeuges DO 328 mit 34 Sitzen. In der FH Aachen
wurde ein Hilfstriebwerk des Typs AlliedSignal GTCP 36-300 auf Wasserstoff
umgestellt und im gesamten Leistungsbereich erprobt.
Die grundsätzliche Realisierbarkeit wurde bereits am 15. April
1988 nachgewiesen, als ANTK Tupolev das Laborflugzeug Tu 155 erprobte,
dessen drittes Triebwerk alternativ mit Flüssigwasserstoff bzw. Flüssigerdgas
betrieben wurde. Als erstes mit flüssigem Wasserstoff betriebenes
Flugzeug der Welt startete dieses Exemplar zu einem 21 Minuten dauernden
Probeflug in der Umgebung von Moskau.
Bis zum Jahr 2000 soll das Flugzeug auf LH2-Speicherung und Versorgung
(Kosten ca. 60 Mio. DM) sowie ein Triebwerk auf LH2-Betrieb (Kosten ca.
40 Mio. DM) umgerüstet werden. Da die künftige DO 328 Version
anstatt mit Turboprop- mit Strahltriebwerken von Pratt & Whitney Canada
oder von Allied Signal Aerospace ausgestattet werden wird, ist auch die
Modifizierung dieses Triebwerkstyps auf LH2-Betrieb vorgesehen. Messer
Griesheim soll das kryogene LH2-Betankungssystem entwickeln und liefern.
Verschiedene Integrationsmöglichkeiten der Flüssigwasserstofftanks
- als Gondeln unter den Flügeln oder als integrierter Tanks über
der Passagierkabine - wurden untersucht.
Es ist geplant, diesen Demonstrator im Jahr 2000 anläßlich
der EXPO 2000 in Deutschland im Demonstrationsbetrieb, vermutlich zwischen
Hannover und München, zu erproben. Nach erfolgreichem Demonstrationsbetrieb,
in dessen Verlauf die Funktionsfähigkeit des Triebwerks, die LH2-Speicherung
an Bord und die LH2-Handhabung und Betankung am Boden erprobt werden sollen,
will man eine Serienversion entwickeln und vermarkten. Erste Gespräche
mit europäischen und nordamerikanischen Airlines haben bereits stattgefunden.
Der Energieinhalt von Wasserstoff bezogen auf das Gewicht ist 2,8-mal
höher als bei Kerosin, so daß die Nutzlast des Flugzeuges vergrößert
werden kann. Das Volumen für gleiche Energie ist aber 4-mal größer,
so daß sich Änderungen in der Konfiguration des Flugzeuges ergeben.
[Klug, 1998]
Projektmanager Heinz Klug:
"Spätestens 2002 wollen wir mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug
in der Luft sein."
Danach benötigen wir nur noch drei bis vier Jahre "bei entsprechenden
Rahmenbedingungen" zur Serienreife.
WEIT
In Hamburg gibt es seit dem Projektstart von WEIT (Wasserstoff-Energie
im Island-Transfer) Mitte 1997 mehrere Betriebe, die sich gemeinsam mit
der Frage beschäftigen, in wie weit es möglich ist, Wasserstoff
durch zu setzten als neuen Energieträger.
In einem Langzeittest wollen 13 Teilnehmer klären, ob z.B. mobile
Energieverbraucher von fossilen Treibstoffen problemlos auf Wasserstoff
umgestellt werden können. Oder wie sich Wasserstoff als Treibstoff
in einem urbanen Transportkonzept bewährt. Dazu sind sechs kleine
Lkws umgerüstet worden für den Betrieb mit komprimiertem, gasförmigem
Wasserstoff. Eingesetzt werden diese im ganz alltäglichen Betrieb
im Hamburger Straßenverkehr.
Der zweite Schritt soll die Herstellung von Wasserstoff mit einbeziehen.
Geplant ist, Wasserstoff in Island aus regenerativen Energien zu erzeugen.
Mit eingeschlossen ist der Transfer von Island nach Hamburg ab ca. 1999.
Zevco
Zevco ist eine belgische Firma, die den Auftrag von der Gemeinde Westminster/London
bekommen hat, mehrere batteriebetriebenen Hybridfahrzeuge zu liefern, die
mit einer alkalischen Brennstoffzelle angetrieben werden.
Kosten pro Fahrzeug sind vorerst auf ca. 100.000,- DM veranschlagt.
Die Gemeinde beabsichtigt zwei Wasserstofftankstellen zu bauen und hat
20-50 weitere Fahrzeuge zur Hälfte des Originalpreises bestellt.
Aktuellere Informationen gibt es im Shop.
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