H2 als Kraftstoff
Eigenschaften
Herstellung
Reinigung
Speicherung
Betankung
H2-Motor
Vergleich
Ausblick
Ergebnisse
Literatur
Der Wasserstoffmotor
Motorentechnik
Betrachtet man den geschichtlichen
Verlauf der Technikentwicklung von Wasserstoff - von der Namensgebung durch
Lavoisier bis hin zu heutigen Wasserstoffflugzeugen oder Brennstoffzellenautos
- wird deutlich, dass die Idee von einer auf Wasserstoff basierenden
Energieversorgung bereits über hundert Jahre alt ist (s. Geschichte).
Bis heute gibt es diverse
Projekte, bei denen Wasserstoff in Autos (Pkw und Lkw), Bussen und Flugzeugen
eingesetzt wird. In den USA befindet sich ein Brennstoffzellenantrieb für
Lokomotiven in der Entwicklung. Auch die Nutzung in Schiffen ist vorstellbar.
Für Fahrzeugantriebe
mit Wasserstoff kommen grundsätzlich zwei Konzepte in Frage:
· der
Verbrennungsmotor und
· die
Brennstoffzelle.
Verbrennungsmotor:
Der Betrieb eines herkömmlichen
Hubkolbenmotors ist durchaus mit Wasserstoff möglich, und diese Technik
wird bereits angewandt. Grundsätzlich ist ein Wasserstoff-Motor ähnlich aufgebaut wie ein Otto-Motor, da beide über eine Fremdzündung verfügen. In einem Diesel-Motor wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch soweit verdichtet, bis es aufgrund des Druck-Anstiegs und der Erwärmung zu einer Selbst-Entzündung kommt. Wegen der hohen Zündtemperatur von Wasserstoff (560 °C, Diesel 250 °C) eignet er sich jedoch nicht für das Diesel-Prinzip. Der entscheidende Zündfunke muss von einer Zündkerze erzeugt werden.
Bei der Leistungsregelung (Gasgeben) ist es unwesentlich, ob das Dieselmotor-Prinzip (Qualitätsregelung) oder das Ottomotor-Prinzip (Quantitätsregelung) gewählt wird. Herkömmliche Techniken der Kraftstoff-Zufuhr können ebenso vom Otto-Motor übernommen werden wie die Zylinderkopf-Konstruktion.
Anhand der unten erwähnten Vor- und Nachteile
sollen im folgenden die dabei auftretenden Schwierigkeiten sowie mögliche
Abhilfen aufgezeigt werden.
Vorteile:
V-1: Umweltverträglichkeit
V-2: Extreme Abmagerungsfähigkeit
eines Wasserstoff/Luft-Gemisches bedeutet geringerer
Kraftstoffverbrauch.
Nachteile:
N-1: Unregelmässige
Verbrennungsabläufe durch:
N-1.1: Rückzündung
in der Ansaugphase
N-1.2: Glühzündung
in der Kompressionsphase
N-1.3: klopfende Verbrennung
N-1.4: Wasser-Anlagerungen
an der Zündkerze beim Kaltstart
N-2: Geringe Leistungsdichte
infolge von Liefergradverlusten
N-3: Schlechte Schmiereigenschaften
von Wasserstoff
N-4: Hoher Aufwand für
Flüssigwasserstoff-Förderpumpe und die Einspritzelemente.
V-1: Auf die gute
Öko-Bilanz, den ersten und wichtigsten Vorteil von wasserstoffbetriebenen
Verbrennungskraftmaschinen, wurde bereits in Kapitel 4 eingegangen.
Nochmals erwähnt sei,
dass die Wasserstoffverbrennung ohne die Erzeugung von CO2 geschieht,
was kein anderer Kraftstoff kann. Es fallen lediglich Stickoxidemissionen
an. Die noch zu lösende Aufgabe ist der Konflikt zwischen hoher Leistungsdichte
und Vermeidung von Stickoxidemissionen.
Um der Forderung nach günstigem
Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig niedriger Stickoxidemission nachkommen
zu können, ist es notwendig, dass im unteren Teillastbereich
der Motor mit einer konstanten Luftzahl von l
= 3,0 und zur Vollast hin mit variablem l
, entsprechend der angeforderten Leistung, betrieben wird.
V-2: Die "extreme
Abmagerungsfähigkeit" eines Gemisches bedeutet, dass ein Motor
nach dem Magerkonzept ausgelegt ist. Dies ist der Fall, wenn die Luftzahl
l
> 1,5 ist, was einem Kraftstoff-Luft-äquivalenzverhältnis von
j
< 0,66 entspricht. [Peschka, 1997]
In Worten bedeutet dies:
Ein Gemisch ist mager, wenn das Verhältnis von Kraftstoff zu Luft
relativ klein ist. Wenn relativ wenig Treibstoff pro Volumeneinheit Gemisch
notwendig ist, dann ist auch der Kraftstoffverbrauch gering.
N-1: Die bei den Nachteilen
angesprochenen Unregelmässigkeiten bei den Verbrennungsabläufen
haben folgende Ursachen:
N-1.1: Während
der Ansaugphase strömt das Kraftstoffgemisch bei geöffneten Einlassventilen
in die Brennkammer, in der sich zum Teil noch heisses Restgas befindet.
Bevor nun der Ansaugvorgang beendet ist, kann es zu einer Entzündung
des bis dahin in den Brennraum geströmten Gases kommen, was dann zu
einer Rückzündung führt, da die Einlassventile noch
geöffnet sind.
Eine Wassereinspritzung
kann diese Rückzündungsneigung des Motors verringern und ausserdem
die Stickoxidbildung reduzieren sowie eine klopfende Verbrennung vermeiden.
Im unteren Teillastbereich kann die Einspritzung entfallen, da hier dieses
Problem nicht auftritt.
N-1.2: Die Zündenergie
von Wasserstoff beträgt nur etwa 1/10 derjenigen von herkömmlichen
Kraftstoffen aus Kohlenwasserstoffen. Dies hat zur Folge, dass heisse
Stellen, heisses Restgas oder Ölkohlepartikel im Brennraum das
Wasserstoff/Luftgemische entzünden können. Für einen selbstzündfreien
Betrieb müssen deshalb heisse Stellen im Brennraum beseitigt
bzw. die Zündenergie des Gemisches angehoben werden, da der Motor
ansonsten nur in einem sehr kleinen Drehzahlbereich problemlos zu betreiben
ist.
Heisse Stellen in der
Brennkammer können zum Teil durch geeignete konstruktive Massnahmen
reduziert werden. Dafür muss eine gute Wärmeableitung gewährleistet
sein, d.h. die Kühlung über Kühlrippen bzw. Kühlwasserkanäle
muss gut durchdacht sein und es müssen entweder gut wärmeleitende
Materialien oder Materialien mit geringer Wärmekapazität gewählt
werden. Ausserdem müssen bei der Brennraumgestaltung in die Brennkammer
hineinragende Spitzen und Kanten vermieden werden, weil diese aufgrund
der schlechten Möglichkeiten zur Wärmeableitung besonders heiss
werden und quasi als zusätzliche Zündkerze fungieren würden.
In der Praxis wird so vorgegangen,
dass der Zylinderkopfbereich eine verstärkte Kühlung erhält.
Dies wird nach änderungen in den Kühlwasserführungen durch
eine bessere Umströmung von natriumgekühlten Auslassventilen
erreicht.
Die untere und obere Zündgrenze
von Wasserstoff liegen so weit auseinander, dass nahezu jedes Gemisch
zündfähig ist. Damit ist es zwar möglich, einen Wasserstoffmotor
wie einen Dieselmotor ohne Drosselklappe zu betreiben. Um aber die Zündgrenze
anzuheben, bedarf es weiterer Massnahmen. Wichtig ist, dass eine
Absenkung der Temperatur des im Zylinder verbleibenden Abgases sowie der
Kompressionsendtemperatur erreicht wird. Der bereits angesprochene Magerbetrieb,
aber auch eine Abgasrückführung können u.a. dazu beitragen,
weil bei weniger Kraftstoff pro Volumeneinheit die Verbrennungstemperatur
niedriger liegt. Eine gängige Variante ist auch die Kühlung der
angesaugten Luft bzw. des angesaugten Gemisches durch Wassereinspritzung
oder durch die Vorbeiführung am tiefkalten Wasserstoff.
N-1.3: Die Oktanzahl
des Wasserstoffs liegt deutlich unter der von Normalbenzin, weswegen es
leicht zu einem klopfendem Verhalten kommen kann. Zur Vermeidung sind Massnahmen
möglich wie z.B. das Absenken des Verdichtungsverhältnisses e
, weil mit kleinerem e
die Klopfgrenze angehoben wird. Es ist auch möglich, dies durch eine
Abkühlung des angesaugten Gemisches zu erreichen, z.B. durch die Einspritzung
von Wasser. Wegen der Klopfgefahr muss einem erhöhten Ventilsitzring-
und Ventilverschleiss durch geeignete verschleissfeste Werkstoffe
begegnet werden.
N-1.4: Probleme bezüglich
Kaltstart könnten mit einer Zündanlage, die folgende Forderungen
erfüllt, gelöst werden:
· hohe
Zündspannung bei Vollast,
· hohe
Nebenschlussunempfindlichkeit beim Kaltstart,
· keine
Induktion im Zündkabel durch benachbarte Zündkabel,
· rasches
Abklingen der Restenergie im Zündkabel.
Mit einem Hochspannungs-Kondensator-Zündsystem,
abgeschirmten Zündkabeln und einer speziellen Zündkerze kann
diese Forderungen erfüllt werden. Der Zündzeitpunkt wird hierbei
über eine vollelektronische digitale Zündanlage gesteuert.
N-2: Das schlechte
Kraft-Volumen-Verhältnis entsteht durch die geringe Dichte von Wasserstoff,
wodurch das Gas ein grosses Volumen einnimmt. Dadurch werden - bei
Zugabe des Wasserstoffs in das Saugrohr - rund ein Drittel der angesaugten
Luftmenge verdrängt, was eine Reduzierung des Luftliefergrades zur
Folge hat. Der volumetrische Prozentsatz von Wasserstoff in Luft liegt
bei 29,5%, bei Benzin liegt er bei 1,8%. Zusammen mit dem ebenfalls geringeren
Gemischheizwert (3240 kJ/m3) und der Volumenverkleinerung (Molschrumpfung)
des Verbrennungsproduktes ist dies die wesentliche Ursache für die
Leistungsminderung des Wasserstoffmotors bei äusserer Gemischbildung
im Vergleich zum Benzinmotor.
Generell lässt
sich sagen, dass der Wirkungsgrad bei wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotoren
besser ist als bei Benzinmotoren und Gasmotoren. Dies kommt zustande, da
der Verbrennungsprozess im Wasserstoffmotor aufgrund der hohen Brenngeschwindigkeit
des knallgasähnlichen Wasserstoff/Luftgemischs dem thermodynamisch
günstigen Gleichraumprozess näher kommt als der Benzinmotor.
Genauer gesagt liegen Zünd- und Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs
höher.
Dadurch ist ein Motorwirkungsgrad
von bis zu 40% möglich (Stand 1991).
N-3: An den Kolben
werden konstruktive und werkstoffseitige Massnahmen, wie z.B. verschleissfeste
Kolbenringe, erhöhte Schaftrauhigkeit, Graphitierung des Schafts usw.,
vorgenommen, mit der Zielsetzung eines besseren Ölfilmaufbaus und
damit einer Verschleissminimierung. Eine anfänglich befürchtete
Wasserstoff-Versprödung der Werkstoffe tritt nicht auf.
N-4: Allgemeine Probleme
bei der Nutzung von tiefkaltem Wasserstoff gibt es hinsichtlich der Materialien
in der Brennkammer und dem Zuleitungssystem beim Einspritzen des Kraftstoffs
(T = 20 K) sowie bei Verdichtern, die trotz der tiefen Temperaturen eine
hohe Lebensdauer aufweisen müssen.
Bei den bis hierher angestellten
Betrachtungen war keine wesentliche Unterscheidung bezüglich flüssigem
oder gasförmigem Wasserstoff notwendig, da in der Brennkammer immer
ein gasförmiges Wasserstoff/Luftgemisch vorliegt. Lediglich bei Grossmotoren
ist es nicht auszuschliessen, dass flüssiger Wasserstoff
eingespritzt werden kann.
Gemischbildung
Damit es zu einer Verbrennung
kommen kann, muss ein zündfähiges Gemisch in der Brennkammer
vorhanden sein. Dieses Gemisch sollte möglichst homogen und im gesamten
Brennraum gleichmässig verteilt sein. Um diese beiden Minimalanforderungen
zu erfüllen, gibt es zwei unterschiedliche Verfahren:
· die
"innere Gemischbildung" (Direkteinblasung)
· die
"äussere Gemischbildung" (Saugrohreinblasung)
In beiden Fällen wird
von gasförmigem Wasserstoff ausgegangen, da der Kraftstoff auf jeden
Fall unter den gegebenen Umständen wegen seiner niedrigen Siedetemperatur
nicht flüssig bleiben wird. Selbst wenn im Tank Flüssig-Wasserstoff
gespeichert wird, wird dieser erst verdampfen, bevor er zur Gemischaufbereitung
gelangt.
Das dann entstehende Wasserstoff-Luft-Gemisch
besteht aus viel Wasserstoff und wenig Luft. Dies ist ein energiereiches
Gemisch, welches zunächst zu unkontrollierbaren Zündungen neigt.
Eine kontrollierbare Verbrennung ist durch die beiden erwähnten Verfahren
möglich.
äussere Gemischbildung:
Gasförmiger Wasserstoff
wird mit geringem Überdruck in das Ansaugrohr eingeblasen, so dass
er sich noch vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum mit der gegebenenfalls
durch einen Turbolader verdichteten angesaugten Luft vermischt. Dieses
Gemisch wird nach dem Einlass in den Verbrennungsraum mit Zündkerzen
gezündet. Ein hoher Luftüberschuss (Magerbetrieb) stellt
sicher, dass keine Rückzündung erfolgt und die Verbrennungstemperatur
niedrig gehalten wird, was zu geringen Stickoxidemissionen und verminderten
thermischen Verlusten führt. Es sinkt dabei jedoch die spezifische
Motorleistung, was wiederum mit Aufladung ausgleichbar ist. Wasserstoff
hat zwei Eigenschaften, die sich hier nachteilig bemerkbar machen. Infolge
seiner hohen Flammenfrontgeschwindigkeit (Flammen breiten sich in Wasserstoff
viel rascher aus als in anderen brennbaren Gasen.) schlägt die Flamme
aus dem Verbrennungsraum leicht in das Ansaugrohr zurück. Und wegen
der sehr niedrigen Zündenergie entzündet sich der einströmende
Wasserstoff oft schon an heissen Stellen im Brennraum oder an heissen
Restgasen. Abhilfe gegen solche Früh- und Fehlzündungen schafft
die Kühlung des Ansauggemisches durch Einspritzen von Wasser (aus
einem separaten Behälter). Gegen das Klopfen, hervorgerufen durch
unregelmässigen Verbrennungsablauf, hilft die Zurücknahme
der Verdichtung, was sich wiederum in verminderter Motorleistung (etwa
25% gegenüber einem hubraumgleichen Benzinmotor) niederschlägt.
Der Ausstoss von Stickoxiden entspricht dem eines Benzinmotors mit
geregeltem Katalysator. Vorteile der äusseren Gemischbildung
liegen in der Einfachheit und im geringen erforderlichen Wasserstoffdruck.
Nachteile sind eine im Vergleich zu Benzin- bzw. Dieselmotor verringerte
volumetrische Leistungsausbeute des Motors sowie die Neigung zu unregelmässigem
Verbrennungsablauf.
Abb.
9
Quelle: Projektbegleitung
Kraftfahrzeuge und Strassenverkehr, Wasserstoffantriebe, Köln,
Verlag TÜV Rheinland, 1989, S. 27
Eine beispielhafte Gemischbildungsanlage
ist in Abbildung 9 dargestellt. Es handelt sich um ein System mit Stauscheibenluftmengenmesser.
Ein Steuerkolben, auf den die Bewegung der Stauscheibe über einen
Schwenkhebel übertragen wird, dosiert den Wasserstoffstrom über
einen Steuerschlitz. An diesem öffnung wird mittels eines Differenzdruckreglers
eine konstante Druckdifferenz vor und hinter dem Steuerschlitz erzeugt,
so dass die Schlitzfläche direkt ein Mass für die Wasserstoffmasse
darstellt (vorausgesetzt Temperatur und Druck bleiben konstant).
Für eventuell auftretende
änderungen von Wasserstoff-Versorgungsdruck und -Temperatur beinhaltet
das Differenzdruckventil Kompensationseinrichtungen. Oberhalb der Wasserstoff-Dosiereinrichtung
befindet sich die Dosiereinrichtung für die Wassereinspritzung. Sie
entspricht im wesentlichen dem Mengenteiler einer Bosch-K-Jetronic für
Benzinmotoren. Der Steuerdruck im Mengenteiler kann über einen von
der Drosselklappe angesteuerten Druckminderer so verstellt werden, dass
das Stauscheibengleichgewicht verändert wird und somit das Luft-Kraftstoffgemisch
im Kennfeld die erforderlichen Werte erreicht. Mit den in die Einspritzleitungen
eingebauten Magnetventilen kann die Wassereinspritzung im Teillastbereich
zugunsten eines besseren Kraftstoff- sowie Wasserverbrauchs abgeschaltet
werden.
Abb.
10: Einspritzdüse
für kryogene Gemische
Quelle: Peschka, W.,
Wasserstoffantrieb für Kraftfahrzeuge, (1997), Stuttgart, S. 14
Innere Gemischbildung:
Die Injektion von Wasserstoff
bei Umgebungstemperatur ist wegen des Aufwandes für die Verdichtung
kaum realisierbar, es sei denn, man nimmt die nur teilweise Ausnutzung
der Speicherkapazitäten von Hochdruckspeichern in Kauf.
Deswegen bleiben die Forschungen
konzentriert auf kalten, gasförmigen Wasserstoff. Der wird unter sehr
hohem Druck (8-12 MPa) direkt in den Brennraum eines nach dem Ottoprinzip
modifizierten und auf der Basis eines Dieselmotors arbeitenden Hubkolbenmotors
eingeblasen und dort mit dem Luftsauerstoff gemischt und fremdgezündet
(mittels Zündkerzen). Hinsichtlich Strahlbildung und Mischungsprozess
ergeben sich jedoch ganz erhebliche Unterschiede gegenüber Dieselkraftstoff.
Dies kommt durch den gasförmigen Zustand des zu injizierenden kryogenen
Mediums, dem grossen Dichteunterschied zwischen Kraftstoff und Luft,
der erheblich grösseren Flammenausbreitungsgeschwindigkeit und
völlig unterschiedlichen Verhältnissen hinsichtlich turbulenter
Mischung. Der hohe Druck zur Einspritzung ist notwendig, da es ansonsten
zu Fehlzündungen und zu einer klopfenden Verbrennung kommen kann.
Das Mischungsverhältnis Wasserstoff / Luft kann stöchiometrisch
(l = 1)
sein oder bei l
> 2 liegen. Die volumetrische Leistungsausbeute ist ähnlich hoch wie
beim Dieselmotor. Um eine exakte Füllung des Motors und eine genau
terminierte Zündung des Brennstoffgemisches sicherzustellen, sollten
die Ventile hydraulisch angesteuert und ein vollelektronisches Management
des Verbrennungsvorgangs durchgeführt werden.
Nachteil der inneren Gemischbildung
ist ein hoher technischer Aufwand.
Beispielmotoren
a) MAN:
Im Zuge des Wasserstoffprojekts
"Flughafen München", an dem sich mehrere Firmen beteiligt haben, hat
MAN einen Motor für einen Bus entwickelt, der ab Herbst 1998 seine
Arbeit aufnehmen soll.
Bei dem Motor handelt es
sich um einen modifizierten Erdgasmotor (6-Zylinder-Reihenmotor, 4-Takt-Ottomotor
mit 12 l Hubraum, freisaugend, Motorbezeichnung: H 2866 UH). Die Maschine
hat zwei Gemischaufbereitungssysteme, die völlig unabhängig voneinander
arbeiten. Jeder Zylinder hat eine Wasserstoff- und eine Benzin-Einspritzanlage.
Diese sind am Einlassstutzen angebracht (äusserer Gemischbildung)
und werden elektromagnetisch angesteuert. Der Wasserstoff wird mit dem
Druck aus dem Tanksystem eingeblasen, was ungefähr p = 3,5 bar entspricht.
Der Motor hat eine maximale
Leistung von 140 kW bei 2200 U/min (Wasserstoffbetrieb) bzw. 170 kW bei
2200 U/min (Benzinbetrieb) und ein maximales Drehmoment von MDmaxH = 750
Nm bei n = 1000 U/min, bzw. MDmaxBenzin = 840 Nm bei n = 1000 U/min. Dieser
Unterschied kommt durch den geringeren volumetrischen Wirkungsgrad, da
Wasserstoff selbst mehr Raum einnimmt. Wegen des Klopfens musste das
Verdichtungsverhältnis durch Modifizierung der Brennkammergeometrie
verringert werden auf 8 : 1.
Bei der Motorsteuerung handelt
es sich um ein Bosch-Motoronic-Steuergerät (Typ M 3.3), welches über
eine Kennfeldzündung mit ruhender Hochspannungsverteilung sowie Klopfregelung
verfügt. Bei Benzinbetrieb wird das Gemisch durch zwei Lamdasonden,
bei Wasserstoffbetrieb durch Luftmassenmessung (Heissfilm-Luftmassenmessung)
auf l =
1 geregelt.
Die Ansteuerung des Wasserstoff-Einblasventils
erfolgt durch ein zusätzliches Steuergerät, das die von der Motronic
empfangenen Informationen über Einblasbeginn und -dauer in Steuerbefehle
für die Drehschieberventile umsetzt. Die Motorleistung wird über
eine elektronisch angesteuerte und elektromotorisch angetriebene Drosselklappe
geregelt.
Diese drei Motorsteuergeräte
kommunizieren über einen CAN-Datenbus miteinander.
Der Kraftstoff wird in Form
von gasförmigem Wasserstoff in 15 aluminiumumwickelten Behältern
mit einem Gesamtvolumen von 2550 l und einem Energieinhalt von insgesamt
1650 kWh bei einem Betriebsdruck von 250 bar gespeichert. Damit ist eine
Reichweite von 150 km möglich. Das Betanken dauert ca. 10 min.
Der Betriebsdruck der Wasserstoffanlage
(3,5 bar) wird bei einer Druckabsenkung aufgrund des Verbrauchs durch in
den Tank integrierte Druckaufbauheizung aufrechterhalten.
Beim Fahrzeug handelt es
sich um einen Bus vom Typ: MAN SL 202 LH2, Baujahr 1996, Leergewicht 11,5
t. Er kann eine Höchstgeschwindigkeit von ca. 90 km/h erreichen.
[MAN, 1996]
b) Daimler-Benz
Daimler-Benz bietet eine
für Lastkraftwagen entwickelte Wasserstoffmaschine an. 1996 veröffentliche
Daimler die Versuche an einem Dieselmotor (6-Zylinder Viertakt Direkteinspritzer,
OM 447 hLA). Die Maschine ist mit einem Turbolader mit Rückkühlung
ausgestattet und arbeitet bei einem Luftverhältnis von l
> 2. Die Ingenieure geben an, dadurch einen geringeren Stickoxidausstoss
zu erzielen.
Die NOx-Werte, die im ECE-R49
13-Punkte-Test erreicht wurden, lagen bei 10% der EURO II Grenzwerte von
7,0 g/kWh, während die Werte für die maximale Leistung von 220
kW und das maximale Drehmoment von 1140 Nm denen von herkömmlichen
Dieselmotoren entsprechen.
Bei diesem Motor handelt
es sich um eine Maschine mit innerer Gemischbildung (s. Abb. 11). Prof.
Dr. Ing. W. Peschka (stellv. Institutsleiter des DLR) vertritt die Meinung,
dass unkontrollierte Frühzündungen bei einer äusseren
Gemischbildung nie völlig ausgeschlossen werden können, egal,
ob Wasserstoff bei normaler oder bei sehr geringer Temperatur verwendet
wird. Bei innerer Gemischbildung treten seiner Meinung nach diese Probleme
nicht in dem Masse auf.
In Abbildung
11 (oben) ist die Brennkammer-Gestaltung dieses Aggregats angedeutet.
Als Zündhilfe wird in diesem Fall eine Glühkerze M 14 x 1,25
mm mit 20 mm Abstand zur Einspritzdüse verwendet. Durch den Swirl
(Verwirbelung), die Drehung des Gemisches in der Brennkammer, wird das
eingespritzte Gemisch zur Glühkerze geblasen und soll ausserdem
für eine gute Verteilung des Gases im Brennraum sorgen.
Aufgrund des frühen
Einspritzbeginns kann es bei innerer Gemischbildung leicht zum Klopfen
kommen. Um dies zu verhindern, wurde eine Düse mit einem weiten, sphärischen
Einspritzbereich gewählt und das Verdichtungsverhältnis wurde
herabgesetzt auf e
= 10,4.
Eingespritzt wird mit einem
Druck von pH = 40 bar, was auch bei Vollast ausreicht.
Die Abbildung darunter zeigt
die Leistungskurve bei Vollast von der Wasserstoffmaschine im Vergleich
zu einem normalen Busmotor. Bei vergleichbarer Leistung mit dem herkömmlichen
Dieselmotor (P = 220 kW) liegt die Umdrehungszahl beim wasserstoffbetriebenen
Motor um D
n = 200 niedriger.
Der Kurvenverlauf des Drehmoments
ähnelt dem von Ottomotoren oder Wasserstoffmotoren mit externer Gemischbildung.
Das maximale Drehmoment MDmax = 1140 Nm liegt jetzt bei n = 1600 U/min.
Obwohl das Moment bei n = 1000 U/min um 300 Nm geringer ist, ist die Momentenelastizität
trotzdem hoch. Mehr als 80% des maximalen Drehmoments ist von n = 940 U/min
bis n = 2200 U/min verfügbar. Damit ist ein derartiger Motor für
z.B. einen Stadtbus geeignet. Im optimalen Betriebspunkt liegt der Verbrauch
von Wasserstoffmotoren bei gleicher Leistung im Vergleich zu Dieselmaschinen
um 9,5% höher.
Positiver Nebeneffekt ist,
dass dieser Motor mit einer relativ geringen Geräuschentwicklung
läuft. [Digeser, Jorach, 1996]
c) BMW
Umfassende Untersuchungen
an Personenkraftwagen gibt es von BMW. Der bayrische Automobilhersteller
vertritt die Ansicht, dass die vielfältigen Anforderungen an
ein Fahrzeugtriebwerk bei Wasserstoffanwendung von einer Hubkolbenmaschine
am besten erfüllt werden. Aufgrund der hohen erforderlichen Zündtemperatur
des Gemisches sei der Betrieb nur mit Fremdzündung möglich.
Im BMW-Motor wird der flüssige,
tiefkalte Kraftstoff mittels des Tankdruckes durch den Kühlwasser-Wasserstoff-Wärmetauscher
gefördert, wird dort verdampft und dem zentralen Dosierventil zugeleitet,
welches elektrisch betätigt wird. Die erforderlichen Kennfelder zur
Ansteuerung sind in die Motorelektronik integriert. Das Dosierventil bildet
eine kompakte Einheit mit der Verteileranlage für die individuelle
Einblasung, so dass die Gefahr von Wasserstoffleckagen weitgehend
ausgeschlossen werden kann.
Der Motor arbeitet in seinem
gesamten Betriebsbereich qualitätsgeregelt mit Luftüberschuss.
Die magere Gemischbildung bewirkt einen guten Wirkungsgrad sowie minimale
Stickoxidemissionen. Aufgrund der wesentlich geringeren Zündwilligkeit
des mageren Gemisches im Vergleich zum stöchiometrischen werden Frühzündungen
im Saugrohr vermieden. Daher können eine Wassereinspritzung und die
damit verbundenen Wartungsprobleme entfallen. Diese Vorteile führen
jedoch zu einer erheblichen Leistungseinbusse gegenüber einem
mit konventionellem Brennstoff betriebenen Aggregat, zumal ein Gasmotor
schon bei Betrieb mit stöchiometrischem Gemisch eine geringere spezifische
Leistung erzielt.
Mit einem mechanisch angetriebenen
Kreisellader ist es nach BMW-Aussage gelungen, diesen Nachteil teilweise
zu kompensieren, so dass die Motorleistung bei Wasserstoffbetrieb
ca. 30% unter der des Serienfahrzeugs liegt. Hiermit sollen ausreichende
Fahrleistungen möglich sein.
Das Kraftstoffleitungssystem
zwischen Ventilblock und Motor ist am Wagenunterboden weitestmöglich,
auffahrsicher im Schutz der Fahrzeugträger verlegt und vor mechanischer
Beschädigung (Steinschlag) geschützt. Wasserstofführende
Bauteile, die an der Fahrzeugaussenhaut liegen, wie Sicherheitsventile
und Tankstutzen, sind über flexible Elemente mit dem System verbunden,
um Verformungen ausgleichen zu können.
[Regar, 1989]
Kosten
Bei der Berücksichtigung
der Kosten von Wasserstoffantrieben gilt es, diese aufzuschlüsseln.
Zum einen sind da die Kosten
für den Wasserstoff selbst.
In Québec/Kanada
kostet Wasserstoff (mit einem Energieäquivalent von 1 l Benzin) 1,50
DM. In Québec läuft ein Wasserstoffprojekt (EQHHPP), wo Staudämme
Wasserkraft in Energie umformen, die wiederum für die Erzeugung von
Wasserstoff genutzt wird.
Nahe Los Angeles/USA steht
eine Solarkraftanlage (350 MW). Würde hieraus Wasserstoff gewonnen
werden, würde das Energieäquivalent von 1 l Benzin 5,- DM kosten.
Je nach Standort des Kraftwerkes,
in dem der Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt wird, kostet eine
Kilowattstunde zwischen 20 und 30 Pfennig; solare Elektrizität 40
Pfennig.
Zum anderen muss abgeschätzt
werden, wie hoch der Preise für ein Fahrzeug ist, das mit Wasserstoff
angetrieben wird.
Eine Kleinstserie von fünf
LH2-Pkws ergibt einen Stückpreis von 500.000,- DM.
Bei Serienproduktion lassen
sich die Kosten für den Wasserstoffmotor auf die Kosten eines vergleichbaren
konventionellen Dieselmotors senken. Für die Speicherung, die Leitungen
und die Aufbereitung des Kraftstoffs im Fahrzeug muss für massenproduzierte
Komponenten mit Mehrkosten gerechnet werden, die den Endpreis eines LH2-Pkws
um maximal 25% über den Preis eines konventionellen, benzinbetriebenen
Fahrzeugs gleicher Leistung und gleichen Nutzwertes steigen lassen würden.
In höhere Grössenordnungen
gelangt man, wenn man den Mitteleinsatz bis zur Marktreife betrachtet.
Bis zur mittleren Serienfertigung,
für die eine allgemeine Betriebserlaubnis Grundvoraussetzung ist,
können sich die Aufwendungen mit allen erforderlichen Tests und Genehmigungen
auf (einige) 100 Mio. DM belaufen. Dies ist aber nicht wasserstoffspezifisch,
sondern eine in der Automobilindustrie durchaus gängige Grössenordnung
bei einem Modellwechsel.
Emissionen
Unter dem Aspekt der Gemischaufbereitung
und der Motorenauslegung (s. Kap. 6.1.1 u. 6.1.2) wurde bereits einiges
zu den Schadstoffen gesagt. Hier nun einige Worte zu den Potentialen des
Verbrennungsmotors und vorgegebenen Grenzwerten.
Die Europäische Union
(EU) plant für das Jahr 2000 eine neue Abgasrichtlinie, die den amerikanischen
Vorschriften weitgehend entsprechen soll. In den USA (Kalifornien) wird
zur Zeit der sogenannte SULEV-Standard (Super Ultra Low Emission Vehicle)
diskutiert.
In einer neueren Richtlinie
aus Nordamerika haben Staaten wie Kalifornien, Massechusetts und New York
den Automobilherstellern einen Plan vorgegeben:
· Ab
1998 müssen mindestens 2% der verkauften Fahrzeuge sogenannte "Zero
Emission Vehicles" sein, also Elektrofahrzeuge.
· Ab
2003 sind 10% verbindlich.
Bezüglich Stickoxiden
liegt der oben erwähnte Standard (SULEV) um einen Faktor 30 unter
dem heutigen schweizerischen Standard, bei den Nichtmethan-Kohlenwasserstoffen
um Faktor 20. Interessant ist nun die Feststellung, dass der Standard
bereits heute von erdgasbetriebenen Verbrennungsmotoren erreicht wird -
lange vor dem vorgeschlagenen Termin von 2004.
Schadstoffentstehung:
Am Beispiel der inneren
Gemischbildung soll nun die Stickoxidbildung analysiert werden. Andere
Emissionen treten bei der Wasserstoffverbrennung nicht auf, da in diesem
Kraftstoff kein Kohlenstoff enthalten ist.
Es können zwei Prozesse
unterschieden werden, in deren Verlauf es zu Stickoxidbildung kommt. Zur
sofortigen Stickstoffmonoxidbildung nach "Fenimore" kommt es bei reinem
Wasserstoff nicht, da diese nur in Verbindung mit Kohlenwasserstoffen auftritt.
Bei der NO-Bildung nach
"Zeldovich" wird der molekulare Luftstickstoff aufgespaltet, bevor er mit
Sauerstoff zu Stickoxiden reagiert. Dieses Aufbrechen der Bindung geschieht
erst bei hohen Temperaturen von T = 2300°C und verläuft relativ
langsam. Um die Reaktionstemperatur herabzusenken, damit weniger NOx entsteht,
bietet sich das Magerkonzept an. Bei Ottomotoren entstehen dabei unverbrannte
Kohlenwasserstoffe, die ihrerseits Schadstoffe sind. Wasserstoff hingegen
ist ebenso gut geeignet für eine magere Verbrennung wie Dieselmotoren.
Bis zur Hälfte der Last ist die NOx-Entwicklung vernachlässigbar
gering (NOx < 5ppm), da relativ viel Luft vorhanden ist und nur relativ
geringe Temperaturen auftreten. Mit zunehmender Last steigen die Werte
bis auf NOx < 100ppm. Bei höherer Umdrehung erzeugt der Turbolader
einen höheren Druck, was wiederum ein magereres Gemisch bewirkt.
Im Vergleich zum Grenzwert
des EURO II (NOx = 7,0 g/kWh, HC = 1,1 g/kWh, CO = 4,0 g/kWh) liegt der
Wert für wasserstoffbetriebene Motoren bei 10%. Spuren von HC und
CO unter jeweils 1% treten durch Schmieröl und Reaktionspartner in
der Luft auf.
Eine bisher lediglich angedachte
Alternative zum Wasserstoffmotor ist die Gemischaufbereitung mit Wasserstoff
und reinem Sauerstoff. Dann würde die Stickoxidbildung wegfallen und
der Motor würde so gut wie ohne Schadstoffausstoss fahren.
Aus Effizienzgründen
wird sich jedoch der Verkehr voraussichtlich auf luftatmende Triebwerke
beschränken. Die Mitführung von Sauerstoff in Fahrzeugen würde
erhebliche zusätzliche technische und wirtschaftliche Hindernisse
für die Einführung von Wasserstoffahrzeugen bedeuten.
Das beste technische Verfahren
zur Minimierung der Stickoxide ist und bleibt der Betrieb mit hohem Luftüberschuss.
Bei l =
2,5 lassen sich z.B. die NOx-Grenzwerte für Gas-Ottomotoren aus der
TA-Luft deutlich unterbieten.
Wasserdampfbildung:
Bis jetzt unberücksichtigt
sind die Folgen geblieben, die einen vermehrter Wasserdampfausstoss
auf die Umwelt und das Klima (lokal und global) haben könnte.
Wasserdampfemissionen lassen
sich technisch (ausser durch Verbrauchsreduktion) nicht reduzieren,
statt dessen werden sie steigen. Wasserdampf ist zwar das am häufigsten
in der Atmosphäre vorkommende, klimarelevante Gas, aber wesentlich
weniger klimaaktiv als CO2. Die Wasserdampfemissionen aus der heutigen
Energiewirtschaft liegen bei 0,005% der natürlichen Vorkommen. Selbst
unter ungünstigen Verhältnissen regionaler Ballungsräume
würde ein voll auf Wasserstoff umgestellter Fahrzeugverkehr Wasserdampfemissionen
nur im Promillebereich natürlicher Emissionen freisetzen.
Werden Szenarien der Wasserstoffnutzung
und daraus realistische Wasserstoffgasemissionen abgeleitet, dann würden
die H2-Emissionen um maximal bis zu 5% bzw. 1,5 Mio. t / Jahr ansteigen
und damit der Gehalt in der Atmosphäre von heute 0,51 ppm auf 0,54
ppm ansteigen.
Würden für das
Jahr 2050 angenommen von etwa 1 Mrd. Strassenfahrzeuge ausgegangen,
die zu 10 - 20% mit LH2 betrieben würden, so würden sich hieraus
erhöhte H2-Emissionen von 0,2 - 0,8 Mio. t/Jahr ergeben. In den letzten
Jahren lag die jährlich H2-Zunahme aufgrund anthropogener Verbrennungsprozesse
(Industrie, Autoabgase) bei etwa 1 Mio. t H2 / Jahr. Erste Abschätzungen
lassen nach heutiger Kenntnis vermuten, dass durch einen verstärkten
H2-Einsatz keine relevanten Veränderungen in der heutigen Wasserstoffbilanz
der Atmosphäre bewirkt werden. Wegen nichtlinearer Abläufe chemischer
Reaktionen in der Atmosphäre besteht hier aber noch Forschungs- und
Klärungsbedarf.
Bei diesem hier veröffentlichten Text handelt es sich um eine gekürzte Zusammenfassung der Studienarbeit von Sven Geitmann über Wasserstoff und Brennstoffzellen aus dem
Jahr 1998, allerdings ohne die dazugehörigen Abbildungen. Weiterführende, aktuellere Daten (inklusive Abbildungen) finden Sie in seinen Büchern.