Heutige Kraftstoffe auf Erdölbasis dezimieren die natürlichen Ressourcen und erzeugen Schadstoffe, die nachteilig für Mensch und Natur sind. Energiespeicher für Fahrzeugantriebe werden jedoch weiterhin notwendig sein, um den Personen- und Gütertransport zu ermöglichen. Es wird zwar zurzeit an der Optimierung der herkömmlichen Antriebsarten gearbeitet, aber bei der Verbesserung der angewandten Techniken gibt es Grenzen. Der Schadstoffausstoß kann zwar verringert, aber nicht völlig eingestellt werden. Die natürlichen Ressourcen werden zudem weiter reduziert. Es bleibt folglich die Notwendigkeit, nach anderen praktikablen Lösungen und neuen Techniken zu suchen.
Auf den ersten Blick erscheint Wasserstoff ein geeigneter Energiespeicher, der den Weg in eine schadstofffreie Zukunft weisen könnte. Wasser ist in ausreichendem Maße vorhanden, bei der Verbrennung wird relativ viel Energie frei und es entstehen keine Schadstoffe. Erste Versuche waren erfolgreich, und Wasserstoff scheint durchaus für den mobilen Fahrzeugantrieb geeignet zu sein. Auf den zweiten Blick gibt es jedoch auch Probleme. Wasserstoff ist mit Sauerstoff explosiv, die Erzeugung von H2 ist aufwändig und die Speicherung sowie die Betankung sind problematisch. Dann, auf den dritten Blick, zeigt sich, dass die Schwierigkeiten zu bewältigen sind und in den letzten Jahren weitgreifende Fortschritte gemacht wurden.
Mittlerweile ist die Technik auf einem Entwicklungsstand, auf der es Prototypen von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen in der dritten oder vierten Generation gibt. Vor zehn Jahren wurde damit angefangen, Wasserstoff als Energieträger ernst zu nehmen. Einige der Ideen von damals sind gescheitert, andere sind in Ansätzen verwirklicht worden. Die H2-Speicherung in Metallhydriden oder die Bindung an Toluol gehören zu den nicht so aussichtsreichen Varianten. Chancenreicher ist die Nutzung von gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff in herkömmlichen Verbrennungsmotoren sowie die "kalte Verbrennung" von H2 in Brennstoffzellen.
Ziel dieser Arbeit war es, den aktuellen Stand der Technik herauszuarbeiten, wie Wasserstoff als Kraftstoff für Fahrzeugantriebe eingesetzt werden kann. Dabei bildete der Einsatz im Verbrennungsmotor und in der Brennstoffzelle jeweils einen Schwerpunkt. Außerdem wurde die Wasserstoffgewinnung, die -Speicherung im Fahrzeug, die Abgasqualität sowie der Wirkungsgrad analysiert.
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabenstellung
2 Kurzfassung
3 Geschichte
4 Aktueller Stand
4.1 Energieverbrauch
4.2 Schadstoffe
4.3 Die Entwicklung
4.4 Alternative - fossile Energien
5 Wasserstoff
5.1 Eigenschaften
5.2 Herstellung
6 Antriebe
6.1 Der Wasserstoff-Motor
6.1.1 Motorentechnik
6.1.2 Gemischbildung
6.1.3 Beispielmotoren
6.1.4 Kosten
6.1.5 Emissionen
6.2 Brennstoffzelle
6.2.1 Funktionsweise
6.2.2 Angewandte Technik
6.2.3 PEM
6.2.4 Reformer
6.2.5 Kosten
7 Speicherung
7.1 Tanks
7.2 Betankung
8 Vergleiche
8.1 allgemein
8.2 Antriebe
8.3 Energiebilanz
8.4 Energieumwandlungskette
8.5 Energiedichte
8.6 Emissionen
9 Ausblick
9.1 Die weitere Entwicklung
9.2 Amerika
9.3 Wasserstoff-Haus
10 Ergebnisse
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht den Stand der Technik für den Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff in Fahrzeugantrieben. Das primäre Ziel ist die Analyse und vergleichende Bewertung verschiedener Antriebsprinzipien, insbesondere Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen, unter Berücksichtigung von Gewinnung, Speicherung sowie ökologischen und ökonomischen Aspekten.
- Technologische Grundlagen der Wasserstoffnutzung in Fahrzeugen.
- Vergleichende Analyse von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellenantrieben.
- Anforderungen an die Wasserstoffspeicherung (Tankproblematik) und Betankungsprozesse.
- Ökologische Bewertung durch Vergleich von Schadstoffemissionen und Energieeffizienz gegenüber konventionellen Antrieben.
Auszug aus dem Buch
6.1.2 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.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Aufgabenstellung: Definition des Umfangs der Literaturstudie zur Untersuchung von Wasserstoff als Kraftstoff in verschiedenen Antriebsarten.
2 Kurzfassung: Überblick über die Notwendigkeit neuer Energiekonzepte und das Potenzial von Wasserstoff als schadstofffreier Energieträger.
3 Geschichte: Chronologische Aufarbeitung der Entdeckung und technologischen Entwicklung der Wasserstoffnutzung von 1780 bis 1997.
4 Aktueller Stand: Analyse des globalen Energieverbrauchs, des Schadstoffausstoßes im Verkehr und der Prognosen für regenerative Energien.
5 Wasserstoff: Detaillierte Darstellung der physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie der industriellen Herstellungsverfahren.
6 Antriebe: Ausführliche Behandlung der zwei Hauptkonzepte für Wasserstoffantriebe: Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle.
7 Speicherung: Untersuchung der verschiedenen Speichermöglichkeiten (Metallhydride, Druckgas, Flüssigwasserstoff) und der Herausforderungen bei der Betankung.
8 Vergleiche: Gegenüberstellung von Wasserstofftechnologien mit konventionellen Antrieben hinsichtlich Effizienz, Energiebilanz und Emissionswerten.
9 Ausblick: Diskussion über zukünftige Entwicklungstendenzen der Wasserstofftechnologie und Visionen wie das "Wasserstoff-Haus".
10 Ergebnisse: Zusammenfassende Bewertung der Potenziale und verbleibender Herausforderungen für die Marktreife von Wasserstoffantrieben.
Schlüsselwörter
Wasserstoff, Brennstoffzelle, Verbrennungsmotor, Energiewende, Fahrzeugantrieb, Schadstoffemissionen, Energiespeicherung, Wasserstoffspeicherung, regenerative Energien, Elektrolyse, Wirkungsgrad, Kraftstoffverbrauch, Umweltverträglichkeit, Solare Wasserstoffwirtschaft.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit analysiert den Stand der Technik und das Potenzial von Wasserstoff als Kraftstoff für moderne Fahrzeugantriebe.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind Wasserstoffherstellung, Antriebsformen (Verbrennungsmotor vs. Brennstoffzelle), Speichermethoden im Fahrzeug sowie der Vergleich mit konventionellen Kraftstoffen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist eine vergleichende Bewertung der technischen Machbarkeit, der Effizienz und der ökologischen Auswirkungen von Wasserstoffantrieben.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert im Wesentlichen auf einer umfassenden Literaturstudie und der Auswertung technischer Daten und Studien zum Zeitpunkt November 1998.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich detailliert mit den technischen Realisierungen des Wasserstoffmotors und der Brennstoffzellentechnologie, inklusive der Herausforderungen bei der Gemischbildung und Speicherung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wasserstoff, Brennstoffzelle, Fahrzeugantrieb, Energiewende, Schadstoffemissionen und Speicherkapazität.
Wie löst ein Wasserstoffmotor das Problem der hohen Zündenergie?
Um das Klopfen oder Rückzündungen durch die niedrige Zündenergie zu vermeiden, werden konstruktive Maßnahmen wie die Optimierung der Kühlung, die Verwendung verschleißfester Werkstoffe und teilweise Wassereinspritzung eingesetzt.
Warum ist die Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen eine Herausforderung?
Aufgrund seiner geringen Dichte nimmt gasförmiger Wasserstoff ein großes Volumen ein, während flüssiger Wasserstoff bei sehr tiefen Temperaturen gespeichert werden muss, was spezielle vakuumisolierte Tanks erforderlich macht.
- Quote paper
- Sven Geitmann (Author), 1998, Wasserstoff als Kraftstoff für Fahrzeugantriebe, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/223
