Wasser ist die Kohle der Zukunft."
-Jules Verne, Die geheimnisvolle Insel, 1874
Diese Vision des französischen Science-Fiction Autors könnte ebenso gut aus einer aktuellen Presseerklärung eines Automobilkonzerns stammen, und was damals utopisch anmutete, ist mittlerweile zu einer vieldiskutierten Zukunftsoption für unsere energiehungrige Gesellschaft geworden. Neben anderen Anwendungsgebieten wurde insbesondere in der Automobilbranche mit mehreren sogenannten "Concept-Cars" bewiesen, dass von Utopie keine Rede mehr sein kann. Doch die Technik zur wundersamen Energiegewinnung aus den Elementen des Wassers ist schon alt.
Die sogenannte Brennstoffzelle wurde bereits 1839 von dem englischen Physiker William Grove entwickelt, geriet aber nach der Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips 1866 durch Werner von Siemens und der Erfindung des Automobils mit Verbrennungsmotor 1885 zunächst wieder in Vergessenheit. Die Energiegewinnung durch Verbrennung fossiler Energieträger war viel einfacher als die komplizierte, noch weitgehend unerforschte elektrochemische Variante.
Erst die Raumfahrt und das Militär entdeckten die Brennstoffzelle für ihre Zwecke wieder, da sich Verbrennungsmotoren in Unterseebooten und in Raumschiffen nicht immer eignen. 1963 lag das erste komplette Polymerelektrolytmembran (PEM) - Brennstoffzellensystem vor, das dann bei allen sieben Gemini-Missionen eingesetzt wurde. Siemens entwickelte die Technik in den 80er Jahren zum Antrieb von außenluftunabhängigen U-Booten weiter. Die bis dato eingesetzten Brennstoffzellen kamen wegen Größe und Preis für die Verwendung im mobilen zivilen Bereich jedoch nicht in Frage.
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Geschichtliche Entwicklung der Brennstoffzellentechnik
1.2 Aufgabenstellung der Arbeit
2. Umsetzbarkeit des Antriebs von Kfz auf Basis der PEM-Brennstoffzelle als Alternative zu den herkömmlichen Antrieben
2.1 Motivation der Unternehmen zur Forschung an alternativen Antriebskonzepten
2.1.1 Erdölknappheit
2.1.2 Emissionsauflagen durch Gesetze
2.1.3 Public Relations und verändertes Käuferverhalten
2.2 Gründe für den Einsatz von Brennstoffzellen
2.2.1 Funktionsweise der PEM-Brennstoffzelle
2.2.2 Einordnung in die Palette der Antriebskonzepte
2.2.3 Grundsätzliche Vorteile der Brennstoffzellentechnik
2.3 Probleme der Brennstoffzellentechnik und Lösungsansätze
2.3.1 Realisierung der Wasserstoffbereitstellung
2.3.1.1 Direkte Betankung mit Wasserstoff
2.3.1.1.1 Vorgelagerte Prozessschritte
2.3.1.1.2 Verteilung
2.3.1.1.3 Speicherung im Fahrzeug und Sicherheit
2.3.1.2 Erzeugung im Fahrzeug aus KW
2.3.1.2.1 Einsatz eines Reformers
2.3.1.2.2 Einsatz von DMFCs
2.3.2 Probleme bei der PEMFC
2.3.3 Kostenaspekte
2.4 Bewertung
2.4.1 Ökologischer Vergleich mit konventionellen Verbrennungsmotoren
2.4.2 Brennstoffzelleneinsatz in Kraftfahrzeugen als Alternative
3. Brennstoffzelleneinsatz in anderen Bereichen
Zielsetzung und Themen
Die Arbeit untersucht, ob der Antrieb mit PEM-Brennstoffzellen eine Alternative zu Otto- und Dieselmotoren darstellen kann. Im Mittelpunkt stehen die technische Umsetzbarkeit, die ökologischen Auswirkungen sowie Umfang und zeitlicher Rahmen einer möglichen Einführung.
- Entwicklung und Funktionsweise der PEM-Brennstoffzelle
- Gründe für die Forschung an alternativen Antrieben
- Wasserstofferzeugung, Verteilung und Speicherung
- Technische Herausforderungen und Kosten
- Ökologischer Vergleich verschiedener Antriebe und Kraftstoffe
- Stationäre und weitere Anwendungen von Brennstoffzellen
Auszug aus dem Buch
2.3.1.2.1 Einsatz eines Reformers
Um den gewünschten Treibstoff in der PEMFC nutzen zu können, müsste theoretisch der unter 2.3.1.1.1 angesprochene Reformierungsprozess in das Fahrzeug verlagert werden. Tatsächlich wird die Idee schon seit längerem von verschiedenen Unternehmen verfolgt und Prototypen wie der „Necar 5“ zeigen die Realisierbarkeit. Als Treibstoff wird dabei Methanol verwandt, das wegen seinem wasserstoffreichen Aufbau eine relativ einfache Reformierung erlaubt. Die vertretbaren Kosten, die Option zur umweltfreundlich-biologischen Herstellung und die Möglichkeit zum Einsatz in Verbrennungsmotoren sind weitere Pluspunkte des Treibstoffs. Das Verfahren zur Wasserstofferzeugung teilt sich dabei in 3 Stufen: als erstes wird das Methanol mit Wasser (Nebenprodukt der Brennstoffzellenreaktion) bei ca. 400°C verdampft und in den Reformer geleitet. Dort entsteht dann bei 200-300°C und der Anwesenheit eines Katalysators ein Gasgemenge, das neben Wasserstoff vor allem CO₂ und geringe Mengen CO enthält. Wegen dem CO, das mit dem Platin-Brennstoffzellenkatalysator reagiert und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle heruntersetzt, schließt sich noch eine Gasreinigungsstufe an. Die Überbrückung der Anwärmphase des Reformers macht außerdem den Einsatz eines Batteriespeichers zum Anfahren nötig.
Mit dem komponentenreichen Reformierungskonzept (siehe Abbildung) sind das hohe Gewicht, der geringe Platz und die hohen Kosten heutiger Prototypen erklärbar. Konzeptbedingt wird der Wirkungsgrad des Fahrzeugs herabgesetzt und es entfallen die Vorteile eines reinen ZEVs, doch entstehen bei der Methanolreformation außer CO₂ praktisch keine weiteren Emissionen, was einen wesentlichen Vorteil darstellt und die Einstufung als ULEV erlaubt. Stellt man den Gesamtenergieaufwand reinen H₂-Brennstoffzellenantrieben gegenüber, so kommt dem „on-board“-Reformer der Wegfall der Verflüssigungskosten zu Gute, während die Erzeugung des Wasserstoffs aus dem Sekundärenergieträger Methanol einen weiteren verlustreichen Umwandlungsschritt bedeutet. Deshalb, wegen der vorhandenen Struktur und der höheren Energiedichte befinden sich auch Benzinreformer in der Entwicklung. Diese erfordern allerdings sehr hochwertigen, schwefelfreien Kraftstoff und es müssen weitere Wirkungsgradverluste hingenommen werden. Eine eventuelle Marktreife ist noch nicht abzusehen, könnte aber mittelfristig erreicht werden. Insgesamt stellt der Einsatz von „on-board“-Reformern eine wichtige, praxisnahe Alternative zu Flüssigwasserstoff dar, was die Entwicklungsanstrengungen der großen Automobilunternehmen unterstreichen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Das Kapitel zeichnet die Entwicklung der Brennstoffzellentechnik nach und formuliert die Fragestellung sowie den Aufbau der Arbeit.
2. Umsetzbarkeit des Antriebs von Kfz auf Basis der PEM-Brennstoffzelle als Alternative zu den herkömmlichen Antrieben: Das Hauptkapitel erläutert Antriebskonzepte und Wasserstoffversorgung und behandelt technische, wirtschaftliche und ökologische Gesichtspunkte. Abschließend werden die Brennstoffzelle und konventionelle Motoren miteinander verglichen.
3. Brennstoffzelleneinsatz in anderen Bereichen: Das Kapitel betrachtet stationäre Strom- und Wärmeerzeugung sowie kleinere Anwendungen etwa für tragbare Geräte.
Schlüsselwörter
PEM-Brennstoffzelle, Brennstoffzellenantrieb, Wasserstoff, Kraftfahrzeug, Antriebskonzepte, Wasserstoffinfrastruktur, Wasserstoffspeicherung, Methanolreformierung, Direktmethanolbrennstoffzelle, Emissionen, Wirkungsgrad, Wirtschaftlichkeit, Kraft-Wärme-Kopplung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit?
Die Arbeit untersucht Brennstoffzellen als mögliche Antriebsquelle für Kraftfahrzeuge und vergleicht sie mit herkömmlichen Antrieben.
Welche Themen stehen im Mittelpunkt?
Behandelt werden die Funktionsweise der Brennstoffzelle, die Wasserstoffversorgung, technische und wirtschaftliche Herausforderungen sowie ökologische Fragen.
Welche Frage soll beantwortet werden?
Die Arbeit fragt, ob PEM-Brennstoffzellenantriebe eine echte Alternative zu Otto- und Dieselmotoren darstellen können und wie ihre Einführung zeitlich und ökologisch einzuschätzen ist.
Welche wissenschaftliche Vorgehensweise wird verwendet?
Der Autor wertet verschiedene Quellen aus und stellt technische Konzepte, Emissionswerte und Einschätzungen unterschiedlicher Akteure vergleichend gegenüber.
Was behandelt der Hauptteil?
Der Hauptteil reicht von den Beweggründen der Automobilindustrie über die Bereitstellung von Wasserstoff bis zur Bewertung von Kosten, Emissionen und Marktchancen.
Welche Schlüsselbegriffe kennzeichnen die Arbeit?
Zu den zentralen Begriffen gehören PEM-Brennstoffzelle, Wasserstoff, Methanolreformierung, Emissionen, Wirkungsgrad und Wasserstoffinfrastruktur.
Welche Möglichkeiten der Wasserstoffversorgung werden betrachtet?
Die Arbeit behandelt die direkte Betankung mit Wasserstoff und die Erzeugung von Wasserstoff im Fahrzeug aus wasserstoffhaltigen Verbindungen.
Welche Rolle spielen Reformer?
Reformer ermöglichen es, Wasserstoff aus einem Kraftstoff wie Methanol im Fahrzeug zu gewinnen. Die Arbeit erläutert dafür Prozessschritte und technische Anforderungen.
Welche Anwendungen außerhalb des Straßenverkehrs werden angesprochen?
Besprochen werden unter anderem dezentrale Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplung und kleine Brennstoffzellen für tragbare Geräte.
- Quote paper
- Oliver Baars (Author), 2002, Umsetzbarkeit des Antriebs von Kfz auf Basis der PEM-Brennstoffzelle als Alternative zu den herkömmlichen Antrieben, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/2751
