Immer mehr Menschen besitzen heutzutage ein Auto. Laut Statistiken gibt es im Jahr 2018 in Deutschland rund 46,5 Millionen zugelassene Kraftfahrzeuge . Im Vergleich zum Jahr 1960, wo ca. 4,5 Millionen Kraftfahrzeuge zugelassen waren, hat sich die Anzahl an PKWs in Deutschland mehr als verzehnfacht. Diese 46,5 Millionen Fahrzeuge brauchen Energie um angetrieben zu werden. Die dafür notwendige Energie wird heutzutage größtenteils aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Fossile Brennstoffe werden immer weniger und neigen sich langsam dem Ende zu. Die jüngsten Dieselabgasskandale und die drohenden Fahrverbote für Dieselfahrzeug in Städten lassen uns nach einer alternativen Antriebsart für Kraftfahrzeuge suchen. Eine Alternative bietet die Brennstoffzellentechnologie in der Fahrzeugtechnik, die mit einer Reaktion aus Sauerstoff und Wasserstoff Energie erzeugt. Die durch die Brennstoffzelle eingesparten CO2 Abgase sprechen für eine Revolution der Energieversorgung in Fahrzeugen. Diese Kohlenstoffdioxid Reduzierung ist nötig, um den Klimawandel zu stoppen und die politischen Ziele zum Ausstoß von Abgasen zu erfüllen. Somit stellt sich die Frage, ob die Brennstoffzellentechnologie das Potential hat, eine effiziente und komfortable Alternative zu den Verbrennungsmotoren in der Fahrzeugtechnik zu werden. Diese Facharbeit gibt einen Überblick über die bestehenden technologischen Entwicklungen im Bereich der Brennstoffzellentechnologie und der Wasserstoffgewinnung. Und setzt diese in einen Bezug zur mobilen Anwendung in Kraftfahrzeugen. Anschließend wird eine Analyse und Einschätzung zur Brennstoffzellentechnologie in der Fahrzeugtechnik abgegeben. Zum Schluss werden die Vor- und Nachteile der Brennstoffzellentechnologie miteinander verglichen und es wir eine Zukunftsprognose zum Brennstoffzellenmarkt aufgestellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Die Brennstoffzelle
2.1 Alkalische Brennstoffzelle (AFC-Brennstoffzelle)
2.2 Membranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle)
2.3 Direkt-Methanol Brennstoffzelle (DMFC-Brennstoffzelle)
2.4 Phosphor-Brennstoffzelle (PAFC-Brennstoffzelle)
2.5 Fazit Brennstoffzelle
3 Wasserstoff
3.1 Dampfreformierung
3.2 Partielle Oxidation
3.3 Grüne Wasserstoffherstellung
3.4 Wasserelektrolyse
3.5 Fazit Wasserstoff
4 Mobile Anwendung
4.1 Wasserstofftank
4.2 Sicherheit
4.3 Problem Kaltstart
4.4 Optimierung
4.5 Aktueller technischer Stand
4.6 Tankstellen
4.7 Marktperspektiven
5 Analyse und Einschätzung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Facharbeit untersucht das Potenzial der Brennstoffzellentechnologie als effiziente und emissionsfreie Alternative zum konventionellen Verbrennungsmotor im Automobilsektor. Dabei steht die Forschungsfrage im Mittelpunkt, ob und unter welchen technologischen sowie infrastrukturellen Voraussetzungen diese Antriebsart einen nachhaltigen Beitrag zur Mobilität leisten kann.
- Funktionsweise und Typen verschiedener Brennstoffzellentechnologien
- Nachhaltige Methoden der Wasserstoffgewinnung
- Herausforderungen in der mobilen Anwendung (Speicherung, Sicherheit, Kaltstart)
- Aktueller Stand der industriellen Entwicklung und Marktperspektiven
- Politische und ökonomische Rahmenbedingungen für eine breite Markteinführung
Auszug aus dem Buch
4.1 Wasserstofftank
Die Speicherung von Wasserstoff birgt viele Probleme. Die in der Fahrzeugindustrie bewährteste Speichermethode ist die Speicherung unter hohem Druck. Wasserstoff hat einen Idealendruck zwischen 350-700 Bar. Dieser Druck ist das beste Verhältnis zwischen Druck und Dichte. Der Idealdruck von Erdgas liegt zwischen 250-300 Bar. Der hohe Druck bei der Speicherung von Wasserstoff stellt den Tank vor große Herausforderungen. Der Tank muss einen Druck von bis zu 700 Bar aushalten. Des Weiteren sollte er möglichst leicht sein um das Fahrzeuggewicht und somit den Kraftstoffverbrauch zu verringern. In der Fahrzeugindustrie gibt es vier verschiedene Typen von Tanks zur Speicherung von Stoffen unter hohem Druck.
Typ I ist ein metallischer Behälter, welcher für Drücke bis maximal 200 Bar ausgelegt ist. Dieser Typ I Behälter ist durch die nicht ausreichende Druckbelastung nicht für die Speicherung von Wasserstoff geeignet. Der Behältertyp II ist wie ein Behälter von Typ I ein metallischer Behälter. Dieser metallische Körper ist im Mittelteil durch Fasern verstärkt. Durch die Verstärkung des Behälters durch Faserbewicklung im Mittelteil ist dieser bis zu einem Maximaldruck von ca. 350 Bar ausgelegt. Somit ist auch dieser Typ nicht für die Speicherung von Wasserstoff geeignet. Der dritte Typ besteht auch aus einem metallischen Behälter, welcher im Gegensatz zu Typ II komplett mit Faser umwickelt ist. Somit ist dieser Behältertyp für eine Speicherung von Drücken bis zu ca. 700 Bar ausgelegt. Dieser Typ ist für die Speicherung von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen geeignet. Typ IV besteht aus einem Kunststoffbehälter, welcher mit Kohlefaser umwickelt ist. Dieser Behältertyp hält einen Druck von über 700 Bar aus. Auch Typ IV ist somit für die Speicherung von Wasserstoff geeignet.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung beleuchtet die Notwendigkeit alternativer Antriebsarten im Kontext der steigenden Fahrzeugzahlen und der Umweltschutzziele.
2 Die Brennstoffzelle: Dieses Kapitel erläutert die chemischen Grundlagen der "kalten Verbrennung" und vergleicht verschiedene Brennstoffzellentypen hinsichtlich ihrer Eignung für Kraftfahrzeuge.
3 Wasserstoff: Hier werden unterschiedliche Produktionsverfahren für Wasserstoff analysiert, mit Fokus auf deren ökologische Bilanz und Nachhaltigkeit.
4 Mobile Anwendung: Dieser Hauptteil widmet sich den technischen Hürden des Einsatzes in PKWs, wie der Tankspeicherung, Sicherheit, Kaltstartproblematik und dem aktuellen Stand der Modellentwicklung.
5 Analyse und Einschätzung: Das abschließende Kapitel bewertet das Zukunftspotenzial der Technologie und identifiziert notwendige politische sowie wirtschaftliche Maßnahmen zur Marktdurchdringung.
Schlüsselwörter
Brennstoffzelle, Wasserstoff, Elektromobilität, Klimawandel, Fahrzeugtechnik, PEM-Brennstoffzelle, Dampfreformierung, Wasserelektrolyse, Wasserstofftank, Sicherheit, Kaltstart, Automobilindustrie, Nachhaltigkeit, CO2-Reduzierung, Infrastruktur
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Facharbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Brennstoffzellentechnologie als zukunftsweisende, emissionsfreie Antriebsform für Kraftfahrzeuge.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Schwerpunkte liegen auf den technischen Grundlagen der Brennstoffzelle, der nachhaltigen Wasserstoffproduktion und den Herausforderungen der Implementierung im Fahrzeugbau.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es zu klären, ob die Brennstoffzellentechnologie das Potenzial besitzt, den Verbrennungsmotor effizient zu ersetzen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer Literaturanalyse der bestehenden technologischen Entwicklungen sowie einer Bewertung von Marktperspektiven.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil behandelt neben der Funktionsweise der Zelle insbesondere die praktische Anwendung, wie die Speicherung in Hochdrucktanks und die Lösungsansätze für Kaltstartprobleme.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren diese Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Brennstoffzelle, Wasserstoff, Emissionsfreiheit, Fahrzeugtechnik und Marktfähigkeit.
Warum ist die PEM-Brennstoffzelle für Autos besser geeignet als die alkalische Variante?
Die PEM-Brennstoffzelle ist im Gegensatz zur alkalischen Variante kompatibel mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft, was den Mitführung eines zusätzlichen Sauerstofftanks überflüssig macht.
Welche Rolle spielt die Batterie in modernen Brennstoffzellenautos?
Die Batterie dient als hybride Ergänzung, um Energie bei Bremsvorgängen zu speichern und Lastspitzen des Motors effizient abzufedern.
Wie unterscheidet sich die Betankung eines Wasserstoffautos von einem Elektroauto?
Die Betankung mit Wasserstoff dauert lediglich etwa 3 Minuten und ähnelt damit dem bekannten Tankvorgang fossiler Kraftstoffe, während das Laden von Batterien deutlich mehr Zeit in Anspruch nimmt.
- Arbeit zitieren
- Anonym (Autor:in), 2017, Brennstoffzellentechnologie. Wasserstoff, mobile Anwendung, Analyse und Einschätzung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/958317
