CO2-freie Mobilität mit einem multivalenten Fahrzeug für ... · Helmut Eichlseder, Manfred Klell, Klaus Schaffer, Daniel Leitner, Markus Sartory Technische Universität / HyCentA

Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik

T e c h n i s c h e · U n i v e r s i t ä t · G r a z

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Helmut Eichlseder, Manfred Klell, Klaus Schaffer,Daniel Leitner, Markus Sartory

Technische Universität / HyCentA Graz

11. Symposium Energieinnovation, Graz

10. bis 12. Februar 2010

CO2-freie Mobilität mit einem

multivalenten Fahrzeug für variablen

Erdgas/Wasserstoff-Mischbetrieb



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Forschungsgesellschaft für Verbrennungs-

kraftmaschinen und Thermodynamik mbH (FVT)

Geschäftsführer: Univ. Prof. Dr. Helmut Eichlseder

2002 von der Leitung des

Institutes für VKM und Thermodynamik

gegründet (TU-Graz)

Arbeit des FVT ist eng mit Arbeit des

Institutes verknüpft

(Institutsleitung: Prof. Eichlseder)

Forschungsschwerpunkte im Bereich

Energie

Motor

Verkehr und Umwelt



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Hydrogen Center Austria

(HyCentA)

Erstes österreichisches Forschungszentrum für Wasserstoff mit

Abgabestellen für LH2 und CGH2, eröffnet Oktober 2005

Geschäftsführer: Dr. Manfred Klell



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CO2-freie Mobilität mit einem multivalenten

Fahrzeug für variablen H2NG-Mischbetrieb

Inhalt:

Geschichtliches und aktuelle H2-Konzepte

H2NG-Mischbetrieb: Motivation

Umsetzung eines H2NG-Fahrzeugkonzeptes

Dezentrale Erzeugung von H2 am HyCentA

CO2-Emissionen

Zusammenfassung



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Geschichte: H2 zum Antrieb von Fahrzeugen

Erste Anwendung bereits vor über 200 Jahren

Storage Device

Cylinder

PistonIgnition

1807 François Isaac de Rivaz

1860 Etienne Lenoir

Quelle:http://www.h2mobility.org/

1933 Norsk Hydro

1939 Rudolf A. Erren



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Aktuelle Konzepte: H2 zum Antrieb von Fahrzeugen

State of the Art - Kleinserien und Forschungsfahrzeuge mit H2-VKM

BMW

Mazda

Ford

MAN

Saugrohreinblasung

Kompressor-Aufladung

Wankel

Niederdruck-

DirekteinblasungSaugrohr-Einblasung

Niederdruck-

Direkteinblasung

Turbolader



Seite 7

H2NG: Motivation

Probleme:

Erzeugung

Infrastruktur

Kosten

Der Weg zu CO2-freier Mobilität mit reinem Wasserstoff

Lösungsansatz:

Brückenfunktion

von H2NG mit

VKM

Zukünftig breiter

Einsatz von

H2-Technologie

H2-Technologie

heute

Quelle: www.netinform.net

?



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H2NG: Motivation

Brückenfunktion: Vorteile von H2NG in Verbindung mit VKM

Verbrennungskraftmaschine

(anteilige) Absenkung der Emissionen von CO2 entsprechend dem H2-Anteil

Magerbetrieb mit hohem Luftüberschuss zur Absenkung von Emissionen und

Steigerung des Wirkungsgrades

Höheres Volllastpotential von H2NG im Vergleich zu reinem H2

Fahrzeugeinsatz

Reichweitenvorteile durch die höhere Energiedichte

Synergien bei gasführenden Komponenten im Fahrzeug (Drucktank, Leitungen,

Ventile, Injektoren, ...)

Infrastruktur

Graduelle Einführung einer regenerativen H2-Erzeugung

Graduelle Einführung von Tankstelleninfrastruktur

Dezentrale Erzeugung mit lokaler Wertschöpfung durch Verwendung von Biogas

Graduelle Substitution von Erdgas durch Biogas

Nutzung vorhandener Produktionslinien für VKM

Brückenfunktion von CNG zu H2 bezüglich Konsumentenverhalten

Kosten

Verwendung „herkömmlicher“ VKM

Mehraufwand nur durch zusätzlichen Gemischsensor und Bedatung von ECU



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Umsetzung: Multivalentes H2NG-Fahrzeug

Basis: Mercedes Benz E 200 NGT



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0

Adaption des Motors

H2-Detektoren

H2-Druckleitung

Prüfstand

Alu-Sauganlage

H2-Injektoren



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1

Sicherheitsabsperrventil

Temperatursensor

Be

nzin

EV

Ste

ue

rle

itu

ng

en

1÷4

Adaption des Motors

Motormanagement

Sensoren und

Aktoren des

Benzinsystems

Druckregler

Tankabsperrventil

H2-Tank

Gas-Rail

Bosch-Injektoren

Benzin

Einspritzventile

1÷4CA

N-B

us

Armaturentafel

Niederdrucksensor

Hochdrucksensor

Benzin/H2 Switch

Kab

elb

au

m

CNG Box

ECU ME



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2

Adaption des Fahrzeuges

Gasversorgungssystem

Einbau 350 bar Druckgaszylinder für 1.7 kg H2 (56.6 kWh)

Einbau Sicherheitseinrichtungen und Druckkonditionierung

Sicherheitsventile, Schmelzsicherungen,

Durchflussmengenbegrenzer, Absperrventile, Druckregler,…

Betankungsnippel für 350bar GH2



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3

Adaption des Fahrzeuges

Elektronisches Gas Sicherheitssystem (ELGASS)

Funktionen:

Umschaltsteuerung

Füllstandsberechnung

Redundante Leckage-

detektierung

Visualisierung des

Systemstatus

Messdatenerfassung

Einleitung von

Notaus-Maßnahmen



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4

Adaption des FahrzeugesELGASS: Visualisierung des Systemstatus



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5

Zulassungsprozess

Konstruktion und Ausführung des multivalenten Gasfahrzeuges

in Anlehnung an

Einzelverordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäischen

Parlaments und des Rates vom 14. Jänner 2009 über die

Typengenehmigung von wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen

und

Erdgasrelevante Regelwerke: ÖVGW G95 (ECE-R-110 u. 115)

Sept. 2009: TÜV-Abnahme durch TÜV Austria Automotive

Okt. 2009: Abnahme des Fahrzeuges durch die Fachabteilung

17B – Kraftfahrwesen und Sicherheitsdienst

Okt. 2009: Ausstellung des Einzelgenehmigungsbescheids

Rechtsgrundlage §28 und §34 des Kraftfahrgesetzes 1967, BGBl.

Nr. 267/1967 i.d.g.F.



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6

Pressepräsentation

4. November 2009



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7

Gradueller Aufbau von H2-Erzeugung

Dezentrale Produktion von Wasserstoff

mit Ökostrom auf Basis von Sonnen-, Wasser- und Windenergie

höchste Energieeffizienz durch Kopplung von H2-Erzeugung, Wärme-

und Sauerstoffnutzung

Beispiel: Elektrolyse mit Ökostrom am HyCentA

H2O2

Wärme



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8

H2NG: Motivation

Probleme:

Erzeugung

Infrastruktur

Kosten

Der Weg zu CO2-freier Mobilität mit reinem Wasserstoff

Lösungsansatz:

Multivalente Fahrzeuge für

variablen Erdgas/Wasserstoff

Mischbetrieb

Zukünftig breiter

Einsatz von

H2-Technologie

Quelle: www.netinform.net

H2-Technologie

heute



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9

Vergleichsbasis: Kompaktklasse 1.7l Diesel: 117gCO2/km Bj. 2000

CO2-Emissionen: Well to Wheel im NEFZ

-120.0%

-100.0%

-80.0%

-60.0%

-40.0%

-20.0%

0.0%

WtW

CO

2-E

mis

sio

nen

[∆

%]

WtW [∆%] -8.5% -1.9% -91.1% -96.4%

Kompaktklasse

1.6l Diesel, Bj.

2010

Kompaktklasse

Batterie EU

Strommix

HyCar Elektrolyse

Ökostrom

Kompaktklasse

Batterie Ökostrom



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0

Zusammenfassung

Mischgase H2 – CH4 weisen neben CO2-Minderung günstige Eigenschaften für motorische Verbrennung auf

Wirkungsgradpotential, Potential zur Emissionssenkung

Günstiges Volllastverhalten

Bessere Nutzbarkeit von Biogasen

„Multivalentes“ Versuchsfahrzeug wurde dargestellt und straßenzugelassen

Adaptierung des Motors und neues Tanksystem

Eigenes elektronisches Gassicherheitssystem (HyCentA)

mit begrenztem Aufwand dargestellt

Einstiegsszenario und Brückentechnologie für Wasserstoff

auf Basis kostengünstiger und ausgereifter Technologie

graduell möglich, z.T. Infrastruktur vorhanden

Reichweitenvorteil vs. reinem Wasserstoff



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1

Mitsubishi Evo IX

Bivalentes Wasserstoff / Benzin Fahrzeug



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2

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

CO2-freie Mobilität mit einem

multivalenten Fahrzeug für variablen

Erdgas/Wasserstoff-Mischbetrieb

HYCAR-Projektpartner: FVT, HyCentA, Steirische Gas Wärme GmbH, Linde Gas GmbH und Continental

Automotive AG (vormals Siemens VDO)



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3

Well to Tank

CO2-Emissionen

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Erdgas Benzin/Diesel Biosprit Wasserstoff Strom

CO

2-E

mis

sio

ne

n W

tT [g

/kW

h]



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4

Flammengeschwindigkeit

Wasserstoff in Methan

Hu

Lam

inare

Fla

mm

en–

geschw

indig

keit [

cm

/s]

38

40

42

44

46

48

50

Anteil H2 in CH4 [Vol%]

0 5 10 15 20 25 30

Anteil H2 in CH4 [Energie%]

0 1.56 3.24 5.05 7.01 9.13 11.45

vlam

Unte

rer

Heiz

wert

[kW

h/N

m3]

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5



Seite 2

5

MotivationMotivation

Vergleich der Gemischbildungsverfahren

BLENDS

Wasserstoff

Saugrohr

293

2.97

83

Erdgas

Saugrohr

293

3.40

90

Kraftstoff

Gemischbildung

Gemischtemperatur [K]

Gemischheizwert [MJ/m3]

Volllastpotential [%]

Annahmen:

a

e

n

VH

= 1

= konst.

= konst.

= konst.

= konst.

Benzin

Saugrohr

293

3.59

100

Verbrennungskraftmaschine (anteilige) Absenkung der Emissionen von CO2 entsprechend H2-

und/oder Biogasanteil

Magerbetrieb mit hohem Luftüberschuss zur Absenkung von NOx

und Steigerung des Wirkungsgrades

Verbrennungsbeschleunigung und damit Wirkungsgrad-

verbesserung durch hohe Verbrennungsgeschwindigkeit

Fahrzeugeinsatz Reichweitenvorteile durch die höhere Energiedichte von Erdgas

gegenüber Wasserstoff

Synergien bei gasführenden Komponenten im Fahrzeug (Drucktank,

Leitungen, Ventile,..) und bei der Infrastruktur (Pipelines)

Infrastruktur Brückenfunktion von CNG zu H2 bezüglich Konsumentenverhalten

und Infrastruktur

Mögliche graduelle Einführung einer regenerativen H2-Erzeugung

Eigenschaften von H2NG



Seite 2

6

Ste

p W

idth

2°

CA

0m

ax.

RF

Spark-

plug

EV IV

Sig

nal In

tensity

Experimentelle Untersuchungen

Transparentmotor

00

5

10

15

20

25

30

1 2 3 4

Zeit nach ZZP in ms

Rad

ius v

erb

ran

nte

Zo

ne

in

mm Wasser-

stoff

Blends50% 25%

10%

Methan

Zündverzug

λ≈1.1, n=1000min-1, WOT

MFB50 ≈8°KW n.OT

Geschwindigkeit der Flammenausbreitung vfp



Seite 2

7

Adaption des Motors

Versuchsergebnisse

Differenzkennfeld H2/Benzin

e / %

pe /

bar

0

2

4

6

8

10

12

n / min–1

1000 2000 3000 4000 5000 6000

0.0

-1.5-1.0

1.02.0

3.0

2.5



Seite 2

8

Adaption des Motors

Versuchsergebnisse Wasserstoffbetrieb

Luftverhältniskennfeld

pe /

bar

0

2

4

6

8

10

12

n / min–1

1000 2000 3000 4000 5000 6000

10

20

30

40

50

60

70

80

17616214913512210895816854412714

2.4

2.0

1.9

1.81.7

1.6

2.1

2.2

/ –

Pe / kW



Seite 2

9

Adaption des Motors

Volllastpotenzial

= 1.0

= 1.6 ... 1.9

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

n / min–1

1000 2000 3000 4000 5000 6000

CNG

H2

pe

/ bar

50H2NG=1.0…1.4

75H2NG



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0

CO2-Emissionen

Eigenschaften von H2NG

Methan

H2/CH4

0,20 0,20 0,190,18

0,15

0,00

0,27

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0% 4% 10% 25% 50% 100% ROZ 98

Spezifis

che C

O2-E

mis

sio

n [k

g/k

Wh]

Benzin

Wassers

toff

H2-Anteil in CH4 [Vol-%]



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1

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

pp

mExperimentelle Untersuchungen

Emissionen und Wirkungsgrad

0.90 1.10 1.30 1.50 1.70 1.90 2.10

Luftverhältnis λ

0

8

16

24

32

40

48

%

NOX in ppmHC in ppm

ηi HD in %

n=2000min-1, pi=6bar, MFB50 ~8°KW n.OT

CH4

4% H2

10% H2

25% H2

Überstöchiometrische

Betriebsgrenze

ROZ98

Documents

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