Fachreferat

Name: Stephan Zachskorn

Thema: Wasserstoff als Antriebskonzept für PKW

Fach: Technologie

Gliederung

1. Einleitung

2. Wasserstoff 2.1 Eigenschaften 2.2 Vor- und Nachteile

3. Wasserstoff im PKW 3.1 Speicherung/Transport von Wasserstoff - Druckgasspeicher - Metallhydridspeicher - Flüssigspeicher3.2 Betankung mit Wasserstoff3.3 Funktionsweise eines Wasserstoffmotors3.4 Vorteile & Probleme des Verbrennungsmotors 3.4.1 Vorteile 3.4.1.1 Extreme Abmagerungsfähigkeit eines Wasserstoff/Luft-Gemisches3.4.2 Nachteile 3.4.2.1 Unregelmäßige Verbrennung durch 3.4.2.1.1 Rückzündung in der Ansaugphase 3.4.2.1.2 Glühzündung in der Kompressionsphase 3.4.2.1.3 klopfende Verbrennung 3.4.2.1.4 Wasseranlagerung bei Kaltstart an Zündkerzen 3.4.1 Geringe Leistungsdichte infolge von Liefergradverlusten3.5 Gemischbildung 3.6 Emission 3.7 Beispielmotor BMW

4. Zukunftsprognosen

Quellen

1. Einleitung

Wasser ist der Baustein allen Lebens. Die Erde besteht zu ca. 71% aus Wasser. Und jede Entwicklunghat im Wasser begonnen.

1760: Henry Cavendisch entdeckt Wasserstoff und die Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser 1874: Jules Verne schreibt: ,,Das Wasser ist die Kohle der Zukunft." 1898: James Dewar gelingt in London die Herstellung von flüssigem Wasserstoff. 1979: Der erste Prototyp eines bivalenten Wasserstoff Fahrzeugs kommt auf die Straße 1988: Weitere Prototypen werden gebaut: z.B. ein bivalenter 6-Zylinder-Motor für Wasserstoff undBenzin 1999: Die erste öffentliche Flüssigwasserstoff Tankstelle wird in München in Betrieb genommen. DerBMW 750hL fährt mit bivalentem 5,4 Liter 12 Zylinder Motor 2000: Die weltweit erste Wasserstoff - Ausstellung wird im Rahmen der EXPO 2000 präsentiert. EineWasserstoff-Flotte aus 15 BMW 750hL wird im Shuttle-Service eingesetzt. 2001: Die BMW CleanEnergy World Tour startet in Dubai und führt durch fünf Kontinente

2. Wasserstoff

Eigenschaften:

- ungiftig - geruchlos - geschmacksneutral - unsichtbar - Stoff mit der geringsten Dichte (0,09 g/l) - Leichter als Luft & alle anderen Gase - Siedetemperatur: -252,77°C - Nicht explosiv (nur in Verbindung mit anderen Gasen) - kommt nicht rein in der Natur vor; Aufgrund seiner Reaktionsfreudigkeit

Vorteile: - hohe Umweltfreundlichkeit - unendliche Verfügbarkeit

Nachteile - Herstellung - Sicherheitsaspekte - Beeinflussung des Klimas durch Wasserdampf - Kosten - Energieeffizienz - Aufbewahrung im Fahrzeug

Umweltfreundlichkeit:

Da herkömmliche Antriebe viele Schadstoffe erzeugen, die die Umwelt belasten, größtenteilsTreibhauseffekt verantwortliche CO2. Ist zwar ein ganz natürlicher Bestandteil der Luft, kommt abernur geringen Mengen (ca. 0,03 %). Wasserstoffantrieb keine Produktion von Giftstoffen. Produziertfast nur Wasser und ist damit höchst umweltfreundlich. Einzige Ausnahme einige Stickoxide (NOx), inminimaler Menge.

Verfügbarkeit: 50-100 Jahre Erdölvorkommen erschöpft aus Wasser wird Wasserstoff · so lange regenerative Energie da ist.

Regenerativer Kreislauf (Bild)

Probleme:

Herstellung: H2 kommt in Natur nicht rein vor; - Aus Erdgas: aber unter freiwerdendem CO2 - partielle Oxidation von Schweröl - thermische Erdgasspaltung im Plasmabogen - Kohlevergasung: - drucklose Kohlestaubvergasung - Druckvergasung um Festbett - Braunkohle-Hochtemperaturvergasung - Hochtemperatur-Dampfelektrolyse - Vergasung von Biomasse und photobiologische Prozesse

Umweltfreundlich: Elektrolyse von Wasser Reinem Wasser ein wenig Säure oder Lauge, An- und Kathode wird O2 + H2 getrennt, Energie wird benötigt, regenerative Energie (fossile Brennstoffe sinnlos)

Sicherheitsaspekt: 2 Probleme mit flüssigen Wasserstoff bei Unfall 1. Bei -253°C gefriert der Wasserstoff alles was mit ihm in Kontakt kommt 2. Erhöhtes Entzündrisiko durch ReaktionsfreudigkeitWird aber durch die Konstruktion des Tanks eingedämmt

Beeinflussung des Klimas durch Wasserdampf: - Wird sicher nicht so extrem belasten wie das CO2 - Weiterhin ist die momentan hergestellte Menge Wasserdampf nur 0,005% so groß, wie sich ohnehinschon in der Atmosphäre befindet. - Geringe Klimabeeinflussung ist nicht auszuschließen - Forschungen stehen noch aus

Kosten: Großes Gegenargument. Wasserstoff und Brennstoffzelle sehr teuer Serienproduktion würde Preis drücken. Momentan liegt der Liter-Preis für Wasserstoff je nach Herstellungsverfahren durchschnittlich bei 0,50Euro, was knapp 2,- Euro für einen Liter Benzin entsprechen würde. Wobei durch den Vergleich derEnergiemenge von Wasserstoff und Benzin die vierfache Menge an Wasserstoff benötigt wird, um dieselbe Wirkung zu erreichen.

Energieeffizienz: Wasserstoff beinhaltet an Energie nur ein 4tel von dem was Benzin in gleicher Menge enthält. Die Energie des Wasserstoffs wird aber wie bei allen Energieumwandlern (Motor) nur zu 40% umgesetzt. Wie auf der Graphik zu erkennen ist.

Aufbewahrung im Fahrzeug: - Unter hohem Druck - Im flüssigen Zustand Flüssigen Zustand entschieden

Wasserstoff im PKW: Es 2 grundsätzliche Antriebsprinzipien mit Wasserstoff. 1. über einen Verbrennungsmotor (Otto-Motor) 2. über einen Elektromotor, der durch eine Wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle gespeist wird.

Verschiedene Arten zur Speicherung von Wasserstoff im PKW: Es gibt 2 Arten Wasserstoff so mitzuführen, um eine gewisse Reichweite zu erreichen. Einmal die Aufbewahrung unter hohem Druck (Druckgasspeicher) Zum anderen die flüssige Aufbewahrung bei -253°C (kyrogene Speicher)

Zuerst einmal den 1. Hochdruckgasspeicher

Der Druckgasspeicher sieht kugel- oder zylinderförmig aus, um die hohen Drücke von heute 350bar &zukünftig 700bar auszuhalten. Kugelförmig wird aber meistens ausgeschlossen, weil es für denFahrzeugeinsatz ungeeignet ist. Wegen der hohen Drücke kommt es auch zu einem Temperaturanstieg des Wasserstoffs während derBefüllung (bei Schnellbefüllung bis 100K). Druckgasspeicher werden überall dort eingesetzt, wo genügend Platz für die Unterbringung vorhandenist. · Busse (Dach und Unterboden)

2. Metallhydridspeicher

Eine weitere Möglichkeit der Speicherung von Wasserstoff ist der Metallhydridspeicher. Darunter versteht man, dass eine bestimmte Metalllegierung den Wasserstoff wie ein Schwammaufsaugt und unter einem geringen Druck speichert. Wasserstoff kann hierbei in einer noch höheren Dichte als im flüssigem Zustand gespeichert werden.

Da sie nur ca. 2% ihres Eigengewichtes aufnehmen können sind sie nicht für den Einsatz im Pkwgeeignet.

3. Flüssig-Speicher

Um akzeptable Reichweiten zu erlangen, scheint das Projekt von BMW mit dem Flüssig-Speicher amsinnvollsten. Dabei muss aber der Tank perfekt isoliert sein, um den kyrogenen (flüssigen) Wasserstoff bei -253°Czu speichern.

Die Tanks sind doppelwandig ausgeführt. Dazwischen befinden sich in einem Vakuum etwa 50 Lagenaluminiumbeschichteter Kunststofffolien. Die Tankisolierung ist so gut, dass bei hohen Außentemperaturen zwischen 2 und 3 Tagen keinTreibstoff verloren geht. Erst wenn der Druck im Tank über die langsame Erwärmung über 5 bar

ansteigt, werden täglich ca. 3% des Volumens über ein Abblasventil ausgestoßen, um den Druckkonstant zu halten.

Sicherheitstests bei den Tanks

Betankung eines Wasserstofffahrzeuges

Zuvor ergab sich aber ein neues Problem. Wie kommt "der Tiger in den Tank", also der Treibstoff indas Auto. Wer würde schon gerne mit einem -253°C kalten Tankarm herumhantieren. Doch für diesesProblem wurde schon eine perfekte Lösung entwickelt: eine vollautomatische Tankstelle. DieserPrototyp befindet sich am Münchner Flughafen und erfüllt seine Arbeit täglich . Die Tankstelle ist einGemeinschaftsprojekt von vielen namenhaften Firmen wie MAN, BMW, ARAL, Linde und Siemens,was die Bedeutung des Projektes wiederspiegelt. Fährt man in die Tankstelle hinein, steckt man lediglich noch eine Chipkarte mit dem Guthaben in eineKonsole. Inzwischen sucht und öffnet der Tankarm schon den Tankdeckel und dockt an.

Nachdem ein "Schuss" Helium die Restluft "herausgespült" hat, beginnt die Betankung mit demflüssigen Wasserstoff (LH2). Nach knapp 3 Minuten hat man die Tankstelle wieder verlassen und hateinen gefüllten Tank.

Da es mittlerweile erst 2 Wasserstofftankstellen in Deutschland (München) gibt, ist es noch unmöglich,auf einen weiteren eingebauten Benzintank zu verzichten. Nach Verbrauchen des Wasserstoffs kann einfach auf Benzinverbrauch umgeschaltet s werden.

Funktionsweise eines Wasserstoffmotors:

Im Allgemeinen funktioniert ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor genau so wie ein mit Benzinbetriebener Otto-Motor. Das ist der Vorteil dieser Variante, da in der Übergangszeit Benzin undWasserstoff im selben Motor verwendet werden können. Diese Eigenschaft ist auf Grund des nochnicht stark genug ausgebauten Wasserstofftankstellennetzes unverzichtbar.

Genauere Funktionsweise beim BMW-Motor Beispiel.

Vor- & Nachteile des Wasserstoffverbrennungsmotors

Als wichtigster Vorteil des Wasserstoffantriebes gilt die Umweltfreundlichkeit in bezug auf die Emissiondie das Fahrzeug verursacht. Dies ist zurück zu führen auf das ,,Magere Gemisch", wobei der Anteil von Wasserstoff pro Sauerstoffweitgehend minimiert wird. Das hat zur Folge, dass Kraftstoff gespart wird und die Verbrennung vonStickoxiden verringert wird. Diese Ideeumsetzung stellt eine der größten Vorteile für den Verbrennungsmotor dar.

Nachteile - Probleme, die durch diesen Antrieb entstehen:

Die Rückzündung in der Ansaugphase: Hierbei strömt das Kraftstoffgemisch in der Ansaugphase durch die geöffneten Einlassventile in denBrennraum, in dem sich teilweise noch heißes Restgas befindet. Es kann nun noch bei derAnsaugphase zur Entzündung des bereits eingeströmten Kraftstoffes kommen, was zur Rückzündungdurch die noch geöffneten Einlassventile führt. Bei einer Wassereinspritzung kann die Neigung

Rückzündung des Motors stark verringert werden, was außerdem eine klopfende Verbrennungvermeidet und die Bildung von Stickoxiden reduziert.

Glühzündung in der Kompressionsphase: Da die untere Zündgrenze von Wasserstoff nur etwa 1/10 von denjenigen herkömmlicher Treibstoffebeträgt, kommt es bei der Kompressionsphase leicht zur Entzündung an heißen Stellen oderÖlpartikeln. Eine ausgeklügelte Kühlung des Motors, die die heißen Stellen im der Brennkammerbeseitigt oder die Anhebung der Mindestzündenergie des Gemisches, sind die besten Möglichkeiteneine kontrollierte Verbrennung zu ermöglichen. Sonst wäre der Motor nur in Niedrigdrehzahlbereicheneinsetzbar. Das Kühlsystem wird in der Praxis durch natriumgekühlte Auslassventile realisiert, wodurchder Zylinderkopfbereich gekühlt wird. Das Heraufsetzen der Zündenergie wird durch die ohnehinbessere und bereits erwähnte magere Gemischbildung erreicht. Auch eine Abgasrückführung(Rückführung von Wasser) ermöglicht eine bessere Kontrollierbarkeit der Verbrennung.

Klopfende Verbrennung: Die Oktanzahl von Wasserstoff ist ziemlich niedrig, sodass es zur klopfenden Verbrennung kommt. Dem kann durch die magere Gemischbildung und durch das Abkühlen des angesaugten Gemisches z.B. durch Wassereinspritzung, entgegengewirkt werden.

Wasser-Anlagerungen an der Zündkerze beim Kaltstart Da es Probleme beim Kaltstart gibt, benötigt man eine Zündanlage die folgende Forderungen erfüllt: hohe Zündspannung bei Volllastkeine durch benachbarte Kabel auftretende Induktion im Zündkabelschnelles Abklingen der Restenergie im ZündkabelDiese Voraussetzungen können durch Spezialzündkerzen und abgeschirmten Zündkabeln, die unter Hochspannung arbeiten realisiert werden. Für die bessere Kontrollierbarkeit benötigt man einevollelektronische digitale Zündanlage.

Geringe Leistungsdichte infolge von Liefergradverlusten: Ein weiteres Problem stellt das ungünstige Kraft-Volumen-Verhältnis dar, was die geringe Dichte vonWasserstoff als Ursache hat. So wird bei der Mischung von Wasser- und Sauerstoff knapp ein DrittelSauerstoff verdrängt. Es befinden sich rund 29,5% H2 im O2. Beim Benzin-Luft-Gemisch liegt dieseProzentzahl nur bei rund 1,8 %. Neben der

Volumenabnahme bei der Verbrennung und dem geringerem Heizwert, ist dies die Hauptursache einerLeistungsminderung gegenüber den herkömmlichen Systemen. Allerdings lässt sich sagen, das derWirkungsgrad des H2 Motors höher liegt, als der bei Diesel- oder Benzinmotoren, was hauptsächlichauf die höhere Zündgeschwindigkeit des Wasserstoffes zurückzuführen ist. Diese schnelleEntzündung ermöglicht das Näherkommen an den thermodynamisch günstigen Gleichraumprozess.Es können Wirkungsgrade von über 40% erzielt werden.

Gemischbildung:

Damit es zu einer Verbrennung kommen kann, wird ein zündfähiges Gemisch benötigt. Dieses Gemisch sollte möglichst homogen und im gesamten Brennraum gleichmäßig verteilt sein. Umdiese Anforderungen zu gewährleisten gibt es 2 unterschiedliche Gemischbildungen:

- die innere Gemischbildung (Direkteinblasung) - die äußere Gemischbildung (Saugrohreinblasung)

In beiden Fällen wird von gasförmigem Wasserstoff ausgegangen, da der Kraftstoff auf jeden Fallunter 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 zurGemischaufbereitung gelangt.

Innere Gemischbildung

Der Wasserstoff wird im Zylinder mit Luft gemischt und dort gezündet. Um Fehlzündungen zuverhindern, wird der kryogene Stoff unter hohem Druck (8-12 MPa) eingespritzt und mittelsZündkerzen zur Explosion gebracht. Es sind jedoch elektronisch gesteuerte, hydraulische Ventileerforderlich, um eine exakt terminierte Zündung zu ermöglichen. Nachteil des ganzen Systems ist der hohe technische Aufwand.

Äußere Gemischbildung

Im Gegensatz zur inneren Gemischbildung wird hier das Luft-Wasserstoff-Gemisch außerhalb derBrennkammer erzeugt und anschließend eingeblasen. Eine Zündkerze bringt das Gemisch zumreagieren. Die magere Gemischbildung verhindert eine Rückzündung, bevor die Ventile geschlossensind. Außerdem werden so die Stickstoffemission und die thermischen Verluste reduziert.

Emission: Bei der Verbrennung von Wasserstoff kommt es lediglich zur Synthese von Stickoxiden (NOx).Ansonsten entstehen keinerlei Schadstoffe. Die Stickoxidbildung wird durch unreinen Sauerstoffhervorgerufen. Zur Verbrennung wird Luft angesaugt, in der sich Stickstoffteilchen befinden, welche imMotor oxidieren.Dieser geringe Nachteil könnte durch Mitführung reines Sauerstoffes zu 100% ausgeglichen werden.Doch dies wäre zu teuer um durchgeführt zu werden.

Bei der Verbrennung kommt es nicht zur sofortigen Stickoxidbildung, da dieser Effekt nur inVerbindung mit Kohlenwasserstoffen auftritt. Allerdings tritt die NOx Bildung auf, bei der molekularerStickstoff aus der Luft aufgespaltet wird, bevor er sich zusammen mit Sauerstoff zu Stickoxidenverbindet. Die beste Möglichkeit zur Minimierung der Stickoxidsynthese ist die magere Gemischbildung.

Funktionsweise des Bmw-Motors:

Im voraus noch BMW 745h + BMW 750hl im Vergleich

Der bayrische Automobilhersteller vertritt die Ansicht, das ein Verbrennungsmotor am besten für dieAufgaben gerüstet wäre. Der Transport des Wasserstoffes vom Tank zum Motor erfolgt durch Überdruck im Tank, der durcheine Heizung im Tank erzeugt wird. Dadurch können komplizierte Pumpsysteme, die den kryogenenBedingungen standhalten, weggelassen werden. Die Regulierung der exakten Wasserstoffmengenerfolgt durch ein elektronisch gesteuertes Dosierventil. Die erforderlichen Messwerte werden durch, indas Motorsystem integrierte, Messsonden bereitgestellt. Um Frühzündungen zu vermeiden und die Stickstoffemission zur minimieren, hat BMW den Weg desmageren Gemisches eingeschlagen, daher können eine Wassereinspritzung und die damit verbundenWartungsprobleme entfallen. Nachteil ist hier eine geringere Leistung, die auf die geringereEnergiedichte des mageren Stoffgemisches zurückzuführen ist. Der Motor arbeitet in seinem gesamten Betriebsbereich mit Luftüberschuss.

Diese Vorteile führen jedoch zu einer erheblichen Leistungseinbuße gegenüber einem mitkonventionellem Brennstoff betriebenen Aggregat. BMW hat es geschafft, diesen Nachteil mit einem mechanisch angetriebenen Kreislader größtenteilszu kompensieren, so dass die Motorleistung bei Wasserstoffbetrieb ca. 30% unter der desSerienfahrzeugs liegt.

Das Kraftstoffleitungssystem zwischen Ventilblock und Motor ist am Wagenunterboden bestmöglich,auffahrsicher im Schutz der Fahrzeugträger verlegt und vor mechanischer Beschädigung (Steinschlag)geschützt. Wasserstoffführende Bauteile, die an der Fahrzeugaußenhaut liegen, wie Sicherheitsventileund Tankstutzen, sind über flexible Elemente mit dem System verbunden, um Verformungenausgleichen zu können.

Natürlich müssen ebenso an den Kraftstoffleitungen, den Dichtungen und sämtlichen anderen Teilen,die mit dem ultrakalten Treibstoff in Berührung kommen, gewisse Modifikationen vorgenommenwerden, um das Fahrzeug für den Wasserstoff-Betrieb zu optimieren. Auch die Motor-Steuerelektronikmuss auf die Zündeigenschaften des Treibstoffs Wasserstoff umgestellt werden.

Zukunftsprognosen:

Damit Wasserstoff mit Benzin konkurrieren kann, muss dieser von der Politik deutlich steuerlichbegünstigt oder sogar davon befreit werden.

Das Tankstellennetz muss deutlich zunehmen, damit der Autofahrer keine Angst zu haben braucht,keine geeignete Tankstelle in der nächsten Region zu finden.

Die Pkws werden mit Brennstoffzellen ausgerüstet, die ebenfalls mit Wasserstoff funktionieren. Dasermöglicht einen höchstmöglichen Wirkungsgrad gegenüber Verbrennungsmotoren. Brennstoffzellenersetzen dann z.B. die Batterie (42V) um Umweltfreundlichkeit des Autos auf ein Maximum zureduzieren. Die gelieferte Energie kann für die Standheizung, Klimaanlage oder Bord-Computer imStand verwendet werden.

Bis 2010 sollen die ersten Wasserstofffahrzeuge in Produktion gegangen und bereits weltweit auf demMarkt zu kaufen sein.

Meiner Meinung nach ist Wasserstoff als Antriebskonzept für PKWs eine gelungene Erfindung. Die Umwelt wird geschont und gleichzeitig werden die letzten Energiereserven auf unserem Planetendurch erneuerbare Energie ersetzt. Ist dass beste, was uns passieren kann. Techniker arbeiten auch schon seit längerer Zeit an anderen Techniken, die mit Wasserstoff betriebenwerden sollen.

Militär (U-Boote) Schiffe Motorroller Laptop (über Brennstoffzelle) Und natürlich die Brennstoffzelle selbst.

Zum Schluss, ein Zitat von Joschka Fischer:

"Wir stehen hier erst am Beginn, ich hoffe am Beginn des Wasserstoff-Zeitalter."

Quellen:

BMW-Unterlagen über Clean Energy BMW - Zukunft Wasserstoff Linde AG - Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

http://www.hydrogeit.de/

http://www.undnews.de/Members/pl/20021113_Voll_auf_Wasserstoff/view

http://www.innovation-brennstoffzelle.de/

http://www.freesen.de/H2expo/wenl0502.htm

http://www.habito.de/HACELL101.htm http://www.dwet.de/

http://www.bmw.com/bmwd/pulse/enterprise/cleanenergy3/

http://www.fuel-web.net/PKW.htm

http://www.seitenblick.com/dynamic/aktuell/motor_flash.htm

http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/ph1_0102/tipl173.gif

http://www.brainpop.com/ ( (Brennstoffzelle)

© Zachskorn Stephan & Quellen