H2 on Demand für Wasserstoffverbrennungsmotoren in Autos

Strategien für alternative Fahrzeugantriebe

Marlon A. Jaun

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2016
• ISBN drucken:
  9783741255847
• eBook-ISBN:
  9783741217241
• Auflage: 1
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Engineering General

Die Energiewende ist beschlossen und der Weg, hin zu CO2-neutralen Autos scheint klar zu sein. Nach wie vor dominieren Benzin- und Dieselfahrzeuge die Straßen. Warum dies so ist, zeigen die Marktkräfte in der zersplitterten Branche des Fahrzeugmarktes auf, welche systematisch analysiert und aufgezeigt werden. In einer Technologieanalyse werden verschiedene Antriebssysteme untersucht und in einer SWOT Analyse dargestellt. Diese zeigt auf einen Blick, wo die Vor- und Nachteile, aber auch die Stärken und Schwächen der einzelnen Antriebssysteme liegen. Wasserstoff scheint bisher der einzige Energieträger zu sein, welcher CO2-neutral verbrennt und bei der idealen Verbrennung lediglich Wasser entstehen lässt. Neben Einsatzgebieten als Treibstoff in Fahrzeugen, kann Wasserstoff auch zum Heizen genutzt werden, wobei die bestehende Erdgastechnologie verwendet werden kann. Trotz der Vorteile hat Wasserstoff als Energieträger den Markt noch nicht durchdringen können. Im Fahrzeugmarkt sind bisher verschiedene Probleme im Bereich der Speicherung des Wasserstoffs, der Reichweite, dem Tankstellennetz und der Herstellkosten für Wasserstoff entstanden. Um die bisherigen Probleme mit Wasserstoff als Treibstoff in Fahrzeugen zu lösen, wurde die Idee verfolgt "Wasserstoff on Demand" direkt im Fahrzeug zu produzieren. Dabei wurden verschiedene Wasserstoff Herstellmethoden untersucht, welche für ein On-Demand-System geeignet sein können. In einer Machbarkeitsanalyse wurde festgestellt, dass ein Wasserstoff-on-Demand System theoretisch funktioniert. Es ist entweder möglich, den Benzin/Dieselverbrauch mit Wasserstoff zu 100% zu ersetzen, oder aber den Benzin/Dieselverbrauch enorm zu reduzieren. Bei beiden Varianten wird der Wasserstoff direkt im Fahrzeug hergestellt. In einem Fließbildschema wurde ein mögliches System dargestellt, wie dies in der Praxis zum Einsatz kommen könnte. Die Machbarkeit eines solchen Systems muss mit praktischen Versuchen erst noch bestätigt werden.Dieses Buch dient, um Strategien für den alternativen Fahrzeugmarkt zu entwickeln, Technologien weiter zu analysieren, aber auch für weitere Forschungsarbeiten. Für Entwicklungsingenieure dient dieses Buch, um ein Elektrolysesystem on Demand zu entwickeln und in praktischen Versuchen zu testen. Für Autohersteller besteht die Möglichkeit, mit einem H2-on-Demand-System die CO2-Grenzwerte einzuhalten und den CO2-Ausstoß Ihrer Fahrzeuge weiter zu senken.

1 Einleitung

Kohlendioxid (CO₂) ist hauptverantwortlich für den Treibhauseffekt, welches vor allem durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzt wird.¹ Die CO₂ Emissionen beeinflussen die Qualität der Atmosphäre und haben ernsthafte Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, Fauna und Flora. ² (vgl. Übersetzung des Autors nach Bardescu/Legendi 2015 : 1122, 1127). Die Schweiz hat daher im Bundesgesetz über die Reduktion der CO₂-Emissionen beschlossen, diese zu senken um den globalen Temperaturanstieg auf weniger als 2 Grad Celsius zu beschränken (vgl. Bundesgesetz über die Reduktion der CO₂ Emissionen 2011: Art. 1). Der Transport (ohne internationalen Flugverkehr) trägt mit 14.35 Mio. t. CO₂ Ausstoss im Jahre 1990 und 16.10 Mio. t. CO₂ im Jahr 2013, wesentlich zu den CO₂-Emissionen und somit zum Treibhauseffekt bei (vgl. BAFU Treibhausgasemissionen nach Verursachergruppen: 2014). Um die CO₂ Emissionen im Bereich Transport zu verringern ist es also notwendig auf Fahrzeuge mit alternativen, umweltfreundlichen Antriebssystemen umzusteigen. Umweltfreundlich im Sinne des Bundesgesetzes, dass keine fossilen Energieträger wie Benzin und Diesel mehr eingesetzt würden. Ein erster Schritt wird bereits getan mit Elektrofahrzeugen, doch ganz neu ist diese Idee nicht. „Das Automobil wurde bereits Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt. Damals wurde nicht nur der Ottomotor erfunden und bis zur Nutzungsreife entwickelt. Es wurde auch erfolgreich an Elektrofahrzeugen gearbeitet. 1882 stellte Werner Siemens seinen elektrischen Kutschenwagen in Berlin vor. Auf der Weltausstellung im Jahr 1900 in Paris wurde dann ein praxistaugliches Elektroauto der Weltöffentlichkeit präsentiert, der `Lohner-Porsche`. [...] Das Fahrzeug [...] war 50 km/h schnell und hatte mit einem 400 kg schweren Bleiakku eine Reichweite von beachtlichen 50 km. Da die Reichweite der Benzinmotoren deutlich grösser war, setzten sich diese – wie hinlänglich bekannt – überaus erfolgreich durch.“ (Karle, Elektromobilität 2015 : 17) Das Problem der Reichweite von Elektrofahrzeugen gegenüber Benzin/Dieselfahrzeugen könnte auch heute noch der ausschlaggebende Punkt sein, warum im Jahr 2014 von insgesamt 4`384‘490 eingelösten Fahrzeuge nur 4`439 rein elektrisch betriebene Fahrzeuge waren (vgl. Bundesamt für Statistik, Personenwagen 2014 : 05 Jan 15). Eine Alternative zu Elektrofahrzeugen bietet BMW mit seinem Modell Hydrogen 7, welches mit reinem Wasserstoff betrieben wird (vgl. BMW Hydrogen 7:http://www.bmw.com/com/de/insights/technology/efficient_dynamics/phase_2/clean_energy/bmw_hydrogen_7.html, Abrufdatum:03.11.2015). Trotz der Tatsache, dass in der Schweiz im Jahre 2014 nur 5 Personenfahrzeuge mit Wasserstoffantrieb eingelöst waren, was einem Anteil von weniger als 0.0001% der gesamthaft eingelösten Fahrzeuge entspricht (vgl. Bundesamt für Statistik, Personenwagen 2014 : 05 Jan 15), plant Coop die erste öffentlich zugängliche Wasserstoff-Tankstelle der Schweiz. Dies in Zusammenarbeit mit Axpo welche mit der Produktion aus heimischer Wasserkraft in ein neues Geschäftsfeld vorstossen und einen Beitrag zur Reduktion von CO₂-Emissionen leisten will. Coop plant einen Teil der eigenen Fahrzeugflotte auf wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Autos umrüsten – Autos, die nur Wasserdampf ausstossen. (vgl. Axpo Energiedialog, Mai 2015 : 6-7). Beim Projekt von Coop gibt es mehrere Marktdilemma welche gelöst werden müssen: ohne Wasserstoff-Fahrzeuge gibt es keine Nachfrage nach Wasserstoff-Tankstellen und ohne Wasserstoff-Tankstellen wiederum gibt es keine Nachfrage nach Fahrzeugen welche mit Wasserstoff betrieben werden. Ein weiterer Punkt ist der Wirkungsgrad bei der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff, welcher ca. 65% beträgt (vgl. Wasserstoff als Energieträger, Getoff et al 1977 : 17). Bei der Umkehrreaktion, der Elektrolyse in Brennstoffzellen, liegt der Wirkungsgrad bei etwa 50 bis 60% (vgl. Elektromobilität Grundlagen und Praxis, Karle 2015 : 37). Ökonomisch und energietechnisch ist es also nicht sinnvoll Wasser durch Elektrolyse in seine Bestandteile aufzuspalten und danach in Brennstoffzellen wieder zu vereinigen um daraus elektrischen Strom zu gewinnen. Wenn man den Wirkungsgrad der Elektrolyse von ca. 0.65 mit dem mittleren Wirkungsgrad in der Brennstoffzelle von 0.55 multipliziert, erhält man einen Gesamtwirkungsgrad von 0.35 was 35% entspricht. Der Wirkungsgrad eines 4 Takt Otto Verbrennungsmotors hingegen kann bis zu 46% betragen (vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik, Fischer, Gscheidle et al, 2013 : 200). Aus Gründen der Effizienz des Wirkungsgrades wäre es sinnvoller Wasserstoff direkt in Verbrennungsmotoren einzuspritzen, als den Umweg über Brennstoffzellen zu nehmen, wie dies beim BMW Hydrogen 7 realisiert wurde. Das Problem ist allerdings, dass neben einem hohen Energieaufwand zur Verflüssigung des Wasserstoffs auf -250°C, sich dieser durch unvermeidbare Isolationsverluste verflüchtigt. D.h., wenn ein solches Fahrzeug ungenutzt steht, ist nach einer bestimmten Zeit der Tank durch die Verflüchtigung des Wasserstoffs leer (vgl. Fischer et al, Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2013 : 395). Mit einem System bei welchem Wasserstoff direkt bei Bedarf „on Demand“ im Fahrzeug herstellt und in den Verbrennungsmotor eingespritzt wird, wäre auch dieses Problem gelöst. Wenn dieses System ohne grösseren Aufwand und zu angemessenen Kosten in bestehende Verbrennungsmotoren eingebaut werden kann, könnte dies zu einem grösseren Marktpotenzial für Wasserstoffantriebe beitragen. Eine Technologie in diese Richtung bietet das Unternehmen Modern Tech Limited, 145-157 ST JOHN STREET, LONDON, ENGLAND, EC1V 4PW an, bei der ein Elektrolysesystem an den Alternator im Fahrzeug angeschlossen wird und der erzeugte Wasserstoff via Luftansaugsystem in den Motor gelangt. Dieses System braucht weiterhin Benzin oder Diesel, reduziert jedoch den Treibstoffverbrauch gemäss dem Unternehmen um bis zu 35% und somit auch die CO₂ Emissionen. Ein Standard PKW HHO Set kostet je nach Grösse und Leistung zwischen 186,90 Euro und 312,00 Euro (vgl. HHO Standard Kit: http://www.hhogas.at/de/11-hho-sets-standard Abrufdatum: 03.11.2015). Wenn man die Leistung dieser Technologie soweit optimieren kann um ein 1:1 Benzin /Dieseläquivalent zu erzeugen, wäre es möglich genügend Wasserstoff on Demand zu erzeugen um das Fahrzeug zu 100% mit Wasserstoff zu betreiben. Dabei könnte Wasser als Treibstoff nachgetankt werden und im Vergleich zu Benzin und Dieselmotoren würde es zu keinen Leistungs- und Reichweitenverlusten kommen. Dies wäre ein klarer Vorteil gegenüber den heutigen alternativen Antriebssystemen, allen voran den Elektrofahrzeugen.

1.1 Ausgangslage und Problemstellung

Auf der Grundlage des in Kapitel 1 Einleitung erwähnten Projektes von Coop und Axpo zum Bau und Betrieb der ersten öffentlichen Wasserstoff-Tankstelle der Schweiz und der CO₂ Problematik des Treibhauseffektes, ist das Thema zu dieser Masterarbeit mit dem Titel „H₂ on Demand für Wasserstoffverbrennungsmotoren in Autos“ entstanden, da es im erwähnten Projekt zwei Marktdilemmas gibt welche gelöst werden müssen. Diese Marktdilemmas sind zugleich Bestandteil der nachfolgenden Thesen.

1. These (1. Marktdilemma)

Ohne gut ausgebautes Wasserstoff-Tankstellennetz, sind Autofahrer auch weiterhin nicht bereit in eine neue Technologie zu investieren und auf Wasserstoff als Treibstoff umzusteigen. Gründe dafür sind hohe Umrüstkosten, da das bestehende Auto verkauft werden muss und ein neues mit der neuen Technologie beschafft werden muss. Der Preis wird mit grosser Wahrscheinlichkeit höher sein als für die bestehende Technologie der Benzin- und Dieselmotoren. Dazu kommt das Risiko eines nicht ausgebauten Wasserstoff-Tankstellennetzes.

2. These (2. Marktdilemma)

Ohne Autofahrer welche Wasserstoff als Treibstoff nutzen, sind Tankstellenbetreiber nicht bereit das Wasserstoff-Tankstellennetz weiter auszubauen, weil das Risiko die Investitionen in diese Technologie nicht amortisieren zu können hoch sind.

3. These

Wenn Autofahrer ihre bestehenden Fahrzeuge mit Benzin- und Dieseltechnologie ohne grossen Aufwand auf die Wasserstoff-Technologie umrüsten können, dabei der Benzin und Dieselverbrauch enorm reduziert oder gar durch Wasserstoff ersetzt wird, sind Autofahrer eher bereit auf die Wasserstoff-Technologie umzurüsten.

4. These

Es gibt eine Technologie, welche es erlaubt bestehende Benzin- und Dieselmotoren ohne grossen Aufwand auf die Wasserstoff-Technologie umzurüsten. Diese Technologie reduziert oder substituiert den Benzin und Diesel als Treibstoff. Bestehende Benzin- und Dieselautos können mit dieser Technologie weiterhin genutzt werden. Der Wasserstoff wird bei dieser Technologie di...

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