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Brennstoffzellen und Anwendungen

Dipl. Ing. (FH) Peter Pioch24.10.2015

Weiterbildungszentrum für innovative Energietechnologien der Handwerkskammer Ulm (WBZU)

Michael Faraday Institution e.V.

WBZU - Education and Training Centre Ulm for Innovative Energy TechnologiesHandwerkskammer = Chamber of Crafts

2

Was erwartet Sie?

Grundlagen BrennstoffzellenDipl. Ing. Peter Pioch

1. Funktion und Aufbau eines PEFC-Stacks / Function

2. Komponenten und Funktion eines Brennstoffzellen-Systems / Components

3. Übersicht Brennstoffzellen-Typen / Types

4. Kennlinien und Kenndaten: Strom, Spannung, Leistung, Wirkungsgrad, U-I Kennlinie / characteristic curves, specifications, efficiency, I-U graph

5. Anwendungen im Auto, weitere Anwendungen mobil, stationärApplications mobile, stationary

1. Funktion und Aufbau eines PEFC-Stacks: Elektrolyt, GDL, Bipolarplatte

4

Geburt der Brennstoffzellen 1839: Die Entdeckung der Brennstoffzelle durch Sir W. Grove

Renaissance der Brennstoffzelle: Raumfahrtn 60er Jahre: Entwicklung und Einsatz Apollo-Programm

n 80er Jahre: Entwicklung und Einsatz für Space-Shuttle-Programm

Sir W. Grove

Geschichtliches zur Brennstoffzelle

Bildquelle: englische Wikipedia

Bildquelle: NASA, gemeinfrei

4

Frühe Märkte

5

n Seit ca.1990: Wiederentdeckung der Brennstoffzelle

n Seit ca.2000: Prototypen und Vorserienprodukte

n Derzeit stehen bereits kommerziell erhältliche Produkte zurVerfügung. Andere stehen vor der Markteinführung.

Bildquelle: SFC Energy AG , WBZU, Daimler, Baxi

Geschichtliches zur Brennstoffzelle

Direktmethanolzelle Unterbrechungsfreie Stromversorgung PKW Hausenergieversorgung

5

Frühe Märkte

62 H2O

Wasser H2O OH

HO

H

H

Funktionsprinzip am Beispiel der PEFC

Elektrolyt

Ano

de (-

)Rest-Brenngas

Kat

hode

(+)

Katalysator

-H2

H+

−+ +→ 4e4H2H2

Anode

H+

H+H+

- - - -

+4HMembran

O2H+-

O2H4e4HO 2-

2 →++ +

Kathode

Brenngas (H2)

H2 H2

2 H2

Oxidationsmittel (Luft / O2)

O2

O2

Gesamtreaktion O2HO2H 222 →+

Quelle: eigene Darstellung (T.Aigle, WBZU)

7

Der kleine aber feine Unterschied...

e-

+

e-

H++ elektrische und

thermische Energie

+ sehr viel Wärme

e-

e-

+

Knallgasreaktion:

Kontrollierte elektrochemische Reaktion

WärmeEnergie eelektrischO2HO2H 2

tkontollier

22 ++→+

8

Stackaufbau PEFC - 1

Schaltet man mehrere Einzelzellen in Reihe, so spricht man von einem Brennstoffzellenstack (Stapel). Die Spannungen der Einzelzellen addieren sich zur Gesamtspannung.

Bild: PEM-Brennstoffzelle (ZSW-Ulm)

H2 H2 H2

End

plat

te

Bip

olar

plat

te

End

plat

te

Bip

olar

plat

te

EME GDL

9

Begriffe „Stackaufbau“

1. Elektrolyt (Membran)Sorgt für den Ionentransport und trennt Anode und Kathode.

2. ElektrodenHier finden die elektrochemischen Reaktionen statt.

3. EME / MEA = membrane electrode assemblyElektrode Membran Einheit: „Herzstück“ der Brennstoffzelle.

4. Gasdiffusionslagen / gas diffusion layerSind für die Versorgung und Verteilung der Reaktionsgase notwendig.

5. Bipolarplatten Feine Kanäle in den Platten sorgen für die Zufuhr und Verteilung von Wasserstoff und Sauerstoff. Außerdem dienen sie als „Elektronensammler“.

10

1. Elektrolyt / Membran

n Anforderungen an den Elektrolyten (hier: Membran):

ð gasdicht

ð gute Protonenleitfähigkeit

ð geringe elektrische Leitfähigkeit

ð stabil gegen Sauerstoff und Brennstoff (z. B. H2)

ð hohe mechanische Stabilität

n Material/Eigenschaften:

ð Membran aus Polyperfluorsulfonsäure

ð 30 bis 175 µm dick

ð Protonenleitfähigkeit s ≈ 0,2 S/cm (Nafion® 117, 100%RH, 50°C)

Struktur von Nafion®

11

2. Elektroden

n Anforderungen an die Elektroden:

ð gute elektrische Leitfähigkeit

ð große Kontaktfläche mit dem Elektrolyten (hohe Oberfläche)

ð gute Transporteigenschaften für Gase

ð gute Transporteigenschaften für Ionen (H+)

ð gute katalytische Eigenschaften

ð stabil gegen H2 und O2

n Material:

ð Anode: Pt/Ru (0,4 mg/cm2) auf Kohlenstoff

ð Kathode: Pt (0,4 mg/cm2) auf Kohlenstoff

Bild: REM Aufnahme einer Elektrode (ZSW-Ulm)

12

3. Elektroden Membran Einheit (EME)

Verbindung der Membran mit den beiden Elektroden

Polymerelektrolyt

Kohlepartikel

katalysatorbelegte Kohle

Gasdiffusionsschicht

Katalysatorschicht

Elektrolytschicht

3-PhasengrenzeReaktionsort:

Katalysatorpartikel (z. B. Pt 1,5-5 nm)

Photo einer EME

13

4. Gasdiffusionslage (GDL)

n Anforderungen an die Gasdiffusionslage (GDL):

ð gute Transporteigenschaften für Gase

ð „Bereitstellung“ von Wasser an der Anode

ð Abtransport von Reaktionswasser an der Kathode


n Material:

ð graphitisiertes Papier

ð hydrophobisiert (tefloniert, Belegung ca. 25%)

Bild: REM Aufnahme einer GDL (ZSW)

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5. Bipolarplatte

n Anforderungen an die Bipolarplatten:ð gasdicht


ð stabil gegen Sauerstoff und Brennstoff

ð mechanische Stabilität

ð flächige Zuführung der Reaktionsgase an GDL

n Material/Eigenschaften:ð Graphit-Composit-Thermoplast

ð gute chemische Stabilität

ð geringe Material- und Fertigungskosten

ð Mäander- oder Netz-Flowfield

n Alternativen: ð Graphit

ð Edelstahl

ð Aluminium

ð Titan

Bild: Graphit-Composit BBP (ZSW-Ulm)

2. Komponenten und Funktion eines Brennstoffzellen-Systems / Components and function

Komponenten Brennstoffzellen-BHKW

Quelle: Fa. Heliocentris / P. Pioch

Bild: Labor WBZU(Heliocentris HP300)

3. Übersicht Brennstoffzellen-Typen / Types

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Eigenschaften Brennstoffzellen-Typen

AFC PEFCDMFC PAFC MCFC SOFC

Temperatur niedrig hoch

Kat. Material edel Weniger edel

Gasanforderung Reinstgase Weniger rein

Zell-Wirkungsgrad niedrig hoch

Systemkomplexität hoch niedriger

Start-Up-Time sofort hoch

Dynamik hoch niedrig

<100°C bis 1000°C

Platin Metalle

4-5.0 H2CnHm

40-50% 50-60%

Reformer Interne Ref.

Sekunden Stunden

Quelle: eigene Darstellung (T.Aigle, WBZU)

19

Welcher Typ für welche Anwendung?

Source: Jörissen/Garche 2000,17. Own additions

4. Kennlinien und Kenndaten: Strom, Spannung, Leistung, U-I Kennlinie

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Kalte und Warme Verbrennungen

Kalte Verbrennung (Brennstoffzellen):n kontrollierter Reaktionsverlauf (keine Flamme)n direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energien Umweg über ein Arbeitsmedium ist nicht notwendig !

Brennstoff Elektrizität

OH

H

Warme Verbrennung (Wärmekraftmaschine):n unkontrollierter Reaktionsverlaufn die freiwerdende Wärme wird auf ein Arbeitsmedium übertragen (z.B.

Wasser, Wasserdampf)n das Arbeitsmedium durchläuft einen Kreisprozess und treibt eine Turbine mit

Generator an

Brennstoff Wärme Bewegung

Turbine Generator

Elektrizität

-

22

Energiebilanz einer Brennstoffzelle

In einer Brennstoffzelle wird die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie in Elektrische Energie und Wärmeenergie umgewandelt.

Brennstoffenergie = elektrische Energie + Wärmeenergie

KJ/mol 285.8ΔH , O2HO2H O222 =→+

Wasserstoff

Sauerstoff/Luft

Wasser

WärmeElektrizitätBZ

Heiz- und Brennwert / Reaktionsenthalpie

Die Brennstoffenergie wird bei der Verbrennung des Brennstoffs als Reaktionswärme frei. In einer Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff, pro mol Wasserstoff wird eine Energiemenge von 286kJ freigesetzt. Dieser Wert wird als Reaktionsenthalpie ∆H oder bei konstantem Druck als Heizwert bezeichnet.

Faraday‘s law

23

24

Wirkungsgradvergleich WKM und BZ

Theoretischer Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine (Carnot Wirkungsgrad):

max

min

max

minmaxc T

TT

TTη −=−

= 1

Tmax: Maximale Prozesstemperatur („Dampftemperatur“)Tmin: Minimale Prozesstemperatur („entspannter Dampf“)

Theoretischer Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle:

ΔHΔST1

ΔHΔST-ΔH

ΔHΔG(T)η OBZMax, −=

⋅≈=

25

Theorie: Wirkungsgradvergleich WKM und BZ

Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen arbeiten bei einem niederen Temperaturniveau schon effizient !

0%

25%

50%

75%

100%

0 200 400 600 800 1000 1200

Tempeperatur [°C]

theo

retis

cher

ele

ktris

cher

W

irkun

gsgr

ad [%

]

H2-O2 Brennstoffzelle

WKM, Carnot (T2=100°C)

eigene Darstellung

26

Und wie sieht die Praxis aus ?

27

U-I Kennlinie 1

U∆G= U0

Zells

pann

ung

U

Zellstrom I

∆Urev

UN

U∆H

∆UN

∆UR

∆UDiff

∆UD

UZ

IZ

∆U

∆U= ∆Urev+ ∆UN+ ∆UD+ ∆UR+ ∆UDiffeigene Darstellung (T.Aigle, WBZU)

U – I Kennlinie einer Einzelzelle

eigene Messung, WBZU

5. Anwendungen im Auto

30

…eines Morgens auf dem Weg zur Arbeit:

Stellen Sie sich vor:

Sie möchten noch schnell tanken

und finden diese Situation vor:

31

So mir geschehen am 2. Mai 2011

32

Ich konnte tanken. Gas kommt per Pipeline.

33

Umweltfreundlichkeit der Erdgasfahrzeuge

Erdgas ist umweltfreundlich.

In Zukunft können wir Biogas verwenden, was besonders umweltfreundlich ist.Biogas – saubere Antriebskraft

Quelle. P.Pioch, WBZU

34

Pionierzeit

Der Twike – etwas für Individualisten. Nicht für die Masse.

Quelle. Wikipedia

35

Und nun….

Sehr alternative Antriebe…..

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Holzvergaserautos / wood gasifier car

Quelle. www.gengas.se

Technical supervision passed

37

Holzvergaserautos

Quelle. www.gengas.seHelena och Lars gillar att åka med sin gengasbil. ”Det är billigt, och så träffar man så manga roliga människor”, sägar de.Quelle: Husvagn & Camping 7/03

Helena und Lars lieben es mit ihren Holzvergaserauto zu fahren. „Das ist billig, und dabei trifft man so viele lustige Menschen“, sagen sie.(Die beiden fahren wöchentlich die Entfernung von 270 km zwischen Haus und Sommerhaus)

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Überblick Innovationscluster

n Verbrennungsantrieb Benzin/Diesel (Cluster 1)ð + hohe Reichweite, hohe Leistung, Erfahrung, Infrastruktur

ð - Stickoxide, Kohlendioxid, Wirkungsgradpotential nahezu ausgereizt

n Verbrennungsantrieb Wasserstoff (Cluster 2)ð + Geringere bis nahezu keine Schadstoffemissionen

ð - Wirkungsgrad, Infrastruktur

n Hybridantrieb (Cluster 3)ð + Emissionsverhalten, hohe Reichweite

ð - komplexes Systemkonzept, hohes Gewicht

n Elektrofahrzeug Batteriebetrieb (Cluster 4)ð + Sehr hoher Wirkungsgrad, lokal emissionsfrei

ð - geringe Reichweite, hohes Gewicht, Ladezeit

n Elektrofahrzeug Brennstoffzelle (Cluster 5)ð + Hoher Wirkungsgrad, lokal Emissionsfrei

ð - komplexe Technik, Infrastruktur

Einführung

Mercedes E320 Bluetec

BMW Hydrogen7

Toyota Prius

Mitshubishi

Daimler f-cell

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Varianten der Hybridfahrzeuge

Quelle: e-mobil-bw.de

40

Brennstoffzellen Plug-in Fahrzeug

n Ein Brennstoffzellen Fahrzeug hat eine Batterie für z.B. 50 Fahrkilometer.

n Diese wird für Kurzstrecken - Fahrten zur Arbeit etc. genutzt und nach Verfügbarkeit einer Tankstelle geladen.

n Bei längeren Fahrten wird bereits bei Fahrtbeginn dies der Steuerung vom Auto per Knopfdruck mitgeteilt. Die Batterie wird dann bei 75% SOC als Puffer genutzt und die Brennstoffzelle gestartet.

n Die Brennstoffzelle dient als Range – Extender und erlaubt Reichweiten ähnlich einem Erdgasauto.

Quelle: e-mobil-bw.de, bearbeitet

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Mild Hybrid Full HybridPlug-In Hybrid

Batterie-E-Fahrzeug

Brennstoffzellen-E-Fahrzeug

Reichweite(elektrisch)

Start / Stopp ca. 2 km bis 50 km 100 - 200 kmca. 500 km

Einsatz

elektrisch fahren

beliebig Stadtfahrzeug

Nutzung Erneuerbarer Energien

H2 aus EE StromStrom

H2

Emission ++++++

beliebig (ideal für Stadt- und Regionalverkehr)

+++++

Infrastruktur Betankung

Elektromobilität – Vielfältige Lösungen

Quelle: ZSW 2010

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Gesamtwirkungsgrad BZ-Auto (Bsp. Daimler)

100 % H2

37,7 % Gesamtwirkungsgrad Tank-Rad A-Klasse, B – Klasse 45 %

62,2 % BZ-Ausgang 37,8 % Abwärme

45,8 % Umrichtereingang 16,4 % Neben-aggregate

37,7 % Rad8,1 % Umrichter,Motor, Getriebe,Differential

Quelle: Daimler 2003

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Konzepte für BZ-Fahrzeuge

n Daimler entwickelte einen Prototypen (Necar5) mit einem Methanol-on-Bord-Reformer.

n Fast alle Fahrzeughersteller (auch Daimler) konzentrieren sich auf direkte Wasserstoffspeicherung.

n Die meisten Fahrzeuge nutzen Druckwasserstoff. Stand der Technik sind 350-bar und 700-bar-Tanks.

n Flüssigwasserstoff wird in Kryogentanks gelagert. Wasserstoff verflüssigt sich bei -253°C.

Quelle: Aigle/Marz 2006, 852. Brennstoffzellen-Fahrzeuge

44

Beispiel: B-Klasse mit Brennstoffzelle

B-Class F-Cell

Next generation of the fuel cell-power train:

• Higher stack lifetime (>2000h)

• Increased power• Higher reliability• Freeze start ability• Li-Ion Battery

Size- 40%

[l/10

0km

]

Consumption- 16%

[kW

]

Power+30%

[km

]

Range+150%

Technical Data

Vehicle Type Mercedes-Benz A-Class (Long-Version)

Fuel Cell System PEM, 72 kW (97 hp)

EngineEngine Output (Continuous / Peak):45 kW / 65 kW (87hp)Max. Torque: 210 Nm

Fuel Hydrogen (35 MPa / 5,000 psi)

Range 105 miles (170 km / NEDC)

Top Speed 88 mph (140 km/h)

Battery NiMh, Output (Continuous / Peak): 15 kW / 20 kW (27hp);Capacity: 6 Ah, 1.2 kWh

Technical DataVehicle

TypeMercedes-Benz B-Class

Fuel Cell System PEM, 80 kW (108 hp)

Engine

IPT Engine Output (Continuous/ Peak) 70kW / 100kW (136hp)

Max. Torque: 320 Nm

Fuel Hydrogen (70 MPa / 10,000 psi)

Range 250 miles (400 km)

Top Speed 106 mph (170 km/h)

Battery Li-Ion, Output (Continuous/ Peak): 24 kW / 30 kW (40hp); Capacity 6.8 Ah, 1.4 kWh

A-Class F-Cell

Quelle: Daimler AG, Dr. Wind

45

Komponenten eines H2 BZ-Fahrzeugs

Ein BZ-Fahrzeug ist ein Elektrofahrzeug (keine Verbrennung):Neue Anforderung an Hersteller, Zulieferer und Handwerk

Quelle: Stauch 2005

Einsatzfelder

Beispiel: f-cell A-Klasse von Daimler

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Brennstoffzellensystem XcellsisTMHY-80

Kühlmittelpumpe

Systemmodul

Brennstoffzelle(80 kW)

Steuerungseinheit

Quelle: Tillmetz/Benz 2006

Stromverteilungseinheit

Einsatzfelder

Daimler f cell B Klasse

47

Quelle: blog.mercedes-benz-passion.com

Das Bz System ist deutlich kleiner, aber immer noch unterhalb des Fahrers / Beifahrer


48


Die Hochvolt Batterie unterhalb des Kofferraums


49


Drei 700 bar Tanks zwischen Bz-System und vor der Hinterachse, geschützt gegen äußere Einflüsse


50

Vorne Bordelektronik, Kühlsystem und konventionelle Technik, z.B. Bremssystem.


Das neue System von Daimler für konventionellen Einbau

51

Quelle: Fotos bei der World of Energy Solutions, 2014, Stuttgart, Stand Daimler

Der Stack hat „handliche“ Ausmaße erreicht. Die Leistung dürfte bei 80 – 90 kW liegen. Die orangenen Kabel führen den Strom ab. Unten ist der Antrieb zu sehen.


52


Am unteren Ende der orangenen Kabel der Zugang zur Leistungselektronik.


53


Dieses neue System ist durchaus kompakt und mit einem herkömmlichen Motor vollkommen zu vergleichen.

700 bar Tank der Firma Magna Steyr

54

Quelle: Fotos bei der World of Energy Solutions, 2014, Stuttgart, Stand Magna Steyr

Links ist der Befüllanschluss. Jeder Tank hat einen elektrischen Anschluss für ein NC Ventil. Nur wenn das Bz-System in Betrieb ist, wird das Ventil geöffnet.

55

Brennstoffzellenbusse

n 27 Citaro-Busse wurden zwischen 2003 und 2005 in 9 europäischen Städten getestet.

n Aktuell Einsatz in Hamburg, Stuttgart

n Stack-Technologie von Ballard:

ð Zwei Module “MK902 Heavy Duty“ mit 300 kW

n Tanksystem

ð 9 CGH2-Behälter mit 350 bar können 1845 Liter speichern.

n Reichweite

ð 200 bis 250 Kilometer

n Höchstgeschwindigkeit

ð ca. 80 KilometerQuelle: Fuel Cell Bus Club 2004

56

H2-Tankstellen - weltweit

186 Tankstellen weltweit! Stand März 2014

Quelle: H2stations.org (LBST 2011)

Wasserstoff

Bilder: H2-Tankstelle am Stuttgarter Flughafen

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Test von Brennstoffzellen Autos in Oslo am 26.11.2011

140 Oslo citizens drove new fuel cell vehicles

About 10.000 people got a chance to see the latest FCEVs brought to Oslo by the EU-project “H2moves Scandinavia”. After a new hydrogen station had been opened on Monday 21st in Oslo, the public was invited to test low-carbon cars to make sure that they offer the same comfort and luxury as more conventional vehicles.

ð- 4 Mercedes-Benz B-Class F-CELL,

ð- 2 Hyundai ix35 FCEV and

ð- 4 Th!nk City Cars with fuel cell range extender

The vehicles were offered for a free test-drive to everyone showing their driver’s license on November 26 2011.

Quelle: www.hyer.eu

5858

Viele Fahrten mit wenig Kilometern !

z.B. Prius II

z.B. Plug-In-Prius

z.B. Elektro-SMARTBrennstoffzellen-Auto

50% fahren täglich weniger als 40 km

ca. 80% fahren täglich weniger als 80 km

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Batterie oder Elektroauto – oder beides?

60

Brennstoffzellen Fahrzeuge (Quelle: www.netinform.net)

n Mercedes concept BlueZERO

n Modulares Konzept

ð Batterie

ð Brennstoffzelle

ð Batterie und Benzinmotor

n Präsentation

n Propulsion concept: Fuel Cell-Hybrid with Battery and plug-in charging: 80 kW AFCC PEMFC, Li-Tec lithium-ion-battery (35 kWh) and 70 kW permanent magnet synchronous motor (320Nm)

61

Brennstoffzellen Fahrzeuge (Quelle: www.wikipedia.de, cep)

n Modell: B-Klasse F-CELL

n Anzahl: 90

n Antrieb: Brennstoffzelle

n Betankung: gasförmiger Wasserstoff, 700 Bar

n Leistung: 100 kW

n Höchstgeschwindigkeit: 170 km/h

n Reichweite: ca. 400 km

62

Brennstoffzellen Fahrzeuge (Quelle: cep)

n Modell: Ford Focus Brennstoffzelle

n Anzahl: 3 in Deutschland

n Antrieb: Brennstoffzelle

n Betankung: gasförmiger Wasserstoff, 350 Bar

n Leistung: 65 kW

n Höchstgeschwindigkeit: 137 km/h

n Reichweite: ca. 320 km

n 2009 eingestellt

63

Brennstoffzellen Fahrzeuge (Quelle: www.netinform.net)

n Honda, FCX Clarity

n Max. Output 95 kW

n Type Honda PEM fuel cell Output 100 kW

n Type Compressed hydrogen Fuel Storage High-pressure hydrogen tank (350 bar = 35 MPa) Tank Capacity 171 litres

n Top speed 160 km/h (100 mph)

n Energy storage Lithium Ion battery

n Vehicle range 570 km

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Brennstoffzellen Boote (Quelle: www.netinform.net)

n Alsterwasser

n Prototyp

n 100 kW electrical engine

n Derzeit fehlt die Wasserstoff - Tankstelle

65

Brennstoffzellen Boote (Quelle: www.netinform.net)

n PEMFC: 1.2 kW (24V) NEXA (Ballard) and batteries (108 Ah, 24V); two electric motors (672 W, 24 V, 28 A each); controller supplied by isle GmbH (developed for the Nexa 1200 FC module)

n Storage Two CGH2 tanks: each 20 MPa, 20 l volume / 38 kg weight, 3.6 Nm³ H2(5.0) Range, consumption > 60 km Top speed, acceleration 4-5 kts (about 8-9 km per hour)

n Prototyp

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Brennstoffzellen U - Boot

n PEMFC: 306 kW

n Metallhydridspeicher, diese benötigen die Abwärme der Brennstoffzelle um den Wasserstoff frei zu geben. Das Boot fährt damit ohne Wärmesignatur

Bild: marine.de

Gabelstapler mit Brennstoffzelle

Quelle: still.de

67

Vergleich Brennstoffzelle zu Batterie

68

Brennstoffzellen Powerpack

Batterie 6PzS840

Dimension: Länge 855 mm 855 mm

Breite: 1028 mm 999 mm

Höhe: 784 mm 784 mm

Gewicht: 1150 kg 2178 kg

Leistung: (Maximal/15s) 30 kW

Leistung (Dauer): 10 kW 12 kWNennspannung: 80 V 80 V

Energieinhalt: 25 kWh 50 kWh Quelle: still.de

Vorteile

n Kein Batteriewechsel nötigkurzer Stopp zum Tanken

n Minimierte Unterbrechungen des EinsatzesEine Betankung des Wasserstofftanks im Stapler dauert nur 5 Minuten..

n Problemloser Mehrschichtbetrieb

n Volle Leistung bis zum Ende des Wasserstoffvorrates

n Saubere EnergieDer Betrieb eines Staplers mit Wasserstoff hat keinerlei Schadstoffausstoß zu Folge. Als „Abgas“ der Reaktion von Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Luft tritt lediglich reines Wasser in Form von Wasserdampf aus.

69

Quelle: still.de

Züge mit Brennstoffzelle

Die Elektrifizierung einer Bahnstrecke ist teuer und sehr zeitaufwändig.

Eine wirkliche Auslastung ist nur bei einer Mindestzahl von Zugfahren pro Tag gegeben. Die Alternative sind Dieselloks, die aber Schadstoffe emittieren, was besonders im Stadtzentrum lästig ist.

Eine Alternative sind Züge mit Elektromotor und Brennstoffzelle als Stromlieferant.

Ein netter Versuch: www.youtube.com/watch?v=3i4zIBeKYgY

UoB Hydrogen Locomotive derUniversity of Birmingham,

Gewicht der Lok: 320 kgAntrieb 1,1 kW PEM Bz mit MetallhydridspeicherGesamtgewicht der Anhänger inkl. Last: 4000 kg

Alstom Pressemitteilung, September 2014

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www.alstom.com/de/press-centre

Südbahn

Die nicht elektrifizierte Strecke von Ulm bis Friedrichshafen ist 104,4 km lang.

Die Elektrifizierung ist seit langem geplant, wurde aber immer wieder vertagt.

Eine Verwendung von Zügen mit Brennstoffzellen könnte die Elektrifizierung überflüssig machen. Voraussetzung ist, dass die geplante Nutzung möglich ist.

Der Leistungsbedarf ist bis etwa 1500 kW, das ist mit der Kaskadierung einiger Bz-Systeme möglich.

Ein H2 Tank mit 1000 Nm³ Inhalt kann dem Zug eine Fahrdauer von etwa 1 h bei Volllast ermöglichen.

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Herausforderung Bordstrom bei LKW

LKW benötigen eine Bordstromversorgung die auch im Stand zur Verfügung steht. Speziell bei Trucks mit Schlafkabine oder Kühltransportern wird ständig Strom benötigt. Eine APU (auxiliary power unit) kann das Problem lösen.

Bei Leistungen im niedrigen kW Bereich muss der Strom für Geräte und evtl. Klimatisierung zur Verfügung gestellt werden.

Brennstoffzellen sind extrem leise und können umweltfreundlich aus dem Diesel auf elektrochemischem Weg Strom erzeugen.

73

Quelle: PowerCell Sweden AB

Funktionsweise der Bz - APU

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Erdgas: CH4Benzin: CH2,25Diesel: CH2,5Kerosin: CH2,2-2,3Methanol: CH3OH

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Stationäre Systeme - lange Überbrückungszeit – hohe Leistung

System Jupiter von FutureE

4 kW Dauerlast – bis 8 kW in einem Schrank möglich

Aufbau in Modulen zu je 2 kW

48 Volt für DC – Stromschiene

Versorgung mit Wasserstoff aus Druckgasflaschen

Hybridisierung mit Batterien und/oder Superkondensatoren

Lebenserwartung: 3000 – 5000 Einsatzstunden bei mindestens 10 Jahren Einsatzdauer

1 H2 Bündel, 12 x 50 l @ 300 bar ~ 216 kWhel

Indoor oder Outdoorgerät, je nach Wahl des Schrankes, auch Containerlösung

Quelle: WBZU

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Sichere Stromversorgung und Brandschutz

n PAFC

ð Versorgung eines Rechenzentrums, Kühlung und Brandschutz

ð Brennstoffzellensystem im „Dauereinsatz“

- 100 kWel PAFC

- Netzparalleler Betrieb

- 50 kWth auf 55°C

- 50 kWth auf 90°C

- Über Kraft-Wärme-Kälte Kopplung Erzeugung von Kälte für Klimatisierung möglich. (40 kW statt 90 Grad Wärme)

- Erdgasbetrieb

- Voraussichtliche Betriebsdauer 15 Jahre

Quelle: N2telligence

7777

Inertisierungskurve

Quelle: N2telligence

7878

Erstickungsgefahr bei Sauerstoffmangel

Limit für Bz-Systeme

Quelle: Gefährdungsportal der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) www.gefaehrdungsbeurteilung.de

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DBFC Direkt Borhydrid Bz

Diese DBFC wurde von der Firma Velleman vertrieben. Sie diente als Notstromversorgung eines Handys oder Iphone. Über 30 Stunden wird eine Leistung von 1 Watt abgegeben.

Zum Einsatz kommt das Gerät bei entladenem Akku.

Der Preis liegt bei 30 Euro.

Quelle: P.Pioch, WBZU

Systeme dieser Art werden bereits von verschiedenen Anbietern vertrieben

Status quo Bz- Hausenergieversorgung

81

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