Wasserstoff als Antriebskonzept für PKW

Einleitung:

Seit Jahre sucht die Industrie neue Methoden und Energieträger, um die Umwelt zu entlasten. Der Schwerpunkt fällt dabei auf das Auto, „welches eine der größten Schadstoffemissionsquellen darstellt“(12). Weil eine Einschränkung der Mobilität in der modernen Gesellschaft kaum vorstellbar ist, kann eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes im Straßenverkehr nur durch den Einsatz von neuen Energieträgern erfolgen.

Geschichte:

Im Jahr 1760 wurden Wasserstoff und seine Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser von Henry Cavendish entdeckt. Und es hat 138 Jahre gedauert bis es James Dewar gelang flüssigen Wasserstoff herzustellen. 1979 kam der erste Prototyp eines bivalenten Wasserstoff-Fahrzeugs auf die Straße. 1988 wurden weitere Prototypen gebaut, u.a. der erste ernst zunehmende und alltagstaugliche bivalenter 6-Zylinder-Motor. 1999 wurde die erste vollautomatische Wasserstofftankstelle in Deutschland(München) in Betrieb genommen. Außerdem wurde der BMW 750hl vorgestellt, der von einer 5,4 Liter 12-Zylinder-Motor angetrieben wird.(Vgl. 6)

Energieträger Wasserstoff:

Wasserstoff ist nicht nur unsichtbar, ungiftig und geruchsfrei, sondern auch das einfachste und leichteste Element. Außerdem ist Wasserstoff „auch das am häufigsten vorkommende Element auf unserer Erde und im Universum, wo es über 90% aller Atome und rund 75% der gesamten Masse repräsentiert.“(12) Das chemische Symbol H steht für Hydrogenium. Wasserstoff kommt in gebundener Form beispielweise in Wasser und in ungebundener Form als farb- und geruchlosen Gas, welches aus H2-Molekülen besteht, vor. Weil Wasserstoff auf der Erde fast ausschließlich in gebundener Form vorkommt, muss er erst unter Energieaufwand gewonnen werden. Unterhalb von -235 Grad Celsius wird Wasserstoff flüssig und wird Flüssig-Wasserstoff genannt. Die höchste Verbrennungstemperatur wird bei einem Anteil von 29% und einer Temperatur von 2318 Grad Celsius erreicht. Diese Eigenschaften machen Wasserstoff zum idealen Ersatz-Treibstoff für das heutige Benzin. (Vgl. 12)

Die Brennstoffzelle

Geschichte:

Im Jahr 1839 entdeckte Sir William Robert Grove die Umkehrung der Elektrolyse und stellt sie der Öffentlichkeit vor. Die Brennstoffzelle geriet aber ganz schnell wieder in Vergessenheit, weil Erfindungen wie der Verbrennungsmotor und der Elektrodynamo leistungsfähiger waren. Doch im 20. Jahrhundert bemerkte man die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle, vor allem in der Raumfahrt hat man diese Idee wieder aufgegriffen und weiterentwickelt. Die Brennstoffzelle hat die positive Eigenschaft, dass sie Energie direkt in Elektrizität umwandelt, sie arbeitet kontinuierlich, das heißt „solange von außen Wasserstoff und Luft zugefügt werden produziert sie Strom“(1). (Vgl. 1)

Funktionsweise:

„Die Brennstoffzelle enthält eine Anode, an der der Wasserstoff zuströmt, und eine Kathode, an der Sauerstoff zugeführt wird. Die beiden Elektroden sind durch einen Elektrolyt voneinander getrennt. An der Anode spaltet sich der Wasserstoff in Protonen und in Elektronen auf“(1). Durch den Elektrolyten wandern die Protonen in Richtung Kathode. Durch den äußeren Stromkreis gelangen die Elektronen zur Kathode und versorgen so den Verbraucher. Die Elektronen verbinden sich mit Sauerstoff und auf dem Weg zur Anode mit den Protonen. Als Abfallprodukt entsteht ausschließlich Wasser.


Funktionsweise eines Wasserstoffmotors:

Im Allgemeinen funktioniert ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor genau so wie ein mit Benzin betriebener Otto-Motor. Diese Eigenschaft ist zumindest in der Übergangszeit, auf Grund des schlecht ausgebauten Wasserstofftankstellennetzes von großer Bedeutung, da man Benzin und Wasserstoff im selben Motor verwendet kann. (Vgl. 6)

Funktionsweise des BMW-Motors:

Der bayrische Automobilhersteller hat sich für eine Lösung mit dem Wasserstoffverbrennungsmotor entschieden, weil sie den Vorteil hat, dass man in der Übergangszeit den Motor sowohl mit Wasserstoff als auch mit Benzin betreiben kann.

Der Wasserstoff gelang aus dem Tank in den Motor durch einen Überdruck im Tank. Dazu muss der Tank nur leicht erhitzt werden, und es kann auf teure und aufwendige Pumpsysteme, die den kyrogenen Bedingungen standhalten müssen, verzichtet werden. Die Regulierung der exakten Wasserstoffmengen übernimmt ein elektronisch gesteuertes Dosierventil. „Um Frühzündungen zu vermeiden und die Stickstoffemission zur minimieren, hat BMW den Weg des mageren Gemisches eingeschlagen, daher können eine Wassereinspritzung und die damit verbunden Wartungsprobleme entfallen“(6). Der Motor arbeitet mit Luftüberschuss und kann nur eine geringe Leistung erbringen, dies ist auf die geringere Energiedichte des mageren Stoffgemisches zurückzuführen ist. Die Kraftstoffleitungen sind am Wagenunterboden, sehr gut vor mechanischen Beschädigungen geschützt, montiert.

Auch die Motor-Steuerelektronik wurde an die Zündeigenschaften des Wasserstoffs angepasst.(Vgl. 6)



Speicherung von Wasserstoff im PKW:

Es gibt zwei Möglichkeiten Wasserstoff im Auto zu speichern. Die erste Möglichkeit

Ist die Aufbewahrung unter hohem Druck (Druckgasspeicher) und die zweite ist

die flüssige Aufbewahrung bei -253°C (kyrogene Speicher)

Hochdruckgasspeicher

Der Druckgasspeicher sieht kugel- oder zylinderförmig aus, damit er die hohen Drücke von 700 bar aushalten kann. Diese Form ist aber äußerst ungünstig, weil man im PKW nicht unbegrenzt Platz hat. Außerdem kommt es auf Grund der hohen Drücke zu einem Temperaturanstieg während der Befüllung(bei Schnellbefüllung bis 100K). Druckgasspeicher werden nur dort eingesetzt, wo genügend Platz für die Unterbringung vorhanden ist.(Vgl. 6)

Flüssig-Speicher

Um akzeptable Reichweiten zu erlangen, scheint der Flüssig-Speicher am sinnvollsten zu sein. „Die Tanks sind doppelwandig ausgeführt. Dazwischen befinden sich in einem Vakuum etwa 50 Lagen aluminiumbeschichteter Kunststofffolien.“(6)

Die Tankisolierung ist sogar so gut, dass selbst bei hohen Außentemperaturen kaum Treibstoff verloren geht. Erst wenn der Druck im Tank bei langsamer Erwärmung über 5 bar ansteigt, werden täglich ca. 3% des Volumens über ein Abblasventil ausgestoßen, um den Druck konstant zu halten. (Vgl. 6)

Zukunftsprognosen:

Wasserstoff kann mit Benzin und Diesel nur dann konkurrenzfähig bleiben, wenn er vom Gesetzgeber deutlich steuerlich begünstigt oder sogar davon befreit wird.

Das Tankstellennetz wird auch eine große Rolle bei der Durchsetzung des Wasserstoffautos spielen. Es muss deutlich ausgebaut werden, damit der Autofahrer keine Angst haben braucht, keine geeignete Tankstelle in der nächsten Region zu finden.

Die Wasserstoffautos werden zusätzlich mit einer Brennstoffzelle ausgerüstet sein, was einen höchstmöglichen Wirkungsgrad gegenüber Verbrennungsmotoren ermöglicht. Außerdem kann sie die Batterie vollständig ersetzen, die gelieferte Energie kann für die Standheizung, Klimaanlage oder Bord-Computer verwendet werden.

Bis 2010 werden die ersten Wasserstofffahrzeuge in Produktion gegangen sein und bereits weltweit auf dem Markt zu kaufen sein.

Quellen:
01: [URL] http://www.hausarbeiten.de/faecher/hausarbeit/phy/17599.html
02: [URL] http://www.solarserver.de/solarmagazin/index.html
03: [URL] http://www.dwv-info.de/wissen.htm
04: [URL] http://www.energieinfo.de/eglossar/index.html
05: [URL] http://www.hausarbeiten.de/faecher/hausarbeit/che/17439.html
06: [URL] http://www.undnews.de/Members/pl/20122021113_Wasserstoff/view
08: [URL] http://www.innovation-brennstoffzelle.de/
09: [URL] http://www.bmw.com/bmwd/pulse/enterprise/cleanenergy3/
10: [URL] http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/ph1_0102/tipl173.gif
11: [URL] http://www.innovation-brennstoffzelle.de/
12: [URL] http://www.abipur.de/hausaufgaben/alt/files/pdf/209.pdf