Wasserstoff- Verbrennungsmotor

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Wasserstoff- Verbrennungsmotor– Umbau eines Benzinmotors auf Wasserstoff mit anschliessender Praxiserprobung
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Wasserstoff- Verbrennungsmotor
Umbau eines Benzinmotors auf Wasserstoff mit anschliessender Praxiserprobung
Eine Maturaarbeit von:
Niklaus Meinen
Mattenstrasse 21
3600 Thun
033 222 39 18
079 312 16 81
[email protected]
Betreuender Lehrer:
Thomas Thormeier
Grabenmattweg 11
3612 Steffisburg
033 437 08 09
[email protected]
Gymnasium Thun- Schadau,
im September 2005
Inhalt
1 Vorwort (Seite 3)
2 Zusammenfassung (Seite 4)
3 Die Technik der Zukunft! (Seiten 5 bis 20)
3.1 Stand bei den fossilen Energieträgern
3.2 Wasserstoff als neue Energie
3.3 Herstellung
3.4 Speicherung / Betankung
3.5 Brennstoffzelle
3.6 Verbrennungsmotor
3.7 Einsatzgebiete
3.8 Ökonomische, ökologische und politische Vorteile von Wasserstoff
3.9 Vergleich: Fossile Energieträger vs. Wasserstoff
3.10 Vergleich: H2- Verbrennungsmotor vs. Brennstoffzelle
3.11 Gefahren / Vorurteile
4 Eigene, praktische Arbeit (Seiten 21 bis 29)
4.1 Themenwahl / Zielsetzung
4.2 Motor vor dem Umbau
4.3 Umbau
4.4 Betrieb / Messungen / Erfahrungen
4.5 Kosten / Aufwand
4.6 Chronologie
4.7 Fazit
5 Projekte / Förderprogramme (Seiten 30 bis 34)
5.1 Aktuelle H2- Fahrzeuge
5.2 SwissAlps 3000
5.3 Island- Modell
5.4 Schweiz
5.5 EU
5.6 USA / Japan
6 Ausblick (Seite 35)
7 Danksagungen (Seite 37)
8 Quellenverzeichnis (Seite 38 bis 40)
8.1 Literatur
8.2 Internet
8.3 Hersteller- Informationen
8.4 Sonstiges
9 Eidesstattliche Erklärung (Seite 41)
10 Anhang (Seiten 42 bis 44)
10.1 Chemische Eigenschaften
10.2 Geschichtliche Eckdaten
10.3 Einheiten / Abkürzungen
10.4 Glossar
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1 Vorwort
Abgasfreie Mobilität – eine Vision
Es ist schon verrückt, die Technik für eine abgasfreie Mobilität wäre
weitgehend vorhanden und doch harzt die praktische Umsetzung. Ich
begrüsse deshalb jede nicht vorab nach staatlicher Unterstützung
schreiende Initiative, die sich mit der Wasserstoff-Technologie
auseinandersetzt und mithilft, für diesen genialen Weg der
abgasfreien Mobilität den Boden zu bereiten. In diesem Sinn
begrüsse ich auch die Maturaarbeit von Niklaus Meinen, der so ein
Mosaikstein zur Sensibilisierung für diese wichtige ZukunftsTechnologie beiträgt. Entscheidend für eine erfolgreiche Umsetzung
wird aber sein, dass jetzt vor allem Projekte realisiert werden, die
unter der Vorgabe des Gleichgewichtes zwischen Ökologie und Ökonomie bestehen
können. Wir brauchen in der Wasserstoff-Technologie keine Träumereien mehr, sondern
handfeste und praxistaugliche Funktionsbeweise.
Abb. 1
Der Verein Swiss Alps 3000 hat aus Anlass des UNO-Jahres des Wassers ein solches
Projekt lanciert. Er hat sich zum Ziel gesetzt, mittels Wasserstoff – der Kraft, die aus dem
Wasser kommt, einen abgasfreien Weg für die Mobilität im Alpenraum aufzuzeigen. Im
Vordergrund stand der Offroad- Bereich, in erster Linie die mit Dieselmotoren
ausgerüsteten Pistenfahrzeuge, welche im Quellgebiet unserer Bäche, auf Gletschern, Firn
und Weideland, riesige Mengen an Schadstoffen produzieren: Über 1000 Pistenfahrzeuge
im schweizerischen Alpenraum verbrennen pro Saison rund 10 Millionen Liter Diesel,
wodurch mehr als 25 000 Tonnen CO2 und ca. 25 000 kg Russ- Feinstaub PM10 entstehen.
Ziel ist natürlich, dass langfristig alle Pistenfahrzeuge auf abgasfreien Wasserstoff-Betrieb
(H2) umgebaut oder die neu anzuschaffenden Fahrzeuge direkt mit Wasserstoff-Motoren
geliefert werden.
Der Wasserstoff, welcher dereinst in beachtlichen Mengen verfügbar sein muss, zum
Beispiel auch für H2-betriebene Motorschiffe auf den Alpen-Seen, soll mittels erneuerbaren
Energien produziert werden. Wir denken da vor allem an Wasserkraft, Wind, Sonne,
Biomasse und Geothermie. Für die Speicherung des Wasserstoffes könnten MetallhybridSpeicher dienen, welche im Falle des Berner Oberlandes in den stillgelegten
Militärkavernen installiert werden. Der Transport des Wasserstoffs vom Produktions- oder
Speicher-Ort zur Verbrauchs-Destination sollte per Bahn oder mittels H2-betriebenen
Tankwagen erfolgen. So entsteht letztlich die matchentscheidende positive Energie- und
Ökobilanz.
Solche Projekte können immer nur einen Impuls für die Förderung der WasserstoffTechnologie in der Schweiz erzeugen. Es braucht darum jetzt viele solcher
Funktionsbeweise, womit der Wirtschaft und letztlich auch den hierfür unabdingbaren
Investoren die nötigen Anstösse gegeben werden. Anstösse und Impulse die Aufzeigen, dass
in der Forschung und Herstellung, Speicherung sowie Nutzung des Wasserstoffs neben dem
ökologischen Quantensprung auch ein riesiges wirtschaftliches Potential liegt.
Adrian Amstutz, Nationalrat
Vizepräsident Swiss-Alps 3000
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2 Zusammenfassung
„Die Welt verändert sich mit jedem Menschen, der nicht fragt, was ist, sondern was sein
kann. Das nennen wir Fortschritt.“ (BMW Clean Energy Broschüre)
Ich wählte das Thema „Wasserstoff- Verbrennungsmotor“, da ich der Meinung bin, dass der
Verbrennungsmotor die Brückentechnologie zur Brennstoffzelle und somit zum
Wasserstoffzeitalter sein wird. Im praktischen Teil dieser Arbeit baute ich einen
Benzinmotor eines Gartengerätes auf Wasserstoff um. Die geschah mit einem
Gasdruckregler, der mit Hilfe der Drosselklappe das Gemisch regelt. Weiter ging es mir
darum, zu schauen, ob der modifizierte Motor in der Praxis nach wie vor etwas taugt. Wie
ich bei den Tests merkte, taugt der Motor zwar nach wie vor etwas, jedoch gibt es auch
Probleme. So ist beispielsweise das Kaltstartverhalten mässig und zum Teil sogar recht
schweisstreibend. Weiter zeigt die Nutzungsdauer gewisse Grenzen der Speichertechnik von
Wasserstoff auf. Alles in Allem läuft der Motor aber zufriedenstellend. Somit ist das
allgemeine Ziel, zu schauen, ob es mir möglich sei, einen Wasserstoff- Motor zu bauen,
erreicht.
Da ich jedoch der Meinung bin, dass man die Wasserstofftechnologie als ganzes
einigermassen kennen sollte und sich erst so ein umfassendes Bild der Vor- und Nachteile
das Wasserstoffs ergeben kann, gehe ich in dieser Arbeit auch noch allgemein auf den
Wasserstoff als neuen Energieträger ein und stelle im weiteren einige Beispiele vor, wie
Wasserstoff bereits heute gebraucht wird oder werden könnte.
Somit möchte die vorliegende Arbeit einen groben Überblick über die
Wasserstofftechnologie mit einer Vertiefung im Bereich des Wasserstoff- Ottomotors
geben und einen praktischen Grundlagenforschungsteil erläutern.
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3 Die Technik der Zukunft!
3.1 Stand bei den fossilen Energieträgern
„Da die fossilen Energieträger den grössten Anteil am Energieverbrauch haben und der
Energieverbrauch stetig zunimmt, ist absehbar, dass die natürlichen Vorkommen dieser
Energieträger immer weniger werden.“ (Sven Geitmann, Ingenieur und Buchautor)
Heute wird der klar grösste Teil des Energiebedarfs weltweit mit fossilen Energieträgern
wie Eröl, Erdgas oder Kohle gedeckt. Absolut erneuerbare Energiequellen wie Wasser-,
Windkraft, Solarenergie oder Geothermik werden zwar immer mehr genutzt und es laufen
auch grosse Anstrengungen auf diesen Gebieten, trotzdem sind sie global gesehen noch zu
unbedeutend. Auf der einen Seite höchst umstritten, andererseits auch immer notwendiger
wird die Kernenergie. Von all diesen verschiedenen Energieformen sind die fossilen, also
kohlenstoffhaltigen Energieträger sicherlich die praktischsten und (noch) die günstigsten,
allerdings stellen sie eine grosse Belastung für unser Klima dar und sie sind endlich.
All die Probleme, auf die ich noch genauer eingehen werde, werden durch die Tatsache
verschärft, dass die Nachfrage nach Energie und somit vor allem nach fossilen Brennstoffen
stetig zunimmt. Die westliche, entwickelte Welt konsumiert heutzutage mehr als die Hälfte
des globalen Energieverbrauchs. Und dies, obwohl sie nur einen kleinen Bruchteil der
Weltbevölkerung stellt. In wenigen Jahren wird der Anteil der westlichen Länder am
Energiekonsum aber unter 50% fallen – und dies nicht, weil bei uns der Verbrauch
gesunken ist, sondern weil die dritte Welt und die Schwellenländer wie China oder Indien
massivst zugelegt haben werden.
Das offensichtlichste Problem der fossilen Brennstoffe ist die Umweltbelastung. Bei der
Verbrennung von Kohlewasserstoffen entstehen Wasser und Kohlenstoffdioxid. Das CO2
stellt eine grosse Belastung für unser Klima dar. Auf den ganzen Treibhauseffekt und
dessen Verschärfung möchte ich hier nicht eingehen. Trotzdem ist gut zu wissen, dass
Kohlendioxid sehr klima- aktiv ist und deshalb die Klimaerwärmung unterstützt. Leider
entstehen bei der Verbrennung aber nicht nur H2O und CO2, wie dies die chemische
Reaktionsgleichung ergibt, sondern durch eine unsaubere Verbrennung auch noch
Kohlenstoffmonooxid, Stickstoffoxide, Russ, Schwefeldioxid und andere zum Teil giftige,
zum Teil karzinogene und zum Teil klima- aktive Stoffe. Diese Stoffe können heute zwar
durch moderne Verbrennungsanlagen und Katalysatoren zu einem grossen Teil eliminiert
werden, doch gelangen gewisse Schadstoffe trotzdem in die Luft – ausserdem gilt es zu
bedenken, dass in armen Ländern die Fahrzeuge und Industrieanlagen meistens sehr alt sind
und dementsprechend neusten Auflagen nicht genügen.
Doch nebst dem Umweltaspekt gibt es auch noch einen wirtschaftlichen: Der allergrösste
Teil der Weltwirtschaft ist direkt oder indirekt von fossilen Energien abhängig. Schon heute
drückt ein hoher Ölpreis massiv auf die wirtschaftliche Entwicklung. Wenn in einigen
Jahren die Öl- und wenig später die Erdgasquellen versiegen, wird dies zu einem
wirtschaftlichen Kollaps führen – weltweit. Daran wird nur ein Weg vorbeiführen: die
(solare) Wasserstoffwirtschaft!
Doch ein solcher Energiewechsel kann nicht von heute auf morgen vollzogen werden,
deshalb ist (oder wäre) es wichtig, schon heute erste Grundsteine für die
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Wasserstoffwirtschaft zu legen. Denn die Zeit drängt. Zwar gibt es keine wirklich
verlässlichen Zahlen, wann die fossilen Energieträger knapp werden, doch gibt es
unterschiedlichste Berechnungen und Modelle verschiedenster Geologen und anderer
Wissenschaftler, die belegen, dass im Zeitraum zwischen 2010 und 2020 das weltweite
Fördermaximum des Erdöls überschritten wird. Beim Erdgas wird es rund 10 Jahre länger
dauern. Selbst Studien von Erdölgesellschaften kommen zu einem ähnlichen Schluss. Somit
ist zu erwarten, dass bereits in den nächsten Jahren Engpässe auftreten können und die
Preise besonders für Öl, aber auch fürs Erdgas ansteigen werden.
3.2 Wasserstoff als neue Energie
„Das kleine Molekül könnte ein großes Problem lösen: die Abhängigkeit von fossilen
Brennstoffen und die globale Klimaerwärmung durch die Emission von Kohlendioxid.“
(Info- Broschüre MAN)
Dass Wasserstoff die Nachfolge der fossilen Energieträger antreten wird, ist heute erkannt.
Wasserstoff bietet von seinen chemischen wie auch physikalischen Eigenschaften her sehr
viele Vorteile. Wasserstoff, oder Hydrogenium1, tritt hauptsächlich als Molekül auf und ist
das einfachste aller Elemente – Wasserstoffatome bestehen aus nur einem Proton und
einem Elektron. In der Natur kommt Wasserstoff praktisch nie alleine vor, sondern nur in
Verbindungen. Trotzdem ist Wasserstoff sowohl auf der Erde wie auch im gesamten uns
bekannten Universum das häufigste Element.
Wasserstoff ist in vieler Hinsicht einzigartig und weist mehrere Extreme bei seinen
Eigenschaften auf. Ich möchte nicht auf alle physikalischen und chemischen Eigenschaften
eingehen, nur auf die herausragendsten und für die Handhabung wichtigsten.
Wasserstoff ist / hat...
- ... ungiftig, nicht ätzend und nicht krebserregend – die Verwendung von gasförmigem
Wasserstoff ist somit für den Menschen nicht schädlich; bei flüssigen H2 stellt die extreme
Kälte ein Problem dar (s. Siedepunkt).
- ... nicht wassergefährdend, luftverschmutzend oder radioaktiv – Wasserstoff kann
somit bedenkenlos gehandhabt und entsorgt werden.
- ... geruchlos, geschmacksneutral und unsichtbar – eine undichte Flasche o. Ä. ist
dadurch schwer zu bemerken.
- ... leicht flüchtig – es kann im Freien kaum zu grösseren, explosiven H2- Ansammlungen
in Bodennähe kommen (im Gegensatz zu Benzin mit gefährlichen Dämpfen).
- ... einen sehr tiefe Schmelzpunkt und Siedepunkt (13.9 K resp. 20.4 K) – Wasserstoff ist
somit praktisch immer gasförmig, die Verflüssigung ist sehr aufwändig.
- ... eine extrem kleine Dichte (0.09 g/l u.N.) – dies bringt Probleme bei der Lagerung
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vom Griechischen hydor = Wasser, genes = erzeugend
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- ... einen hohen Heizwert pro Gewicht (gasförmig: 33.33 kWh/kg), jedoch einen tiefen
pro Volumen (3.0 kWh/m3) – dies bringt ein grosses Potential, aber auch Probleme bei der
praktischen Nutzung der Energie mit sich.
- ... einen breiten Zündbereich in Luft (4-77 Vol.- %) – dadurch oxidiert der Wasserstoff
meistens bereits bevor die Explosionsgrenze (18.3 - 59 Vol.- %) erreicht ist.
- ... eine ähnliche Verbrennungstemperatur wie bei Benzin- oder Dieselmotoren
(2'045°C in Luft) – dies erhöht die Gefahr von Rückzündungen und trägt zur Bildung von
Stickoxiden bei, stellt an die Materialien aber keine neue Anforderungen.
- ... den kleinsten Atomradius (30 pm) aller Elemente – dadurch kann (flüssiger)
Wasserstoff durch jedes Material hindurchdringen, was Probleme bei der Speicherung mit
sich bringt; ausserdem können die Materialien, die lange mit H2 in Kontakt sind, spröde
werden, da die Wasserstoffatome in das Material eindringen und dieses „aufsprengen“.
Wohl wirklich ausschlaggebend dafür, dass sich der Wasserstoff einer zunehmenden
Beliebtheit erfreut, ist die Tatsache, dass bei der Verbrennung praktisch nur Wasser
entsteht. Dies gewinnt in der heutigen Zeit mit dem Problem der globalen Klimaerwärmung
und der schlechten Luftqualität zunehmend an Bedeutung. Dass der Wasserdampf, der
entsteht, auch ein Treibhausgas ist, darf allerdings nicht vergessen werden. Allerdings
entsteht bereits heute bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen Wasserdampf. Die
Industrie, der Verkehr und andere „menschliche“ Wasserstoff- Produzenten sind im
Moment aber nur mit rund 0.005 % am globalen Wasserdampf beteiligt. Somit kann davon
ausgegangen werden, dass eine Umstellung auf eine reine Wasserstoffwirtschaft keine all zu
gravierenden Auswirkungen bezüglich Wasserdampf (welcher ja viel weniger klima- aktiv
ist als CO2) auf unser Klima haben dürfte.
3.3 Herstellung
„Die Schweiz kann durch den grossen Anteil an Wasserkraft für die Elektrizitätsproduktion
eine führende Rolle in der Entwicklung der Wasserstoff- Produktion (...) einnehmen.“
(Info- Broschüre Swiss Alps 3000)
Wasserstoff kommt bekanntlich in der Natur zwar sehr häufig vor, jedoch praktisch nie als
reiner Wasserstoff, sondern nur in Verbindungen mit Sauerstoff (Wasser), Kohlenstoff (z.B.
Methan) oder anderen Stoffen. Deshalb muss Wasserstoff industriell produziert werden.
Hierbei gibt es verschiedene Produktionsverfahren, welche zu einem grossen Teil
Unsummen an Energie verbrauchen.
Bereits heute wird in der chemischen Industrie Wasserstoff in grösserem Stile verwendet.
Heutzutage werden weltweit rund 500 Mrd. m3 Wasserstoff produziert. Diese Menge
entspricht ungefähr 1.5 % des Energiebedarfs weltweit. Würde der Wasserstoff, der in der
Industrie als Nebenprodukt anfällt und meistens ungenutzt bleibt, auch noch genutzt,
könnten rund 40% (!) des weltweiten Energiebedarfs damit gedeckt werden. Der grösste
Teil dieser 500 Mrd. m3 wird durch die kostengünstige Methode der Dampfreformierung
von Erdgas gewonnen. Daneben gibt es noch weitere, zum Teil äusserst futuristische
Herstellungsverfahren (Kvaerner- Verfahren, Herstellung mit Solarreaktoren, biochemische
Herstellung,...). Ich stelle hier nur die Dampfreformierung und die Elektrolyse vor.
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Grundsätzlich möchte ich nicht allzu genau auf diese beiden Herstellungsarten eingehen.
Trotzdem erachte ich es als wichtig, die Verfahren oberflächlich zu kennen und beschreibe
diese im Folgenden:
- Dampfreformierung: Diese häufig verwendete Methode benutzt als Ausgangsstoffe
fossile Kraftstoffe, die einen relativ hohen Wasserstoffanteil besitzen (z.B. Erdgas). Diese
Stoffe werden unter Zuführung von Wasser und Luft mit Hilfe eines Katalysators zerlegt, so
dass am Schluss Wasserstoff und CO2 entsteht.
- Elektrolyse: Bei diesem Verfahren wird Wasser in die Bestandteile Sauerstoff und
Wasserstoff zerlegt. Dies geschieht mit Hilfe von elektrischem Strom. Wird dieser Strom
regenerativ hergestellt, ist diese Methode absolut umweltfreundlich, allerdings auch noch
extrem teuer, da viel Strom verbraucht wird. Eine Sonderform der Elektrolyse stellt die
Hochtemperatur- Elektrolyse dar. Hier wird nicht mit flüssigem, sondern mit gasförmigem
Wasser (1’000° C / 30 bar) gearbeitet. Der Vorteil hierbei ist ein sehr hoher Wirkungsgrad.
Nachdem der Wasserstoff hergestellt worden ist, muss er noch weiterverarbeitet werden.
Zuerst wird er gereinigt, anschliessend entweder verdichtet oder verflüssigt. Grundsätzlich
sieht man, dass es viele vielversprechende Möglichkeiten zur Wasserstoffherstellung gibt,
diese aber meistens recht aufwändig und somit mit hohen Kosten verbunden sind.
3.4 Speicherung / Betankung
„Sandy Thomas (derzeit Präsident von H2Gen) hält das Tankproblem (...) bei Ford für
gelöst.“ (aus „Die H2- Revolution“ von J. Rifkin)
Die speziellen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff bringen
gewisse Probleme bei der stationären und mobilen Speicherung mit sich. Die wohl grössten
Probleme werden durch den kleinen Atomradius, die geringe Dichte und den tiefen
Siedepunkt verursacht (s. auch 3.2). Die Kompaktheit der Atome hat zur Folge, dass
Wasserstoff durch jedes Material hindurchdringen kann. Daraus resultieren riesige
Speicherverluste. Die geringe Dichte erfordert eine Verdichtung des Wasserstoffs, da man
natürlich auf möglichst kleinem Raum möglichst viel Energie speichern möchte. Die
konsequenteste Methode hierfür wäre die Verflüssigung. Durch den sehr tiefen Siedepunkt
ist es allerdings schwierig, diesen zu unterschreiten.
Die am häufigsten verwendeten Methoden zur Speicherung sind die Speicherung in
Drucktanks und die Speicherung in vakuumisolierten Behältern. Daneben gibt es noch
unzählige Möglichkeiten, Wasserstoff zu speichern. Hier seien die Metallhydrid- Speicher,
die Nano- Röhrchen (erst im Entwicklungsstadium) und die unterirdische Lagerung
(Probleme mit der Dichtigkeit und der Reinheit) erwähnt.
- Drucktanks: Hier unterscheidet man zwischen Hoch- und Niederdrucktanks. Bei letzteren
handelt es sich um Behälter, in denen ein Gas bei maximal 15 bar gespeichert werden kann.
Dank dem geringen Druck kann die Form der Behälter frei gewählt werden. Häufiger finden
jedoch Hochdrucktanks Anwendung, da man darin logischerweise eine höhere
Speicherdichte erreichen kann. In diesen herrscht ein Druck von 200 bis 350 bar 2. Diese
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700- bar- Tanks sind in Entwicklung
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Behälter stellen eine gute Lösung dar mit einer recht hohen Speicherdichte, einem
akzeptablem Gewicht und einer einfachen Herstellung. Die meisten Fahrzeughersteller
greifen auf Hochdruckbehälter zurück. Auch ich benutzte für meinen Motor eine
Druckflasche (s. Kapitel 4).
- vakuumisolierte Behälter: In einem solchen Tank wird der Wasserstoff flüssig
gespeichert. Hierfür muss er bis zum Siedepunkt abgekühlt werden. Dies bringt den grossen
Vorteil mit sich, dass eine sehr hohe Energiedichte erreicht werden kann. Auf der anderen
Seite stellt die enorme Kälte des Wasserstoffs auch hohe Anforderungen ans Material
(Leitungen, Ventile,...). Auch ein Problem ist die Energie, die für die Abkühlung benötigt
wird. So kann es vorkommen, dass die selbe Energiemenge in die Kühlung gesteckt wird
wie im Wasserstoff enthalten ist. Ausserdem ist die Herstellung eines solchen Tankes sehr
kostenintensiv, da der Behälter extrem gut gegen äussere Wärmeeinwirkung
(„gewöhnliche“ Aussentemperatur, Brandhitze,...) isoliert werden muss. Als weiteres
Problem seien die Abdampf- Verluste zu erwähnen: In einem sog. Kryogen- Tank entweicht
sehr viel Wasserstoff aufgrund seiner kleinen Atomgrösse. Im Moment setzt eigentlich nur
BMW auf diese Betankungsart.
- Metallhydrid: Bei dieser Speicherart wird der Wasserstoff chemisch an Metalle
gebunden. Metallhydride werden deshalb auch Metall- Wasserstoff- Legierungen oder
Wasserstoff- Schwämme genannt. Der Wasserstoff kann durch leichtes Erwärmen wieder
vom Metall gelöst werden. Der Vorteil bei dieser Speichertechnik liegt primär in der hohen
Speicherdichte (u.U. höher als bei Flüssigwasserstoff). Ausserdem gibt es absolut keine
Abdampfverluste. Der grosse Nachteil besteht im hohen Gewicht (Metall muss auch noch
mitgeschleppt werden), der langen Betankungsdauer und der Notwendigkeit, die Tanks zu
erwärmen (braucht Zeit; Energie kein Problem, da sehr niedrig). Somit stellt die
Metallhydrid- Speicherung eine gute Lösung für stationäre Lagerungen oder
Kleinstanwendungen (z.B. für Brennstoffzellen in Laptops, Kameras...) dar, nicht aber für
mobile Anwendungen.
Um den Wasserstoff zu transportieren, wird er heute meistens unter Druck oder sogar
verflüssigt mit Lastwagen herumgefahren. Eine weitere Möglichkeit ist der Transport mit
Pipelines.
Die Betankung ist bei Drucktanks äusserst einfach
und mit Erdgas bereits erprobt. Komplizierter
wird’s beim flüssigen Wasserstoff: Hier müssen die
Leitungen äusserst gut isoliert und der extremen
Kälte gewachsen sein. Doch auch hier gibt es
bereits Lösungen: BMW betankt die eigenen Autos
mit einer roboterisierten Tankstelle und kann den
7er so in rund drei Minuten voll tanken (s. Abb. 2).
Ausserdem gilt es bezüglich der Betankung zu
erwähnen, dass sich die grössten im Bereich H2
tätigen Unternehmen auf ein einheitliches
Tanksystem geeinigt haben, so dass verschiedene
Autos an ein und derselben Zapfsäule tanken
können.
Abb. 2
Quelle: BMW
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Bei der Speicherung ist natürlich auch der Aspekt der Sicherheit ausserordentlich wichtig.
Sowohl Drucktanks als auch Kryo- Tanks müssen bei Fahrzeug- Crashs den Belastungen
standhalten (s. Abb. 3). Dies stellt heute dank neuster Materialien, Sicherheitsventilen und
Sollbruchstellen kein Problem mehr dar.
Abb. 3
Quelle: BMW
3.5 Brennstoffzelle
„Ausgereifte Technologie für mehr Leistung und bessere Luftqualität“ (Info- Blatt von
Honda zum FCX)
Die Brennstoffzelle (BSZ) gilt als den Energieumwandler Nr.1 der Zukunft. Das Prinzip der
BSZ ist älter als dasjenige des Ottomotors. Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts fand
Professor Schönbein von der Universität Basel heraus, dass elektrischer Strom entsteht,
wenn Wasserstoff und Sauerstoff zusammen reagieren. Der Brite Sir William Grove, ein
Freund Schönbeins, erfuhr von diesem Phänomen und forschte selbständig auf diesem
Gebiet weiter. Grove realisierte, dass dies die Umkehrreaktion der damals schon bekannten
Elektrolyse darstellte und baute sich daraufhin mehrere sogenannte „Gasbatterien“. Damals
schien dies niemanden zu interessieren, heute gilt William Grove aber als Erfinder der BSZ.
Abb. 4
Quelle: Automobil Revue
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Wasserstoff will von sich aus immer möglichst mit Sauerstoff zu Wasser reagieren. Bei
dieser Reaktion wird Energie frei (endotherme Reaktion). Diese Energie ist beim berühmten
Knallgasversuch gut hörbar. In der BSZ kann es aber nicht zu einem Knall kommen, da die
beiden Gase durch eine Membran (Elektrolyt) getrennt sind (s. Abb. 4). Diese Membrane
ist so gefertigt, dass nur Protonen, jedoch keine Elektronen passieren können. Ausserdem ist
die Membran gasdicht. Auf der Wasserstoffseite der Membran befindet sich zusätzlich noch
ein Katalysator. Dieser spaltet die Wasserstoffatome in Elektronen und Protonen auf. Die
Protonen gelangen durch die Membran zum Sauerstoff, somit wird die Wasserstoffseite
negativ (viele Elektronen) und die Sauerstoffseite positiv geladen (zu wenige e-). Um diesen
Ladungsunterschied auszugleichen, fliessen Elektronen von der negativen (Anode) zur
positiven Seite (Katode). Somit fliesst ein Strom, welcher beispielsweise mit einem
Elektromotor genutzt werden kann. Ausserdem entsteht an der Katode Wasser, da dem
Wasserstoff-Proton ein Elektron gegeben wird und sich zwei wieder komplette
Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom zu Wasser verbindet. Da bei dieser Reaktion
kaum Wärme produziert wird und der ganze Prozess auch akustisch ruhig abläuft, spricht
man von einer „kalten“ Verbrennung.
Ein einziges solches System bringt nur eine geringe Spannung. Somit werden in modernen
Anlagen mehrere solche Systeme mit Anode, Katode und Membran hintereinander gereiht.
Ein solches Paket mit bis zu 200 Zellen nennt man „Stack“. Ein solcher Stack produziert
Gleichstrom mit einer relativ geringen Spannung. Um damit etwas antreiben zu können
benötigt man so genannte Wechselrichter. Die Anzahl Zellen innerhalb eines Stacks
bestimmt die Spannung, die Stromstärke wird durch die Grösse der Membran bestimmt und
die Grösse eines solchen Stacks bestimmt dessen Leistung.
Ein riesiger Vorteil der BSZ ist die hohe Effizienz. Während einer Wärmekraftmaschine
durch das Carnot’schen Gesetz (s. unten) bezüglich Wirkungsgrad Grenzen gesetzt sind, ist
es mit der BSZ möglich, einen Wirkungsgrad von nahezu 100% zu erreichen.
T
− Tkälter
Für Wärmekraftmaschinen: η maximal = wärmer
T
kälter
Der wohl grösste Nachteil der BSZ sind die enormen Produktionskosten. Obwohl die Preise
für BSZ in den letzten Jahren massiv gesunken sind, sind sie immer noch viel zu hoch, um
sich auf dem Markt durchsetzen zu können. In Zukunft ist hier sicherlich nochmals mit
einem Kostenrutsch zu rechen, allerdings sind und bleiben die Materialien (besonders die
Membran) für die Herstellung einer BSZ einfach teuer.
Somit darf zwar festgehalten werden, dass die BSZ eine vom Prinzip her sehr gute
Technologie ist, man muss sich aber auch klar vor Augen führen, dass es noch ein langer
Weg zur rentablen Serien- Produktion ist – und dies trotz gewaltigen Fortschritten in den
letzen Jahren bezüglich Gewicht, Grösse und Kosten (s. auch 3.10).
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3.6 Verbrennungsmotor
„Ford bezeichnet diesen Motor als Brückentechnologie auf dem Weg zur Brennstoffzelle.“
(Informationsblatt zum Ford Focus C- MAX H2-ICE)
Der Wasserstoff- Verbrennungsmotor3 wird in der heutigen Brennstoffzellen- Euphorie fast
vergessen. So haben im Moment nur BMW und Ford Versuchsfahrzeuge (s. 5.1).
Verglichen mit der BSZ bietet der Verbrennungsmotor einige klare Vorteile. Da ich
überzeugt bin, dass diese Antriebstechnik wenigstens für den Übergang ins
Wasserstoffzeitalter bestens geeignet ist und ich einen solchen Motor für meine praktische
Arbeit gewählt habe, werde ich in diesem Kapitel ein bisschen tiefer gehen als in den
Vorherigen. Weitere Informationen werden aber auch noch im Kapitel 4 zu finden sein.
Grundsätzlich ist der Wasserstoffmotor gleich
aufgebaut wie ein Ottomotor, nur der
Treibstoff ist ein anderer. Es wurden auch
schon Versuche in Dieselmotoren mit
Wasserstoff gemacht, aufgrund seiner hohen
Zündtemperatur4 eignet sich das
Selbstzünderprinzip aber nicht. Auch wäre es
zwar theoretisch möglich, einen
Zweitaktmotor auf Wasserstoff auszulegen,
dort würden sich aber aufgrund der
Geschlossenheit des ganzen Systems
Probleme mit der Schmierung ergeben. So
bleibt noch der „gewöhnliche“ Viertakter, der
sich bestens für die Verbrennung von
Wasserstoff eignet. Beim Verbrennungsmotor
unterscheidet man grundsätzlich zwischen
innerer und äusserer Gemischbildung (s. Abb. 5):
Innere und äussere
Gemischbildung, Abgasrückführung
und Aufladung
Abb. 5:
Quelle: BMW
- innere Gemischbildung: Diese Methode der Gemischbildung benutzt man erst seit rund
zehn Jahren in grösserem Stile in Benzinmotoren. Hier wird der Treibstoff, hier eben
Wasserstoff, direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt (beim Wasserstoff wird
richtigerweise von Einblasung gesprochen). Physikalisch wäre dies die perfekte Methode,
da der Wasserstoff äusserst genau portioniert werden kann. Auch kennt man hier das
Problem der Rückzündung ins Saugrohr nicht. Da Wasserstoff allerdings gasförmig ist,
werden recht hohe Anforderungen an die Einblasventile gestellt. Um den Wasserstoff in
möglichst kurzer Zeit in den Brennraum zu bringen, sind Einblasdrücke bis zu 120 bar
nötig. Ausserdem hat man bis heute gewisse Probleme mit der Dichtigkeit. Somit kann
gesagt werden, dass die innere Gemischbildung zwar schön und gut, technisch aber sehr
aufwändig ist.
- äussere Gemischbildung: Diese Methode ist die technisch viel einfachere und wird
deshalb auch ausserhalb des Labors in Praxisversuchen verwendet. Hier wird der
Wasserstoff mit geringem Überdruck (Ford Focus C-MAX: 5.5 bar) ins Ansaugrohr
geblasen. Dort vermischt er sich bereits mit der Luft. Dieses Gemisch wird anschliessend im
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4
kurz H2- ICE (ICE = Internal Combustion Engine)
Zündtemperatur: H2 560°C; Diesel 250°C
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Verbrennungsraum gezündet. Da aber schon ausserhalb des Motors ein zündfähiges
Gemisch besteht, besteht die Gefahr der Rück- oder Glühzündung. Durch die sehr kleine
nötige Zündenergie (0.017 mJ) kann sich das Gemisch bereits im Ansaugtakt an heissen
Ecken im Verbrennungsraum entzünden und dann ins Ansaugrohr zurückschlagen. Dies
kann durch ein mageres Gemisch verhindert werden, da dieses wesentlich mehr Energie
brauch um entzündet zu werden als ein Gemisch mit hohem Wasserstoffanteil. Durch die
Einfachheit dieses Systems kann ein Benzinmotor mit Saugrohreinspritzung auch recht gut
umgebaut werden. Hierfür müssen die Einspritzventile so bearbeitet werden, dass sie mehr
Volumen Kraftstoff pro Zeit durchlassen 5. Schlussendlich ist die äussere Gemischbildung
zwar nicht so genial, dafür wesentlich einfacher zu realisieren als die innere
Gemischbildung.
Nebst diesen beiden Methoden kann die Gaszufuhr auch über einen Gasdruckregler
reguliert werden. Dies bei Motoren, die im Benzinbetrieb einen Vergaser besitzen und keine
Einspritzdüsen. Diese Art bewährt sich bei Motoren, die auf immer der ungefähr gleichen
Drehzahl fahren, die sich also nicht ständigem Gaswechsel anpassen müssen. Ich werde in
Kapitel 4 bei meinem Motor noch genauer darauf eingehen.
Wie ich bereits oben angetönt habe, hat der Verbrennungsmotor gegenüber der
Brennstoffzelle wenigstens noch im Moment gewisse Vorteile. Allerdings gibt’s auch
Probleme, die man bei der Brennstoffzelle nicht kennt. Den konkreten Vergleich dieser
beiden Antriebsarten werde ich in Kapitel 3.10 machen, die grundsätzlichen Vor- und
Nachteile möchte ich aber schon hier auflisten:
+ Umweltverträglichkeit: Als Abgase stösst der Wasserstoff- Ottomotor nur Wasser aus
(und u.U. ein wenig NOx). Somit hat man absolut keine Probleme mit Partikeln,
Kohlenstoffoxiden oder anderen giftigen, karzinogenen oder klima- aktiven Stoffen.
+ hoher Wirkungsgrad: Die Leistung von mit Wasserstoff betriebenen Motoren liegt
meistens rund 30% unter derjenigen des entsprechenden Benziners, der Wirkungsgrad ist
aber trotzdem höher. Dies kommt zustande, da die hohe Brenngeschwindigkeit des
Wasserstoff- / Luft- Gemisches dem thermodynamisch günstigen Gleichraum- Prozess
näher kommt als bei der Benzinverbrennung.
+ Gewicht / Preis: Sowohl das Gewicht des Motors als auch die Grösse entsprechen
ziemlich genau einem Benzinmotor. Somit hat man diesbezüglich keine
Konstruktionsprobleme. Auch die Kosten liegen in einem angemessenen und bekannten
Rahmen.
+ Erfahrung: Am Benzinmotor wird seit Jahrzehnten herumgeforscht und mittlerweile hat
man da einen sehr hohen technischen Stand erreicht. Davon kann in grossem Ausmasse
profitiert werden.
+ Möglichkeit des bivalenten Betriebs: Der Wasserstoffverbrennungsmotor kann, ähnlich
wie ein Erdgasmotor, so ausgelegt werden, dass er sowohl mit Wasserstoff als auch Benzin
betrieben werden kann. Dies wird besonders bei der Serieneinführung von grosser
5
stöchiometr. Gemisch H2 = 29.6 Vol.- % / Benzin = 1.8 Vol.- %
14/45
Bedeutung sein, da man bis dahin noch kein flächendeckendes Tankstellennetz aufgebaut
haben wird.
- unregelmässige Verbrennung: Durch den sehr tiefen Energiebedarf um das Gemisch zu
entzünden kann es wie oben bereits beschrieben zu Rückzündungen und verfrühten
Zündungen während des Verdichtens kommen. Dies verursacht ein Poltern und kann an
einen stark nagelnden, alten Dieselmotor erinnern. Diesen Problemen kann entgegengewirkt
werden, indem das Gemisch möglichst mager gehalten wird. Dadurch können auch
Stockoxide vermieden werden, allerdings kommt es so auch zu Leistungseinbussen. Diese
kompensiert zum Beispiel BMW mit einem Turbolader. Hier muss aber beachtet werden,
dass sich die Luft beim Verdichten erhitzt und dies das Gemisch wiederum entzünden
könnte. Die Luft muss also noch gekühlt werden. Eine andere Möglichkeit um
Rückzündungen und eine klopfende Verbrennung zu vermeiden ist die Anreicherung des
Gemisches mit Wasser. Somit wird nebst dem Wasserstoff und der Luft auch noch Wasser
eingespritzt. Hier stellt sich aber die Frage, woher man das Wasser nimmt (Abgase?).
- Wasserablagerungen: Da als Abgase Wasser entsteht, wird der Zylinder innen nass. Dies
könnte beim Kaltstart unter Umständen zu Zündproblemen führen. Durch eine entsprechend
grosse Zündanlage kann dieses Problem allerdings behoben werden.
- geringe Leistung: Trotz des höheren Wirkungsgrades beim Betrieb mit Wasserstoff im
Gegensatz zum Benzinbetrieb liegt die Leistung darunter. Durch das grosse Gasvolumen
muss in kurzer Zeit ein grosses Volumen in den Brennraum gelangen, wodurch es zu
grossen Strömungsverlusten kommt. Ausserdem kann es bei den Ventilen zu Stauungen
kommen. Solche Verluste nennt man Liefergrad- Verluste. Ausserdem hat Wasserstoff
durch die geringe Dichte einen äusserst kleinen Heizwert pro Volumen, und letztlich ist im
Brennraum das Volumen und nicht die Masse entscheidend. In der Literatur findet man
hierzu Werte von 20 bis 45 % Minderleistung, dies allerdings bei umgebauten Motoren, die
ursprünglich für den Benzinbetrieb optimiert sind. Neuentwicklungen dürften hier kaum
mehr Nachteile aufweisen.
- Stickstoffoxide: Wenn das Wasserstoff-/ Luft- Gemisch relativ fett ausfällt, dadurch die
Temperatur im Brennraum hoch wird, können sich aus dem Luftstickstoff Stickoxide
bilden. Um dieses Problem zu beheben funktionieren die gleichen Massnahmen wie zur
Verhinderung von Rückzündungen.
H2 + O2 → H2O + Energie
Energie + N2 + O2 → NOx
Final kann festgehalten werden, dass der Wasserstoff- Verbrennungsmotor sehr vielfältig
einsetzbar ist, auf einem bewährten Prinzip basiert und deshalb eigentlich schon in sehr
naher Zukunft in Serie gehen könnte.
15/45
3.7 Einsatzgebiete
„Doch es liegt in der Natur des Menschen, zunächst das zu fokussieren, was uns am meisten
am Herzen liegt, womit wir emotional stark verwachsen sind: Das Auto.“ (Alf- Sibrand
Rühle, Anlagespezialist und Buchautor)
Gemäss obigem Zitat aus dem Buch „Wasserstoff & Wirtschaft – Investieren in eine
saubere Zukunft“ gehe ich in meiner Arbeit primär auf Verkehrsmittel ein. Die
Automobilindustrie ist wohl auch derjenige Wirtschaftszweig, der am Meisten in die
Bekanntmachung der Wasserstofftechnologie investiert. So wissen wohl viele Leute, dass es
einen Mercedes der A- Klasse gibt, der mit Wasserstoff fährt, dass aber viele grosse und
bekannte Unternehmen im Energiesektor auch Lösungen anbieten, weiss kaum jemand. So
ist beispielsweise auch das Schweizer Unternehmen Sulzer Hexis auf dem Bereich der
Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie führend – ein Unternehmen, das wir primär
von künstlichen Hüftgelenken her kennen.
Auf den Bereich der Kraftfahrzeuge möchte ich hier nicht mehr genau eingehen. Daneben
kann Wasserstoff nahezu überall eingesetzt werden – vom Akku bis zum Grosskraftwerk.
Im folgenden zwei Beispiele:
- Batterien, Akkus: Viele Unternehmen sind daran, kleinste Brennstoffzellen zu
entwickeln, die in Zukunft unsere kleinen elektronischen Helfer mit Strom versorgen sollen.
Eine besondere Bedeutung hat in diesem Bereich die Direkt- Methanol- Brennstoffzelle,
die, wie der Name schon sagt, direkt mit Methanol betrieben werden kann. Bereits heute
werden an Messen Laptops, Handys und Videokameras vorgestellt, die dank der
Brennstoffzelle eine massiv höhere Betriebsdauer erreichen. Daneben werden auch
Versuche mit den Ottomotor gemacht: Forscher der Columbia University präsentierten 2001
einen Motor, der die Grösse eines Kartenspiels hat – mit bis zu 2.4 Millionen Umdrehungen
pro Minute! Dieser kann angeblich einen Laptop 24 Stunden lang mit Strom versorgen.
- Haus- Energieversorgung: Eine Brennstoffzellen- Anlage in der Grösse eines
Kühlschrankes im Keller, Solarzellen auf dem Dach – so könnte nach Ansicht einiger
Experten die Zukunft aussehen. Bei Sonnenschein liefern die Zellen auf dem Dach Strom,
Überschüsse werden in Form von Wasserstoff, welcher elektrolytisch in der Brennstoffzelle
hergestellt wird, gespeichert, um in der Nacht oder bei schlechtem Wetter Elektrizität zu
liefern. In Freiburg im Breisgau erprobt ein Physiker- Ehepaar schon seit einigen Jahren
diese futuristische Art des Wohnens.
3.8 Ökonomische, ökologische und politische Vorteile von Wasserstoff
„Die H2- Revolution beendet die Macht der Ölkartelle und ist Ausgangspunkt für eine
gerechte Weltwirtschaft.“ (Jeremy Rifkin, Querdenker und Buchautor)
Dass eine neue Technologie den Durchbruch schafft, muss sie möglichst viele Vorteile
gegenüber der alten Technik bieten und gleichzeitig dürfen die Nachteile keinesfalls grösser
sein als früher – eine nicht ganz einfache Aufgabe. Doch die Wasserstofftechnologie bietet
einige klare Vorteile gegenüber allem bisher bekannten. (s. auch 3.1 / 3.2 / 3.9)
16/45
Ökonomische Vorteile: Da unsere gesamte Wirtschaft von fossilen Energieträgern abhängt,
hätte ein plötzliches Ende oder eine massive Verteuerung dieser Energien apokalyptische
Auswirkungen auf unsere Wirtschaft und somit auf unser Leben. Deshalb ist es von
eminenter Wichtigkeit, dafür zu sorgen, dass wir nicht mehr oder wenigstens nicht mehr so
stark von den fossilen Energieträgern abhängen, wenn diese zur Neige gehen. Und zu Ende
gehen werden sie über kurz oder lang einmal!
Daneben hat Wasserstoff auch noch einen direkten Volkswirtschaftlichen Vorteil. Dadurch,
dass Wasserstoff nirgends einfach so vorkommt und somit immer produziert werden muss,
können auch Länder, die bislang nicht die Möglichkeit hatten, Öl oder Gas zu fördern, zu
grossen Produzenten des neuen Öls werden. Das einzige, was benötigt wird, ist Energie, am
liebsten natürlich regenerative. Und Sonnenlicht, Erdwärme, Wind oder Wasserkraft stehen
fast weltweit zur Verfügung, man muss diese Energieformen nur nutzen. Dieser Aspekt
dürfte vor allem für die Schweiz wichtig sein, da die Schweiz bezüglich Wasserkraft
international sehr gut dasteht, hingegen keine oder kaum fossile Energieträger besitzt.
Ökologische Vorteile: Diese Vorteile sind wohl die bekanntesten und offensichtlichsten,
wenn auch nicht die einzig wichtigen. Bei der Verbrennung von Wasserstoff , egal ob in der
Brennstoffzelle oder in einem Motor, entsteht bekanntlich überwiegend Wasser. Damit kann
das Problem der ständig wachsenden Kohlendioxidemissionen gelöst werden. Somit kann
die menschlich verursachte, rapide fortschreitende Klimaerwärmung gebremst und später
einmal vielleicht gestoppt werden. Nebst den gesundheitlichen und natürlichen
Auswirkungen dürfte eine solche Entwicklung langfristig auch zu weniger
Naturkatastrophen führen. Somit könnte eine Menge Geld bei den Gesundheitskosten und
der Katastrophenhilfe gespart werden, was schlussendlich wieder einen
volkswirtschaftlichen Vorteil mit sich bringt.
Politische Vorteile: Wie die jüngsten Ereignisse in New York, Madrid, London und
anderen Grossstädten zeigen, geht von gewissen islamischen Ländern und Gruppierungen
eine erhebliche Gefahr aus. Dummerweise befinden sich die grossen Vorräte an fossilen
Brennstoffen genau in solchen politisch instabilen Regionen. Dadurch, dass Wasserstoff in
nahezu allen Ländern produziert werden kann, wird die Versorgungssicherheit und die
Preisstabilität erhöht. Ausserdem ist die westliche Welt nicht mehr durch islamischfundamentalistische Schurkenstaaten erpressbar. Somit wird es in Zukunft nicht mehr ein
paar wenige auf diesem Planeten geben, die alle Energieeinkünfte einstecken und jederzeit
die Möglichkeit haben, in den anderen Ländern Energieengpässe zu provozieren. Auch
arme Länder können bei einer auf Wasserstoff basierenden Weltwirtschaft an der Energie
verdienen. (s. auch 5.3 bis 5.7)
17/45
3.9 Vergleich: Fossile Energieträger vs. Wasserstoff
„Wasserstoff bewegt die Autowelt!“ (Info- Broschüre Paul- Scherrer- Institut)
In diesem Kapitel möchte ich auf allzu viel Text verzichten, da ein Vergleich immer am
anschaulichsten ist, wenn man Tabellen vor sich hat. Ausserdem wurden bereits einige
Vorteile von Wasserstoff (und somit Nachteile der fossilen Energien) im vorderen Kapitel
(3.8) behandelt. Ausserdem werde ich im folgenden Kapitel (3.10) zum Teil auch noch zum
Teil den Vergleich zu Benzin / Diesel machen.
Allgemeine Kraftstoffgegenüberstellung
Wasserstoff
Mineralöl
Geringe Umweltbelastung
Hohe Umweltbelastung
Geringe volumenbezogene Energiedichte Hohe Energiedichte
Grosses Entwicklungspotential
Ausgereizte Technologie
Unbekannte Handhabung
Leichte Handhabung
Schwierige Speicherung
Einfache Speicherung
Schlechte / keine Infrastruktur
Dichtes Tankstellennetz
Schafft neue Arbeitsplätze
Grosser Arbeitskraft- Bedarf
Quelle: „Wasserstoff & Brennstoffzellen“, Sven Geitmann
Tab. 1:
Herstellungskosten
Wasserstoff aus ...
Erdgas
Biomasse
Windkraft
Solarthermie
Photovoltaik
Kernenergie
Vergleich
Benzin / Diesel
Quelle: Automobil Revue Nr.51, 2003
Tab. 2:
Dollar pro Gigajoule
7 - 11
10 - 18
17 - 30
27 - 35
47 - 75
15 - 20
6-8
Wie in Tabelle 2 ersichtlich ist, rentiert sich die regenerative Wasserstoffproduktion noch
nicht. Allerdings dürften die Kosten ins rutschen kommen, wenn die Nachfrage wächst und
somit die Produktion massiv gesteigert werden kann.
Dekarbonisierung
Energieträger
Kohlenstoff Gewichtsanteil Atomarer Kohlenstoffanteil
Kohle
bis 90%
*
Mineralöl
84%
31%
Erdgas
75%
20%
Wasserstoff
0%
0%
* Die heterogene Zusammensetzung von Kohle ermöglicht keine genaue Angabe
Quelle: „Wasserstoff & Wirtschaft“, Alf- Sibrand Rühle
Tab. 3:
18/45
Die obige Tabelle (3) verdeutlicht den Trend zu Energieträgern mit einem hohen
Wasserstoff- Anteil. Diese Entwicklung wird Dekarbonisierung genannt. Somit spricht auch
die energiegeschichtliche Entwicklung klar für den Wasserstoff, der am Ende des Weges
von Kohle (19. Jh.) über Erdöl (20. Jh.) und Erdgas (Ende 20. Jh. / 21. Jh.) steht. Ausserdem
möchte ich hierbei noch einen Satz erwähnen, den ich in meinen Chemieunterlagen der
Sekunda gefunden habe: „Je weniger Wasserstoff, desto russiger die Verbrennung“. Dies
dürfte besonders heute von Bedeutung sein, da die Russ- Partikel von Dieselmotoren immer
wieder für heftige Diskussionen sorgen. Der Stoff mit dem höchsten Wasserstoffanteil und
somit der unrussigsten Verbrennung ist logischerweise Wasserstoff selbst.
3.10 Vergleich: H2- Verbrennungsmotor vs. Brennstoffzelle
„In zwanzig bis dreissig Jahren wird die Brennstoffzelle Zug um Zug den
Verbrennungsmotor ablösen.“ (Wolfgang Reitzle, ehem. BMW- und FordSpitzenmanager, heute VR- Vorsitzender des Gasproduzenten Linde)
Dieses Kapitel erscheint mir besonders interessant, da es zwar keine Frage ist, ob die
Brennstoffzelle kommen wird, sich die grossen Firmen auf dem Wasserstoffsektor nicht
ganz einig sind, ob nun zuerst der Verbrennungsmotor mit Wasserstoff oder die
Brennstoffzelle direkt kommen wird. Aus meiner Sicht geht im Moment in der PKWIndustrie einzig der Fahrzeug- Gigant Ford den richtigen Weg: zuerst den
Verbrennungsmotor und später, wenn eine Wasserstoff- Infrastruktur steht und die
Brennstoffzelle ausgereift ist, auf die Brennstoffzelle umstellen.
Auch hier sind wieder Tabellen und Grafiken am anschaulichsten.
Allgemeine Gegenüberstellung
Wasserstoff- Ottomotor
Bescheidener Wirkungsgrad
Bewährte Technik
Angemessene Kosten
Bivalenter Antrieb möglich (Tankstellen!)
Bekanntes Fahrgefühl / -geräusch
Tab. 4:
Abb. 6:
Brennstoffzelle
Hoher Wirkungsgrad
Neue, unausgereifte Technik
Sehr hohe Kosten
Betrieb nur mit Wasserstoff
Gewöhnungsbedürftiges Fahrgefühl / geräusch („Geräusch wie Staubsauger“)
Schadstoff- Emissionen
D ie s e lm o t o r
B e n z in m o t o r
B r e n n s t o ffz e l l e ( r e g e n e r a t i v)
B r e n n s t o ffz e l l e ( a u s E r d g a s )
W a s s e r s t o ffm o t o r ( r e g e n e r a t i v)
W a s s e r s t o ffm o t o r ( a u s E r d g a s )
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900
[m g / k m ]
K o h le n d io x id x 1 0 0 0
S c h w e fe l d i o x i d
S t ic k o x id
K o h le n m o n o x id
K o h l e n w a s s e r s t o ff
 Fahrbetrieb und Kraftstoffherstellung werden in den Werten berücksichtigt!
Quelle: „Wasserstoff & Brennstoffzelle“, Sven Geitmann
19/45
Abb. 7: Speichervolumen für 750 km Reichweite
D ie s e lm o t o r
B e n z in m o t o r
W a s s e rs t o ff- B re n n s t o ffz e lle
(g a s fö rm ig )
W a s s e rs t o ffm o t o r (flü s s ig )
0
100
200
300
400
500
600
[L i te r ]
Quelle: „Wasserstoff & Brennstoffzellen“, Sven Geitmann
Durch den höheren Wirkungsgrad der Brennstoffzelle benötigt man da auch ein kleineres
Tankvolumen als beim Verbrennungsmotor.
Schlussendlich kann somit festgehalten werden, dass die Brennstoffzelle bezüglich
Wirkungsgrad, Speichervolumen und Schadstoffemissionen dem Verbrennungsmotor
überlegen ist, die Zuverlässigkeit und die Kosten sind aber noch nicht markttauglich. Auch
die Tatsache, dass der Verbrennungsmotor bivalent, also sowohl mit Benzin als auch mit
Wasserstoff betrieben werden kann, erhöht seine Marktchancen ungemein. Somit ist es
wohl richtig, dass man an der Brennstoffzelle dranbleibt, aber auch den WasserstoffOttomotor zur Serienreife entwickelt, so dass dieser eine gewisse Überbrückungsfunktion
vom fossilen Zeitalter in die Wasserstoffwelt übernehmen kann (s. Zitat zu 3.6).
3.11 Gefahren / Vorurteile
„Was das Gefahrenpotenzial betrifft, muss man möglicherweise Benzin als gefährlicher
einschätzen als Wasserstoff.“ (Michael Siedentor, TÜV Automotive GmbH)
Wasserstoff hat allgemein bezüglich Sicherheit ein sehr schlechtes Image. Solche (Vor-)
Urteile basieren meistens auf Ereignissen der Vergangenheit. So wird Wasserstoff oftmals
in Verbindung mit der Zeppelin- Katastrophe von 1937 oder der Wasserstoffbombe
gebracht. Bezüglich des Unglücks des Zeppelins „Hindenburg“ gilt es aber zu erwähnen,
dass rund zwei Drittel der Passagiere überlebten – und dies dank den speziellen
Brenneigenschaften von Wasserstoff. Da sich in der Zeppelin- Hülle kein explosionsfähiges
Gemisch, sondern nur Wasserstoff befand, brannte das Gas sehr schnell nach oben ab. Die
Ursache des Unglücks war auch nicht der Wasserstoff, sondern eine elektrostatische Ladung
in der Luft, die die Ballonhülle entzündete. Zur Wasserstoff bombe muss gesagt werden,
dass es sich hierbei nicht um eine Verbrennung wie in einem Motor oder in der
Brennstoffzelle handelt, sondern um den sehr komplexen Vorgang der Kernfusion. Somit
hat die Bombe also absolut nichts mit den „friedlichen“ Wasserstofftechnologie zu tun.
20/45
Im Vergleich zu bekannten Energieträgern weist Wasserstoff hinsichtlich des
Gefahrenpotenzials einige entscheidende Vorteile auf. So ist es beim Wasserstoff nicht
möglich, dass sich in Bodennähe explosive Dämpfe bilden, wie dies beispielsweise beim
Benzin der Fall ist. Durch die geringe Dichte ist Wasserstoff sehr flüchtig und steigt sehr
schnell nach oben. Somit oxidiert er in der Luft meistens bereits bevor die Explosionsgrenze
erreicht ist und verschwindet sehr schnell aus dem bodennahen Bereich. Somit kann ein mit
Wasserstoff betriebenes Fahrzeug weder Feuer fangen, noch kann es zu Szenen wie in
Filmen kommen, in denen Menschen brennend davon rennen. Ausserdem sei hier noch
einmal erwähnt, dass die Tanks, in denen der Wasserstoff gespeichert wird, bereits heute ein
sehr hohes Sicherheitsniveau erreicht haben (s. auch 3.4).
Trotzdem wäre es falsch zu sagen, von Wasserstoff gehe überhaupt keine Gefahr aus, die
Gefahr ist in vielen Bereichen nur kleiner oder anders als bei fossilen Energieträgern. Ein
Energieträger speichert, wie der Name schon sagt, Energie, und Energie bringt immer ein
gewisses Gefahrenpotenzial mit sich. Somit gilt es bei allen Energieträgern, also auch bei
Wasserstoff, bei der Handhabung aufzupassen. So sollte mit Wasserstoff wenn immer
möglich nur in gut belüfteten Räumen oder im Freien gearbeitet werden. Ausserdem sollten
Tanks (und Leitungen, Ventile,...) antistatisch gebaut sein. Bei flüssigem Wasserstoff
müssen weiter noch Massnahmen gegen die enorme Kälte getroffen werden.
21/45
4 Eigene, praktische Arbeit
4.1 Themenwahl / Zielsetzung
Für mich stand bereits relativ früh fest, dass ich die Chance, eine umfangreiche, eigene
Arbeit zu schreiben, packen wollte und dass das Thema wohl irgend etwas mit Wasserstoff
zu tun haben würde. Wie bereits erwähnt und am Umfang der Arbeit möglicherweise auch
ersichtlich, ist das Themenfeld „Wasserstoff“ nahezu unbegrenzt. Bereits seit Jahren bin ich
technisch interessiert, daher war ein technisches Thema naheliegend. Trotzdem machte ich
mir Gedanken über die Wirtschaftlichkeit und den politischen Willen bezüglich der
Wasserstofftechnologie. Da ich jedoch der Meinung bin, dass man sich von den
wirtschaftlichen und anderen Problem am besten ein Bild machen kann, wenn man den
technischen Hintergrund versteht, blieb ich bei einem technischen Thema. Da mir der
Verbrennungsmotor nicht ganz unbekannt war und mir relativ einfach und verständlich
erschien, beschloss ich, die Brennstoffzelle links liegen zu lassen und mich dem
Wasserstoff- Ottomotor zu widmen.
Nach einer anfänglichen leichten Orientierungslosigkeit wandte ich mich Herrn Hertig zu.
Aus dem Internet und aus Zeitungsberichten über das Projekt „SwissAlps 3000“ (s. 5.2)
wusste ich, dass er über grosse Erfahrung im Umbau von Benzinmotoren auf Wasserstoff
verfügte. Bei einem ersten Besuch bei ihm in Bärau im Emmental anfangs April riet er mir,
einen Rasenmähermotor umzubauen, da ein solcher Motor günstig ist und einfach aufgebaut
ist. Mein Grossvater konnte mir anschliessend einen Vertikulierer besorgen. Dies war zwar
kein Rasenmäher, schliesslich ging es aber natürlich um den Motor: einen Briggs & Stratton
5HP.
Erst später merkte ich, dass die Wahl
eines Vertikulierers (oder
Abb. 7: Vergleich der HC- und BenzolRasenmähers) geradezu ideal war. So
Emissionen
stiess ich auf eine Grafik aus dem
Chemieunterricht, die die
Notwendigkeit, solche Geräte zu
optimieren verdeutlichte (s. Abb. 7).
So liegt der Schadstoffausstoss eines
Rasenmähers um ein vielfaches höher
als derjenige eines Autos. Ausserdem
ist die Nähe des Nutzers zum Gerät
äusserst problematisch. Sogenannte lokale Emissionen sind um ein vielfaches
gesundheitsschädigender als „verdünnte“ Schadstoffe, die einfach so in der Luft vorhanden
sind. Der Wasserstoffmotor stellt für diese Probleme eine Lösung dar. Später stiess ich auf
einen Artikel im Magazin „H2 Tec“, in dem es um Brennstoffzellen für mobile Kleingeräte
geht. Im Mittelpunkt steht hier klar der Rasenmäher. Die Autoren Dipl.- Ing. Stefan Richter
und Dipl.- Ing. Serafin von Roon vertreten in diesem Artikel die Ansicht, dass Rasenmäher
(oder wohl auch Vertikulierer), die mit Strom aus Brennstoffzellen angetrieben werden,
einen grossen Beitrag zur kommerziellen Einführung von Brennstoffzellen leisten. Ein
Kleingerät mit all seinen Komponenten, also auch mit einer Brennstoffzelle, kann, da es in
grossen Stückzahlen produziert wird, zu einem relativ günstigen Preis verkauft werden.
Ausserdem sind die Anforderungen bezüglich Lastenwechsel, Betriebsdauer und temperatur wesentlich kleiner als beispielsweise bei einem Auto. Somit könnten
22/45
Rasenmäher mit Brennstoffzellen die Akzeptanz für die neue Technologie in der
Bevölkerung erhöhen. Diese Gedanken können wohl, wenn auch in geringerem Ausmasse,
auch auf den Wasserstoffverbrennungsmotor übertragen werden.
Grundsätzlich geht es mir in dieser Arbeit darum, zu zeigen, dass ich als Gymnasiast fähig
bin, einen „dreckigen“ Benzinmotor zu einem Motor mit Zukunftstechnologie umzubauen.
Bei diesem Ziel steht der praktische Nutzen respektive die Praxistauglichkeit klar im
Vordergrund. Somit ging es mir darum, zu schauen, ob der Motor mit relativ bescheidenen
Mitteln umgebaut werden kann, so dass er wenigstens läuft. Weiter interessierte es mich, ob
der Motor überhaupt in seinem ursprünglichen Verwendungsgebiet eingesetzt werden kann.
In meinem Falle stand steht hier klar die Handhabung, die Reichweite beziehungsweise die
Nutzungsdauer mit einer Tankfüllung und die Leistung im Vordergrund. Schlussendlich
bringt es ja nichts, wenn der Motor zwar läuft, aber nur sehr kurz und mit einer Leistung,
die nicht ausreicht, um den Rasen zu kultivieren. Auch die Handhabung sollte einfach und
ungefährlich sein, da solche Gartengeräte meistens von Privatpersonen und nicht von Profis
bedient werden.
4.2 Motor vor dem Umbau
Der Motor präsentierte sich vor dem
Abb. 8
Umbau einfach verständlich. Dies
erwies sich als grosser Vorteil.
Grundsätzlich kann beim Umbau der
Motor an sich mit dem Brennraum,
dem Auspuff und der Schmierung
unverändert bleiben. Der einzige Teil,
der im Grunde genommen interessiert,
ist der Vergaser (s. Abb. 8, oben
rechts), da sich die Gemischbildung
mit Wasserstoff doch sehr vom
Benzinbetrieb unterscheidet. Weiter ist
der Choke respektive der DrehzahlBegrenzer sowie der Hebel an der
Schubstange von Bedeutung. Diese Komponente werden nach dem Umbau zum Gasgeben
verwendet.
Die technischen Daten des Vertikulierers werden vom Hersteller, also Briggs & Stratton
respektive Sabo, wie folgt angegeben:
P = 3.5 kW / 4.76 PS
n = 3300 U / min
m = 39 kg
23/45
4.3 Umbau
Der Umbau des Motors beanspruchte recht viel Zeit und wurde durch unvorhersehbare
Ereignisse immer wieder leicht verzögert (z.B. verzögerte Lieferung des Gasreglers).
Schliesslich stand der Umbau bei meiner Arbeit im Mittelpunkt und soll hier ausführlich
beschrieben werden.
Ebenfalls hier möchte ich noch erwähnen, dass ich den gesamten Motor bei Herrn Hertig in
seiner Werkstatt in Bärau umbauen konnte. Auch die einzelnen Teile wie dem
Gasdruckregler oder dem Rohr für die Befestigung der Flasche wurden von ihm besorgt.
Ausserdem half er mir beim Umbau. Da ich jedoch bis aufs Schweissen das meiste selber
gemacht habe, glaube ich die einzelnen Umbauschritte verstanden zu haben und wäre somit
nun im Stande, einen ähnlichen Umbau weitestgehend selbständig ausführen zu können.
Diesen Teil möchte ich in verschiedene Teile gliedern, da auch während des Umbaus
verschiedenste Tätigkeiten im Vordergrund standen. So stellte sich die Frage, wie die doch
recht schwere Wasserstoff- Druckflasche möglichst einfach und stabil auf dem Gerät
befestigt werden kann. Weiter kamen die Hauptteile des Umbaus: die Montage des
Gasdruckreglers sowie dessen Einstellung. Um den Betrieb des Geräts ein bisschen
spektakulärer zu machen und den Link zu einem Fahrzeug zu geben, wurde noch eine
Einrichtung „gebastelt“, um die Tourenzahl zu verändern, also um Gas zu geben. Des
weiteren möchte ich die einzelnen wichtigen Komponenten kurz vorstellen.
- Montage der Flasche: Die Flasche wird mit einem kurzen Rohr neben dem Motor auf
dem Gestell des Vertikulierers montiert. Das Metallrohr wurde genau auf die Dicke der
Flasche ausgedreht. Danach wurde eine Metallplatte genau auf den (schrägen) Durchmesser
des Rohres zugesägt und die Kanten so angeschliffen, dass die Platte ins Rohr passt. Zwei
Löcher in dieser Platte sollten später das Rohr fest auf dem Vertikulierer fixieren. Diese
Platte wurde anschliessend auf der Innenseite der Schrägseite des Rohres angeschweisst.
Nach dem Verschrauben des Rohres auf der rechten Seite des Vertikulierers strich ich es
blau an (blau wegen des Wasserstoffes). Dies hat vorwiegend optische Zwecke.
Durch die Verwendung eines Rohres kann die Flasche äusserst einfach gewechselt werden,
ein Anbinden, Festschrauben oder Ähnliches kann vermieden werden.
- Gasgeben: Grundsätzlich läuft
der Vertikulierer auf konstanter
Tourenzahl, da der Rasen mit
immer der gleichen
Geschwindigkeit und Intensität
kultiviert wird. Trotzdem wollte
ich einen Motor, der so stark wie
möglich an einen Auto- oder
Motorradmotor erinnert. Da der
Choke, eine Einrichtung um dem
Motor beim Anlassen mehr
Treibstoff zukommen zu lassen,
beim Betrieb mit Wasserstoff
überflüssig ist, da Wasserstoff
genug zündwillig ist, konnte der
Choke- Hebel auf der rechten Seite
Abb. 9: Verbindung Gaskabel
Gasdruckregler
– Choke- Hebel und
24/45
des Vertikulierers, welcher mit dem Hebel an der Schubstange verbunden wurde, verwendet
werden um die Drehzahl zu verändern. Dieser Hebel wurde über einen festen Draht mit
einer bereits vorhandenen Klappe verbunden. Diese Klappe hätte die Aufgabe, durch
Ausnützung der Fliehkraft der Kurbelwelle die Drehzahl konstant zu halten. Sie übernimmt
nun die Funktion einer Drosselklappe. Weiter ist das Ganze mit dem Gasdruckregler
verbunden. Dieser wird verstellt, wenn auch die Drosselklappe verstellt wird (s. Abb. 9)
Somit ist bei genauer Einstellung die richtige Lambdazahl garantiert.
- Montage des Gasdruckreglers: Zuerst wurde der gesamte Luftfilter entfernt, so dass der
Gasdruckregler darauf Platz findet. Dieser wurde nun mit einer Platte auf dem Ansaugrohr
festgeschraubt. Um Gas geben zu können wurde der Drehmechanismus, um den Regler zu
verstellen, entfernt. Nun wird mit einem Hebel mit Hilfe eines Bolzens, der von unten in
den Gasdruckregler drückt, der Druck und somit die Gasmenge reguliert. Dies hat den
Vorteil, dass mit einem einfachen Mechanismus mit einer kleinen Bewegung der Regler
verstellt werden kann.
- Einstellen des Gasreglers auf die korrekte Lambdazahl: Dieses Einstellen des richtigen
Gemisches erfolgte experimentell, d.h. der Motor wurde anfänglich mit einem zwar
zündfähigen, aber zu fetten oder zu mageren Gemisch gestartet. Anhand der Laufruhe
wurde dann der Gasdruckregler und die Drosselklappe aufeinander abgestimmt, so dass die
Lambdazahl stimmt. Hier ging es primär um den akustischen Eindruck, den der Motor
vermittelte .
- wichtige Komponente: Zu diesen zähle ich die Gasflasche und den Gasdruckregler, da
diese beiden Teile den eigentlichen Unterschied zum Benzinmotor ausmachen.
-Gasflasche: Ich achtete darauf, dass die Flasche möglichst klein ist, so dass sie praktisch zu
transportieren ist und einfach auf dem Vertikulierer angebracht werden kann. Nach einem
ersten Versuch, eine solche Flasche bei der Firma PanGas (Linde) zu besorgen, bezog ich
die Flasche dann bei CarbaGas (Air Liquide). So kam ich zu einer kleinen, handlichen
Flasche. Allerdings könnte sie ruhig ein wenig dicker sein, so dass mit einem grösseren
Volumen gearbeitet werden könnte. Dies hätte keine negativen Einflüsse auf die Montage
der Flasche auf dem Vertikulierer, hätte aber eine längere Betriebsdauer zur Folge. Doch zu
den technischen Daten:
Volumen: 3.8 Liter bei 200 bar
Volumen entspannt: ca. 760 Liter
Gasart: Wasserstoff technisch
Gewicht (voll): 5 kg
Durchmesser:10 cm
Höhe über alles:70 cm
Preis pro 3.8 Liter: 34 Franken
Flaschenmiete pro Tag: 0.46 Franken
25/45
- Gasdruckregler: Beim Gasdruckregler handelt es sich um den entscheidendsten
Unterschied zu einem Benzinmotor. Im Grunde genommen handelt es sich hierbei nur um
eine leicht modifiziertes Druckreduzierventil einer Gasflasche. So wurde die Verstellbarkeit
des Druckes verändert (Hebel statt eine Dreheinrichtung) (s. Abb. 10). Dieser Regler wurde
auf dem Ansaugrohr befestigt und übernimmt somit die Gemischbildung respektive
zusammen mit der Drosselklappe die
Abb. 10: Verstellmechanismus am Gasregler
Lambdaregelung. Der
Gasdruckregler kann auf die
Drosselklappe so abgestimmt
werden, dass der Motor mit der
gewünschte Lambdazahl läuft. Der
Druck, der vom Druckreduzierventil
auf der Flasche zum „unteren“
Regler kommt, ist relativ gering (ca.
2 bar), und der Motor braucht
allgemein recht wenig Wasserstoff,
somit kann der Gasdruckregler für
relativ kleine Gasmengen ausgelegt
sein.
4.4 Betrieb / Messungen / Erfahrungen
Wie bereits erwähnt steht bei einem Vertikulierer die Leistung, der Verbrauch und die
daraus resultierende mögliche Betriebsdauer sowie die Handhabung im Vordergrund.
Ausserdem möchte ich noch einige technische Daten des Motors hier aufführen.
Auch in diesem Kapitel möchte ich die Angaben in verschiedene Teile gliedern:
- Leistung: Die Leistung steht beim Vertikulierer nicht direkt im Vordergrund. Allerdings
ist es natürlich von grosser Bedeutung, ob die Leistung ausreicht, um den Rasen und die
darunter liegende Erde zu kultivieren. Somit führe ich bei meiner Arbeit nur eine empirische
Leistungsmessung durch. Nach meinen Beobachtungen reicht die Leistung zum Kultivieren
vollkommen aus. Der Motor dreht auch schön und kräftig, wenn die Vertikuliermesser die
Erde lockern. Somit kann zwar davon ausgegangen werden, dass der Motor weniger leistet
als im Benzinbetrieb (s. unten), ein Nachteil lässt sich daraus aber klar nicht ableiten. Somit
bin ich in diesem Punkt absolut zufrieden.
Mir ist bewusst, dass eine absolute Zahl mehr überzeugen würde als eine Beschreibung.
Jedoch wird die Leistung von solchen Gartengeräten nicht besonders oft gemessen, weshalb
es kaum Anlagen gibt, die die Leistung eines Vertikulierers messen könnten (fehlende
Kompatibilität Vertikulierer- Motor / Messanlage).
Anfänglich wollte ich die Leistung mit einem eigenen Versuch messen. Nach einem
Gespräch mit einem Bekannten, der als Elektroingenieur Erfahrung mit der
Leistungsmessung von Lokomotiven hat, kam ich von dieser Idee aber ab. Offenbar würde
das Konstruieren einer solchen Anlage beinahe eine eigene Maturaarbeit ergeben. Trotzdem
möchte ich hier das Prinzip, das man dabei verwenden würde kurz umreissen, da mir die
Leistungsmessung doch recht wichtig erscheint und die Methode bei anderen technischen
Tätigkeiten durchaus nützlich sein kann: Grundsätzlich hat man auf der einen Seite eine
Achse, die vom Motor angetrieben wird, auf der anderen Seite bewegt sich eine Achse, an
der eine Last, in meinem Falle die Vertikulierwelle, befestigt ist. Die beiden Achsen werden
26/45
miteinander verbunden, und zwar mit Federn. Nun kann die Kraft gemessen werden, die
nötig ist, um die Federn zu dehnen respektive die nötig ist, um die beiden Achsen
gegeneinander um bestimmte Grade zu verwinden. So kann auf der einen Achse eine Skala
erstellt werden mit dem erforderlichen Drehmoment um die Achsen zu verwinden.
Drehmoment M = Kraft · Lände des Arms, an dem die Kraft gemessen wurde
Nun lässt man den Motor laufen. Dies hat ein gewisses Verwinden der Achsen zur Folge.
Wird die sich schnell drehende Skala nun mit Blitzlichtern (Stroboskop) der selben
Frequenz der Umdrehungen beleuchtet, erscheint die Skala als stationär. So kann nun das
Nutzdrehmoment des Motors abgelesen werden und davon kann auf die Leistung P
geschlossen werden.
P = M · 2 · π · Umdrehungen pro Sekunde
Da eine solch genau Leistungsmessung aber wie bereits erwähnt nicht möglich war, stütze
ich mich neben der beobachteten Leistung noch auf Literaturwerte. So geht man allgemein
davon aus, dass ein mit Wasserstoff betriebener Motor rund 30% weniger Leistung erbringt
als im Benzinbetrieb. Da dieser Wert sich auf bestens abgestimmte Motoren bezieht, gehe
ich vorsichtig bei meinem Motor von einer um rund 40% verminderten Leistung aus.
3.5 kW · 0.6 = 2.1 kW resp. 2.9 PS
- Verbrauch: Der Verbrauch hat beim Wasserstoffmotor keine Bedeutung bezüglich
Umweltverträglichkeit, wohl bestimmt er aber die Nutzungsdauer des Geräts mit einer
Flasche Wasserstoff. Die ist hinsichtlich der Praxistauglichkeit sowie der Betriebskosten
von Bedeutung. Die Messung erfolgte auf hoher Drehzahl und unter Last, also während des
Vertikulierens. Somit kann man bei meiner Angabe von einem Maximalverbrauch sprechen,
da der Betrieb theoretisch auch mit niedrigeren Touren möglich wäre.
Die Flasche fasst wie bereits erwähnt 3.8 Liter Wasserstoff, welcher mit 200 bar
komprimiert ist. Somit ergibt sich entspannt ein Volumen von 760 Litern. Dies entspricht
energetisch etwa 2.6 Deziliter Benzin.
Nutzungsdauer: ca. 11.5 Minuten
Verbrauch pro Minute: ca. 70 Liter entspanntes Gas
Verbrauch pro Zylinderfüllung: ca. 0.02 Liter entsp. Gas
Energiegehalt (nach spez. Heizwert) pro Zylinderfüllung: 62 Joule
Wie man sieht, ist die Nutzungsdauer sehr beschränkt. Dies hat negative Auswirkungen auf
die Praxistauglichkeit und auf die Wirtschaftlichkeit. Dieses Problem lässt sich jedoch
schlecht entschärfen. Einzig ein sparsamerer Motor, eine grössere Flasche oder eine
Flasche, die mehr Wasserstoff aufnimmt (Metallhydrid, 700 bar Flasche), könnten
diesbezüglich eine Verbesserung bringen.
27/45
- Handhabung: Grundsätzlich lässt sich der Motor einfach und ungefährlich handhaben.
Allerdings sollte man wissen, wie die Druckflasche zu wechseln ist. Hat man bereits
Erfahrungen mit Gasflaschen, sollte dies aber kein Problem darstellen.
Ein Problem, das es hier zu erwähnen gilt sind die Kaltstartschwierigkeiten. Somit kann das
starten des Motors in kaltem Zustand recht anstrengend sein, da der Motor lange nicht
anspringen will. Ist der Motor aber einmal warm, gibt es hier absolut keine Probleme mehr.
Allerdings ist etwas Geduld gefragt.
Zum starten des Motors muss zuerst der Gashahn an der Flasche aufgedreht werden.
Anschliessend muss man mit kräftigem ziehen an der Anlasserschnur den Motor anreissen.
Währenddessen gibt man am Gashebel an der Schubstange sachte Gas. Hier kann es,
besonders beim kalt starten zu kleinen Explosionen, die hinten aus den Luftlöchern des
Ansaugrohres schlagen, kommen. In diesem Falle sollte der Gashebel losgelassen werden
und das Starten des Motors von neuem versucht werden. Läuft der Motor einmal, können
am schwarzen Drehknopf unten am Druckreduzierventil der Flasche kleine Korrekturen
vorgenommen werden.
Alles in allem kann aber doch gesagt werden, dass die Handhabung zwar etwas
gewöhnungsbedürftig, aber doch einfach ist.
- Kenndaten: Dieser Abschnitt soll eine Zusammenfassung der oben bereits erwähnten
Daten sein, gleichzeitig aber auch weitere Daten, die beispielsweise für ein Auto von
Bedeutung sind, auflisten. Hier gilt es zu bedenken, dass die Daten, die von der Leistung
abhängen, nur Schätzwerte sind, da ja auch die Leistung geschätzt ist. Somit müssen die
folgenden Daten als Richtwerte und nicht als absolute, genaue Angaben verstanden werden.
Leistung (s. oben): 2.1 kW / 2.9 PS
Drehmoment M (berechnet): 6.4 Nm
M=
P
2·π · Umdreh. pro Sekunde
Nutzungsdauer T (s. oben): 11.5 Minuten
Drehzahl (gemessen): 3200 U/min.
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4.5 Kosten / Aufwand
Der zeitliche Aufwand ist äusserst schwer abzuschätzen. Grundsätzlich kann gesagt werden,
dass ich mehr Zeit brauchte, als ich anfänglich dachte. Die Zeit, die ich brauchte, um
Bücher zu lesen, im Internet zu recherchieren etc. kann im nachhinein nicht mehr
abgeschätzt werden, ausserdem erachte ich auch nicht alles, was mir schliesslich bei der
Arbeit zu Gute kam, als Arbeit, sondern zum Teil auch einfach als persönliches Interesse.
Zum Umbauen des Motors war ich rund ein halbes Duzend mal in Bärau (s. 4.6). Der
eigentliche Umbau würde aber ein zweites Mal natürlich weniger Zeit beanspruchen.
Bei den Kosten kann ich da etwas genauer sein. Grundsätzlich muss auch hier gesagt
werden, dass ich Bücher und anderes Informationsmaterial besorgt habe, dies aber nicht nur
wegen der Arbeit. Solche Investitionen sind folgend nicht aufgeführt.
- Gas:
- Gasflaschenmiete:
- Umbau- Material:
- Motor:
- Total:
Fr. 68.-ca. Fr. 100.-ca. Fr. 500.-Fr. 0.-----------------------------ca. Fr. 700.--
Zum Gas kann noch gesagt werden, dass ich sehr früh bereits zwei Flaschen besorgte, so
dass ich jederzeit mit Wasserstoff arbeiten könnte, ohne auf Lieferungen zu warten. Dort
hätte massiv gespart werden können, wenn ich die Flaschen erst nach dem Umbau oder
anfänglich nur mal eine besorgt hätte. Solche ungeschickte Investitionen liessen sich bei
einem routinierteren Umbauen vermeiden.
4.6 Chronologie
- Vor den Weihnachtsferien 2004: Zusage von Herrn Thormeier als Betreuer, ungefähre
Themenwahl
- Bis zum Semesterunterbruch: Abklärung erster Fragen
- Februar – März 2005: Erste konkrete Informationen eingeholt, E-Mail- Kontakt in alle
Richtungen (SwissAlps 3000, HTI Biel, Erdgas Schweiz, Hydropole...)
- Ende März: Erste Kontaktaufnahme mit Herrn Hertig
- Anfangs April: Erstes Mal nach Bärau, Idee „Rasenmäher“, weiteres Vorgehen mit Herrn
Hertig besprochen, später mit Herrn Thormeier
- April – Mai: Gasflaschen und Motor besorgen; Ferien
- Anfangs Juni: Motor nach Bärau bringen
- Zweite Hälfte Juni: Keine Schule mehr, Umbauen des Motors; Anfangen mit dem
schriftlichen Teil
- Juli: Ferien, keine Arbeiten an der Maturaarbeit
- Anfangs August: Weiterfahren am schriftlichen Teil
- Ende August – anfangs September: Fertigstellen des Motors; Praxistest
- Mitte September: Abgabe der Arbeit
29/45
4.7 Fazit
Grundsätzlich bin ich mit meinen Ergebnissen sehr zufrieden. Der Motor läuft geschmeidig
und ohne grössere Probleme, die Leistung kann durchaus überzeugen und mir ist es
gelungen, einen Motor umzubauen, so dass er (fast) nur noch Wasser ausstösst. Ich habe mit
diesem Umbau aufgezeigt, dass die technischen Probleme dieser zukunftsträchtigen
Technologie klein sind und dass eine Markteinführung schon bald möglich wäre, so wie ich
dies bereits im vorderen Teil theoretisch erläutert habe. Somit kann ich nicht ganz ohne
Stolz festhalten, dass der Umbau voll und ganz geglückt ist.
Nichts desto trotz sah ich auch an meinem eigenen Motor, wo die Probleme sind. Diese
möchte ich im Fazit aber grosszügig weglassen.
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5 Projekte / Förderprogramme
5.1 Aktuelle H2- Fahrzeuge
„Wenn man auf den Forschungssektoren Spitzenreiter ist und bleiben will, dann kann man
die Perspektive Wasserstoff nur begrüssen.“ (Gerhard Schröder, ehemaliger Bundeskanzler
Deutschlands)
Momentan gibt es wie bereits erwähnt zwei PKW- Hersteller, die auf dem Gebiet des
Wasserstoff- Verbrennungsmotors tätig sind: BMW und Ford. Die Bayrischen Motoren
Werke forschen im Moment nur am Ottomotor als Fahrzeugantrieb, die Brennstoffzelle
kommt nur zur Versorgung der elektronischen Apparate im Fahrzeug zum Einsatz. Ford
hingegen war lange Zeit praktisch nur auf dem Brennstoffzellen- Sektor präsent,
präsentierte mit dem neuen Focus C-MAX 2004 aber ein ernstzunehmendes Produkt. Im
gleichen Jahr stellte auch Mazda (zum Ford- Konzern gehörend) einen interessanten Motor
vor: Der Wankelmotor aus dem Sportwagen RX-8 wurde auf den bivalenten Betrieb mit
Wasserstoff oder Benzin ausgelegt. Laut Mazda soll sich diese Motorenart besonders gut für
die Verbrennung von Wasserstoff eignen. Offenbar sind die Strömungsverhältnisse im
Wankelmotor besser als im Hubkolbenmotor, was ein homogeneres WasserstoffLuftgemisch ergeben soll. Ausserdem stehe mehr Platz für ein zusätzliches Einspritzsystem
zu Verfügung. Im Bereich LKW- / Bus- Herstellung hat NEOMAN Busse im
Versuchsstadium, die mit einem Wasserstoff- Ottomotor betrieben werden. An der
Brennstoffzelle forschen nahezu alle Automobil- Hersteller, entweder durch
Eigenentwicklungen (z.B. Honda) oder durch Kooperationen mit Unternehmen, die auf dem
Gebiet bereits langjährige Erfahrungen gemacht haben (z.B. Daimler- Chrysler und Ford,
welche Anteile am kanadischen Brennstoffzellen- Pionier „Ballard Power Systems“ haben).
Im Folgenden möchte ich hier die verschiedenen Fahrzeuge mit WasserstoffVerbrennungsmotor kurz vorstellen:
- BMW 750hL: 12 Zylinder; 5.4 Liter Hubraum; 150 kW / 205 PS; 0- 100 km/h in 9.6 s;
Höchstgeschwindigkeit 226 km/h; Reichweite 350 km + 600 km; 2250 kg Leergewicht;
bivalente Auslegung; Kryogen- Tank im Kofferraum
- Ford Focus C-MAX H2-ICE: 4 Zylinder;
2.3 Liter Hubraum; 82 kW / 110 PS; 200 km
Reichweite; monovalente Auslegung; drei 350
bar- Tanks am Wagenboden und im
Kofferraum; Kompressor mit zwei
Ladeluftkühlern (gegen Rückzündungen)
- Mazda RX-8 Hydrogen: Wankelmotor; 110
(H2) resp. 210 (Benzin) PS; 120 resp. 220 Nm;
Turbolader; bivalente Auslegung; Drucktank
im Kofferraum
Abb. 11:
Ford Focus C-MAX H2- ICE
Quelle: Ford
- MAN Lion’s City / Neoplan Centroliner: 6 Zylinder; 12.8 Liter Hubraum; 150 kW / 204
PS; 760 Nm; monovalente Auslegung; 350 bar- Tanks auf dem Dach
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Bei den Brennstoffzellen- Fahrzeugen handelt es sich nur um Beispiele und keinesfalls um
eine komplette Übersicht:
- Mercedes F- Cell (A- Klasse): Protonen- Austausch- Membran- (PEM-) Brennstoffzelle;
65 kW / 87 PS; 210 Nm; Reichweite 150 km; Höchstgeschwindigkeit 140 km/h; zwei 350
bar- Tanks unter den Rücksitzen
- Honda FCX: PEM- Brennstoffzelle; 80 kW / 109 PS; 272 Nm; Reichweite 430 km;
Höchstgeschwindigkeit 150 km/h; zwei 350 bar- Tanks unter Rücksitzen / Kofferraum;
1670 kg Leergewicht
5.2 SwissAlps 3000
“In die Zukunft investieren!“ (Slogan SwissAlps 3000)
Abb. 12:
SA 3000 Logo
In wohl jedem Land gibt es heute Wasserstoff- Fördervereine,
so natürlich auch in der Schweiz. Viele dieser Organisationen
beschränken sich allerdings darauf, zu informieren. In diesem
Abschnitt möchte ich auf einen Förderverein eingehen, der
auf eindrückliche Art und Weise auf sich aufmerksam machte
und ausserdem im Berner Oberland beheimatet ist: SwissAlps
3000!
Anfangs 2003 wurde der Verein anlässlich des UNO- Jahres
des Wassers gegründet, um mit Wasserstoff eine
Quelle: SwissAlps 3000
umweltfreundliche Mobilität im Alpenraum zu fördern.
Bereits im Winter 2003/04 wurde ein Pistenfahrzeug mit
Wasserstoff- Verbrennungsmotor präsentiert. Der Wasserstoff wird in Metall- HydridTanks, welche die Universität Fribourg beisteuerte, gespeichert, angetrieben wird das
Fahrzeug von einem 6 Zylinder Mercedes- Benzinmotor, welcher im Emmental durch Herrn
Hertig umgebaut wurde. Das Karosseriedesign wurde von Ulo Gertsch aus Steffisburg
entworfen.
Durch den flächendeckenden Einsatz von H2- Pistenfahrzeugen könnte im gesamten
Alpenraum pro Saison 25’000’000 kg CO2 und 25’000 kg Russpartikel reduziert werden.
Weiter ist es die Idee von SwissAlps 3000, dass im Berner Oberland mit günstigem
Nachtstrom Wasserstoff produziert und anschliessend in leerstehenden Hallen gelagert wird.
Dieser könnte dann im gesamten öffentlichen Verkehr in Motoren verbrannt werden.
Dass mit Adrian Amstutz ein Nationalrat (SVP) am Projekt beteiligt ist (Vizepräsident),
lässt natürlich die Hoffnung aufkommen, dass sich diese visionäre Idee von SwissAlps 3000
auf Bundesebene und somit Schweizweit durchsetzen könnte. Denn schlussendlich ist dies
ja wohl das Ziel all dieser Fördervereine. (s. auch Kapitel 1, Vorwort)
32/45
5.3 Island- Modell
„Isländische Aktien steigen häufig, während andere skandinavische Indizes abwärts
tendieren.“ (Alf- Sibrand Rühle in „Wasserstoff & Wirtschaft“)
Der Inselstaat am Polarkreis verfügt über äusserst aussergewöhnliche Energie- Verhältnisse.
Obwohl Island in der Nähe von Grönland im hohen Norden liegt, werden dort tropische
Früchte gepflanzt. Die Treibhäuser werden mit heissem Wasser, das in Island einfach aus
dem Boden sprudelt, geheizt. Doch nicht nur Treibhäuser, auch 90% aller Gebäude auf der
Insel beziehen ihre Wärme aus dem Erdinnern. Sogar Strassen werden im Winter geheizt,
damit man nicht Schnee wegräumen muss. Wer so verschwenderisch mit Energie umgeht,
hat wohl sehr viel davon. Mit der Wasserkraft könnten auf Island pro Jahr 30 Mrd. kW
produziert werden. Davon werden bislang allerdings nur rund 25% genutzt, bei der
Geothermie würden sogar 200 Mrd. kW drin liegen, genutzt werden nur etwa 2%. Island hat
somit eigentlich zu viel Energie, kann die Überschüsse aber kaum zu Geld machen, da sich
Elektrizität und Wärme schlecht übers Meer transportieren lassen. Doch dies könnte sich
bald ändern!
Die Isländer beziehen rund einen Drittel ihrer Energie aus fossilen Energieträgern. Davon
wird rund die Hälfte von der Fischfang- Flotte verbraucht. Die isländische Regierung hat
nun 1999 beschlossen, bis zu den Jahren 2030 bis 2040 von den Erdöl- und -gas- Exporten
loszukommen und die gesamte Wirtschaft auf Wasserstoff umzustellen. Den Anfang soll
der öffentliche Verkehr machen, wo bereits heute mit Wasserstoff betriebene Busse
verkehren. Weiter sollen alte Fahrzeuge sukzessive durch Wasserstoff- Autos ersetzt und
die Fischkutter auf Brennstoffzellenantrieb umgerüstet werden. Dadurch, dass die
Brennstoffzelle keinen Lärm verursacht und die Natur nicht schädigt, sollen sogar die
Fischerträge steigen.
Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen wurde eine Joint Venture von drei internationalen
Konzernen6 und sechs isländischen Partnern7 gegründet. Die Mehrheit am Unternehmen
haben die isländischen Beteiligten.
In einigen Jahren wird Island Wasserstoff exportieren können und somit ihre Energie
endlich zu Geld machen. Man geht sogar davon aus, dass Island in Zukunft einer der
grössten Wasserstoffproduzenten und -exporteuren sein wird. Dies wird voraussichtlich zu
einem wirtschaftlichen Aufschwung führen, der in der Geschichte Islands bis jetzt
unbekannt ist.
6
Royal Dutch / Shell, Daimler Chrysler, Norsk Hydro
ein Betreiber geothermischer Kraftwerke, das Elektrizitätswerk Reykjaviks, ein Düngemittelhersteller, die
isländische Uni, das Isländisches Forschungsinstitut, ein Business- Venture- Fonds
7
33/45
5.4 Schweiz
„Die Eidgenossenschaft, vertreten durch das Bundesamt für Energie, unterstützt die
Einführung von Wasserstoff als Energieträger relativ breit.“ (Martin Pulfer, Leiter
Technologiebereich Verkehr im Bundesamt für Energie)
Das Bundesamt für Energie unterstützt im Bereich Wasserstoff primär die Brennstoffzelle
für stationäre Anlagen. Daneben sind die Schweizer Hochschulen, das Paul- ScherrerInstitut und Schweizer Unternehmen wie die Sulzer Hexis auf dem Gebiet der
Wasserstofftechnologie sehr aktiv, zu einem grossen Teil auch durch Unterstützung des
Bundes. So erprobt Sulzer Hexis im Kanton Waadt eine landwirtschaftliche Anlage zur
Nutzung von Biogas in einer Brennstoffzelle. Weiter baute die Hochstuhle für Technik in
Biel ein Elektrofahrzeug des Typs SAM auf Wasserstoff um, ausserdem sorgte die ETH
Zürich vor kurzem für Furore, als sie das Pac- Car II vorstellte – ein
Brennstoffzellenfahrzeug, das mit einem Benzinäquivalent von acht Litern einmal um die
Erde fahren könnte. Das Bundesamt für Energie betont weiter, man wolle mit der Förderung
der Erdgastechnologie den Weg für dem Wasserstoff ebnen. Allerdings liegen in der
Schweiz keine Projekte vor, Wasserstoff beispielsweise im ÖV einzusetzen.
5.5 EU
„Die Kommission unterstützt diese neuen Energiequellen mit Nachdruck. Die Perspektiven
des Wasserstoffs scheinen mir besonders viel versprechend zu sein.“ (Loyola de Palacio,
Vizepräsidentin der EU- Kommission)
Dadurch, dass in der Europäischen Union viele Unternehmen, die am Energiewechsel
forschen, beheimatet sind, spielt der europäische Raum eine grundsätzlich wichtige Rolle.
Allerdings fällt die finanziellen Unterstützung der EU recht bescheiden aus. Die Wichtigkeit
des Wasserstoffs für die Zukunft ist allerdings erkannt und somit ist in den nächsten Jahren
mit mehr Unterstützung zu rechnen, sofern dies die Finanzlage der Mitgliedstaaten erlaubt.
Die einzelnen Ländern fördern ihrerseits die Technologie in unterschiedlichem Masse.
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5.6 USA / Japan
„Wasserstoff ist jederzeit verfügbar und kann schnell auf den Markt kommen.“ (Bob
Malone, BP USA)
Amerikanische Firmen sind ebenfalls auf dem Wasserstoff- Sektor vorne dabei. Auch die
Politik unterstützt die Wasserstofftechnologie mit grösseren finanziellen Mittel8. Dabei
spielt besonders Kalifornien mit dessen Gouverneur Arnold Schwarzenegger eine
Vorreiterrolle. So sollen in Kalifornien in den nächsten Jahren mehrere Tankstellen
entstehen, an denen Wasserstoff getankt werden kann, dieser soll aber auch gerade vor Ort
produziert werden.
Japan ist nebst den USA dasjenige Land, das am meisten in Richtung Wasserstoff steuert.
So gehören die japanischen Hersteller Toyota und Honda zu denjenigen, die die
Brennstoffzelle am nächsten bei der Serienreife haben. Auch die Regierung hat sich hohe
Ziele gesteckt: so sollen 2010 bereits 50'000 PKW mit Wasserstoff fahren, zwanzig Jahre
später 15'000'000. Um diese enorme Anzahl Fahrzeuge mit Wasserstoff zu versorgen,
müssten jährlich rund anderthalb Millionen Tonnen H2 produziert werden. Um diese Ziele
zu erreichen investiert Japan jährlich Beträge in dreistelliger Millionenhöhe.
8
2004: 165 Mio. US- $
35/45
6 Ausblick
„Milliarden von Menschen. Und jeder ist einzigartig und unterschiedlich. Und doch bewegt
sie ein gemeinsamer Gedanke: Wie sieht die Zukunft aus?“ (BMW- Broschüre)
Der Wasserstoff wird kommen! Darüber sind sich alle einig. Die Frage lautet nur, wann und
in welcher Form er kommen wird. Hier muss wohl zwischen zwei Bereichen unterschieden
werden: dem stationären Bereich und den Kraftfahrzeugen.
Im stationären Bereich wird sich wohl von Anfang an die Brennstoffzelle durchsetzten. Bei
der Hausversorgung oder in Kraftwerken spielt das Gewicht und die Grösse keine so
entscheidende Rolle, die Bedingungen sind ideal, die Brennstoffzelle muss sich nicht
ständigen Temperatur- und Lastenschwankungen anpassen, und schlussendlich spielt dort
auch der Preis eine weniger entscheidende Rolle, da die Abnehmer solcher Produkte oftmals
nicht Privatkunden sein werden. Es gibt sogar die Idee, dass Energieversorger und
Stromproduzenten den Kunden Brennstoffzellen vermieten, so dass die Kunden äusserst
günstig die innovative Technologie nutzen können. Somit kann damit gerechnet werden,
dass bereits in nächster Zeit Brennstoffzellen auf den Markt kommen, die unter Umständen
den Wasserstoff noch vor Ort aus Erdgas oder Methanol herstellen. Glaubt man den
futuristischen Gedanken einiger Wissenschaftler, könnten in mittlerer bis ferner Zukunft die
Brennstoffzellen im Keller sogar die Wasserstoff- und Elektrizitätsproduktion übernehmen.
So könnte jeder mithilfe von Solarzellen oder Ähnlichem Elektrizität produzieren.
Überschüsse würden in Form von Wasserstoff gespeichert oder verkauft. Bei Strommangel
würde von diesen Vorräten gezerrt, ausserdem könnte der Wasserstoff für die Versorgung
von kleinen elektronischen Geräten und als Treibstoff fürs Auto genutzt werden. Somit
würde nach Jeremy Rifkin, einem Trendforscher und Querdenker aus den Staaten, ein
HEW, ein Hydrogen Energy Web, entstehen, vergleichbar mit dem World Wide Web –
jeder kann Wasserstoff produzieren und ins Netz stellen, aber auch konsumieren. Ob die
Zukunft allerdings wirklich so anders und visionärer wird, bleibt dahingestellt.
Im anderen Bereich, bei den Fahrzeugen, dürfte das ganze etwas länger dauern. an den
Antrieb eines Fahrzeugs werden enorme Anforderungen gestellt: Der Motor muss sowohl
nach einer kalten Winternacht in Nordschweden als auch nach einem Sommertag in
Südalgerien einwandfrei funktionieren. Ausserdem will der Automobilist sofort nach dem
Besteigen seines Autos losfahren können und verlangt ständig volle Leistung, er will Gas
geben und bremsen können, wann er will. Somit muss sich der Motor ständigen
Lastenwechseln anpassen und absolut zuverlässig funktionieren. Auch bei der Wartung
werden hohe Ansprüche an ein Auto gestellt: Mehrere Tausend Kilometer ohne WerkstattBesuch sollten kein Problem darstellen, bei einer kleinen Panne sollte nicht immer gerade
ein Abschleppwagen nötig werden. Angesichts dieser Probleme wird sich wohl zuerst die
Technik durchsetzen, mit der die Menschheit schon jahrzehntelang Erfahrungen gesammelt
hat: der Verbrennungsmotor! In wenigen Jahren schon könnten die ersten Fahrzeuge mit
Wasserstoffverbrennungsmotoren auf den Markt gelangen. Zuerst wohl nur Busse, da diese
auf kein flächendeckendes Tankstellennetz angewiesen sind und ständig von Profis gefahren
und gewartet werden. Später wird sich die Technik auch im PKW- Bereich durchsetzen –
zuerst sicherlich im Premium- Bereich, da dort der Aufpreis für die spezielle Technik
weniger stark ins Gewicht fällt als bei Billigautos. So kann schon vor 2010 mit WasserstoffFahrzeugen von BMW, Volvo oder Jaguar (beide zu Ford gehörend) gerechnet werden.
36/45
Sollte sich dieser frühe Gang auf den Markt bewähren, kann davon ausgegangen werden,
dass andere Hersteller schnell nachziehen werden und eigene Motoren auf Wasserstoff
umbauen oder Kooperationen mit BMW oder Ford eingehen werden. In zwanzig bis
dreissig Jahren dürfte dann die Brennstoffzelle den Verbrennungsmotor sukzessive
verdrängen.
Allgemein muss gesagt werden, dass die ersten Prognosen von Unternehmen, die sich für
den Wasserstoff einsetzen, eine Serieneinführung zu früh prophezeiten. Heute ist man mit
Voraussagen vorsichtiger geworden. Trotzdem gehen viele Leute davon aus, dass die
Wasserstofftechnologie etwas ist, das sie nicht mehr betreffen wird. Hier darf nicht
vergessen werden, dass die Technik sehr weit entwickelt ist und der Wasserstoff bereits in
einigen Jahren von grosser Bedeutung sein wird.
Trotz dieser Wichtigkeit wäre es eine Illusion zu glauben, der Wasserstoff verdränge in den
nächsten Jahrzehnten die fossilen Energieträger vollständig. Wir werden noch lange von
ihnen abhängig sein und werden froh sein, dass wir mit dem Wasserstoff Öl, Gas und Kohle
sparen und somit noch lange auf sie zurückgreifen können. Denn man darf eines nicht
vergessen: Für die Herstellung von vielen Medikamenten, Kunststoffen etc. braucht man
ebenfalls Erdölprodukte. Brauchen wir das Öl besser, um solche, zum Teil lebenswichtige
Produkte herzustellen, statt zu verfeuern!
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7 Danksagungen
Vorab möchte ich hier erwähnen, dass ich während meiner Arbeit grundsätzlich auf breites
Interesse und grosse Hilfsbereitschaft gestossen bin.
Das grösste Dankeschön gebührt ganz klar Herrn Jakob Hertig (Garage Hertig,
Kammershaus 881e, 3552 Bärau / BE), der mir beim praktischen Teil der Arbeit half.
Ohne seine Hilfe wäre ich wohl nicht im Stande gewesen, den Umbau des Motors zu
bewältigen. Es ist keinesfalls selbstverständlich, dass ein selbstständiger Unternehmer sich
Zeit für einen Gymnasiasten und seine Arbeit nimmt. Auch seinen Mitarbeitern und
Lehrlingen möchte ich für die Akzeptanz danken, die sie mir als Laie entgegengebracht
haben.
Weiter möchte ich meinem Betreuer Tomas Thormeier danken für die konstruktiven, wenn
auch nicht immer von mir genutzten Ratschläge. Besonders in der Anfangsphase war ich
sehr froh über Ideen und Tipps.
Weiter danke ich herzlich Herrn Adrian Amstutz, Vizepräsident von SwissAlps 3000,
SVP- Nationalrat und Unternehmer aus Sigriswil, für das Vorwort.
Ebenfalls danken möchte ich meinem Grossvater, Walter Wenger, für das schnelle und
unkomplizierte besorgen des Vertikulierers.
Auch Herrn Walter Stähli danke ich für die jahrelange Lieferung von AutomobilFachzeitschriften. Die darin enthaltenen Artikel waren mir zu einem grossen Teil eine
wichtige Informationsquelle.
Herrn Dieter Würgler möchte ich ebenfalls danken für die Tipps zur (empirischen)
Leistungsmessung.
Des weitern möchte ich den Leuten von SwissAlps 3000, vom Bundesamtes für Verkehr
und Energie, der Stadt Thun und der ETH respektive der HTI Biel danken für die
Beantwortung meiner Fragen.
Weiter möchte ich allen Verwandten, Bekannten, (Schul-) Kollegen und Lehrern
danken, die mich direkt oder indirekt unterstützt haben, mit denen ich interessante
Gespräche führen konnte und die mir Tipps, Ratschläge und Links gaben.
38/45
8 Quellenverzeichnis
8.1 Literatur
- Bättig, Irene; Antriebe für die Zukunft; Coopzeitung Nr.46 / 2002; S.34 ff.
- Bättig, Irene; Solarenergie in Pulverform; Coopzeitung Nr. 20 / 2005; S.78 ff.
- Blumenstock, Klaus- Ulrich; Zukunft im Focus; mot – Autos, Test, Technik Nr. 22 /
2002; S.66 ff.
- Bosch; Kraftfahrtechnisches Taschenbuch; Fried. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden;
2003
- Depeschenagentur; Der Wasserstoff- Mercedes; Thuner Tagblatt vom 8.10.2002; S. 15
- Dobler, Helmut; Wenn das Benzin zur Neige geht; Automobil Revue Nr. 39/ 2004; S.13 f.
- Egli, Kurt; Alternative Antriebe und Treibstoffe; Leonardo – VCS- Magazin Nr. 2 / 2005;
S.42 f.
- Geitmann, Sven; Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen; HydrogeitVerlag, Berlin; 2002
- Göschel, Burkhard; Auto fahren wird bei BMW auch künftig nicht anders sein als heute;
Automobil Revue Nr. 21 / 2004; S.3
- Hauri, Stephan; Fernziel Wasserstoffantrieb; Automobil Revue Nr. 50 / 2004; S. 13
- Horisberger, Christian; Japan – ein hartes Pflaster; Automobil Revue Nr. 20 / 2005; S.19
- Klingholz, Reiner; Der Wettlauf um das andere Auto; GEO Nr. 9 / 2001; S.46 ff.
- Köbler, Johannes; Autofahren 2010; mot – Die Autozeitschrift Nr. 1+2 / 2003; S.10 ff.
- Menzato, Nico; ETH- Sparauto: Mit 8 Litern Benzin einmal um die Erde; 20 Minuten
Ausgabe Bern Nr. 122 / 2005; S. 6
- Rehsche, Michael; Die Grünen kommen; Auto-Bilanz Spezialausgabe März 2000; S.44 ff.
- Reitzle, Wolfgang; Luxus schafft Wohlstand – Die Zukunft der globalen Wirtschaft;
Rowohlt, Reinbek bei Hamburg; 2001
- Rifkin, Jeremy; Die H2- Revolution; Campus, Frankfurt / New York; 2002
- Rühle, Alf- Sibrand; Wasserstoff & Wirtschaft – Investieren in eine saubere Zukunft;
Hydrogeit- Verlag, Kremmen; 2005
- Ryf, Hansruedi; Honda setzt auf Brennstoffzelle; Automobil Revue Nr. 12 / 2005; S.3
- Tschachtli, Christian; Blick hinter die Motorenkulissen; Automobil Revue Nr. 22 / 2004;
S. 13
- Tschachtli, Christian; Pionier mit Wasserläufer; Automobil Revue Nr. 23 / 2004; S. 5
- Tschachtli, Christian; Schweizer Zukunftsauto ganz vorn; Automobil Revue Nr. 43 /
2004; S. 7
- Tschachtli, Christian; Warten auf die Energierevolution; Automobil Revue Nr.51 / 2003;
S.12
- Tschachtli, Christian; Wasserstoff für Mazda- Wankel; Automobil Revue Nr. 11 / 2004;
S.19
- Tschachtli, Christian; Wasserstoff will Weile haben; Automobil Revue Nr. 19 / 2004; S. 3
- Tschachtli, Christian; Wasserstoffmotor im Ford- Van; Automobil Revue Nr.33 / 2004;
S.11
- verschiedene Verfasser; Chemie heute S1 Gesamtband; Schroedel Verlag, Hannover;
2001
- verschiedene Verfasser; H2 Tec – das magazin für wasserstoff und brennstoffzellen;
April 2005
8.2 Internet
- www.bfh.ch
- www.bmw.com
- www.bmweducation.co.uk/cleanenergy/
- www.bosch.com
- www.carbagas.ch
- www.der-wankelmotor.de
- www.dwv-info.de
- www.energie-fakten.de
- www.erdgasfahren.ch
- www.ethz.ch
- www.ford.ch
- www.h2-lab.com
- www.h2tec.net
- www.hydrogeit-verlag.de
- www.hydrogen.org
- www.hydrogennow.org
- www.hydrogenus.com
- www.hydropole.ch
- www.jenbacher.com
- www.man-nutzfahrzeuge.de
- www.pangas.ch
- www.psi.ch
- www.swissalps3000.ch
- www.umweltlexikon-online.de
8.3 Hersteller- Informationen
- BMW; Clean Energy – Wasserstoffantrieb; Faltblatt; 2001
- BMW; Clean Energy Hydrogen Power; Video
- BMW; Clean Energy; kreisrunde Broschüre
- BMW; Deutschland- Karte; pdf- Dokument
- BMW; So fahren wir in die Zukunft, Ausstellungskatalog; Broschüre
- BMW; The BMW Group’s energy strategy; Faltblatt; 2003
- DaimlerChrysler; Die Brennstoffzelle – Antrieb für die Zukunft; Broschüre
- DaimlerChrysler; Emissionsfrei in die Zukunft – Fahrzeuge mit Wasserstoff- und
Brennstoffzellentechnologie; Broschüre
- DaimlerChrysler; Energy for the Future; Broschüre; 2003
- DaimlerChrysler; F- Cell – driving the future; Broschüre; 2003
- DaimlerChrysler; HightechReport – Zukunft trifft Alltag; Broschüre; 2 / 2004
- DWV; Wasserstoff – der neue Energieträger; zwei pdf- Dokumente
- Ford; Alles auf Grün!; Kopie aus „@ ford reportage“
- Ford; Focus C-MAX mit H2-Verbrennungsmotor; Info- Blätter; Juli 2004
- Honda; FCX – Fuel Cell Power; Info- Blatt
- Jenbacher; Wasserstoff als Antriebsenergie für konventionelle Ottomotore; pdfDokument
- MAN; Mobilität auf neuen Wegen; pdf- Dokument
- Mazda; Mazda Renesis Hydrogen Rotary Engine; pdf- Dokument
39/45
40/45
- PSI, ETHZ; Energiespiegel Nr. 6 / März 2002; Faltblatt
- PSI; Wasserstoff bewegt die Autowelt!; Broschüre
- SwissAlps 3000; Abgasfreie Mobilität im Alpenraum; Broschüre
- SwissAlps 3000; Abgasfreier Alpenraum – eine Vision; zwei pdf- Dokumente
- SwissAlps 3000; Abgasfreies Pistenfahrzeug – Demonstration eines Wasserstoff
angetriebenen Pistenfahrzeuges; Info- Blatt
- Volkswagen; The Drive Design for the Future; Broschüre
8.4 Sonstiges
- Antwortmail von SwissAlps 3000 bezüglich Unterstützung
- Antwortmail vom Bundesamt für Verkehr bezüglich Wasserstoff- Bussen in der Schweiz
- Antwortmail vom Bundesamt für Energie bezüglich Wasserstoff- Förderung in der
Schweiz
- Antwortmail des Planungsamtes der Stadt Thun bezüglich einer Aussage von
Gemeinderätin Ursula Haller zu Wasserstoff- Bussen
41/45
9 Eidesstattliche Erklärung
Hiermit erkläre ich, die vorliegende Arbeit selbständig und unter Angabe aller benötigten
Quellen verfasst zu haben.
Datum
Unterschrift
42/45
10 Anhang
10.1 Chemische Eigenschaften
chem. Kennwerte
Wasserstoff Benzin
Diesel
Erdgas (Methan)
Dichte bei 272 K /
0.00009 0.72 – 0.775
0.82 – 0.00073 – 0.00083
1013 mbar [kg / l]
0.845
Siedetemp. bei 1013
19.3
297 - 487 452 - 632
111
mbar [K]
Heizwert (flüssig)
120
42.7
42.5
50
[MJ / kg]
Zündtemp. [K]
832
572
522
922
270 - 346
30 - 40
37 - 43
Laminare
Brenngeschw.
[cm/s]
445.5
380
250
510.4
Verdampfungsenergie [J/g] am
Siedepunkt
Zündbereich [Vol.4.0 – 77.0
0.6 – 7.8
0.6 – 6.5
4.4 – 17.0
%]
18.3 – 59.0
1.1 – 3.3
0.8 – 5.4
6.3 – 13.5
Explosionsbereich
[Vol.- %]
0.017
0.24
0.28
Minimale
Zündenergie [mJ]
29.6
1.8
1.3
9.5
Stöchiometrisches
Gemisch [Vol.- %]
Quellen: „Wasserstoff & Brennstoffzellen“, Sven Geitmann
„Kraftfahrtechnisches Taschenbuch“, Bosch
Tab. 5:
43/45
10.2 Geschichtliche Eckdaten
1766: Cavendish entdeckt die „entflammbare Luft“ (GB)
1783: Charles lässt einen Ballon, gefüllt mit Wasserstoff, steigen (F)
1787: Lavoisier tauft das Gas „hydrogène“ (F)
1807: Rivaz baut erstes Wasserstoff- Fahrzeug
1839: Grove erfindet dank Erkenntnissen seines Freundes Schönbein die Brennstoffzelle
1874: Jules Verne erwähnt in seinem Buch „Die geheimnisvolle Insel“ die Idee, dass
Wasserstoff die Kohle der Zukunft werden könnte.
1898: erstmals Verflüssigung von Wasserstoff (GB)
1937: „Hindenburg“- Katastrophe –Wasserstoff erleidet einen Image- Schaden
1956: erster mit Wasserstoff angetriebener Flugzeug- Prototyp (USA)
1963: Gemini- Mission der NASA – erster „ernster“ Einsatz der Brennstoffzelle
1975: Wasserstoff- Versuchsfahrzeug von Mercedes
1979: Geofrey Ballard gründet das nach ihm benannte Unternehmen, das zum grössten und
bedeutendsten Brennstoffzellen- Spezialisten wird.
1980: Dahlberg präsentiert nach dem Ölschock Idee der solaren Wasserstoffwirtschaft (D)
1988: Russische Tupolev fliegt wahlweise mit Erdgas oder Wasserstoff (Versuch)
1989: Brennstoffzelle von Siemens für deutsche U-Boote
2000: BMW baut erste Kleinserie (15 Fahrzeuge) von wasserstoffbetriebenen PKWs
10.3 Einheiten / Abkürzungen
Einheiten und Abkürzungen
BMW
Bayrische Motoren Werke
BSZ
Brennstoffzelle
DWV
Deutscher Wasserstoff Verband
ETHZ
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
F
Kraft
FC
Fuell Cell (= engl. Brennstoffzelle)
GH2
Gasförmiger Wasserstoff (engl. gaseous)
GM
General Motors
ICE
Internal Combustion Engine (= Verbrennungsmotor)
J
Joule
K
Kelvin
kW
Kilowatt
LH2
Flüssiger Wasserstoff (engl. liquid)
m
Masse, „Gewicht“
M
Drehmoment
n
Tourenzahl, Umdrehungen pro Minute
Nm
Newtonmeter
NOx
Stickstoffoxid
P
Leistung
PS
Pferdestärke
PSI
Paul- Scherrer- Institut
T
Temperatur
u. N.
Unter Normalbedingungen (20 ºC; 1013 mbar)
Vol.- %
Volumenprozent
η
(Rho) Wirkungsgrad
Tab. 6:
44/45
10.4 Glossar
- Anode: Elektrode, an der eine Oxidation stattfindet (s. Kapitel 3.5)
- Biomasse: organische Abfälle; erzeugen bei der Vergärung Biogas (CO2- neutrales
Methan)
- bivalenter Antrieb: Motor, der mit zwei Kraftstoffen (z.B. Benzin und Wasserstoff)
betrieben werden kann (Bi- Fuel)
- Carnot’sches Gesetz: Gesetz für den höchsten theoretisch möglichen Wirkungsgrad von
Wärmekraftmaschinen. Hierbei ist die Temperatur im Brennraum sowie die
Abgastemperatur beim Verlassen des Brennraumes, also der Energieunterschied,
entscheidend. (s. Kapitel 3.5)
- Dampfreformierung: Wasserstoff- Herstellungsart (s. Kapitel 3.3)
- DMFC: Brennstoffzellen- Typ, der direkt mit Methanol betrieben werden kann; da es in
dieser Arbeit nicht primär um Brennstoffzellen geht, habe ich bewusst auf eine
Unterscheidung der verschiedenen Typen verzichtet.
- Elektrolyse: Wasserstoff- Herstellungsart (s. Kapitel 3.3)
- Elektron: negatives Teilchen eines Atoms; fliegt um den Kern
- fossile Energieträger: Energieträger, die aus organischem Material entstanden sind und
somit kohlenstoffhaltig sind.
- Joule: Einheit für Arbeit / Energie (1 J = 1 Nm = 1 Ws)
- karzinogen: krebserregend
- Katalysator: Stoff, der die Reaktion beschleunigt / die Reaktionsenergie senkt, an der
Reaktion aber nicht teilnimmt.
- Kathode: Elektrode, an der eine Reduktion stattfindet (s. Kapitel 3.5)
- Kelvin: Temperatur- Einheit, gemessen vom absoluten Nullpunkt (0 ºC = 272 K)
- Kilowatt: Einheit für die Leistung (1 kW = 1.36 PS = 1 kJ / s)
- kryogen: tiefkalt
- Lambda- Zahl: Verhältnis von dem Motor zugeführter Luft zum Luftbedarf bei
stöchiometrischer Verbrennung (λ < 1: fettes Gemisch; λ > 1: mageres Gemisch)
- Metallhydrid- Speicher: Speichermethode (s. Kapitel 3.4)
- monovalenter Antrieb: Gegenteil des bivalenten Antriebs, also ein Motor, der nur mit
einem Treibstoff betrieben werden kann.
- Neutron: neutral geladenes Teilchen eines Atoms; Teil des Kerns
- PEM- Brennstoffzelle: weit verbreiteter Brennstoffzellen- Typ; s. DMFC
- PEM: Membrane in der PEM- Brennstoffzelle
- Pferdestärke: veraltete Einheit für die Leistung (1 PS = 0.74 kW)
- Photovoltaik: Stromerzeugung mit Solarzellen
- Proton: positives Teilchen eines Atoms; Teil des Kerns
- Reduktion: Elektronenaufnahme
- regenerative Energie: erneuerbare, schadstoffneutrale Energie (Wasserkraft,
Sonnenenergie, Erdwärme,...)
- Solarthermie: Energieerzeugung durch die Wärme der Sonne (Aufwindkraftwerke,...)
- stöchiometrisches Verhältnis: theoretisches Luft- Kraftstoff- Verhältnis, nach
chemischer Reaktionsgleichung
- Volumenprozent: Anteil in Prozent, gemessen am Volumen und nicht an der Masse
- Wirkungsgrad: Prozentsatz, wie viel der im Treibstoff vorhandenen Energie genutzt wird
(Rest Reibungsverluste, Abwärme,...)
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Wasserstoff- Verbrennungsmotor

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