Brennstoffzellenantriebe für Strassen- und Schienen-
fahrzeuge mit niedrigsten oder Null-Emissionen

Vortrag auf der ACHEMA 97
am 9. Juni 1997

von
R. Wurster

Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
Daimlerstrasse 15, D-85521 Ottobrunn
Tel.: ++49/89/608110-33; Fax.: ++49/89/6099731
E-mail: wurster@lbst.tnet.de; http://www.hyweb.de

 

Warum Brennstoffzellen im Verkehrssektor

Lokale Emissionen
In Europa sowie in Nordamerika sind umfassende Anstrengungen zu erkennen, lokale Emissionen zu reduzieren.
Besonders streng und weitgehend sind die kalifornischen Regelwerke, welche weltweit Impulse für saubere Fahrzeugtechnologien zum Einsatz auf der Straße und auf der Schiene ausgelöst haben:

Nachfolgend einige der Schadstoffemissionsgrenzwerte für die USA und für Europa:

 

California Low-Emission Vehicle/Federal Clean-fuel Fleet programs

50,000 [100,000] miles or ten years

Standard

[g / mile]

 Year implemented

[over 10 yrs]

 Carbon monoxide

75oF/20oF

 Hydrocarbons Nitrogen oxides
Transitional low-emission vehicle (TLEV)

1994

3.4/10

[4.2]

0.125 NMOG

[0.156 NMOG]

0.4

[0.6]
Low-emission vehicle (LEV)

1997

3.4/10

[4.2]

0.075

[0.090 NMOG]

0.2

[0.3]
Ultra low-emission vehicle (ULEV)

1997

1.7/10

[2.1]

0.040 NMOG

[0.055 NMOG]

0.2

[0.3]
Zero-emission vehicle (ZEV)

1998*)

0

0

0

*) ZEV (2% in 1998), 5% in 2001, 10% in 2003

 

California Heavy-Duty Regulations

Standard

g/bhp-hr]

 Total hydrocarbons Hydrocarbons (non-methane) Nitrogen oxides Carbon monoxide Particulate matter
1991 HDV Diesel

1.3

1.2

5.0

15.5

0.25
1991 LHDV Otto

1.1

0.9

5.0

14.4

--
1991 MHDV Otto

1.9

1.7

5.0

37.1

--
1994 HDV Diesel

1.3

1.2

5.0

15.5

0.10
1994 urban bus

1.3

1.2

5.0

15.5

0.07
Optional bus std. 1994**)

1.3

1.2

0.5-3.5

15.5

0.07
1996 urban bus

1.3

1.2

4.0

15.5

0.05
Optional bus std. 1996**)

1.3

1.2

0.5-2.5

15.5

0.05

**) Optional standards. Engines certified to these standards may earn emission credits

 

European Exhaust Emission Standards for Heavy-Duty Vehicles for Type Approval

 

Regulation

(91/542/EEC)

[g/kWh]

 Efffective for New Models Effective for Total Production Carbon monoxide Nitrogen oxides Hydrocarbons Particulate matter
Stage 1 (Euro 1)

07/1992

10/1993

4.5

(4.9)

8.0

(9.0)

1.1

(1.23)

0.36-0.61

(0.40-0.68)
Stage 2 (Euro 2)

10/1995

10/1996

4.0

(4.0)

7.0

(7.0)

1.1

(1.10)

0.15-0.25

(0.15-0.25)
Stage 3 (Euro 3) 1999 tentative

2.5

5.0

0.7

< 0.12
Stage 4 (Euro 4) > 2000 speculative

< 1.5

< 3

< 0.4

< 0.1

 

Globale Emissionen

Neben der Reduktion lokaler Emissionen gewinnt die Verminderung globaler Emissionen (Treibhausgase) zunehmend an Bedeutung. Außerdem wird die Frage der Ressourcenschonung innerhalb der nächsten 2 Generationen eine zunehmend brennendere Frage.

Erdöl reicht möglicherweise nur noch für 20-40 Jahre und sollte auch noch als Rohstoff für kommende Generationen verfügbar bleiben.

Wasserstoff als Kraftstoff bietet die einmalige und flexible Möglichkeit erneuerbare Energien in den Verkehrssektor einzubringen. Hier ist es zunächst prinziell unerheblich, ob der Wasserstoff direkt gespeichert und eingesetzt wird, oder ob er in Form eines wasserstoffreichen Energieträgers wie Methanol an Bord mitgenommen, reformiert und dann eingesetzt wird.

CO2-Reduktionsziele: Industrieländer - 80% bis 2050

Welt insgesamt - 50% bis 2050

 

Vergleich der Kraftstoffökonomie verschiedener PKW-Antriebe

PKW-Typ Kraftstoffart Kraftstoffverbrauch in Benzinequivalent

[lBE / 100 km]

 Relative Kraftstoffökonomie

[%]

  
ICE Benzin

9,1

100

(1)
PEMFC Druckwasserstoff

3,31

275

(1)
PEMFC + Reformer Methanol (hoch)

Methanol (tief)

4,6

5,4

196

169

(2)
PEMFC + POX Benzin (hoch)

Benzin (tief)

5,4

7,7

170

119

(2)

(1) Odgen et al., 1994, An Assessment of Renewable Transportation Fuels and Technologies, Report to OTA

(2) Thomas et al., 1997, Market Penetration Scenarios for Fuel Cell Vehicles, NHA 8th Annual Hydrogen Meeting

 

Vergleich der Effizienz verschiedener PKW-Antriebe und Kraftstoffpfade

PKW-Typ Kraftstoffart Relative Kraftstoffökonomie

[%]

Kraftstoffbereitstellungseffizienz

[%]

 Gesamteffizienz

[%]

  
ICE Benzin

100

90

90

(1)
PEMFC CGH2 aus NG

275

64

176

(1)
PEMFC + Reformer MeOH (hoch)

MeOH (tief)

- aus NG -

196

169

62

62

122

105

(2)
PEMFC + POX Benzin (hoch)

Benzin (tief)

170

119

90

90

153

107

(2)

(1) Odgen et al., 1994, An Assessment of Renewable Transportation Fuels and Technologies, Report to OTA

(2) Thomas et al., 1997, Market Penetration Scenarios for Fuel Cell Vehicles, NHA 8th Annual Hydrogen Meeting

 

Comparison of Alternative Fuel Cell Power Systems for LNG-Locomotives [JPL]

Fuel Cell Type LNG System Fuel Efficiency

[%]

 Volume 1.7 MW System

[m3]

 Volume 4.5 MW System

[m3]

 System Weight

for 1.7 MW

[t]

 System Weight

for 4.5 MW

[t]
PAFC

HPD-PAFC

45

45

101.9

70.8

271.8

189.7

42.2

22.2

111.1

58.5
PEM

HPD-PEM

41

41

76.5

73.6

203.9

192.6

24.5

21.8

64.9

56.7
SOFC

HPD-SOFC

50

50

87.8

36.8

229.4

93.4

> 43.5

?

> 43.5

?
MCFC

~ 60

-

-

?

?
NG-Diesel ICE

37

-

46.4

-

33.1

 

Ob es auch gelingen wird, Erdgas direkt an Bord der Fahrzeuge zu reformieren müssen die laufenden Entwicklungsanstrengungen in den nächsten Jahren zeigen.

Partielle Oxidations-Aggregate sind in den USA in Entwicklung und sollen in Kürze für Benzin und Diesel zum Einsatz kommen.

Vorteil der Umwandlung von Erdgas zu Wasserstoff an Bord von Fahrzeugen wäre, daß sich die gegenwärtig etablierende CNG-Infrastruktur in größeren Städten in breiterem Umfang auch für Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen ließe. Ansonsten würden nur größere Flottenbetreiber diesen Schritt aus dem Erdgas heraus tätigen können, indem sie einen kompakten Erdgasdampfreformer in ihrem Betriebshof aufstellen und damit Wasserstoff erzeugen und nutzen können.

Im Falle des Einsatzes von LNG würden sich die Reichweiten signifikant erhöhen und die städtischen Ballungsräume könnten mit LNG-betankten PEMFC-Fahrzeugen verbunden werden. Ein späterer Umstieg auf regeneratives LH2 würde dann evolutionär möglich.

 

Übersicht über Wasserstoffspeichertechnologien

Speichersystem Volumetrische Speichermenge

[g H2 / l]

 Massenbezogene Speichermenge

[g H2 / kg]

 Volumetrischer Energieinhalt

[kWh / l]

 Massebezogener Energieinhalt

[kWh / kg]
Druckgasflasche 25 MPa

(Vollkompositmaterial)

17,5

64

0,6

2,15
Flüssigwasserstofftank

(-253oC bzw. 20 K)

35

105

1,2

3,5
Metallhydrid - heute (Raumtemperatur)

80

10

2,7

0,35
Metallhydride - künftig (Raumtemperatur)

> 160

20 - 25

> 2

> 0,7
Methanol

ca. 95

ca. 120

4

3
Eisenschwammspeicher

ca. 65

ca. 35

1,4

0,7
Grafitnanofaserspeicher (Labor) [ohne Tankhülle]

ó 450

ó 430

ó 15

ó 14

 

 

Speicherkonzept Betriebsart-Fahrzeug-Betriebsort

Erläuterungen
LH2-Cryo-Tank Nur Flottenfahrzeuge im Stadt- und Überlandbetrieb

LH2= Flüssigwasserstoff
CGH2-Komposittank Nur Einzel- und Flottenfahrzeuge im städtischen oder stadtnahen Raum

CGH2= Druckgaswasserstoffspeicher
CGH2-GNF Alle Fahrzeuge, aber insbesondere Einzelfahrzeuge im Überlandbetrieb

GNF= Grafit-Nano-Faser-Speicher
MeOH Alle Fahrzeuge, aber insbesondere Einzelfahrzeuge im Überlandbetrieb

MeOH= Methanolspeicher
LH2 / LNG-Cryo-Tank

MeOH

CGH2-GNF

 Stadtbahn, Triebwagen, Rangierlok, reguläre Lokomotive  

 

Roadmap zur Einführung von Brennstoffzellensystemen

 

Fuel Cell Type

Most likely Fields of Application

Availability
Alkaline Fuel Cell (AFC) Space applications; Special military applications

today
Proton Exchange Membrane Fuel Cell

(PEM)

 Stationary applications for direct hydrogen use

Stationary applications for domestic power and heat production

Stationary applications for dedicated power (and heat) production

Mobile applications for buses, service vehicles

Mobile applications for railroad systems (streetcars, locomotives)

Mobile applications for passenger cars

1998

1999-2000

2000-2003

1999-2003

2005

2005-2010
Phosphoric Acid Fuel Cell

(PAFC)

 Stationary applications for dedicated power (and heat) production

Mobile applications for railroad systems

1998

1999
Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Stationary applications for combined power and vapor production

Stationary applications for utility use

2000

> 2005
Solid Oxide Fuel Cell

(SOFC)

 Stationary applications for domestic heat (and power) production

Stationary applications for commercial heat and power production

Stationary applications for utility use; Mobile applications for railroad systems

1999

2000-2003

> 2005

 

Zielsetzungen für die Einführung des PEMBZ-Antriebs

Gegenwärtig wird von einigen großen Automobilherstellern systematisch die Massenproduzierbarkeit sowie die Potentiale zur Kostenreduktion von PEM-Brennstoffzellen und den peripheren Aggregaten (Luftverdichter, Kühler, Befeuchter, Pumpen, Inverter, Methanol-/ Erdgasreformer, Shiftreaktor, Gasreinigung, etc.) untersucht. Sofern folgende wichtige Zielsetzungen erreicht werden, können PEM-Brennstoffzellen eine glänzende Zukunft im Verkehrssektor haben:

Resümée

Membranbrennstoffzellen (PEMFC) bieten sich als die geeignetste Wandlungstechnologie an, Wasserstoff mit hohem Wirkungsgrad und bei niedrigen Betriebstemperaturen vollständig emissionsfrei in Vortriebsenergie umzuwandeln.

PEMFC sind der geeignete Brennstoffzellenantrieb für Busse, Nahverkehrszüge, Straßen- und Stadtbahnen, Verteiler-LKWs, Service- und Komunalfahrzeuge und auch PKWs im städtischen und stadtnahen Raum.

Sie bieten insbesondere im städtischen Fahrprofil bis zu doppelt so hohe Wirkungsgrade wie Dieselmotoren und eröffnen damit die Chance:

USA, Kanada, Japan, Italien und Deutschland sind die führenden PEM-Brennstoffzellenentwickler