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  Brennstoffzelle



Elektro- und/oder Brennstoffzellenbetrieb

Strom gilt zwar als Prototyp für die erneuerbare Energie, ist aber nicht beliebig lange speicher- und transportierbar. Selbst wenn das Problem der Verluste beim Transport von Strom aus den heißen Zonen der Erde durch Supraleitung oder Gleichstrom irgendwann einmal gelöst würde, blieben die Schwierigkeiten mit der langfristigen Speicherung. Im Kraftfahrzeug ist die Speicherung von elektrischer Energie noch schwieriger. Die Energiedichte eines vollen Kraftstofftanks ist eben konkurrenzlos hoch. Auch hier macht Wasserstoff noch Probleme.

Brennstoffzelle funktioniert mit Wasserstoff

In Brennstoffzellen ist ein fast emissionsfreier Betrieb mit Wasserstoff heute schon möglich. Das gilt übrigens nicht für die Verbrennung von Wasserstoff in Motoren. Als 'Abgas' entsteht also beim Betrieb der Brennstoffzelle mit möglichst reinem Wasserstoff wirklich nur Wasser in Dampfform, kein Kohlendioxid und schon gar kein gesundheitsschädliches Abgas. Dies ist nur möglich, wenn das Fahrzeug reinen Wasserstoff oder Strom 'tankt', von direkter Sonneneinstrahlung einmal abgesehen. Unter gleichen Testbedingungen zeigt sich die Brennstoffzelle allein auch guten Dieselmotoren im Wirkungsgrad überlegen. Wobei ein echter Wirkungsgradvergleich schwierig ist. Er müsste neben der Gewinnung der Brennstoffe auch den Herstellungsprozess mit einbeziehen. Auch im Bereich der Lärm-Emissionen könnte das Wasserstoffauto einen Fortschritt bringen.

Wasserstoff, Membrane, Sauerstoff -> elektrische Energie

Bei der Brennstoffzelle wird aus chemisch gebundener Energie ohne weitere Umwandlungen direkt elektrische Energie gewonnen. Es gibt mehrere Konstruktionsprinzipien, aber hier soll nur die PEM-Brennstoffzelle beschrieben werden. Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) würden bei direktem Kontakt und Zündung schlagartig (Knallgas) miteinander reagieren. Deshalb wird der Wasserstoff von der Sauerstoff enthaltenden Luft durch eine hauchdünne Kunststoffmembrane (PEM - Proton Exchange Membran) getrennt, die gegenüber Protonen durchlässig ist. Dies führt zu einem Überschuss an Protonen, der durch Elektronenfluss über einen Stromkreis ausgeglichen wird. Für Antriebsmotoren sind höhere Spannungen nötig. Deshalb müssen, wie bei der Batterie, etwa 200 Elemente mit jeweils etwa 1 Volt dicht zu sogenannten Stacks hintereinander geschaltet werden. Da die entstehende Energie nicht direkt vollständig verbraucht wird, ist eine Batterie zur Zwischenspeicherung nötig. Allerdings kann diese kleiner sein als bei einem reinen Elektroantrieb.

Noch keine Lösung für kostengünstige Produktion

Insgesamt verläuft die Entwicklung der Brennstoffzelle zu einem serienreifen Produkt wohl langsamer als erwartet. Es gibt zwar schon Prototypen, die auch im regelmäßigen Einsatz sind, aber bei der Kostenreduzierung steht der entscheidende Durchbruch noch aus. Auch sind bei weitem noch nicht alle technischen Probleme endgültig gelöst. Dazu zählt der Schutz der empfindlichen (und teuer zu ersetzenden) Kunststoffmembran vor einfrierendem Wasser, und der Schutz der ganzen Anlage vor zu hohen Temperaturen. Es sind die besonderen Materialanforderungen z.B. an die Membrane wie Leitfähigkeit, Elastizität, Unempfindlichkeit gegen Schock und ein bestimmtes Quellverhalten, die einer kostensparenden Serienproduktion noch im Wege stehen.

Kosten für Herstellung und Tankstellennetz als Nachteile

Für die langfristige Planung seien hier zwei gravierende Nachteile genannt. Der Betrieb mit reinem Wasserstoff erfordert ein neues Tankstellennetz mit erheblichen Kosten. Solche entstehen auch derzeit bei der Herstellung von Brennstoffzellen. Aus diesen beiden Gründen rechnet man mit einer flächendeckenden Versorgung frühestens 2025. Methanolbetrieb wäre evtl. früher realisierbar, allerdings mit geringerem Effekt und CO2-Ausstoß. Wesentlich einfacher ist die Verbrennung von Wasserstoff im Hubkolbenmotor, aber z.B. nicht NOx-emissionsfrei und mit dem gleichen Problem der Versorgung. Zum Schluss ist noch die Frage zu stellen, ob denn die Herstellung von Wasserstoff immer emissionsfrei ist. 06/07

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