Mobile Brennstoffzellen 17.09.2013, 07:29 Uhr

Reformator besteht 1000-Stunden-Härtetest

Ingenieure vom Oel-Wärme-Institut OWI in Herzogenrath haben einen Dauertest für eine autarke Brennstoffzelle, die Lkw mit Strom versorgen kann, erfolgreich abgeschlossen. Das Herzstück des Brennstoffzellensystems, der Reformator, arbeitete auch nach 1000 Stunden noch einwandfrei.

Der funktionsfähige Prototyp als ENSA II-Demonstrator. 

Der funktionsfähige Prototyp als ENSA II-Demonstrator. 

Foto: Eberspächer

Praktisch die gesamte moderne Wertschöpfungskette in Industrie, Handel und Wirtschaft basiert auf Just-in-Time-Produktion. Voraussetzung dafür sind Lkw, die genau zum richtigen Zeitpunkt die entsprechenden benötigten Teile am Werktor abliefern. Um das zu gewährleisten gleichen Deutschlands Autobahnen inzwischen einer einzigen Kette von Lastwagen. Und an den Autobahnraststätten stehen die Lkw in langen Reihen, um ihre Stand- und Ruhezeiten einzuhalten.  Praktisch bei allen stehenden Brummis brummt der Dieselmotor vor sich hin, um den Strom für die Klimatisierung, die Beleuchtung oder auch die Kommunikationstechnik zu versorgen.

Energieverschwendung und akustische Umweltverschmutzung

Mit dieser Energieverschwendung und akustischen Umweltverschmutzung wollen Ingenieure vom OWI Oel-Wärme-Institut GmbH, ein gemeinnütziges und anerkanntes „An-Institut der RWTH Aachen“ Schluss machen. Sie haben ein Brennstoffzellensystem entwickelt, welches diesen Strom für die Stand- und Ruhezeiten nahezu geräuschlos, erheblich umweltschonender und effizient erzeugt. Jetzt hat dieses mobile Brennstoffzellensystem aus Reformer und Restgasbrenner einen Dauertest von mehr als 1000 Stunden Betriebszeit erfolgreich abgeschlossen. Beide Komponenten funktionierten nach dem Belastungsmarathon noch einwandfrei.

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines permanent zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittel in elektrische Energie umwandelt. Ein herkömmlicher Verbrennungsmotor wandelt dagegen die chemische Energie zunächst durch Verbrennung in thermische Energie um und dann im zweiten Schritt in mechanische Arbeit. Erst aus dieser wird dann im Generator Strom erzeugt. Die Brennstoffzelle hingegen erzeugt die elektrische Energie ohne den Umweg über Wärme und Kraft direkt. Das macht sie potentiell viel effizienter.

1838 baute der deutsch-schweizerische Chemiker und Physiker Christian Friedrich Schönbein die erste, allerdings sehr simple Brennstoffzelle. Er umspülte zwei Platindrähte in Salzsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff und bemerkte zwischen den Drähten eine elektrische Spannung.

Dieses enorme Potential der Brennstoffzelle erkannte Jules Verne schon im Jahre 1870. „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern“, schrieb der Visionär Verne damals. Ein Versuch ist das Projekt am OWI.

Nur ein Liter Diesel pro Betriebsstunde

Das OWI arbeitet bei diesem Projekt mit den Industriepartnern Eberspächer Climate Control Systems mit Sitz in Esslingen, ElringKlinger aus Dettingen und Behr aus Stuttgart zusammen. Das mobile System ist als autarkes Modul konzipiert und enthält auf kleinstem Raum alle erforderlichen technischen Komponenten. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Projekts soll der elektrische Wirkungsgrad des mobilen Brennstoffzellensystems bei rund 30 Prozent liegen. Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad herkömmlicher dieselbetriebener Stromgeneratoren liegt bei etwa 25 Prozent. Der Verbrauch pro Betriebsstunde des Brennstoffzellensystems wird dann etwa bei einem Liter Diesel liegen.

Die komplette, einbaufertige Brennstoffzellen-APU mit ihren Hauptkomponenten in Form einer Packaging-Studie. 

Die komplette, einbaufertige Brennstoffzellen-APU mit ihren Hauptkomponenten in Form einer Packaging-Studie. 

Foto: Eberspächer

Herzstück des Systems ist der Reformer, der aus dem Dieselkraftstoff im Tank des Lkw ein Brenngas erzeugt, das dann eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle in elektrische Energie umsetzt. Die Ingenieure vom OWI streben eine hohe Leistungsdichte des autarken Systems mit einer Nennleistung von drei Kilowatt an. Weitere Entwicklungsziele sind eine lange Lebensdauer und vor allem auch wettbewerbsfähige Systemkosten.

Der aktuelle geförderte Projektabschnitt hat eine Laufzeit bis Ende 2015. Im Vordergrund dieses Abschnitts stehen Lebensdauertexts und die seriennahe Produktentwicklung. Etwa im Jahr 2018 rechnen die Projektpartner damit, das Brennstoffzellensystem zur Marktreife entwickelt zu haben.

Auch Brennstoffzellen für Laptops und Pedelecs im Fokus der Forscher

Die Ingenieure am OWI forschen auch an Brennstoffzellen- und Reformer-Kombisystemen zur mobilen Stromversorgung für Geräte mit niedriger oder mittlerer elektrischer Leistungsaufnahme, wie zum Beispiel Laptops oder Pedelecs. Gemeinsam mit der Herzogenrather Firma Aixcellsys GmbH testen sie verschiedene Kombinationen von mobilen Brennstoffzellensystemen. Die Systeme mussten Dauerversuche mit mehreren Start-Stopp-Zyklen über sich ergehen lassen. Das jetzt weiterentwickelte System erzeugt aus einem Methanol-Wasser-Gemisch ein wasserstoffreiches Reformat. Mit diesem wird dann die HT-PEM-Brennstoffzelle betrieben, die Abkürzung steht für das englische High Temperature Proton Exchange Membrane.

Basis dieser Untersuchungen ist ein von den Projektpartnern entwickeltes Brennstoffzellensystem mit einer Leistung von rund 50 Watt. Diese Leistung wollen die Forscher jetzt sukzessive erhöhen. Ziel der Forschung ist ein möglichst kleines und portables Brennstoffzellensystem zum kleinen Preis, damit es gegenüber den heute üblichen Akkumulatoren wettbewerbsfähig ist.

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