Kategorie-Archiv: Downloads

Neuer Antrieb für den Automobil­standort Deutschland

Video direkt auf Youtube ansehen | CaryEN über Youtube

SPH2-DRIVE vereint ELEKTROANTRIEB, VERBRENNUNGSMOTOR und WASSERSTOFF

Das Prinzip ist bekannt – von Schiffen und Lokomotiven. Ein Verbrennungsmotor wirkt als Kleinkraftwerk zur Stromerzeugung. Der so erzeugte Strom wird für den Antrieb von Elektromotoren genutzt. Gepaart mit dem richtigen Kraftstoff führt diese Kombination allerdings nicht in die Vergangenheit aus Schweröl und Diesel sondern zur Lösung gleich mehrerer aktueller Probleme: KLIMA, WIRTSCHAFT, ROHSTOFFE.

Grafik 1: Abbildung 8 aus der enXpress-Veröffentlichung » E-Auto, Verkehrswende, Nullemission – Der Rest der Wahrheit « . Link zur Grafik: hier klicken (Diagramme in Englisch: ZIP download hier). Gezeigt wird, dass der Wasserstoff-Verbrennungsmotor im Individualverkehr die mit Abstand klimafreundlichste und nachhaltigste Lösung darstellt (s. Säulendiagramm auf der rechten Seite). Wasserstoff verbrennt zu Wasser. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor hinterlässt Wasserdampf anstatt Abgase. Die Vielzahl an Nachteilen der Brennstoffzelle und des Batterieelektrischen Fahrzeugs spielen hierbei keine Rolle.

Wie etliche Studien zeigen, ist eine nachhaltige Antriebslösung für den Individualverkehr nur mit dem weitgehenden Verzicht auf Batteriespeicher möglich.

Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor bietet sich als Alternative an. Er ist hoch entwickelt, benötigt fast ausschließlich Recycling-Materialien anstatt großer Mengen seltener Erden, und der Verbrennungsmotor verbrennt Wasserstoff zu Wasser anstatt zu Abgasen. Zudem ist Wasserstoff (H2) extrem leicht. Damit stünde dem H2-Verbrennungsmotor nur der Faktor einer nicht nachhaltigen und ineffizienten Herstellung des Energieträgers Wasserstoff im Weg. Aber auch das gilt als gelöst – unter anderem über die Ausarbeitung des H2-Energiekonzepts, in dem die Wasserstoffproduktion lediglich aus Meerwasser und Sonnenwärme vorgesehen ist, und zwar innerhalb der Europäischen Union (H2EK).

Einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor – gibt es das?

Die ehemalige Wasserstoffflotte von BMW wurde ausschließlich mit Verbrennungsmotoren betrieben, zum Beispiel der BMW Hydrogen 7. „Das hat gut funktioniert“, sagt Professor Wellnitz von der Technischen Hochschule Ingolstadt (THI). „Das Problem bei BMW war nur die verwendete Speichertechnologie; und der Anspruch, zwischen den beiden Kraftstoffarten Benzin und Wasserstoff umschalten zu können.“

Die aktuelle Technik ist da schon weiter. Die Verwendung von Drucktanks anstelle von Kühltanksystemen (wie damals bei BMW) ist heute Standard. Deutschlandweit sind heute bereits rund 90 Wasserstofftankstellen in Betrieb – leicht zu finden auf der Plattform h2.live

Die Kombination aus einem für Wasserstoff optimierten Verbrennungsmotor, einer Einheit zur Stromerzeugung (Generator) und in geringem Umfang zur Stromspeicherung (Pufferbatterie), bietet dabei viele entscheidende Vorteile, sagt Andy J. Ehrnsberger, Entwicklungs-Chef und Vorstand der Gemeinnützigen Initiative Energienovum e. V.: „Der hierzulande hochentwickelte Verbrennungsmotor kann erhalten bleiben, mit all seinen Patenten, samt Zulieferindustrie. 90 Prozent der Batterie herkömmlicher Elektroautos entfallen, und zwar unter einer erheblichen Gewichtsreduktion beim Fahren und einem deutlich geringeren Rohstoffbedarf. Stattdessen kommen primär die fortwährend wiederverwertbaren Recyclingmaterialien Stahl und Aluminium zum Einsatz. Und vor allem: unseren Zukunftstechnologien steht mit dem Konzept nichts im Weg, beispielsweise dem zum seitwärts Einparken geeigneten drehbaren Fahrwerk – mit stromgeführten Radnabenmotoren.“

Grafik 2: Funktionsschema des SPH2 Drive im Fahrzeug CaryEN ®

Die elektrische Energie wird von einem schallgedämmten Wasserstoff-Verbrennungsmotor bei Bedarf (on demand) produziert. Der Bedarf liegt dann vor, wenn das Steuergerät signalisiert, dass die Batterie nachgeladen werden muss. Nur dann läuft der H2-Verbrennungsmotor – ohne Abgase. Währenddessen steht der Strom der Pufferbatterie den elektrischen Lasten im Fahrzeug zu jedem Zeitpunkt zur Verfügung und versorgt den Elektroantrieb bei Betätigung des „Gaspedals“ mit Energie. Die Pufferbatterie hat dabei nur rund zehn Prozent der Größe einer konventionellen E-Auto-Batterie, benötigt also 90 Prozent weniger Lithium oder andere seltene Erden und wiegt anstatt etwa 650 Kilogramm (Tesla Typ 3) nur rund 60 Kilogramm. Der Elektroantrieb besteht aus vier Elektromotoren. Diese befinden sich im Bereich der Radnaben. „Als Fahrer hat man hier letztlich die Vorteile beider Technologien,“ sagt Ehrnsberger „auch, was die Zuverlässigkeit in der kalten Jahreszeit und die Leistungsfähigkeit in Ausnahmesituationen anbelangt.“

Über den Wegfall von Antriebselementen wie Getriebe, Sperrdifferential, Wellen und Achsen wird weiteres Gewicht eingespart. Auch der Wasserstoff selbst ist leicht. So reicht ein Kilogramm Wasserstoff bereits heute für rund 100 Kilometer. Das Tanken für 500 bis 700 Kilometer Reichweite dauert dabei übrigens nur drei Minuten.

Die genannten Vorteile reichen nach Ehrnsberger aus, um diesem Antriebskonzept bei uns schon sehr zeitnah den Weg zu ebnen.

Fachsprachlich formuliert handelt es sich bei dem beschriebenen Antrieb um einen Seriellen Reinhybrid für Wasserstoff, international ausgedrückt um einen Serial Pure Hybrid for Hydrogen – also um den SPH2 Drive.

Das Wasserstoffhybrid-Fahrzeug CaryEN steht also für den Erhalt der deutschen Automobilindustrie, für die Unabhängigkeit der europäischen Energieversorgung und nicht zuletzt für Wasser statt Abgas.

Die Entwicklung zur Serienreife von CaryEN soll seitens Energienovum e. V. in Kooperation mit der Technischen Hochschule Ingolstadt um Professor Wellnitz erfolgen. Prof. Wellnitz und Dipl.-Ing. Ehrnsberger stehen hierzu bereits in Kontakt. Von Energienovum e. V. hierfür generierte Spendeneinnahmen fließen in dieses Projekt. Zuwendungsbestätigungen nach § 10b EStG werden ausgestellt. Die anerkannte Gemeinnützigkeit von Energienovum e. V. dürfte bei dem Projekt für die entscheidenden Faktoren Transparenz und zeitliche Effizienz sorgen.

Der Wasserstoffhybrid wird kommen, davon ist man bei Energienovum überzeugt.


Projektseite | Energienovum e. V. -> CaryEN

Diagramme in Englisch | ZIP download

Pressemitteilungen | Energienovum e. V. -> Presse



Wasser im Tank Wenn der Motor trotzdem läuft

Dem Prinzip, Projekten gegenüber aufgeschlossen zu sein, die von anderen Institutionen als unwürdig abgetan werden, blieb man treu, als Mitglieder von Energienovum am zweiten Oktober 2018 einen Stromerzeuger begutachteten. Laut den Angaben seines Betreibers wurde der Verbrennungsmotor des Stromerzeugers anstatt mit Kohlenwasserstoffen wie z. B. Diesel oder Erdgas lediglich mit (vor Ort » on demand « erzeugtem) Wasserstoff in Verbindung mit reinem Sauerstoff (Oxyhydrogen) und Wasserdampf betrieben.

Das Ergebnis der Begutachtung können Sie über den nachfolgenden Link als PDF herunterladen. Die Datei kann per Übersetzungs-Tool in andere Sprachen transformiert werden (z.B. nach » PDF-Übersetzer « suchen).

 

ENERGIENOVUM_Doku_Begutachtung-Aggregat-Huber-20181002.pdf

 

Wollen auch Sie Ihren Aufbau im Bereich der regenerativen Energien und im Bereich der Effizenzsteigerung von Kraftwandlern einer fachgerechten Prüfung unterziehen? Wenn ja, setzen Sie sich hierfür mit uns in Verbindung unter KONTAKT

Diffusion und Versprödung Was uns an der Speicherung von Wasserstoff hindert – oder auch nicht

Ja, mit Wasserstoff lässt sich regenerativer Strom speichern und über viele tausend Kilometer transportieren – mit vernachlässigbaren Verlusten. Das deutsche Gasnetz, das heute einen Großteil aller Gebäude des Landes miteinander verbindet, kann laut Naturalhy[1], einer groß angelegten technischen Studie der EU, bereits mit der heutigen technischen Ausstattung inkl. unserer Endgeräte einen 50-prozentigen Wasserstoffanteil vertragen, wobei kaum jemand weiß, dass bereits im konventionellen Erdgas von Natur aus ein gewisser Wasserstoffanteil enthalten ist.

Vieles am gesundheits- und umweltfreundlichen Energieträger Wasserstoff gilt bereits heute als gelöst. Nicht gelöst hingegen sind Vorurteile in der Bevölkerung. Viele Menschen vertreten nach wie vor die Ansicht, Wasserstoff sei technisch nicht beherrschbar oder seine Herstellung sei nicht effizient genug. Die aufgeklärteren meinen bereits, Wasserstoff könne in Zukunft eine Rolle bei der Energieversorgung spielen. Beides ist falsch, denn Wasserstoff ist nicht gefährlicher als Erdgas und zu null Prozent radioaktiv. Und Wasserstoff kann nicht erst in einer weit entfernten Zukunft eine Rolle bei der Energieversorgung spielen, sondern bereits heute, und zwar eine entscheidende.

Sind die gebetsmühlenartig vorgetragenen technischen Probleme des Wasserstoffs wirklich so gravierend und seine Herstellung wirklich nicht effizient genug, sodass seine Nutzung heute noch nicht sinnvoll sein kann?

Ein Teil der Antwort: Die Effizienz bei der Herstellung von Wasserstoff spielt eine untergeordnete Rolle, wenn auf der einen Seite alle Rohstoffe, die dafür benötigt werden, kostenlos zur Verfügung stehen (Sonne und Wasser) und auf der anderen Seite Win-win-Strategien zur Finanzierung aller notwendigen technischen Anlagen existieren (z. B. h2ek) [2].

Einen anderen Teil der Antwort, nämlich die zu den primär vorgetragenen technischen Problemen eines großflächigen Einsatzes von Wasserstoff als Energieträger zählenden Faktoren » Materialversprödung « und » Diffusion «, untersuchen wir mit der vorliegenden Analyse. Mit weiteren technischen Faktoren wie dem Kompressionsaufwand, der Druckbetankung und der Effizienz der Elektrolyse befassen wir uns anhand anderer Artikel.

DIFFUSION VON WASSERSTOFF

Was hat es mit der zu hohen oder zu schnellen Diffusion von Wasserstoff durch die Wandungen umschließender Bauteile wie Tank und Leitung auf sich? » Zu hoch « und » zu schnell « klingen ja bereits recht problematisch. Fragt sich, im Vergleich zu was zu hoch und zu schnell. Antwort: Der Vergleich bezieht sich auf das Diffusionsverhalten anderer Gase[3], was sich anhand folgenden Beispiels veranschaulichen lässt:

Man stelle sich die Halle des Boeing-Werks in Everett vor, welches über ein Volumen von dreizehn Millionen Kubikmetern verfügt. Dieses Volumen stellen wir uns zehn Mal nebeneinander vor. In neun dieser Volumen, schwirrt jeweils eine Fliege umher. Diese neun Volumen stehen für die erwähnten anderen Gase. Im zehnten Volumen schwirren zwanzig Fliegen umher. Dieses Volumen steht für Wasserstoffgas. Nun wäre die Aussage, die zehnte Halle verfügte über eine deutlich höhere Fliegendichte korrekt und führte selbstverständlich auch zu einem deutlich höheren Verlust von frei nutzbarem Volumen als bei den anderen Hallen. Doch ausgehend von der Annahme, eine Fliege beanspruchte mit ihrem Körper ein Raummaß von 3 x 2 x 2 mm und verfügte damit über ein Volumen von 0,0000000000012 Kubikmetern (1,2-12 m³), wird deutlich, dass den Fliegen in den Hallen keine entscheidende Rolle beim Volumen zukommt – egal in welcher Halle. Im Vergleich zu den 13.000.000 Kubikmetern einer Halle ist der Verlust an Raumvolumen also offensichtlich zu vernachlässigen, ebenso, wie dies bei der Diffusion von Wasserstoff der Fall ist, denn das Mengenverhältnis ist annähernd vergleichbar.

Quantifizieren lässt sich die Verlustrate von Wasserstoff durch Diffusion mit Hilfe des ersten und zweiten – nicht lachen – Fickschen Gesetzes[4]. So würde eine mit Wasserstoff gefüllte Stahlflasche mit 30 bar Druck, einer Höhe von 1,5 Metern, einem Innendurchmesser von 120 Millimetern und der Wandstärke von 10 Millimetern ca. 46,7 Liter Wasserstoffgas enthalten. Durch Diffusion würden bei einer Umgebungstemperatur von 22°C nach der Fickschen Gleichung nur rund 0,38 Liter verloren gehen – im Zeitraum von 10 Jahren! Rein theoretisch, denn in der Praxis ist die tatsächlich durch die Wandungen hindurchpermeierende Wasserstoffmenge um Zehnerpotenzen kleiner[5], weil die Einstellung der Wasserstoffsättigung an der Wandoberfläche in der Fickschen Gleichung als augenblicklich ablaufender Vorgang angenommen wird; tatsächlich benötigt die Sättigung jedoch Tage und Wochen statt Sekunden. Erwähnenswert ist allerdings, dass die Verluste mit zunehmendem Druck im Speicher um ein Mehrfaches ansteigen, was jedoch aufgrund der immer noch extrem geringen Mengen weder ein Sicherheitsrisiko noch einen relevanten Verlust darstellt.

Ein Kollege gab während einer Diskussion über die Diffusionsgeschwindigkeit allerdings zu bedenken, dass die Wasserstofftanks der BMW-Flotte an Wasserstofffahrzeugen innerhalb von vier Wochen praktisch ihren gesamten Inhalt verloren hatten. Damit hatte der Kollege zwar Recht, ursächlich hierfür war allerdings nicht das Diffusionsverhalten des Wasserstoffs, sondern die Sicherheitstechnik. Die BMW-Flotte verfügte über Kryo-Tanks[6] um den Wasserstoff tief kalt und somit flüssig zu speichern, ohne den Druck von mehreren hundert Bar – aufgrund der benötigten Mengen muss das unter Normbedingungen stark ausgedehnte Volumen von Wasserstoffgas irgendwie verkleinert werden; entweder durch Kompression oder durch herunterkühlen. Leckagen entstanden also nicht aufgrund der Diffusion durch die Gefäßwandungen, sondern per Weg durch die Überdruckventile[7]. Trotz der Wärmeisolation verdampft bei dieser Art der Speicherung kontinuierlich ein Teil des Wasserstoffs und erhöht somit ständig den Druck im Tank, der ständig abgelassen wird, damit es nicht zum Versagen von Dichtungen oder gar zum Bersten des Tanks kommt. Mit den Überdruckventilen wird bei dieser Technologie also Wasserstoff gezielt abgeblasen. Dieser Vorgang hält so lange an, bis kaum mehr Wasserstoff im Tank vorhanden ist.

Das Diffusionsvermögen von Wasserstoff für metallische Umschließungen (Gasflaschen, Rohrleitungen etc.) ist also nicht von praktischer Bedeutung, sondern ein Effekt von rein akademischem Interesse. Bis sich hierdurch eine nennenswerte Menge an Wasserstoffgas außerhalb der Umschließung ansammeln kann, dürften mindestens mehrere Jahrhunderte vergehen. Speicherverluste durch Diffusion in beachtenswerten und sicherheitsrelevanten Mengen sind im Umgang mit Wasserstoff also nicht zu befürchten. Was bleibt, ist das Risiko der Wasserstoffversprödung und die Frage, inwiefern diese relevant ist.

MATERIALVERSPRÖDUNG DURCH WASSERSTOFF

Die Materialversprödung durch Wasserstoff kann mehrere Gründe haben. Einer ist, dass grundsätzlich alle Werkstoffe an Elastizität verlieren, wenn sie abgekühlt werden. Für den Umgang mit tiefen Temperaturen müssen daher Materialien gewählt werden, die unter diesen Bedingungen noch eine gewisse Elastizität aufweisen, was auch für Behälter mit flüssigem Wasserstoff gilt. Diese Art der Versprödung ist also nicht speziell auf Wasserstoff zurückzuführen[8].

Bei der Auswahl der Materialien speziell für Wasserstoffanwendungen ist der Einfluss von Wasserstoff selbst, unabhängig ob tief kalt, flüssig oder als Gas vorliegend, auf die Materialeigenschaften zu berücksichtigen. Aufgrund der Vielzahl an verschiedenen Werkstoffen und Legierungen ist eine verallgemeinernde Beschreibung von Einfluss und Auswirkung schwierig. Vielmehr erweist es sich als zielführend, jene Materialien zu beschreiben und zu charakterisieren, die für Anwendungen mit Wasserstoff besonders geeignet sind[9].

Wasserstoffversprödung, ein Phänomen, das nur bei Metallen auftritt aber längst nicht bei allen, lässt sich dadurch erklären, dass der atomare Wasserstoff den Zusammenhalt des Metallgitters schwächt (Dekohäsion[10]) und etwaig vorhandene Anrisse schneller wachsen lässt. Anders gesagt: Der Wasserstoff beschleunigt bei diesen Metallen die so genannte Spannungsrisskorrosion. Anfällig sind vorwiegend Metalle mit einem kubisch-raumzentrierten Gitter, wie dies etwa bei ferritischen Stählen der Fall ist, wohingegen Metalle mit einem kubisch-flächenzentrierten Gitter wie Aluminiumlegierungen, austenitische Stähle, und Nickel, nicht nennenswert angegriffen werden. Auch die Werkstoffe der zuerst genannten Gruppe können in der Wasserstofftechnik Verwendung finden, wenn man durch geeignete Gestaltung der Werkstücke die darin auftretenden Spannungen unterhalb einer bestimmten Schwelle hält und man beispielsweise durch Oberflächenbeschichtung das Auftreten von Anrissen unterdrückt[11]. Am einfachsten und sichersten lässt sich die Versprödungsgefahr jedoch durch die Verunreinigen des Wasserstoffs mit einem geringen Anteil an Sauerstoff unterbinden. In Anbetracht dessen, dass ab einer Verunreinigung von 200ppm mit Sauerstoff (0,02%)[12] eine Dissoziation von H2 nicht mehr zu beobachten ist, stellt dies durchaus eine Möglichkeit dar, bei ferritischen Standardstählen die Versprödung auf einfache Art zu vermeiden. Damit existieren mehrere Auswahlmöglichkeiten, die Materialversprödung durch Wasserstoff in einer nicht relevanten Größenordnung zu halten bzw. diese gänzlich auszuschließen.

SONDERFALL OXYHYDROGEN

Die Tatsache, dass Wasserstoff, wie oben beschrieben, leichter als bei anderen Gasen durch bestimmte Metalle diffundiert, wird oftmals auch auf Oxyhydrogen (HHO) übertragen. Speicherverluste in beachtenswerten oder sicherheitsgefährdenden Mengen sind dabei aber gänzlich ausgeschlossen, was sich, wie am Ende des vorhergehenden Abschnitts erörtert, auch insofern auf die Materialversprödung auswirkt, als dass sie nicht stattfindet[13]. Bei Wasserstoffgas, das mit dem erwähnten Anteil an Sauerstoff verunreinigt ist, liegt dabei u. a. aufgrund der für einen möglichen Oxidationsprozess (Verbrennung, Explosion) nicht ausreichenden Menge an Sauerstoff noch kein Oxyhydrogen im eigentlichen Sinne vor. Von der Speicherung von Oxyhydrogen ist unserer Ansicht nach grundsätzlich abzuraten.



Nur durch sie kann der Leser davon ausgehen, dass die Wissensbildung nicht im Sinne großer Geldgeber manipuliert wird: durch unabhängige Berichterstattung. Nur durch sie kann der Wille der Menschen ihrem Wohle dienen, denn nur der richtig informierte Bürger kann die richtigen Entscheidungen treffen. 

Unabhängige Berichterstattung kann nur von dem am Leben erhalten werden, dem sie dienlich ist: Vom Bürger, von Ihnen. Bitte spenden Sie hier.

Wir bemühen uns, Ihnen ein zutreffendes Abbild der Realität zu vermitteln, doch sind wir nicht perfekt. Sollten Ihnen Fehler auffallen, so bitten wir Sie, uns diese mitzuteilen. Vielen Dank.

 


Hintergrundfoto des Artikel-Covers mit freundlicher Genehmigung des Rechteinhabers Fliegerweb.com



[1]
European Union | Naturalhy Study ENG.pdf

[2] Ehrnsberger, A. J. | H2-Energiekonzept GER.pdf

[3] Savannah River Company | Management of Leaks ENG.pdf

[4] CAU Kiel | Ficksche-Gesetze GER.pdf

[5] DWV | Wasserstoff Sicherheits Kompendium GER.pdf

[6] Störfallkommission | Anwendung H2-Technologie GER.pdf

[7] Hansestadt Hamburg | H2-Studie GER.pdf

[8] Kaesche, Dr. rer. Nat. H.: „Die Korrosion der Metalle“, Springer Verlag, ISBN 978-3-642-18427-7, Berlin, 2011

[9] Katsuhiko, Hirose: „Handbook of Hydrogen Storage“, Hirscher, M. (Hrsg.), Wiley-VCH Verlag, ISBN: 978-3-527-32273-2, Weinheim, 2010

[10] Tiegel, M. C.| H2-induzierte Rissbildung in Eisen GER.pdf

[11] Katsuhiko, Hirose: „Handbook of Hydrogen Storage“, Hirscher, M. (Hrsg.), Wiley-VCH Verlag, ISBN: 978-3-527-32273-2, Weinheim, 2010

[12] [13] Lewis RC | H2 Environment Embrittlement ENG.pdf