H2 on Demand für Wasserstoffverbrennungsmotoren in Autos: Strategien für alternative Fahrzeugantriebe

Von Marlon A. Jaun

Die Energiewende ist beschlossen und der Weg, hin zu CO2-neutralen Autos scheint klar zu sein. Nach wie vor dominieren Benzin- und Dieselfahrzeuge die Straßen. Warum dies so ist, zeigen die Marktkräfte in der zersplitterten Branche des Fahrzeugmarktes auf, welche systematisch analysiert und aufgezeigt werden. In einer Technologieanalyse werden verschiedene Antriebssysteme untersucht und in einer SWOT Analyse dargestellt. Diese zeigt auf einen Blick, wo die Vor- und Nachteile, aber auch die Stärken und Schwächen der einzelnen Antriebssysteme liegen. Wasserstoff scheint bisher der einzige Energieträger zu sein, welcher CO2-neutral verbrennt und bei der idealen Verbrennung lediglich Wasser entstehen lässt. Neben Einsatzgebieten als Treibstoff in Fahrzeugen, kann Wasserstoff auch zum Heizen genutzt werden, wobei die bestehende Erdgastechnologie verwendet werden kann. Trotz der Vorteile hat Wasserstoff als Energieträger den Markt noch nicht durchdringen können. Im Fahrzeugmarkt sind bisher verschiedene Probleme im Bereich der Speicherung des Wasserstoffs, der Reichweite, dem Tankstellennetz und der Herstellkosten für Wasserstoff entstanden. Um die bisherigen Probleme mit Wasserstoff als Treibstoff in Fahrzeugen zu lösen, wurde die Idee verfolgt „Wasserstoff on Demand“ direkt im Fahrzeug zu produzieren. Dabei wurden verschiedene Wasserstoff Herstellmethoden untersucht, welche für ein On-Demand-System geeignet sein können. In einer Machbarkeitsanalyse wurde festgestellt, dass ein Wasserstoff-on-Demand System theoretisch funktioniert. Es ist entweder möglich, den Benzin/Dieselverbrauch mit Wasserstoff zu 100% zu ersetzen, oder aber den Benzin/Dieselverbrauch enorm zu reduzieren. Bei beiden Varianten wird der Wasserstoff direkt im Fahrzeug hergestellt. In einem Fließbildschema wurde ein mögliches System dargestellt, wie dies in der Praxis zum Einsatz kommen könnte. Die Machbarkeit eines solchen Systems muss mit praktischen Versuchen erst noch bestätigt werden.
Dieses Buch dient, um Strategien für den alternativen Fahrzeugmarkt zu entwickeln, Technologien weiter zu analysieren, aber auch für weitere Forschungsarbeiten. Für Entwicklungsingenieure dient dieses Buch, um ein Elektrolysesystem on Demand zu entwickeln und in praktischen Versuchen zu testen. Für Autohersteller besteht die Möglichkeit, mit einem H2-on-Demand-System die CO2-Grenzwerte einzuhalten und den CO2-Ausstoß Ihrer Fahrzeuge weiter zu senken.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Books on Demand
• Erscheinungsdatum: 19. Aug. 2016
• ISBN: 9783741217241

Marlon A. Jaun

Marlon A. Jaun hat eine General Management Ausbildung mit Fokus auf Business Engineering und Unternehmensprozessen absolviert und besitzt ein großes Know-how aus der chemisch/pharmazeutischen Produktion, insbesondere als Chemikant und als Leiter Technikum Verfahrensentwicklung. Der Autor war weiterhin als Business Support Manager/Fachingenieur im Bereich Entsorgung radioaktiver Abfälle und der Energieindustrie (Wasserkraft) tätig. Marlon A. Jaun hat einen Executive MBA Abschluss, ist zertifizierter Ingenieur Eureta, Dipl. Techniker HF Betrieb und Unternehmung (Betriebsökonomie) und hat zwei Berufsausbildungen mit EFZ (Laborist- und Chemikant), mit Fokus auf Chemie, Technik und Naturwissenschaften abgeschlossen. In seiner Freizeit ist Marlon A. Jaun seit über 20 Jahren passionierter Taucher auf der Stufe PADI OWSI Tauchinstruktor und interessiert sich sehr für die verschiedenen Unterwasser-Lebewesen. Er versteht es, verschiedene Wissensgebiete geschickt miteinander zu verbinden, so dass ein Gesamtzusammenhang entsteht.

Buchvorschau

Über den Autor:

Marlon A. Jaun hat eine General Management Ausbildung mit Fokus auf Business Engineering und Unternehmensprozessen absolviert und besitzt ein grosses Know-how aus der chemisch / pharmazeutischen Produktion, insbesondere als Chemikant und als Leiter Technikum Verfahrensentwicklung. Der Autor war weiterhin als Business Support Manager / Fachingenieur im Bereich Entsorgung radioaktiver Abfälle und der Energieindustrie (Wasserkraft) tätig. Marlon A. Jaun hat einen Executive MBA Abschluss, ist zertifizierter Ingenieur Eureta, Dipl. Techniker HF Betrieb und Unternehmung (Betriebsökonomie) und hat zwei Berufsausbildungen mit EFZ (Laborist- und Chemikant), mit Fokus auf Chemie, Technik und Naturwissenschaften abgeschlossen. In seiner Freizeit ist Marlon A. Jaun seit über 20 Jahren passionierter Taucher auf der Stufe PADI OWSI Tauchinstruktor und interessiert sich sehr für die verschiedenen Unterwasser-Lebewesen. Er versteht es verschiedene Wissensgebiete geschickt miteinander zu verbinden, so dass ein Gesamtzusammenhang entsteht.

Marlon A. Jaun

Dipl. Executive MBA FH

Business Engineering

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Management Summary

Einleitung

1.1 Ausgangslage und Problemstellung

1.2 Bevölkerungswachstum, eingelöste Personenfahrzeuge, CO2 Emissionen

1.3 Szenarien zur CO2 Reduktion bei Personenfahrzeugen

Theorie

2.1 Branchenentwicklung alternative Fahrzeugantriebe

2.1.1 Bisherige Entwicklung

2.1.2 Die Triebkräfte des Branchenwettbewerbs

2.1.3 Druck durch Substitutionsprodukte

2.1.4 Zersplitterte Branchen

2.1.5 Strategische Fallen in einer zersplitterten Branche

2.2 Technologieanalyse von Antrieben für Personenwagen

2.2.1 Benzinmotor

2.2.2 Dieselmotor

2.2.3 Erdgasmotor

2.2.4 Wasserstoffverbrennungsmotor

2.2.5 Wasserstoffverbrennungsmotor mit Methanol

2.2.6 Brennstoffzellenantrieb

2.2.7 Rein elektrischer Antrieb

2.2.8 Einteilung nach Technologielebenszyklen

2.2.9 Stärken, Schwächen, Chancen und Gefahren, SWOT Analyse

2.3 Technologie-Analyse Wasserstoff Herstellmethoden

2.3.1 Vision on Demand Systeme

2.3.2 Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse von Wasser

2.3.3 Wasserstoffherstellung aus Wasserdampf

2.3.4 Wasserstoffherstellung aus Erdgas

2.3.5 Wasserstoffherstellung aus Methanol

2.3.6 Wasserstoffherstellung aus Ammoniak

2.3.7 Wasserstoffherstellung aus Aluminium

2.3.8 Weitere Wasserstoff Herstellmethoden

2.3.9 Bewertung der Wasserstoffherstellverfahren für on Demand Systeme

2.4 Elektrolyse on Demand

2.4.1 Faraday’sches Gesetz

2.4.2 Benzinäquivalent

2.4.3 Alternatorleistung

2.4.4 Machbarkeitsanalyse

2.4.5 Einspritzanlage mit Lambda (λ)-Regelung und Wasserstoff

2.4.6 Auto starten bei 100% Wasserstoff on Demand Betrieb

2.4.7 Ausblick

Methodologie

3.1 Korrelationsanalyse

3.2 Regressionsanalyse

3.3 5 Wettbewerbskräfte nach M.Porter

3.4 Heizwerte

3.5 Chemisch Stöchiometrische Berechnungen

3.6 Allgemeines Gasgesetz

3.7 Technologielebenszyklen, S-Kurven Konzept, Strategietypologisierung

3.8 SWOT Analyse

3.9 Faraday`sches Gesetz

3.10 Ohm`sches Gesetz

3.11 Transformator Übersetzungsverhältnisse

3.12 ISO Kennzeichen

Ergebnisse / Resultate

4.1.1 Resultate

4.1.2 Skizze H2 on Demand System zur Herstellung aus Elektrolyse

Diskussion

Konklusionen

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 CO2 Ausstoss durch Personenwagen in Mio. t. (M.Jaun, 2015)

Abbildung 2 Szenarien zur CO2 Reduktion bei Personenwagen (M.Jaun, 2015)

Abbildung 3 Anzahl eingelöste Personenwagen nach Treibstoffart 2014 (M.Jaun, 2015)

Abbildung 4 Die Triebkräfte des Branchenwettbewerbs

Abbildung 5 Bestehende Marktkräfte Personenfahrzeuge (M.Jaun, 2015)

Abbildung 6 Aufbau eines Otto-Viertaktmotors

Abbildung 7 Chemische Reaktion im Methanol-Reformer und in der Brennstoffzelle

Abbildung 8 Aufbau und Wirkungsweise einer Brennstoffzelle

Abbildung 9 Komponenten im Brennstoffzellen-Fahrzeug

Abbildung 10 Komponenten des Elektrofahrzeugs

Abbildung 11 Lade/Entladewirkungsgrad verschiedener Batterien

Abbildung 12 Tesla Roadster

Abbildung 13 Commuter Cars

Abbildung 14 Das Technologielebenszykluskonzept

Abbildung 15 Das S-Kurven-Konzept

Abbildung 16 Strategietypologisierung anhand des Innovationsobjektes

Abbildung 17 Elektrolyse von Wasser (M.Jaun, 2015)

Abbildung 18 Energieaufwand für H2-Produktion in Abhängigkeit der Temperatur

Abbildung 19 Blockschema Dampfspaltung mit Nuklearenergie

Abbildung 20 Transformator, Kerntransformator

Abbildung 21 Funktionsschema Einspritzanlage mit Lambdaregelung

Abbildung 22 Formel Berechnung Korrelationskoeffizient

Abbildung 23 Das Technologielebenszykluskonzept

Abbildung 24 Das S-Kurven-Konzept

Abbildung 25 Strategietypologisierung anhand des Innovationsobjektes

Abbildung 26 Skizze H2 on Demand für Wasserstoffverbrennungsmotoren (M.Jaun, 2016)

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Vergleich der statistischen Istwerte (M.Jaun, 2015)

Tabelle 2 Korrelation Anteil eingelöster Personenwagen und CO2 Austoss (M.Jaun, 2015)

Tabelle 3 Prognose der CO2 Emissionen durch Personenwagen bis 2045 (M.Jaun, 2015)

Tabelle 4 Szenarien zur CO2 Reduktion bei Personenwagen (M.Jaun, 2015)

Tabelle 5 Eingelöste Personenwagen nach Treibstoffart 2014 (M.Jaun, 2015)

Tabelle 6 Eingelöste Personenwagen 2014 nach Leistung (M.Jaun, 2015)

Tabelle 7 Technische Verbrauchsangaben VW Golf 2.0 TDI Comfortline DSG

Tabelle 8 Benzin- und Tankäquivalente (M.Jaun, 2015)

Tabelle 9 Validierung stöchiom. Gleichung für die ideale Benzinverbrennung (M.Jaun, 2015)

Tabelle 10 Validierung stöchiometrische Gleichung ideale Dieselverbrennung (M.Jaun, 2015)

Tabelle 11 Validierung stöchiom. Gleichung für die ideale Erdgasverbrennung (M.Jaun, 2015)

Tabelle 12 Validierung stöchiom. Gleichung für die ideale Wasserstoffverbr. (M.Jaun, 2015)

Tabelle 13 Validierung stöchiom. Gleichung ideale Methanolverbrennung (M.Jaun, 2015)

Tabelle 14 Einteilung Antriebe nach Technologielebenszyklus (M.Jaun, 2015)

Tabelle 15 Daten zu den Motoren (M.Jaun, 2015)

Tabelle 16 Bewertung der Motoren (M.Jaun, 2015)

Tabelle 17 SWOT Analyse Motoren, Stärken (M.Jaun, 2015)

Tabelle 18 SWOT Analyse Motoren, Schwächen (M.Jaun, 2015)

Tabelle 19 SWOT Analyse Motoren, Chancen (M.Jaun, 2015)

Tabelle 20 SWOT Analyse Motoren, Gefahren (M.Jaun, 2015)

Tabelle 21 Staatseinnahmen CO2 Abgabe und Mineralölsteuern (M.Jaun, 2015)

Tabelle 22 Validierung stöchiometrische Gleichung H2O Dissoziation (M.Jaun, 2015)

Tabelle 23 Validierung stöchiometrische Gleichung H2O Elektrolyse (M.Jaun, 2015)

Tabelle 24 Temperaturverlauf und Prozentanteile des entstandenen Wasserstoffs

Tabelle 25 Validierung stöchiom. Gleichungen H2 Erzeugung aus Erdgas (M.Jaun, 2015)

Tabelle 26 Validierung stöchiom. Gleichung H2 Erzeugung aus Methanol (M.Jaun, 2015)

Tabelle 27 Validierung stöchiom. Gleichung H2 Erzeugung aus Ammoniak (M.Jaun, 2015)

Tabelle 28 Validierung stöchiom. Gleichung H2 Erzeugung aus Aluminium (M.Jaun, 2015)

Tabelle 29 Validierung stöchiom. Gleichung AlCl3 Reaktion mit H2O (M.Jaun, 2015)

Tabelle 30 Wasserstoffgärung verschiedener Bakterien, in Anlehnung an Getoff et al 1977

Tabelle 31 Bewertung für den Einsatz als on Demand Systeme (M.Jaun, 2016)

Tabelle 32 Generatoren Vergleich (M.Jaun, 2016)

Tabelle 33 Ladestrom, theoretische Benzin, CO2 Einsparung mit Wasserstoff on Demand

Tabelle 34 Legende zur Abbildung 26 (M.Jaun, 2016)

Tabelle 35 Betriebszustände Elektrolyseanlage nach Abbildung 26 (M.Jaun, 2016)

Abkürzungsverzeichnis

Management Summary

Die Schweiz und auch die G20 Staaten haben sich mit der Unterzeichnung des Kyoto Protokolls dazu verpflichtet die CO 2 Emissionen zu reduzieren, da es wissenschaftlich erwiesen ist, dass CO 2 zur Erderwärmung beiträgt, was die menschliche Gesundheit, Fauna und Flora gefährdet. Optimierungspotenzial besteht vorwiegend im Bereich Transport (ohne internationalen Flugverkehr). Im Jahr 2013 wurden durch den Transport 16,1 Tonnen CO 2 Emissionen versursacht, welche mit steigender Bevölkerungszahl und mehr eingelöster Personenfahrzeuge ständig ansteigen. Mit umweltfreundlichen Personenfahrzeugen könnten die CO 2 Emissionen reduziert werden und doch ist kaum eine positive Trendwende, hin zu umweltfreundlichen Fahrzeugen zu erkennen. Im Jahr 2014 waren 73% der eingelösten Personenfahrzeuge Benzinfahrzeuge und 25,6 % Dieselfahrzeuge. Der Rest von 1,4 % ist auf verschiedene alternative Antriebssysteme wie Elektrofahrzeuge, Erdgas und weitere aufgeteilt. Gründe dafür können sein, dass für die alternativen Antriebe kein oder ein zu wenig gutes Tankstellennetz existiert und alternative Fahrzeugantriebe meist teurer als Benzin- und Dieselfahrzeuge sind. Ein weiterer Grund kann auch in der Strategie des Schweizer Staates liegen, welche auf der einten Seite die CO 2 Emissionen senken will, gleichzeitig fossile Energieträger subventioniert und nicht auf die Einnahmen der Mineralölsteuern verzichten möchte. Die Einnahmen durch die Mineralölsteuern betragen pro Jahr durchschnittlich ca. 7-8 % des Staatshaushaltes, was ein relativ grosser Anteil in Bezug auf die gesamte Staatsrechnung ist. Wenn man die verschiedenen Treibstoffe in Bezug auf die Emissionen vergleicht, kommt nur Wasserstoff als Treibstoff in Frage da bei der idealen Verbrennung kein CO 2 , sondern nur Wasser entsteht. Als Zwischenlösung wäre auch Biogas interessant, bei welchem weniger CO 2 Emissionen als bei Benzin und Diesel entstehen. Beim Wasserstoff als Treibstoff gab es in der Vergangenheit verschiedene technische Probleme, welche noch nicht einwandfrei gelöst sind. Beim Tanken von flüssigem Wasserstoff in einen speziell isolierten Tank, verdampft der Wasserstoff über die Zeit da der Tank nicht 100%ig isoliert werden kann und sich erwärmt. Beim gasförmigen Wasserstoff sind enorm hohe Drücke, bis zu 700 Bar notwendig um annährend so weit zu kommen wie mit einem Benzinfahrzeug. Dazu kommt ein fehlendes Wasserstofftankstellennetz und dort wo es Wasserstofftankstellen gibt, kostet 1 kg Wasserstoff über SFr. 8.-. Wasserstoff bleibt jedoch weiterhin interessant da in 1 kg Wasserstoff ca. 3-mal so viel Energie enthalten ist wie in 1 kg Benzin oder Diesel. Theoretisch kann man Wasserstoff nicht nur als Treibstoff in Fahrzeugen nutzen, sondern auch als Energieträger zum Heizen. Die dazu notwendige Technologie ist dieselbe wie im Erdgasbereich. Um Wasserstoff in Fahrzeugen wirtschaftlich nutzen zu können sind weitere Entwicklungsschritte notwendig. Einer davon wäre Wasserstoff on Demand direkt im Fahrzeug herzustellen und im Verbrennungsmotor zu nutzen. Wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass es möglich ist Wasserstoff direkt in bestehenden Verbrennungs motoren zu nutzen. Es gibt auch bereits Ideen und Technologien welche es erlauben den Wasserstoff über die Elektrolysetechnik direkt im Fahrzeug herzustellen und den Benzinverbrauch um bis zu 30% zu reduzieren. Die Herausforderung wird sein eine Elektrolyseanlage so zu konzipieren, welche ein 1:1 Wasserstoff Benzinäquivalent erzeugen kann um Benzin/Diesel 100% ersetzen zu können. Gemäss theoretischen Berechnungen wäre eine solche Anlage im Fahrzeug realisierbar. Den Strom für die Elektrolyse von Wasser wird vom Generator (Alternator) im Fahrzeug abgegriffen und mit einem Transformator so moduliert, dass genügend Strom zur Verfügung stehen sollte. Ob dies praktisch machbar ist muss mit einem Prototyp getestet werden. Aber selbst wenn man praktisch kein 1:1 Benzinäquivalent erzeugen könnte, hätte eine solche Anlage grosses Potenzial die CO2 Emissionen zu senken. Dies würde der Umwelt zu Gute kommen, aber auch den Autoherstellern welche dazu verpflichtet sind die CO2 Emissionen zu senken. Verhindern könnte diese Technologie der Staat und die erdölexportierenden Länder welche durch eine solche Technologie Einnahme-Einbussen in Kauf nehmen müssten, was diese mit grosser Wahrscheinlichkeit nicht einfach so hinnehmen. Die Erdölexportierenden Länder würden die Preise für fossile Treibstoffe so derart senken, dass die Autofahrer kein Interesse mehr an alternativen Antriebssystemen hätten. Der Staat würde die Technologie nicht ohne Besteuerung bewilligen. Es wurde festgestellt, dass der Staat eine Studie zum Thema Mobility Pricing in Auftrag gegeben hat, dabei sollen keine Treibstoffe mehr besteuert werden, sondern der zurückgelegte Weg. Dies würde aber auch Pendler im öffentlichen Verkehr betreffen. Je nach Tageszeit sollen die Gebühren angepasst werden können um bei Stosszeiten mehr verlangen zu können. Gemäss Bundesgesetz Artikel Nr. 82, Absatz 3 ist Mobility Pricing verboten. Zwei Ausnahmen wurden jedoch bereits durchgesetzt, zum einten ist dies die Nationalstrassenabgabe (Autobahnvignette) und die LSVA (Leistungsabhängige Schwerverkehrsabgabe). Um Mobility Pricing umzusetzen wäre eine dritte Ausnahme gemäss diesem Artikel notwendig. Wenn zukünftig nicht mehr der Treibstoff besteuert würde, sondern der zurückgelegte Weg gibt es keinen Anreiz mehr alternative Antriebssysteme zu nutzen.