Wasserstoff- Verbrennungsmotor -...

Wasserstoff- Verbrennungsmotor– Umbau eines Benzinmotors auf Wasserstoff mit anschliessender Praxiserprobung 1/45

Wasserstoff- Verbrennungsmotor Umbau eines Benzinmotors auf Wasserstoff mit anschliessender Praxiserprobung

Eine Maturaarbeit von: Niklaus Meinen

Mattenstrasse 21 3600 Thun 033 222 39 18 079 312 16 81 [email protected]

Betreuender Lehrer: Thomas Thormeier

Grabenmattweg 11 3612 Steffisburg 033 437 08 09 [email protected]

Gymnasium Thun- Schadau, im September 2005


Inhalt 1 Vorwort (Seite 3) 2 Zusammenfassung (Seite 4) 3 Die Technik der Zukunft! (Seiten 5 bis 20) 3.1 Stand bei den fossilen Energieträgern 3.2 Wasserstoff als neue Energie 3.3 Herstellung 3.4 Speicherung / Betankung 3.5 Brennstoffzelle 3.6 Verbrennungsmotor 3.7 Einsatzgebiete 3.8 Ökonomische, ökologische und politische Vorteile von Wasserstoff 3.9 Vergleich: Fossile Energieträger vs. Wasserstoff 3.10 Vergleich: H2- Verbrennungsmotor vs. Brennstoffzelle 3.11 Gefahren / Vorurteile 4 Eigene, praktische Arbeit (Seiten 21 bis 29) 4.1 Themenwahl / Zielsetzung 4.2 Motor vor dem Umbau 4.3 Umbau 4.4 Betrieb / Messungen / Erfahrungen 4.5 Kosten / Aufwand 4.6 Chronologie 4.7 Fazit 5 Projekte / Förderprogramme (Seiten 30 bis 34) 5.1 Aktuelle H2- Fahrzeuge 5.2 SwissAlps 3000 5.3 Island- Modell 5.4 Schweiz 5.5 EU 5.6 USA / Japan 6 Ausblick (Seite 35) 7 Danksagungen (Seite 37) 8 Quellenverzeichnis (Seite 38 bis 40) 8.1 Literatur 8.2 Internet 8.3 Hersteller- Informationen 8.4 Sonstiges 9 Eidesstattliche Erklärung (Seite 41) 10 Anhang (Seiten 42 bis 44) 10.1 Chemische Eigenschaften 10.2 Geschichtliche Eckdaten 10.3 Einheiten / Abkürzungen 10.4 Glossar


1 Vorwort Abgasfreie Mobilität – eine Vision

Es ist schon verrückt, die Technik für eine abgasfreie Mobilität wäre weitgehend vorhanden und doch harzt die praktische Umsetzung. Ich begrüsse deshalb jede nicht vorab nach staatlicher Unterstützung schreiende Initiative, die sich mit der Wasserstoff-Technologie auseinandersetzt und mithilft, für diesen genialen Weg der abgasfreien Mobilität den Boden zu bereiten. In diesem Sinn begrüsse ich auch die Maturaarbeit von Niklaus Meinen, der so ein Mosaikstein zur Sensibilisierung für diese wichtige Zukunfts-Technologie beiträgt. Entscheidend für eine erfolgreiche Umsetzung wird aber sein, dass jetzt vor allem Projekte realisiert werden, die

unter der Vorgabe des Gleichgewichtes zwischen Ökologie und Ökonomie bestehen können. Wir brauchen in der Wasserstoff-Technologie keine Träumereien mehr, sondern handfeste und praxistaugliche Funktionsbeweise. Der Verein Swiss Alps 3000 hat aus Anlass des UNO-Jahres des Wassers ein solches Projekt lanciert. Er hat sich zum Ziel gesetzt, mittels Wasserstoff – der Kraft, die aus dem Wasser kommt, einen abgasfreien Weg für die Mobilität im Alpenraum aufzuzeigen. Im Vordergrund stand der Offroad- Bereich, in erster Linie die mit Dieselmotoren ausgerüsteten Pistenfahrzeuge, welche im Quellgebiet unserer Bäche, auf Gletschern, Firn und Weideland, riesige Mengen an Schadstoffen produzieren: Über 1000 Pistenfahrzeuge im schweizerischen Alpenraum verbrennen pro Saison rund 10 Millionen Liter Diesel, wodurch mehr als 25 000 Tonnen CO2 und ca. 25 000 kg Russ- Feinstaub PM10 entstehen. Ziel ist natürlich, dass langfristig alle Pistenfahrzeuge auf abgasfreien Wasserstoff-Betrieb (H2) umgebaut oder die neu anzuschaffenden Fahrzeuge direkt mit Wasserstoff-Motoren geliefert werden. Der Wasserstoff, welcher dereinst in beachtlichen Mengen verfügbar sein muss, zum Beispiel auch für H2-betriebene Motorschiffe auf den Alpen-Seen, soll mittels erneuerbaren Energien produziert werden. Wir denken da vor allem an Wasserkraft, Wind, Sonne, Biomasse und Geothermie. Für die Speicherung des Wasserstoffes könnten Metallhybrid-Speicher dienen, welche im Falle des Berner Oberlandes in den stillgelegten Militärkavernen installiert werden. Der Transport des Wasserstoffs vom Produktions- oder Speicher-Ort zur Verbrauchs-Destination sollte per Bahn oder mittels H2-betriebenen Tankwagen erfolgen. So entsteht letztlich die matchentscheidende positive Energie- und Ökobilanz. Solche Projekte können immer nur einen Impuls für die Förderung der Wasserstoff-Technologie in der Schweiz erzeugen. Es braucht darum jetzt viele solcher Funktionsbeweise, womit der Wirtschaft und letztlich auch den hierfür unabdingbaren Investoren die nötigen Anstösse gegeben werden. Anstösse und Impulse die Aufzeigen, dass in der Forschung und Herstellung, Speicherung sowie Nutzung des Wasserstoffs neben dem ökologischen Quantensprung auch ein riesiges wirtschaftliches Potential liegt. Adrian Amstutz, Nationalrat Vizepräsident Swiss-Alps 3000

Abb. 1


2 Zusammenfassung „Die Welt verändert sich mit jedem Menschen, der nicht fragt, was ist, sondern was sein kann. Das nennen wir Fortschritt.“ (BMW Clean Energy Broschüre) Ich wählte das Thema „Wasserstoff- Verbrennungsmotor“, da ich der Meinung bin, dass der Verbrennungsmotor die Brückentechnologie zur Brennstoffzelle und somit zum Wasserstoffzeitalter sein wird. Im praktischen Teil dieser Arbeit baute ich einen Benzinmotor eines Gartengerätes auf Wasserstoff um. Die geschah mit einem Gasdruckregler, der mit Hilfe der Drosselklappe das Gemisch regelt. Weiter ging es mir darum, zu schauen, ob der modifizierte Motor in der Praxis nach wie vor etwas taugt. Wie ich bei den Tests merkte, taugt der Motor zwar nach wie vor etwas, jedoch gibt es auch Probleme. So ist beispielsweise das Kaltstartverhalten mässig und zum Teil sogar recht schweisstreibend. Weiter zeigt die Nutzungsdauer gewisse Grenzen der Speichertechnik von Wasserstoff auf. Alles in Allem läuft der Motor aber zufriedenstellend. Somit ist das allgemeine Ziel, zu schauen, ob es mir möglich sei, einen Wasserstoff- Motor zu bauen, erreicht. Da ich jedoch der Meinung bin, dass man die Wasserstofftechnologie als ganzes einigermassen kennen sollte und sich erst so ein umfassendes Bild der Vor- und Nachteile das Wasserstoffs ergeben kann, gehe ich in dieser Arbeit auch noch allgemein auf den Wasserstoff als neuen Energieträger ein und stelle im weiteren einige Beispiele vor, wie Wasserstoff bereits heute gebraucht wird oder werden könnte. Somit möchte die vorliegende Arbeit einen groben Überblick über die Wasserstofftechnologie mit einer Vertiefung im Bereich des Wasserstoff- Ottomotors geben und einen praktischen Grundlagenforschungsteil erläutern.


3 Die Technik der Zukunft! 3.1 Stand bei den fossilen Energieträgern „Da die fossilen Energieträger den grössten Anteil am Energieverbrauch haben und der Energieverbrauch stetig zunimmt, ist absehbar, dass die natürlichen Vorkommen dieser Energieträger immer weniger werden.“ (Sven Geitmann, Ingenieur und Buchautor) Heute wird der klar grösste Teil des Energiebedarfs weltweit mit fossilen Energieträgern wie Eröl, Erdgas oder Kohle gedeckt. Absolut erneuerbare Energiequellen wie Wasser-, Windkraft, Solarenergie oder Geothermik werden zwar immer mehr genutzt und es laufen auch grosse Anstrengungen auf diesen Gebieten, trotzdem sind sie global gesehen noch zu unbedeutend. Auf der einen Seite höchst umstritten, andererseits auch immer notwendiger wird die Kernenergie. Von all diesen verschiedenen Energieformen sind die fossilen, also kohlenstoffhaltigen Energieträger sicherlich die praktischsten und (noch) die günstigsten, allerdings stellen sie eine grosse Belastung für unser Klima dar und sie sind endlich. All die Probleme, auf die ich noch genauer eingehen werde, werden durch die Tatsache verschärft, dass die Nachfrage nach Energie und somit vor allem nach fossilen Brennstoffen stetig zunimmt. Die westliche, entwickelte Welt konsumiert heutzutage mehr als die Hälfte des globalen Energieverbrauchs. Und dies, obwohl sie nur einen kleinen Bruchteil der Weltbevölkerung stellt. In wenigen Jahren wird der Anteil der westlichen Länder am Energiekonsum aber unter 50% fallen – und dies nicht, weil bei uns der Verbrauch gesunken ist, sondern weil die dritte Welt und die Schwellenländer wie China oder Indien massivst zugelegt haben werden. Das offensichtlichste Problem der fossilen Brennstoffe ist die Umweltbelastung. Bei der Verbrennung von Kohlewasserstoffen entstehen Wasser und Kohlenstoffdioxid. Das CO2 stellt eine grosse Belastung für unser Klima dar. Auf den ganzen Treibhauseffekt und dessen Verschärfung möchte ich hier nicht eingehen. Trotzdem ist gut zu wissen, dass Kohlendioxid sehr klima- aktiv ist und deshalb die Klimaerwärmung unterstützt. Leider entstehen bei der Verbrennung aber nicht nur H2O und CO2, wie dies die chemische Reaktionsgleichung ergibt, sondern durch eine unsaubere Verbrennung auch noch Kohlenstoffmonooxid, Stickstoffoxide, Russ, Schwefeldioxid und andere zum Teil giftige, zum Teil karzinogene und zum Teil klima- aktive Stoffe. Diese Stoffe können heute zwar durch moderne Verbrennungsanlagen und Katalysatoren zu einem grossen Teil eliminiert werden, doch gelangen gewisse Schadstoffe trotzdem in die Luft – ausserdem gilt es zu bedenken, dass in armen Ländern die Fahrzeuge und Industrieanlagen meistens sehr alt sind und dementsprechend neusten Auflagen nicht genügen. Doch nebst dem Umweltaspekt gibt es auch noch einen wirtschaftlichen: Der allergrösste Teil der Weltwirtschaft ist direkt oder indirekt von fossilen Energien abhängig. Schon heute drückt ein hoher Ölpreis massiv auf die wirtschaftliche Entwicklung. Wenn in einigen Jahren die Öl- und wenig später die Erdgasquellen versiegen, wird dies zu einem wirtschaftlichen Kollaps führen – weltweit. Daran wird nur ein Weg vorbeiführen: die (solare) Wasserstoffwirtschaft! Doch ein solcher Energiewechsel kann nicht von heute auf morgen vollzogen werden, deshalb ist (oder wäre) es wichtig, schon heute erste Grundsteine für die


Wasserstoffwirtschaft zu legen. Denn die Zeit drängt. Zwar gibt es keine wirklich verlässlichen Zahlen, wann die fossilen Energieträger knapp werden, doch gibt es unterschiedlichste Berechnungen und Modelle verschiedenster Geologen und anderer Wissenschaftler, die belegen, dass im Zeitraum zwischen 2010 und 2020 das weltweite Fördermaximum des Erdöls überschritten wird. Beim Erdgas wird es rund 10 Jahre länger dauern. Selbst Studien von Erdölgesellschaften kommen zu einem ähnlichen Schluss. Somit ist zu erwarten, dass bereits in den nächsten Jahren Engpässe auftreten können und die Preise besonders für Öl, aber auch fürs Erdgas ansteigen werden.

3.2 Wasserstoff als neue Energie „Das kleine Molekül könnte ein großes Problem lösen: die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und die globale Klimaerwärmung durch die Emission von Kohlendioxid.“ (Info- Broschüre MAN) Dass Wasserstoff die Nachfolge der fossilen Energieträger antreten wird, ist heute erkannt. Wasserstoff bietet von seinen chemischen wie auch physikalischen Eigenschaften her sehr viele Vorteile. Wasserstoff, oder Hydrogenium1, tritt hauptsächlich als Molekül auf und ist das einfachste aller Elemente – Wasserstoffatome bestehen aus nur einem Proton und einem Elektron. In der Natur kommt Wasserstoff praktisch nie alleine vor, sondern nur in Verbindungen. Trotzdem ist Wasserstoff sowohl auf der Erde wie auch im gesamten uns bekannten Universum das häufigste Element. Wasserstoff ist in vieler Hinsicht einzigartig und weist mehrere Extreme bei seinen Eigenschaften auf. Ich möchte nicht auf alle physikalischen und chemischen Eigenschaften eingehen, nur auf die herausragendsten und für die Handhabung wichtigsten. Wasserstoff ist / hat... - ... ungiftig, nicht ätzend und nicht krebserregend – die Verwendung von gasförmigem Wasserstoff ist somit für den Menschen nicht schädlich; bei flüssigen H2 stellt die extreme Kälte ein Problem dar (s. Siedepunkt). - ... nicht wassergefährdend, luftverschmutzend oder radioaktiv – Wasserstoff kann somit bedenkenlos gehandhabt und entsorgt werden. - ... geruchlos, geschmacksneutral und unsichtbar – eine undichte Flasche o. Ä. ist dadurch schwer zu bemerken. - ... leicht flüchtig – es kann im Freien kaum zu grösseren, explosiven H2- Ansammlungen in Bodennähe kommen (im Gegensatz zu Benzin mit gefährlichen Dämpfen). - ... einen sehr tiefe Schmelzpunkt und Siedepunkt (13.9 K resp. 20.4 K) – Wasserstoff ist somit praktisch immer gasförmig, die Verflüssigung ist sehr aufwändig. - ... eine extrem kleine Dichte (0.09 g/l u.N.) – dies bringt Probleme bei der Lagerung

1 vom Griechischen hydor = Wasser, genes = erzeugend


- ... einen hohen Heizwert pro Gewicht (gasförmig: 33.33 kWh/kg), jedoch einen tiefen pro Volumen (3.0 kWh/m3) – dies bringt ein grosses Potential, aber auch Probleme bei der praktischen Nutzung der Energie mit sich. - ... einen breiten Zündbereich in Luft (4-77 Vol.- %) – dadurch oxidiert der Wasserstoff meistens bereits bevor die Explosionsgrenze (18.3 - 59 Vol.- %) erreicht ist. - ... eine ähnliche Verbrennungstemperatur wie bei Benzin- oder Dieselmotoren (2'045°C in Luft) – dies erhöht die Gefahr von Rückzündungen und trägt zur Bildung von Stickoxiden bei, stellt an die Materialien aber keine neue Anforderungen.

- ... den kleinsten Atomradius (30 pm) aller Elemente – dadurch kann (flüssiger) Wasserstoff durch jedes Material hindurchdringen, was Probleme bei der Speicherung mit sich bringt; ausserdem können die Materialien, die lange mit H2 in Kontakt sind, spröde werden, da die Wasserstoffatome in das Material eindringen und dieses „aufsprengen“. Wohl wirklich ausschlaggebend dafür, dass sich der Wasserstoff einer zunehmenden Beliebtheit erfreut, ist die Tatsache, dass bei der Verbrennung praktisch nur Wasser entsteht. Dies gewinnt in der heutigen Zeit mit dem Problem der globalen Klimaerwärmung und der schlechten Luftqualität zunehmend an Bedeutung. Dass der Wasserdampf, der entsteht, auch ein Treibhausgas ist, darf allerdings nicht vergessen werden. Allerdings entsteht bereits heute bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen Wasserdampf. Die Industrie, der Verkehr und andere „menschliche“ Wasserstoff- Produzenten sind im Moment aber nur mit rund 0.005 % am globalen Wasserdampf beteiligt. Somit kann davon ausgegangen werden, dass eine Umstellung auf eine reine Wasserstoffwirtschaft keine all zu gravierenden Auswirkungen bezüglich Wasserdampf (welcher ja viel weniger klima- aktiv ist als CO2) auf unser Klima haben dürfte.

3.3 Herstellung „Die Schweiz kann durch den grossen Anteil an Wasserkraft für die Elektrizitätsproduktion eine führende Rolle in der Entwicklung der Wasserstoff- Produktion (...) einnehmen.“ (Info- Broschüre Swiss Alps 3000) Wasserstoff kommt bekanntlich in der Natur zwar sehr häufig vor, jedoch praktisch nie als reiner Wasserstoff, sondern nur in Verbindungen mit Sauerstoff (Wasser), Kohlenstoff (z.B. Methan) oder anderen Stoffen. Deshalb muss Wasserstoff industriell produziert werden. Hierbei gibt es verschiedene Produktionsverfahren, welche zu einem grossen Teil Unsummen an Energie verbrauchen. Bereits heute wird in der chemischen Industrie Wasserstoff in grösserem Stile verwendet. Heutzutage werden weltweit rund 500 Mrd. m3 Wasserstoff produziert. Diese Menge entspricht ungefähr 1.5 % des Energiebedarfs weltweit. Würde der Wasserstoff, der in der Industrie als Nebenprodukt anfällt und meistens ungenutzt bleibt, auch noch genutzt, könnten rund 40% (!) des weltweiten Energiebedarfs damit gedeckt werden. Der grösste Teil dieser 500 Mrd. m3 wird durch die kostengünstige Methode der Dampfreformierung von Erdgas gewonnen. Daneben gibt es noch weitere, zum Teil äusserst futuristische Herstellungsverfahren (Kvaerner- Verfahren, Herstellung mit Solarreaktoren, biochemische Herstellung,...). Ich stelle hier nur die Dampfreformierung und die Elektrolyse vor.


Grundsätzlich möchte ich nicht allzu genau auf diese beiden Herstellungsarten eingehen. Trotzdem erachte ich es als wichtig, die Verfahren oberflächlich zu kennen und beschreibe diese im Folgenden: - Dampfreformierung: Diese häufig verwendete Methode benutzt als Ausgangsstoffe fossile Kraftstoffe, die einen relativ hohen Wasserstoffanteil besitzen (z.B. Erdgas). Diese Stoffe werden unter Zuführung von Wasser und Luft mit Hilfe eines Katalysators zerlegt, so dass am Schluss Wasserstoff und CO2 entsteht. - Elektrolyse: Bei diesem Verfahren wird Wasser in die Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Dies geschieht mit Hilfe von elektrischem Strom. Wird dieser Strom regenerativ hergestellt, ist diese Methode absolut umweltfreundlich, allerdings auch noch extrem teuer, da viel Strom verbraucht wird. Eine Sonderform der Elektrolyse stellt die Hochtemperatur- Elektrolyse dar. Hier wird nicht mit flüssigem, sondern mit gasförmigem Wasser (1’000° C / 30 bar) gearbeitet. Der Vorteil hierbei ist ein sehr hoher Wirkungsgrad. Nachdem der Wasserstoff hergestellt worden ist, muss er noch weiterverarbeitet werden. Zuerst wird er gereinigt, anschliessend entweder verdichtet oder verflüssigt. Grundsätzlich sieht man, dass es viele vielversprechende Möglichkeiten zur Wasserstoffherstellung gibt, diese aber meistens recht aufwändig und somit mit hohen Kosten verbunden sind. 3.4 Speicherung / Betankung „Sandy Thomas (derzeit Präsident von H2Gen) hält das Tankproblem (...) bei Ford für gelöst.“ (aus „Die H2- Revolution“ von J. Rifkin) Die speziellen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff bringen gewisse Probleme bei der stationären und mobilen Speicherung mit sich. Die wohl grössten Probleme werden durch den kleinen Atomradius, die geringe Dichte und den tiefen Siedepunkt verursacht (s. auch 3.2). Die Kompaktheit der Atome hat zur Folge, dass Wasserstoff durch jedes Material hindurchdringen kann. Daraus resultieren riesige Speicherverluste. Die geringe Dichte erfordert eine Verdichtung des Wasserstoffs, da man natürlich auf möglichst kleinem Raum möglichst viel Energie speichern möchte. Die konsequenteste Methode hierfür wäre die Verflüssigung. Durch den sehr tiefen Siedepunkt ist es allerdings schwierig, diesen zu unterschreiten. Die am häufigsten verwendeten Methoden zur Speicherung sind die Speicherung in Drucktanks und die Speicherung in vakuumisolierten Behältern. Daneben gibt es noch unzählige Möglichkeiten, Wasserstoff zu speichern. Hier seien die Metallhydrid- Speicher, die Nano- Röhrchen (erst im Entwicklungsstadium) und die unterirdische Lagerung (Probleme mit der Dichtigkeit und der Reinheit) erwähnt. - Drucktanks: Hier unterscheidet man zwischen Hoch- und Niederdrucktanks. Bei letzteren handelt es sich um Behälter, in denen ein Gas bei maximal 15 bar gespeichert werden kann. Dank dem geringen Druck kann die Form der Behälter frei gewählt werden. Häufiger finden jedoch Hochdrucktanks Anwendung, da man darin logischerweise eine höhere Speicherdichte erreichen kann. In diesen herrscht ein Druck von 200 bis 350 bar 2. Diese

2 700- bar- Tanks sind in Entwicklung


Behälter stellen eine gute Lösung dar mit einer recht hohen Speicherdichte, einem akzeptablem Gewicht und einer einfachen Herstellung. Die meisten Fahrzeughersteller greifen auf Hochdruckbehälter zurück. Auch ich benutzte für meinen Motor eine Druckflasche (s. Kapitel 4). - vakuumisolierte Behälter: In einem solchen Tank wird der Wasserstoff flüssig gespeichert. Hierfür muss er bis zum Siedepunkt abgekühlt werden. Dies bringt den grossen Vorteil mit sich, dass eine sehr hohe Energiedichte erreicht werden kann. Auf der anderen Seite stellt die enorme Kälte des Wasserstoffs auch hohe Anforderungen ans Material (Leitungen, Ventile,...). Auch ein Problem ist die Energie, die für die Abkühlung benötigt wird. So kann es vorkommen, dass die selbe Energiemenge in die Kühlung gesteckt wird wie im Wasserstoff enthalten ist. Ausserdem ist die Herstellung eines solchen Tankes sehr kostenintensiv, da der Behälter extrem gut gegen äussere Wärmeeinwirkung („gewöhnliche“ Aussentemperatur, Brandhitze,...) isoliert werden muss. Als weiteres Problem seien die Abdampf- Verluste zu erwähnen: In einem sog. Kryogen- Tank entweicht sehr viel Wasserstoff aufgrund seiner kleinen Atomgrösse. Im Moment setzt eigentlich nur BMW auf diese Betankungsart. - Metallhydrid: Bei dieser Speicherart wird der Wasserstoff chemisch an Metalle gebunden. Metallhydride werden deshalb auch Metall- Wasserstoff- Legierungen oder Wasserstoff- Schwämme genannt. Der Wasserstoff kann durch leichtes Erwärmen wieder vom Metall gelöst werden. Der Vorteil bei dieser Speichertechnik liegt primär in der hohen Speicherdichte (u.U. höher als bei Flüssigwasserstoff). Ausserdem gibt es absolut keine Abdampfverluste. Der grosse Nachteil besteht im hohen Gewicht (Metall muss auch noch mitgeschleppt werden), der langen Betankungsdauer und der Notwendigkeit, die Tanks zu erwärmen (braucht Zeit; Energie kein Problem, da sehr niedrig). Somit stellt die Metallhydrid- Speicherung eine gute Lösung für stationäre Lagerungen oder Kleinstanwendungen (z.B. für Brennstoffzellen in Laptops, Kameras...) dar, nicht aber für mobile Anwendungen. Um den Wasserstoff zu transportieren, wird er heute meistens unter Druck oder sogar verflüssigt mit Lastwagen herumgefahren. Eine weitere Möglichkeit ist der Transport mit Pipelines. Die Betankung ist bei Drucktanks äusserst einfach und mit Erdgas bereits erprobt. Komplizierter wird’s beim flüssigen Wasserstoff: Hier müssen die Leitungen äusserst gut isoliert und der extremen Kälte gewachsen sein. Doch auch hier gibt es bereits Lösungen: BMW betankt die eigenen Autos mit einer roboterisierten Tankstelle und kann den 7er so in rund drei Minuten voll tanken (s. Abb. 2). Ausserdem gilt es bezüglich der Betankung zu erwähnen, dass sich die grössten im Bereich H2 tätigen Unternehmen auf ein einheitliches Tanksystem geeinigt haben, so dass verschiedene Autos an ein und derselben Zapfsäule tanken können.

Abb. 2

Quelle: BMW


Bei der Speicherung ist natürlich auch der Aspekt der Sicherheit ausserordentlich wichtig. Sowohl Drucktanks als auch Kryo- Tanks müssen bei Fahrzeug- Crashs den Belastungen standhalten (s. Abb. 3). Dies stellt heute dank neuster Materialien, Sicherheitsventilen und Sollbruchstellen kein Problem mehr dar. 3.5 Brennstoffzelle „Ausgereifte Technologie für mehr Leistung und bessere Luftqualität“ (Info- Blatt von Honda zum FCX) Die Brennstoffzelle (BSZ) gilt als den Energieumwandler Nr.1 der Zukunft. Das Prinzip der BSZ ist älter als dasjenige des Ottomotors. Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts fand Professor Schönbein von der Universität Basel heraus, dass elektrischer Strom entsteht, wenn Wasserstoff und Sauerstoff zusammen reagieren. Der Brite Sir William Grove, ein Freund Schönbeins, erfuhr von diesem Phänomen und forschte selbständig auf diesem Gebiet weiter. Grove realisierte, dass dies die Umkehrreaktion der damals schon bekannten Elektrolyse darstellte und baute sich daraufhin mehrere sogenannte „Gasbatterien“. Damals schien dies niemanden zu interessieren, heute gilt William Grove aber als Erfinder der BSZ.

Abb. 3

Quelle: BMW

Abb. 4

Quelle: Automobil Revue


Wasserstoff will von sich aus immer möglichst mit Sauerstoff zu Wasser reagieren. Bei dieser Reaktion wird Energie frei (endotherme Reaktion). Diese Energie ist beim berühmten Knallgasversuch gut hörbar. In der BSZ kann es aber nicht zu einem Knall kommen, da die beiden Gase durch eine Membran (Elektrolyt) getrennt sind (s. Abb. 4). Diese Membrane ist so gefertigt, dass nur Protonen, jedoch keine Elektronen passieren können. Ausserdem ist die Membran gasdicht. Auf der Wasserstoffseite der Membran befindet sich zusätzlich noch ein Katalysator. Dieser spaltet die Wasserstoffatome in Elektronen und Protonen auf. Die Protonen gelangen durch die Membran zum Sauerstoff, somit wird die Wasserstoffseite negativ (viele Elektronen) und die Sauerstoffseite positiv geladen (zu wenige e-). Um diesen Ladungsunterschied auszugleichen, fliessen Elektronen von der negativen (Anode) zur positiven Seite (Katode). Somit fliesst ein Strom, welcher beispielsweise mit einem Elektromotor genutzt werden kann. Ausserdem entsteht an der Katode Wasser, da dem Wasserstoff-Proton ein Elektron gegeben wird und sich zwei wieder komplette Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom zu Wasser verbindet. Da bei dieser Reaktion kaum Wärme produziert wird und der ganze Prozess auch akustisch ruhig abläuft, spricht man von einer „kalten“ Verbrennung. Ein einziges solches System bringt nur eine geringe Spannung. Somit werden in modernen Anlagen mehrere solche Systeme mit Anode, Katode und Membran hintereinander gereiht. Ein solches Paket mit bis zu 200 Zellen nennt man „Stack“. Ein solcher Stack produziert Gleichstrom mit einer relativ geringen Spannung. Um damit etwas antreiben zu können benötigt man so genannte Wechselrichter. Die Anzahl Zellen innerhalb eines Stacks bestimmt die Spannung, die Stromstärke wird durch die Grösse der Membran bestimmt und die Grösse eines solchen Stacks bestimmt dessen Leistung. Ein riesiger Vorteil der BSZ ist die hohe Effizienz. Während einer Wärmekraftmaschine durch das Carnot’schen Gesetz (s. unten) bezüglich Wirkungsgrad Grenzen gesetzt sind, ist es mit der BSZ möglich, einen Wirkungsgrad von nahezu 100% zu erreichen.

Für Wärmekraftmaschinen: η maximal =

kälterT

kälterTwärmerT −

Der wohl grösste Nachteil der BSZ sind die enormen Produktionskosten. Obwohl die Preise für BSZ in den letzten Jahren massiv gesunken sind, sind sie immer noch viel zu hoch, um sich auf dem Markt durchsetzen zu können. In Zukunft ist hier sicherlich nochmals mit einem Kostenrutsch zu rechen, allerdings sind und bleiben die Materialien (besonders die Membran) für die Herstellung einer BSZ einfach teuer. Somit darf zwar festgehalten werden, dass die BSZ eine vom Prinzip her sehr gute Technologie ist, man muss sich aber auch klar vor Augen führen, dass es noch ein langer Weg zur rentablen Serien- Produktion ist – und dies trotz gewaltigen Fortschritten in den letzen Jahren bezüglich Gewicht, Grösse und Kosten (s. auch 3.10).


3.6 Verbrennungsmotor „Ford bezeichnet diesen Motor als Brückentechnologie auf dem Weg zur Brennstoffzelle.“ (Informationsblatt zum Ford Focus C- MAX H2-ICE) Der Wasserstoff- Verbrennungsmotor3 wird in der heutigen Brennstoffzellen- Euphorie fast vergessen. So haben im Moment nur BMW und Ford Versuchsfahrzeuge (s. 5.1). Verglichen mit der BSZ bietet der Verbrennungsmotor einige klare Vorteile. Da ich überzeugt bin, dass diese Antriebstechnik wenigstens für den Übergang ins Wasserstoffzeitalter bestens geeignet ist und ich einen solchen Motor für meine praktische Arbeit gewählt habe, werde ich in diesem Kapitel ein bisschen tiefer gehen als in den Vorherigen. Weitere Informationen werden aber auch noch im Kapitel 4 zu finden sein. Grundsätzlich ist der Wasserstoffmotor gleich aufgebaut wie ein Ottomotor, nur der Treibstoff ist ein anderer. Es wurden auch schon Versuche in Dieselmotoren mit Wasserstoff gemacht, aufgrund seiner hohen Zündtemperatur4 eignet sich das Selbstzünderprinzip aber nicht. Auch wäre es zwar theoretisch möglich, einen Zweitaktmotor auf Wasserstoff auszulegen, dort würden sich aber aufgrund der Geschlossenheit des ganzen Systems Probleme mit der Schmierung ergeben. So bleibt noch der „gewöhnliche“ Viertakter, der sich bestens für die Verbrennung von Wasserstoff eignet. Beim Verbrennungsmotor unterscheidet man grundsätzlich zwischen innerer und äusserer Gemischbildung (s. Abb. 5): - innere Gemischbildung: Diese Methode der Gemischbildung benutzt man erst seit rund zehn Jahren in grösserem Stile in Benzinmotoren. Hier wird der Treibstoff, hier eben Wasserstoff, direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt (beim Wasserstoff wird richtigerweise von Einblasung gesprochen). Physikalisch wäre dies die perfekte Methode, da der Wasserstoff äusserst genau portioniert werden kann. Auch kennt man hier das Problem der Rückzündung ins Saugrohr nicht. Da Wasserstoff allerdings gasförmig ist, werden recht hohe Anforderungen an die Einblasventile gestellt. Um den Wasserstoff in möglichst kurzer Zeit in den Brennraum zu bringen, sind Einblasdrücke bis zu 120 bar nötig. Ausserdem hat man bis heute gewisse Probleme mit der Dichtigkeit. Somit kann gesagt werden, dass die innere Gemischbildung zwar schön und gut, technisch aber sehr aufwändig ist. - äussere Gemischbildung: Diese Methode ist die technisch viel einfachere und wird deshalb auch ausserhalb des Labors in Praxisversuchen verwendet. Hier wird der Wasserstoff mit geringem Überdruck (Ford Focus C-MAX: 5.5 bar) ins Ansaugrohr geblasen. Dort vermischt er sich bereits mit der Luft. Dieses Gemisch wird anschliessend im

3 kurz H2- ICE (ICE = Internal Combustion Engine) 4 Zündtemperatur: H2 560°C; Diesel 250°C

Abb. 5: Innere und äussere Gemischbildung, Abgasrückführung und Aufladung

Quelle: BMW


Verbrennungsraum gezündet. Da aber schon ausserhalb des Motors ein zündfähiges Gemisch besteht, besteht die Gefahr der Rück- oder Glühzündung. Durch die sehr kleine nötige Zündenergie (0.017 mJ) kann sich das Gemisch bereits im Ansaugtakt an heissen Ecken im Verbrennungsraum entzünden und dann ins Ansaugrohr zurückschlagen. Dies kann durch ein mageres Gemisch verhindert werden, da dieses wesentlich mehr Energie brauch um entzündet zu werden als ein Gemisch mit hohem Wasserstoffanteil. Durch die Einfachheit dieses Systems kann ein Benzinmotor mit Saugrohreinspritzung auch recht gut umgebaut werden. Hierfür müssen die Einspritzventile so bearbeitet werden, dass sie mehr Volumen Kraftstoff pro Zeit durchlassen 5. Schlussendlich ist die äussere Gemischbildung zwar nicht so genial, dafür wesentlich einfacher zu realisieren als die innere Gemischbildung. Nebst diesen beiden Methoden kann die Gaszufuhr auch über einen Gasdruckregler reguliert werden. Dies bei Motoren, die im Benzinbetrieb einen Vergaser besitzen und keine Einspritzdüsen. Diese Art bewährt sich bei Motoren, die auf immer der ungefähr gleichen Drehzahl fahren, die sich also nicht ständigem Gaswechsel anpassen müssen. Ich werde in Kapitel 4 bei meinem Motor noch genauer darauf eingehen. Wie ich bereits oben angetönt habe, hat der Verbrennungsmotor gegenüber der Brennstoffzelle wenigstens noch im Moment gewisse Vorteile. Allerdings gibt’s auch Probleme, die man bei der Brennstoffzelle nicht kennt. Den konkreten Vergleich dieser beiden Antriebsarten werde ich in Kapitel 3.10 machen, die grundsätzlichen Vor- und Nachteile möchte ich aber schon hier auflisten: + Umweltverträglichkeit: Als Abgase stösst der Wasserstoff- Ottomotor nur Wasser aus (und u.U. ein wenig NOx). Somit hat man absolut keine Probleme mit Partikeln, Kohlenstoffoxiden oder anderen giftigen, karzinogenen oder klima- aktiven Stoffen. + hoher Wirkungsgrad: Die Leistung von mit Wasserstoff betriebenen Motoren liegt meistens rund 30% unter derjenigen des entsprechenden Benziners, der Wirkungsgrad ist aber trotzdem höher. Dies kommt zustande, da die hohe Brenngeschwindigkeit des Wasserstoff- / Luft- Gemisches dem thermodynamisch günstigen Gleichraum- Prozess näher kommt als bei der Benzinverbrennung. + Gewicht / Preis: Sowohl das Gewicht des Motors als auch die Grösse entsprechen ziemlich genau einem Benzinmotor. Somit hat man diesbezüglich keine Konstruktionsprobleme. Auch die Kosten liegen in einem angemessenen und bekannten Rahmen. + Erfahrung: Am Benzinmotor wird seit Jahrzehnten herumgeforscht und mittlerweile hat man da einen sehr hohen technischen Stand erreicht. Davon kann in grossem Ausmasse profitiert werden. + Möglichkeit des bivalenten Betriebs: Der Wasserstoffverbrennungsmotor kann, ähnlich wie ein Erdgasmotor, so ausgelegt werden, dass er sowohl mit Wasserstoff als auch Benzin betrieben werden kann. Dies wird besonders bei der Serieneinführung von grosser

5 stöchiometr. Gemisch H2 = 29.6 Vol.- % / Benzin = 1.8 Vol.- %


Bedeutung sein, da man bis dahin noch kein flächendeckendes Tankstellennetz aufgebaut haben wird. - unregelmässige Verbrennung: Durch den sehr tiefen Energiebedarf um das Gemisch zu entzünden kann es wie oben bereits beschrieben zu Rückzündungen und verfrühten Zündungen während des Verdichtens kommen. Dies verursacht ein Poltern und kann an einen stark nagelnden, alten Dieselmotor erinnern. Diesen Problemen kann entgegengewirkt werden, indem das Gemisch möglichst mager gehalten wird. Dadurch können auch Stockoxide vermieden werden, allerdings kommt es so auch zu Leistungseinbussen. Diese kompensiert zum Beispiel BMW mit einem Turbolader. Hier muss aber beachtet werden, dass sich die Luft beim Verdichten erhitzt und dies das Gemisch wiederum entzünden könnte. Die Luft muss also noch gekühlt werden. Eine andere Möglichkeit um Rückzündungen und eine klopfende Verbrennung zu vermeiden ist die Anreicherung des Gemisches mit Wasser. Somit wird nebst dem Wasserstoff und der Luft auch noch Wasser eingespritzt. Hier stellt sich aber die Frage, woher man das Wasser nimmt (Abgase?). - Wasserablagerungen: Da als Abgase Wasser entsteht, wird der Zylinder innen nass. Dies könnte beim Kaltstart unter Umständen zu Zündproblemen führen. Durch eine entsprechend grosse Zündanlage kann dieses Problem allerdings behoben werden. - geringe Leistung: Trotz des höheren Wirkungsgrades beim Betrieb mit Wasserstoff im Gegensatz zum Benzinbetrieb liegt die Leistung darunter. Durch das grosse Gasvolumen muss in kurzer Zeit ein grosses Volumen in den Brennraum gelangen, wodurch es zu grossen Strömungsverlusten kommt. Ausserdem kann es bei den Ventilen zu Stauungen kommen. Solche Verluste nennt man Liefergrad- Verluste. Ausserdem hat Wasserstoff durch die geringe Dichte einen äusserst kleinen Heizwert pro Volumen, und letztlich ist im Brennraum das Volumen und nicht die Masse entscheidend. In der Literatur findet man hierzu Werte von 20 bis 45 % Minderleistung, dies allerdings bei umgebauten Motoren, die ursprünglich für den Benzinbetrieb optimiert sind. Neuentwicklungen dürften hier kaum mehr Nachteile aufweisen. - Stickstoffoxide: Wenn das Wasserstoff-/ Luft- Gemisch relativ fett ausfällt, dadurch die Temperatur im Brennraum hoch wird, können sich aus dem Luftstickstoff Stickoxide bilden. Um dieses Problem zu beheben funktionieren die gleichen Massnahmen wie zur Verhinderung von Rückzündungen.

H2 + O2 → H2O + Energie Energie + N2 + O2 → NOx

Final kann festgehalten werden, dass der Wasserstoff- Verbrennungsmotor sehr vielfältig einsetzbar ist, auf einem bewährten Prinzip basiert und deshalb eigentlich schon in sehr naher Zukunft in Serie gehen könnte.


3.7 Einsatzgebiete „Doch es liegt in der Natur des Menschen, zunächst das zu fokussieren, was uns am meisten am Herzen liegt, womit wir emotional stark verwachsen sind: Das Auto.“ (Alf- Sibrand Rühle, Anlagespezialist und Buchautor) Gemäss obigem Zitat aus dem Buch „Wasserstoff & Wirtschaft – Investieren in eine saubere Zukunft“ gehe ich in meiner Arbeit primär auf Verkehrsmittel ein. Die Automobilindustrie ist wohl auch derjenige Wirtschaftszweig, der am Meisten in die Bekanntmachung der Wasserstofftechnologie investiert. So wissen wohl viele Leute, dass es einen Mercedes der A- Klasse gibt, der mit Wasserstoff fährt, dass aber viele grosse und bekannte Unternehmen im Energiesektor auch Lösungen anbieten, weiss kaum jemand. So ist beispielsweise auch das Schweizer Unternehmen Sulzer Hexis auf dem Bereich der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie führend – ein Unternehmen, das wir primär von künstlichen Hüftgelenken her kennen. Auf den Bereich der Kraftfahrzeuge möchte ich hier nicht mehr genau eingehen. Daneben kann Wasserstoff nahezu überall eingesetzt werden – vom Akku bis zum Grosskraftwerk. Im folgenden zwei Beispiele: - Batterien, Akkus: Viele Unternehmen sind daran, kleinste Brennstoffzellen zu entwickeln, die in Zukunft unsere kleinen elektronischen Helfer mit Strom versorgen sollen. Eine besondere Bedeutung hat in diesem Bereich die Direkt- Methanol- Brennstoffzelle, die, wie der Name schon sagt, direkt mit Methanol betrieben werden kann. Bereits heute werden an Messen Laptops, Handys und Videokameras vorgestellt, die dank der Brennstoffzelle eine massiv höhere Betriebsdauer erreichen. Daneben werden auch Versuche mit den Ottomotor gemacht: Forscher der Columbia University präsentierten 2001 einen Motor, der die Grösse eines Kartenspiels hat – mit bis zu 2.4 Millionen Umdrehungen pro Minute! Dieser kann angeblich einen Laptop 24 Stunden lang mit Strom versorgen. - Haus- Energieversorgung: Eine Brennstoffzellen- Anlage in der Grösse eines Kühlschrankes im Keller, Solarzellen auf dem Dach – so könnte nach Ansicht einiger Experten die Zukunft aussehen. Bei Sonnenschein liefern die Zellen auf dem Dach Strom, Überschüsse werden in Form von Wasserstoff, welcher elektrolytisch in der Brennstoffzelle hergestellt wird, gespeichert, um in der Nacht oder bei schlechtem Wetter Elektrizität zu liefern. In Freiburg im Breisgau erprobt ein Physiker- Ehepaar schon seit einigen Jahren diese futuristische Art des Wohnens. 3.8 Ökonomische, ökologische und politische Vorteile von Wasserstoff „Die H2- Revolution beendet die Macht der Ölkartelle und ist Ausgangspunkt für eine gerechte Weltwirtschaft.“ (Jeremy Rifkin, Querdenker und Buchautor) Dass eine neue Technologie den Durchbruch schafft, muss sie möglichst viele Vorteile gegenüber der alten Technik bieten und gleichzeitig dürfen die Nachteile keinesfalls grösser sein als früher – eine nicht ganz einfache Aufgabe. Doch die Wasserstofftechnologie bietet einige klare Vorteile gegenüber allem bisher bekannten. (s. auch 3.1 / 3.2 / 3.9)


Ökonomische Vorteile: Da unsere gesamte Wirtschaft von fossilen Energieträgern abhängt, hätte ein plötzliches Ende oder eine massive Verteuerung dieser Energien apokalyptische Auswirkungen auf unsere Wirtschaft und somit auf unser Leben. Deshalb ist es von eminenter Wichtigkeit, dafür zu sorgen, dass wir nicht mehr oder wenigstens nicht mehr so stark von den fossilen Energieträgern abhängen, wenn diese zur Neige gehen. Und zu Ende gehen werden sie über kurz oder lang einmal! Daneben hat Wasserstoff auch noch einen direkten Volkswirtschaftlichen Vorteil. Dadurch, dass Wasserstoff nirgends einfach so vorkommt und somit immer produziert werden muss, können auch Länder, die bislang nicht die Möglichkeit hatten, Öl oder Gas zu fördern, zu grossen Produzenten des neuen Öls werden. Das einzige, was benötigt wird, ist Energie, am liebsten natürlich regenerative. Und Sonnenlicht, Erdwärme, Wind oder Wasserkraft stehen fast weltweit zur Verfügung, man muss diese Energieformen nur nutzen. Dieser Aspekt dürfte vor allem für die Schweiz wichtig sein, da die Schweiz bezüglich Wasserkraft international sehr gut dasteht, hingegen keine oder kaum fossile Energieträger besitzt. Ökologische Vorteile: Diese Vorteile sind wohl die bekanntesten und offensichtlichsten, wenn auch nicht die einzig wichtigen. Bei der Verbrennung von Wasserstoff , egal ob in der Brennstoffzelle oder in einem Motor, entsteht bekanntlich überwiegend Wasser. Damit kann das Problem der ständig wachsenden Kohlendioxidemissionen gelöst werden. Somit kann die menschlich verursachte, rapide fortschreitende Klimaerwärmung gebremst und später einmal vielleicht gestoppt werden. Nebst den gesundheitlichen und natürlichen Auswirkungen dürfte eine solche Entwicklung langfristig auch zu weniger Naturkatastrophen führen. Somit könnte eine Menge Geld bei den Gesundheitskosten und der Katastrophenhilfe gespart werden, was schlussendlich wieder einen volkswirtschaftlichen Vorteil mit sich bringt. Politische Vorteile: Wie die jüngsten Ereignisse in New York, Madrid, London und anderen Grossstädten zeigen, geht von gewissen islamischen Ländern und Gruppierungen eine erhebliche Gefahr aus. Dummerweise befinden sich die grossen Vorräte an fossilen Brennstoffen genau in solchen politisch instabilen Regionen. Dadurch, dass Wasserstoff in nahezu allen Ländern produziert werden kann, wird die Versorgungssicherheit und die Preisstabilität erhöht. Ausserdem ist die westliche Welt nicht mehr durch islamisch- fundamentalistische Schurkenstaaten erpressbar. Somit wird es in Zukunft nicht mehr ein paar wenige auf diesem Planeten geben, die alle Energieeinkünfte einstecken und jederzeit die Möglichkeit haben, in den anderen Ländern Energieengpässe zu provozieren. Auch arme Länder können bei einer auf Wasserstoff basierenden Weltwirtschaft an der Energie verdienen. (s. auch 5.3 bis 5.7)


3.9 Vergleich: Fossile Energieträger vs. Wasserstoff „Wasserstoff bewegt die Autowelt!“ (Info- Broschüre Paul- Scherrer- Institut) In diesem Kapitel möchte ich auf allzu viel Text verzichten, da ein Vergleich immer am anschaulichsten ist, wenn man Tabellen vor sich hat. Ausserdem wurden bereits einige Vorteile von Wasserstoff (und somit Nachteile der fossilen Energien) im vorderen Kapitel (3.8) behandelt. Ausserdem werde ich im folgenden Kapitel (3.10) zum Teil auch noch zum Teil den Vergleich zu Benzin / Diesel machen.

Wie in Tabelle 2 ersichtlich ist, rentiert sich die regenerative Wasserstoffproduktion noch nicht. Allerdings dürften die Kosten ins rutschen kommen, wenn die Nachfrage wächst und somit die Produktion massiv gesteigert werden kann.

Tab. 1: Allgemeine Kraftstoffgegenüberstellung Wasserstoff Mineralöl Geringe Umweltbelastung Hohe Umweltbelastung Geringe volumenbezogene Energiedichte Hohe Energiedichte Grosses Entwicklungspotential Ausgereizte Technologie Unbekannte Handhabung Leichte Handhabung Schwierige Speicherung Einfache Speicherung Schlechte / keine Infrastruktur Dichtes Tankstellennetz Schafft neue Arbeitsplätze Grosser Arbeitskraft- Bedarf Quelle: „Wasserstoff & Brennstoffzellen“, Sven Geitmann

Tab. 2: Herstellungskosten Wasserstoff aus ... Dollar pro Gigajoule Erdgas 7 - 11 Biomasse 10 - 18 Windkraft 17 - 30 Solarthermie 27 - 35 Photovoltaik 47 - 75 Kernenergie 15 - 20 Vergleich Benzin / Diesel 6-8 Quelle: Automobil Revue Nr.51, 2003

Tab. 3: Dekarbonisierung Energieträger Kohlenstoff Gewichtsanteil Atomarer Kohlenstoffanteil Kohle bis 90% * Mineralöl 84% 31% Erdgas 75% 20% Wasserstoff 0% 0% * Die heterogene Zusammensetzung von Kohle ermöglicht keine genaue Angabe Quelle: „Wasserstoff & Wirtschaft“, Alf- Sibrand Rühle


Die obige Tabelle (3) verdeutlicht den Trend zu Energieträgern mit einem hohen Wasserstoff- Anteil. Diese Entwicklung wird Dekarbonisierung genannt. Somit spricht auch die energiegeschichtliche Entwicklung klar für den Wasserstoff, der am Ende des Weges von Kohle (19. Jh.) über Erdöl (20. Jh.) und Erdgas (Ende 20. Jh. / 21. Jh.) steht. Ausserdem möchte ich hierbei noch einen Satz erwähnen, den ich in meinen Chemieunterlagen der Sekunda gefunden habe: „Je weniger Wasserstoff, desto russiger die Verbrennung“. Dies dürfte besonders heute von Bedeutung sein, da die Russ- Partikel von Dieselmotoren immer wieder für heftige Diskussionen sorgen. Der Stoff mit dem höchsten Wasserstoffanteil und somit der unrussigsten Verbrennung ist logischerweise Wasserstoff selbst. 3.10 Vergleich: H2- Verbrennungsmotor vs. Brennstoffzelle „In zwanzig bis dreissig Jahren wird die Brennstoffzelle Zug um Zug den Verbrennungsmotor ablösen.“ (Wolfgang Reitzle, ehem. BMW- und Ford- Spitzenmanager, heute VR- Vorsitzender des Gasproduzenten Linde) Dieses Kapitel erscheint mir besonders interessant, da es zwar keine Frage ist, ob die Brennstoffzelle kommen wird, sich die grossen Firmen auf dem Wasserstoffsektor nicht ganz einig sind, ob nun zuerst der Verbrennungsmotor mit Wasserstoff oder die Brennstoffzelle direkt kommen wird. Aus meiner Sicht geht im Moment in der PKW- Industrie einzig der Fahrzeug- Gigant Ford den richtigen Weg: zuerst den Verbrennungsmotor und später, wenn eine Wasserstoff- Infrastruktur steht und die Brennstoffzelle ausgereift ist, auf die Brennstoffzelle umstellen. Auch hier sind wieder Tabellen und Grafiken am anschaulichsten.

Tab. 4: Allgemeine Gegenüberstellung Wasserstoff- Ottomotor Brennstoffzelle Bescheidener Wirkungsgrad Hoher Wirkungsgrad Bewährte Technik Neue, unausgereifte Technik Angemessene Kosten Sehr hohe Kosten Bivalenter Antrieb möglich (Tankstellen!) Betrieb nur mit Wasserstoff Bekanntes Fahrgefühl / -geräusch Gewöhnungsbedürftiges Fahrgefühl / -

geräusch („Geräusch wie Staubsauger“)

Abb. 6: Schadstoff- Emissionen

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

W a s s e rs t o ffm o t o r (a u s E rd g a s )

W a s s e rs t o ffm o t o r ( re g e n e ra t i v)

B re n n s t o ffz e l le (a u s E rd g a s )

B re n n s t o ffz e l le ( re g e n e ra t i v)

B e n z in m o t o r

D ie s e lm o t o r

[m g / k m ]

K o h le n d io x id x 1 0 0 0 S c h w e fe ld io x id K o h le n w a s s e rs t o ff

S t i c k o x id K o h le n m o n o x id

Fahrbetrieb und Kraftstoffherstellung werden in den Werten berücksichtigt! Quelle: „Wasserstoff & Brennstoffzelle“, Sven Geitmann


Durch den höheren Wirkungsgrad der Brennstoffzelle benötigt man da auch ein kleineres Tankvolumen als beim Verbrennungsmotor. Schlussendlich kann somit festgehalten werden, dass die Brennstoffzelle bezüglich Wirkungsgrad, Speichervolumen und Schadstoffemissionen dem Verbrennungsmotor überlegen ist, die Zuverlässigkeit und die Kosten sind aber noch nicht markttauglich. Auch die Tatsache, dass der Verbrennungsmotor bivalent, also sowohl mit Benzin als auch mit Wasserstoff betrieben werden kann, erhöht seine Marktchancen ungemein. Somit ist es wohl richtig, dass man an der Brennstoffzelle dranbleibt, aber auch den Wasserstoff- Ottomotor zur Serienreife entwickelt, so dass dieser eine gewisse Überbrückungsfunktion vom fossilen Zeitalter in die Wasserstoffwelt übernehmen kann (s. Zitat zu 3.6). 3.11 Gefahren / Vorurteile „Was das Gefahrenpotenzial betrifft, muss man möglicherweise Benzin als gefährlicher einschätzen als Wasserstoff.“ (Michael Siedentor, TÜV Automotive GmbH) Wasserstoff hat allgemein bezüglich Sicherheit ein sehr schlechtes Image. Solche (Vor-) Urteile basieren meistens auf Ereignissen der Vergangenheit. So wird Wasserstoff oftmals in Verbindung mit der Zeppelin- Katastrophe von 1937 oder der Wasserstoffbombe gebracht. Bezüglich des Unglücks des Zeppelins „Hindenburg“ gilt es aber zu erwähnen, dass rund zwei Drittel der Passagiere überlebten – und dies dank den speziellen Brenneigenschaften von Wasserstoff. Da sich in der Zeppelin- Hülle kein explosionsfähiges Gemisch, sondern nur Wasserstoff befand, brannte das Gas sehr schnell nach oben ab. Die Ursache des Unglücks war auch nicht der Wasserstoff, sondern eine elektrostatische Ladung in der Luft, die die Ballonhülle entzündete. Zur Wasserstoff bombe muss gesagt werden, dass es sich hierbei nicht um eine Verbrennung wie in einem Motor oder in der Brennstoffzelle handelt, sondern um den sehr komplexen Vorgang der Kernfusion. Somit hat die Bombe also absolut nichts mit den „friedlichen“ Wasserstofftechnologie zu tun.

Abb. 7: Speichervolumen für 750 km Reichweite

0 100 200 300 400 500 600

W as s e rs to ffm o to r (flü s s ig )

W as s e rs to ff- B renns to ffz e lle(ga s fö rm ig )

B enz inm o to r

D ies e lm o to r

[L i te r]

Quelle: „Wasserstoff & Brennstoffzellen“, Sven Geitmann


Im Vergleich zu bekannten Energieträgern weist Wasserstoff hinsichtlich des Gefahrenpotenzials einige entscheidende Vorteile auf. So ist es beim Wasserstoff nicht möglich, dass sich in Bodennähe explosive Dämpfe bilden, wie dies beispielsweise beim Benzin der Fall ist. Durch die geringe Dichte ist Wasserstoff sehr flüchtig und steigt sehr schnell nach oben. Somit oxidiert er in der Luft meistens bereits bevor die Explosionsgrenze erreicht ist und verschwindet sehr schnell aus dem bodennahen Bereich. Somit kann ein mit Wasserstoff betriebenes Fahrzeug weder Feuer fangen, noch kann es zu Szenen wie in Filmen kommen, in denen Menschen brennend davon rennen. Ausserdem sei hier noch einmal erwähnt, dass die Tanks, in denen der Wasserstoff gespeichert wird, bereits heute ein sehr hohes Sicherheitsniveau erreicht haben (s. auch 3.4). Trotzdem wäre es falsch zu sagen, von Wasserstoff gehe überhaupt keine Gefahr aus, die Gefahr ist in vielen Bereichen nur kleiner oder anders als bei fossilen Energieträgern. Ein Energieträger speichert, wie der Name schon sagt, Energie, und Energie bringt immer ein gewisses Gefahrenpotenzial mit sich. Somit gilt es bei allen Energieträgern, also auch bei Wasserstoff, bei der Handhabung aufzupassen. So sollte mit Wasserstoff wenn immer möglich nur in gut belüfteten Räumen oder im Freien gearbeitet werden. Ausserdem sollten Tanks (und Leitungen, Ventile,...) antistatisch gebaut sein. Bei flüssigem Wasserstoff müssen weiter noch Massnahmen gegen die enorme Kälte getroffen werden.


4 Eigene, praktische Arbeit 4.1 Themenwahl / Zielsetzung Für mich stand bereits relativ früh fest, dass ich die Chance, eine umfangreiche, eigene Arbeit zu schreiben, packen wollte und dass das Thema wohl irgend etwas mit Wasserstoff zu tun haben würde. Wie bereits erwähnt und am Umfang der Arbeit möglicherweise auch ersichtlich, ist das Themenfeld „Wasserstoff“ nahezu unbegrenzt. Bereits seit Jahren bin ich technisch interessiert, daher war ein technisches Thema naheliegend. Trotzdem machte ich mir Gedanken über die Wirtschaftlichkeit und den politischen Willen bezüglich der Wasserstofftechnologie. Da ich jedoch der Meinung bin, dass man sich von den wirtschaftlichen und anderen Problem am besten ein Bild machen kann, wenn man den technischen Hintergrund versteht, blieb ich bei einem technischen Thema. Da mir der Verbrennungsmotor nicht ganz unbekannt war und mir relativ einfach und verständlich erschien, beschloss ich, die Brennstoffzelle links liegen zu lassen und mich dem Wasserstoff- Ottomotor zu widmen. Nach einer anfänglichen leichten Orientierungslosigkeit wandte ich mich Herrn Hertig zu. Aus dem Internet und aus Zeitungsberichten über das Projekt „SwissAlps 3000“ (s. 5.2) wusste ich, dass er über grosse Erfahrung im Umbau von Benzinmotoren auf Wasserstoff verfügte. Bei einem ersten Besuch bei ihm in Bärau im Emmental anfangs April riet er mir, einen Rasenmähermotor umzubauen, da ein solcher Motor günstig ist und einfach aufgebaut ist. Mein Grossvater konnte mir anschliessend einen Vertikulierer besorgen. Dies war zwar kein Rasenmäher, schliesslich ging es aber natürlich um den Motor: einen Briggs & Stratton 5HP. Erst später merkte ich, dass die Wahl eines Vertikulierers (oder Rasenmähers) geradezu ideal war. So stiess ich auf eine Grafik aus dem Chemieunterricht, die die Notwendigkeit, solche Geräte zu optimieren verdeutlichte (s. Abb. 7). So liegt der Schadstoffausstoss eines Rasenmähers um ein vielfaches höher als derjenige eines Autos. Ausserdem ist die Nähe des Nutzers zum Gerät äusserst problematisch. Sogenannte lokale Emissionen sind um ein vielfaches gesundheitsschädigender als „verdünnte“ Schadstoffe, die einfach so in der Luft vorhanden sind. Der Wasserstoffmotor stellt für diese Probleme eine Lösung dar. Später stiess ich auf einen Artikel im Magazin „H2 Tec“, in dem es um Brennstoffzellen für mobile Kleingeräte geht. Im Mittelpunkt steht hier klar der Rasenmäher. Die Autoren Dipl.- Ing. Stefan Richter und Dipl.- Ing. Serafin von Roon vertreten in diesem Artikel die Ansicht, dass Rasenmäher (oder wohl auch Vertikulierer), die mit Strom aus Brennstoffzellen angetrieben werden, einen grossen Beitrag zur kommerziellen Einführung von Brennstoffzellen leisten. Ein Kleingerät mit all seinen Komponenten, also auch mit einer Brennstoffzelle, kann, da es in grossen Stückzahlen produziert wird, zu einem relativ günstigen Preis verkauft werden. Ausserdem sind die Anforderungen bezüglich Lastenwechsel, Betriebsdauer und -temperatur wesentlich kleiner als beispielsweise bei einem Auto. Somit könnten

Abb. 7: Vergleich der HC- und Benzol- Emissionen


Rasenmäher mit Brennstoffzellen die Akzeptanz für die neue Technologie in der Bevölkerung erhöhen. Diese Gedanken können wohl, wenn auch in geringerem Ausmasse, auch auf den Wasserstoffverbrennungsmotor übertragen werden. Grundsätzlich geht es mir in dieser Arbeit darum, zu zeigen, dass ich als Gymnasiast fähig bin, einen „dreckigen“ Benzinmotor zu einem Motor mit Zukunftstechnologie umzubauen. Bei diesem Ziel steht der praktische Nutzen respektive die Praxistauglichkeit klar im Vordergrund. Somit ging es mir darum, zu schauen, ob der Motor mit relativ bescheidenen Mitteln umgebaut werden kann, so dass er wenigstens läuft. Weiter interessierte es mich, ob der Motor überhaupt in seinem ursprünglichen Verwendungsgebiet eingesetzt werden kann. In meinem Falle stand steht hier klar die Handhabung, die Reichweite beziehungsweise die Nutzungsdauer mit einer Tankfüllung und die Leistung im Vordergrund. Schlussendlich bringt es ja nichts, wenn der Motor zwar läuft, aber nur sehr kurz und mit einer Leistung, die nicht ausreicht, um den Rasen zu kultivieren. Auch die Handhabung sollte einfach und ungefährlich sein, da solche Gartengeräte meistens von Privatpersonen und nicht von Profis bedient werden. 4.2 Motor vor dem Umbau Der Motor präsentierte sich vor dem Umbau einfach verständlich. Dies erwies sich als grosser Vorteil. Grundsätzlich kann beim Umbau der Motor an sich mit dem Brennraum, dem Auspuff und der Schmierung unverändert bleiben. Der einzige Teil, der im Grunde genommen interessiert, ist der Vergaser (s. Abb. 8, oben rechts), da sich die Gemischbildung mit Wasserstoff doch sehr vom Benzinbetrieb unterscheidet. Weiter ist der Choke respektive der Drehzahl- Begrenzer sowie der Hebel an der Schubstange von Bedeutung. Diese Komponente werden nach dem Umbau zum Gasgeben verwendet. Die technischen Daten des Vertikulierers werden vom Hersteller, also Briggs & Stratton respektive Sabo, wie folgt angegeben:

P = 3.5 kW / 4.76 PS n = 3300 U / min

m = 39 kg

Abb. 8


4.3 Umbau Der Umbau des Motors beanspruchte recht viel Zeit und wurde durch unvorhersehbare Ereignisse immer wieder leicht verzögert (z.B. verzögerte Lieferung des Gasreglers). Schliesslich stand der Umbau bei meiner Arbeit im Mittelpunkt und soll hier ausführlich beschrieben werden. Ebenfalls hier möchte ich noch erwähnen, dass ich den gesamten Motor bei Herrn Hertig in seiner Werkstatt in Bärau umbauen konnte. Auch die einzelnen Teile wie dem Gasdruckregler oder dem Rohr für die Befestigung der Flasche wurden von ihm besorgt. Ausserdem half er mir beim Umbau. Da ich jedoch bis aufs Schweissen das meiste selber gemacht habe, glaube ich die einzelnen Umbauschritte verstanden zu haben und wäre somit nun im Stande, einen ähnlichen Umbau weitestgehend selbständig ausführen zu können. Diesen Teil möchte ich in verschiedene Teile gliedern, da auch während des Umbaus verschiedenste Tätigkeiten im Vordergrund standen. So stellte sich die Frage, wie die doch recht schwere Wasserstoff- Druckflasche möglichst einfach und stabil auf dem Gerät befestigt werden kann. Weiter kamen die Hauptteile des Umbaus: die Montage des Gasdruckreglers sowie dessen Einstellung. Um den Betrieb des Geräts ein bisschen spektakulärer zu machen und den Link zu einem Fahrzeug zu geben, wurde noch eine Einrichtung „gebastelt“, um die Tourenzahl zu verändern, also um Gas zu geben. Des weiteren möchte ich die einzelnen wichtigen Komponenten kurz vorstellen. - Montage der Flasche: Die Flasche wird mit einem kurzen Rohr neben dem Motor auf dem Gestell des Vertikulierers montiert. Das Metallrohr wurde genau auf die Dicke der Flasche ausgedreht. Danach wurde eine Metallplatte genau auf den (schrägen) Durchmesser des Rohres zugesägt und die Kanten so angeschliffen, dass die Platte ins Rohr passt. Zwei Löcher in dieser Platte sollten später das Rohr fest auf dem Vertikulierer fixieren. Diese Platte wurde anschliessend auf der Innenseite der Schrägseite des Rohres angeschweisst. Nach dem Verschrauben des Rohres auf der rechten Seite des Vertikulierers strich ich es blau an (blau wegen des Wasserstoffes). Dies hat vorwiegend optische Zwecke. Durch die Verwendung eines Rohres kann die Flasche äusserst einfach gewechselt werden, ein Anbinden, Festschrauben oder Ähnliches kann vermieden werden. - Gasgeben: Grundsätzlich läuft der Vertikulierer auf konstanter Tourenzahl, da der Rasen mit immer der gleichen Geschwindigkeit und Intensität kultiviert wird. Trotzdem wollte ich einen Motor, der so stark wie möglich an einen Auto- oder Motorradmotor erinnert. Da der Choke, eine Einrichtung um dem Motor beim Anlassen mehr Treibstoff zukommen zu lassen, beim Betrieb mit Wasserstoff überflüssig ist, da Wasserstoff genug zündwillig ist, konnte der Choke- Hebel auf der rechten Seite

Abb. 9: Verbindung Gaskabel – Choke- Hebel und Gasdruckregler


des Vertikulierers, welcher mit dem Hebel an der Schubstange verbunden wurde, verwendet werden um die Drehzahl zu verändern. Dieser Hebel wurde über einen festen Draht mit einer bereits vorhandenen Klappe verbunden. Diese Klappe hätte die Aufgabe, durch Ausnützung der Fliehkraft der Kurbelwelle die Drehzahl konstant zu halten. Sie übernimmt nun die Funktion einer Drosselklappe. Weiter ist das Ganze mit dem Gasdruckregler verbunden. Dieser wird verstellt, wenn auch die Drosselklappe verstellt wird (s. Abb. 9) Somit ist bei genauer Einstellung die richtige Lambdazahl garantiert. - Montage des Gasdruckreglers: Zuerst wurde der gesamte Luftfilter entfernt, so dass der Gasdruckregler darauf Platz findet. Dieser wurde nun mit einer Platte auf dem Ansaugrohr festgeschraubt. Um Gas geben zu können wurde der Drehmechanismus, um den Regler zu verstellen, entfernt. Nun wird mit einem Hebel mit Hilfe eines Bolzens, der von unten in den Gasdruckregler drückt, der Druck und somit die Gasmenge reguliert. Dies hat den Vorteil, dass mit einem einfachen Mechanismus mit einer kleinen Bewegung der Regler verstellt werden kann. - Einstellen des Gasreglers auf die korrekte Lambdazahl: Dieses Einstellen des richtigen Gemisches erfolgte experimentell, d.h. der Motor wurde anfänglich mit einem zwar zündfähigen, aber zu fetten oder zu mageren Gemisch gestartet. Anhand der Laufruhe wurde dann der Gasdruckregler und die Drosselklappe aufeinander abgestimmt, so dass die Lambdazahl stimmt. Hier ging es primär um den akustischen Eindruck, den der Motor vermittelte . - wichtige Komponente: Zu diesen zähle ich die Gasflasche und den Gasdruckregler, da diese beiden Teile den eigentlichen Unterschied zum Benzinmotor ausmachen. -Gasflasche: Ich achtete darauf, dass die Flasche möglichst klein ist, so dass sie praktisch zu transportieren ist und einfach auf dem Vertikulierer angebracht werden kann. Nach einem ersten Versuch, eine solche Flasche bei der Firma PanGas (Linde) zu besorgen, bezog ich die Flasche dann bei CarbaGas (Air Liquide). So kam ich zu einer kleinen, handlichen Flasche. Allerdings könnte sie ruhig ein wenig dicker sein, so dass mit einem grösseren Volumen gearbeitet werden könnte. Dies hätte keine negativen Einflüsse auf die Montage der Flasche auf dem Vertikulierer, hätte aber eine längere Betriebsdauer zur Folge. Doch zu den technischen Daten:

Volumen: 3.8 Liter bei 200 bar Volumen entspannt: ca. 760 Liter

Gasart: Wasserstoff technisch

Gewicht (voll): 5 kg Durchmesser:10 cm

Höhe über alles:70 cm

Preis pro 3.8 Liter: 34 Franken Flaschenmiete pro Tag: 0.46 Franken


- Gasdruckregler: Beim Gasdruckregler handelt es sich um den entscheidendsten Unterschied zu einem Benzinmotor. Im Grunde genommen handelt es sich hierbei nur um eine leicht modifiziertes Druckreduzierventil einer Gasflasche. So wurde die Verstellbarkeit des Druckes verändert (Hebel statt eine Dreheinrichtung) (s. Abb. 10). Dieser Regler wurde auf dem Ansaugrohr befestigt und übernimmt somit die Gemischbildung respektive zusammen mit der Drosselklappe die Lambdaregelung. Der Gasdruckregler kann auf die Drosselklappe so abgestimmt werden, dass der Motor mit der gewünschte Lambdazahl läuft. Der Druck, der vom Druckreduzierventil auf der Flasche zum „unteren“ Regler kommt, ist relativ gering (ca. 2 bar), und der Motor braucht allgemein recht wenig Wasserstoff, somit kann der Gasdruckregler für relativ kleine Gasmengen ausgelegt sein. 4.4 Betrieb / Messungen / Erfahrungen Wie bereits erwähnt steht bei einem Vertikulierer die Leistung, der Verbrauch und die daraus resultierende mögliche Betriebsdauer sowie die Handhabung im Vordergrund. Ausserdem möchte ich noch einige technische Daten des Motors hier aufführen. Auch in diesem Kapitel möchte ich die Angaben in verschiedene Teile gliedern: - Leistung: Die Leistung steht beim Vertikulierer nicht direkt im Vordergrund. Allerdings ist es natürlich von grosser Bedeutung, ob die Leistung ausreicht, um den Rasen und die darunter liegende Erde zu kultivieren. Somit führe ich bei meiner Arbeit nur eine empirische Leistungsmessung durch. Nach meinen Beobachtungen reicht die Leistung zum Kultivieren vollkommen aus. Der Motor dreht auch schön und kräftig, wenn die Vertikuliermesser die Erde lockern. Somit kann zwar davon ausgegangen werden, dass der Motor weniger leistet als im Benzinbetrieb (s. unten), ein Nachteil lässt sich daraus aber klar nicht ableiten. Somit bin ich in diesem Punkt absolut zufrieden. Mir ist bewusst, dass eine absolute Zahl mehr überzeugen würde als eine Beschreibung. Jedoch wird die Leistung von solchen Gartengeräten nicht besonders oft gemessen, weshalb es kaum Anlagen gibt, die die Leistung eines Vertikulierers messen könnten (fehlende Kompatibilität Vertikulierer- Motor / Messanlage). Anfänglich wollte ich die Leistung mit einem eigenen Versuch messen. Nach einem Gespräch mit einem Bekannten, der als Elektroingenieur Erfahrung mit der Leistungsmessung von Lokomotiven hat, kam ich von dieser Idee aber ab. Offenbar würde das Konstruieren einer solchen Anlage beinahe eine eigene Maturaarbeit ergeben. Trotzdem möchte ich hier das Prinzip, das man dabei verwenden würde kurz umreissen, da mir die Leistungsmessung doch recht wichtig erscheint und die Methode bei anderen technischen Tätigkeiten durchaus nützlich sein kann: Grundsätzlich hat man auf der einen Seite eine Achse, die vom Motor angetrieben wird, auf der anderen Seite bewegt sich eine Achse, an der eine Last, in meinem Falle die Vertikulierwelle, befestigt ist. Die beiden Achsen werden

Abb. 10: Verstellmechanismus am Gasregler


miteinander verbunden, und zwar mit Federn. Nun kann die Kraft gemessen werden, die nötig ist, um die Federn zu dehnen respektive die nötig ist, um die beiden Achsen gegeneinander um bestimmte Grade zu verwinden. So kann auf der einen Achse eine Skala erstellt werden mit dem erforderlichen Drehmoment um die Achsen zu verwinden.

Drehmoment M = Kraft · Lände des Arms, an dem die Kraft gemessen wurde Nun lässt man den Motor laufen. Dies hat ein gewisses Verwinden der Achsen zur Folge. Wird die sich schnell drehende Skala nun mit Blitzlichtern (Stroboskop) der selben Frequenz der Umdrehungen beleuchtet, erscheint die Skala als stationär. So kann nun das Nutzdrehmoment des Motors abgelesen werden und davon kann auf die Leistung P geschlossen werden.

P = M · 2 · π · Umdrehungen pro Sekunde

Da eine solch genau Leistungsmessung aber wie bereits erwähnt nicht möglich war, stütze ich mich neben der beobachteten Leistung noch auf Literaturwerte. So geht man allgemein davon aus, dass ein mit Wasserstoff betriebener Motor rund 30% weniger Leistung erbringt als im Benzinbetrieb. Da dieser Wert sich auf bestens abgestimmte Motoren bezieht, gehe ich vorsichtig bei meinem Motor von einer um rund 40% verminderten Leistung aus.

3.5 kW · 0.6 = 2.1 kW resp. 2.9 PS

- Verbrauch: Der Verbrauch hat beim Wasserstoffmotor keine Bedeutung bezüglich Umweltverträglichkeit, wohl bestimmt er aber die Nutzungsdauer des Geräts mit einer Flasche Wasserstoff. Die ist hinsichtlich der Praxistauglichkeit sowie der Betriebskosten von Bedeutung. Die Messung erfolgte auf hoher Drehzahl und unter Last, also während des Vertikulierens. Somit kann man bei meiner Angabe von einem Maximalverbrauch sprechen, da der Betrieb theoretisch auch mit niedrigeren Touren möglich wäre. Die Flasche fasst wie bereits erwähnt 3.8 Liter Wasserstoff, welcher mit 200 bar komprimiert ist. Somit ergibt sich entspannt ein Volumen von 760 Litern. Dies entspricht energetisch etwa 2.6 Deziliter Benzin.

Nutzungsdauer: ca. 11.5 Minuten Verbrauch pro Minute: ca. 70 Liter entspanntes Gas

Verbrauch pro Zylinderfüllung: ca. 0.02 Liter entsp. Gas

Energiegehalt (nach spez. Heizwert) pro Zylinderfüllung: 62 Joule

Wie man sieht, ist die Nutzungsdauer sehr beschränkt. Dies hat negative Auswirkungen auf die Praxistauglichkeit und auf die Wirtschaftlichkeit. Dieses Problem lässt sich jedoch schlecht entschärfen. Einzig ein sparsamerer Motor, eine grössere Flasche oder eine Flasche, die mehr Wasserstoff aufnimmt (Metallhydrid, 700 bar Flasche), könnten diesbezüglich eine Verbesserung bringen.


- Handhabung: Grundsätzlich lässt sich der Motor einfach und ungefährlich handhaben. Allerdings sollte man wissen, wie die Druckflasche zu wechseln ist. Hat man bereits Erfahrungen mit Gasflaschen, sollte dies aber kein Problem darstellen. Ein Problem, das es hier zu erwähnen gilt sind die Kaltstartschwierigkeiten. Somit kann das starten des Motors in kaltem Zustand recht anstrengend sein, da der Motor lange nicht anspringen will. Ist der Motor aber einmal warm, gibt es hier absolut keine Probleme mehr. Allerdings ist etwas Geduld gefragt. Zum starten des Motors muss zuerst der Gashahn an der Flasche aufgedreht werden. Anschliessend muss man mit kräftigem ziehen an der Anlasserschnur den Motor anreissen. Währenddessen gibt man am Gashebel an der Schubstange sachte Gas. Hier kann es, besonders beim kalt starten zu kleinen Explosionen, die hinten aus den Luftlöchern des Ansaugrohres schlagen, kommen. In diesem Falle sollte der Gashebel losgelassen werden und das Starten des Motors von neuem versucht werden. Läuft der Motor einmal, können am schwarzen Drehknopf unten am Druckreduzierventil der Flasche kleine Korrekturen vorgenommen werden. Alles in allem kann aber doch gesagt werden, dass die Handhabung zwar etwas gewöhnungsbedürftig, aber doch einfach ist. - Kenndaten: Dieser Abschnitt soll eine Zusammenfassung der oben bereits erwähnten Daten sein, gleichzeitig aber auch weitere Daten, die beispielsweise für ein Auto von Bedeutung sind, auflisten. Hier gilt es zu bedenken, dass die Daten, die von der Leistung abhängen, nur Schätzwerte sind, da ja auch die Leistung geschätzt ist. Somit müssen die folgenden Daten als Richtwerte und nicht als absolute, genaue Angaben verstanden werden.

Leistung (s. oben): 2.1 kW / 2.9 PS

Drehmoment M (berechnet): 6.4 Nm

M = Sekunde pro Umdreh. ·2·

P

π

Nutzungsdauer T (s. oben): 11.5 Minuten

Drehzahl (gemessen): 3200 U/min.


4.5 Kosten / Aufwand Der zeitliche Aufwand ist äusserst schwer abzuschätzen. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass ich mehr Zeit brauchte, als ich anfänglich dachte. Die Zeit, die ich brauchte, um Bücher zu lesen, im Internet zu recherchieren etc. kann im nachhinein nicht mehr abgeschätzt werden, ausserdem erachte ich auch nicht alles, was mir schliesslich bei der Arbeit zu Gute kam, als Arbeit, sondern zum Teil auch einfach als persönliches Interesse. Zum Umbauen des Motors war ich rund ein halbes Duzend mal in Bärau (s. 4.6). Der eigentliche Umbau würde aber ein zweites Mal natürlich weniger Zeit beanspruchen. Bei den Kosten kann ich da etwas genauer sein. Grundsätzlich muss auch hier gesagt werden, dass ich Bücher und anderes Informationsmaterial besorgt habe, dies aber nicht nur wegen der Arbeit. Solche Investitionen sind folgend nicht aufgeführt. - Gas: Fr. 68.-- - Gasflaschenmiete: ca. Fr. 100.-- - Umbau- Material: ca. Fr. 500.-- - Motor: Fr. 0.-- ----------------------------- - Total: ca. Fr. 700.-- Zum Gas kann noch gesagt werden, dass ich sehr früh bereits zwei Flaschen besorgte, so dass ich jederzeit mit Wasserstoff arbeiten könnte, ohne auf Lieferungen zu warten. Dort hätte massiv gespart werden können, wenn ich die Flaschen erst nach dem Umbau oder anfänglich nur mal eine besorgt hätte. Solche ungeschickte Investitionen liessen sich bei einem routinierteren Umbauen vermeiden. 4.6 Chronologie - Vor den Weihnachtsferien 2004: Zusage von Herrn Thormeier als Betreuer, ungefähre Themenwahl - Bis zum Semesterunterbruch: Abklärung erster Fragen - Februar – März 2005: Erste konkrete Informationen eingeholt, E-Mail- Kontakt in alle Richtungen (SwissAlps 3000, HTI Biel, Erdgas Schweiz, Hydropole...) - Ende März: Erste Kontaktaufnahme mit Herrn Hertig - Anfangs April: Erstes Mal nach Bärau, Idee „Rasenmäher“, weiteres Vorgehen mit Herrn Hertig besprochen, später mit Herrn Thormeier - April – Mai: Gasflaschen und Motor besorgen; Ferien - Anfangs Juni: Motor nach Bärau bringen - Zweite Hälfte Juni: Keine Schule mehr, Umbauen des Motors; Anfangen mit dem schriftlichen Teil - Juli: Ferien, keine Arbeiten an der Maturaarbeit - Anfangs August: Weiterfahren am schriftlichen Teil - Ende August – anfangs September: Fertigstellen des Motors; Praxistest - Mitte September: Abgabe der Arbeit


4.7 Fazit Grundsätzlich bin ich mit meinen Ergebnissen sehr zufrieden. Der Motor läuft geschmeidig und ohne grössere Probleme, die Leistung kann durchaus überzeugen und mir ist es gelungen, einen Motor umzubauen, so dass er (fast) nur noch Wasser ausstösst. Ich habe mit diesem Umbau aufgezeigt, dass die technischen Probleme dieser zukunftsträchtigen Technologie klein sind und dass eine Markteinführung schon bald möglich wäre, so wie ich dies bereits im vorderen Teil theoretisch erläutert habe. Somit kann ich nicht ganz ohne Stolz festhalten, dass der Umbau voll und ganz geglückt ist. Nichts desto trotz sah ich auch an meinem eigenen Motor, wo die Probleme sind. Diese möchte ich im Fazit aber grosszügig weglassen.


5 Projekte / Förderprogramme 5.1 Aktuelle H2- Fahrzeuge „Wenn man auf den Forschungssektoren Spitzenreiter ist und bleiben will, dann kann man die Perspektive Wasserstoff nur begrüssen.“ (Gerhard Schröder, ehemaliger Bundeskanzler Deutschlands) Momentan gibt es wie bereits erwähnt zwei PKW- Hersteller, die auf dem Gebiet des Wasserstoff- Verbrennungsmotors tätig sind: BMW und Ford. Die Bayrischen Motoren Werke forschen im Moment nur am Ottomotor als Fahrzeugantrieb, die Brennstoffzelle kommt nur zur Versorgung der elektronischen Apparate im Fahrzeug zum Einsatz. Ford hingegen war lange Zeit praktisch nur auf dem Brennstoffzellen- Sektor präsent, präsentierte mit dem neuen Focus C-MAX 2004 aber ein ernstzunehmendes Produkt. Im gleichen Jahr stellte auch Mazda (zum Ford- Konzern gehörend) einen interessanten Motor vor: Der Wankelmotor aus dem Sportwagen RX-8 wurde auf den bivalenten Betrieb mit Wasserstoff oder Benzin ausgelegt. Laut Mazda soll sich diese Motorenart besonders gut für die Verbrennung von Wasserstoff eignen. Offenbar sind die Strömungsverhältnisse im Wankelmotor besser als im Hubkolbenmotor, was ein homogeneres Wasserstoff- Luftgemisch ergeben soll. Ausserdem stehe mehr Platz für ein zusätzliches Einspritzsystem zu Verfügung. Im Bereich LKW- / Bus- Herstellung hat NEOMAN Busse im Versuchsstadium, die mit einem Wasserstoff- Ottomotor betrieben werden. An der Brennstoffzelle forschen nahezu alle Automobil- Hersteller, entweder durch Eigenentwicklungen (z.B. Honda) oder durch Kooperationen mit Unternehmen, die auf dem Gebiet bereits langjährige Erfahrungen gemacht haben (z.B. Daimler- Chrysler und Ford, welche Anteile am kanadischen Brennstoffzellen- Pionier „Ballard Power Systems“ haben). Im Folgenden möchte ich hier die verschiedenen Fahrzeuge mit Wasserstoff- Verbrennungsmotor kurz vorstellen: - BMW 750hL: 12 Zylinder; 5.4 Liter Hubraum; 150 kW / 205 PS; 0- 100 km/h in 9.6 s; Höchstgeschwindigkeit 226 km/h; Reichweite 350 km + 600 km; 2250 kg Leergewicht; bivalente Auslegung; Kryogen- Tank im Kofferraum - Ford Focus C-MAX H2-ICE: 4 Zylinder; 2.3 Liter Hubraum; 82 kW / 110 PS; 200 km Reichweite; monovalente Auslegung; drei 350 bar- Tanks am Wagenboden und im Kofferraum; Kompressor mit zwei Ladeluftkühlern (gegen Rückzündungen) - Mazda RX-8 Hydrogen: Wankelmotor; 110 (H2) resp. 210 (Benzin) PS; 120 resp. 220 Nm; Turbolader; bivalente Auslegung; Drucktank im Kofferraum - MAN Lion’s City / Neoplan Centroliner: 6 Zylinder; 12.8 Liter Hubraum; 150 kW / 204 PS; 760 Nm; monovalente Auslegung; 350 bar- Tanks auf dem Dach

Abb. 11: Ford Focus C-MAX H2- ICE

Quelle: Ford


Bei den Brennstoffzellen- Fahrzeugen handelt es sich nur um Beispiele und keinesfalls um eine komplette Übersicht: - Mercedes F- Cell (A- Klasse): Protonen- Austausch- Membran- (PEM-) Brennstoffzelle; 65 kW / 87 PS; 210 Nm; Reichweite 150 km; Höchstgeschwindigkeit 140 km/h; zwei 350 bar- Tanks unter den Rücksitzen - Honda FCX: PEM- Brennstoffzelle; 80 kW / 109 PS; 272 Nm; Reichweite 430 km; Höchstgeschwindigkeit 150 km/h; zwei 350 bar- Tanks unter Rücksitzen / Kofferraum; 1670 kg Leergewicht 5.2 SwissAlps 3000 “In die Zukunft investieren!“ (Slogan SwissAlps 3000)

In wohl jedem Land gibt es heute Wasserstoff- Fördervereine, so natürlich auch in der Schweiz. Viele dieser Organisationen beschränken sich allerdings darauf, zu informieren. In diesem Abschnitt möchte ich auf einen Förderverein eingehen, der auf eindrückliche Art und Weise auf sich aufmerksam machte und ausserdem im Berner Oberland beheimatet ist: SwissAlps 3000! Anfangs 2003 wurde der Verein anlässlich des UNO- Jahres des Wassers gegründet, um mit Wasserstoff eine umweltfreundliche Mobilität im Alpenraum zu fördern. Bereits im Winter 2003/04 wurde ein Pistenfahrzeug mit

Wasserstoff- Verbrennungsmotor präsentiert. Der Wasserstoff wird in Metall- Hydrid- Tanks, welche die Universität Fribourg beisteuerte, gespeichert, angetrieben wird das Fahrzeug von einem 6 Zylinder Mercedes- Benzinmotor, welcher im Emmental durch Herrn Hertig umgebaut wurde. Das Karosseriedesign wurde von Ulo Gertsch aus Steffisburg entworfen. Durch den flächendeckenden Einsatz von H2- Pistenfahrzeugen könnte im gesamten Alpenraum pro Saison 25’000’000 kg CO2 und 25’000 kg Russpartikel reduziert werden. Weiter ist es die Idee von SwissAlps 3000, dass im Berner Oberland mit günstigem Nachtstrom Wasserstoff produziert und anschliessend in leerstehenden Hallen gelagert wird. Dieser könnte dann im gesamten öffentlichen Verkehr in Motoren verbrannt werden. Dass mit Adrian Amstutz ein Nationalrat (SVP) am Projekt beteiligt ist (Vizepräsident), lässt natürlich die Hoffnung aufkommen, dass sich diese visionäre Idee von SwissAlps 3000 auf Bundesebene und somit Schweizweit durchsetzen könnte. Denn schlussendlich ist dies ja wohl das Ziel all dieser Fördervereine. (s. auch Kapitel 1, Vorwort)

Abb. 12: SA 3000 Logo

Quelle: SwissAlps 3000


5.3 Island- Modell „Isländische Aktien steigen häufig, während andere skandinavische Indizes abwärts tendieren.“ (Alf- Sibrand Rühle in „Wasserstoff & Wirtschaft“) Der Inselstaat am Polarkreis verfügt über äusserst aussergewöhnliche Energie- Verhältnisse. Obwohl Island in der Nähe von Grönland im hohen Norden liegt, werden dort tropische Früchte gepflanzt. Die Treibhäuser werden mit heissem Wasser, das in Island einfach aus dem Boden sprudelt, geheizt. Doch nicht nur Treibhäuser, auch 90% aller Gebäude auf der Insel beziehen ihre Wärme aus dem Erdinnern. Sogar Strassen werden im Winter geheizt, damit man nicht Schnee wegräumen muss. Wer so verschwenderisch mit Energie umgeht, hat wohl sehr viel davon. Mit der Wasserkraft könnten auf Island pro Jahr 30 Mrd. kW produziert werden. Davon werden bislang allerdings nur rund 25% genutzt, bei der Geothermie würden sogar 200 Mrd. kW drin liegen, genutzt werden nur etwa 2%. Island hat somit eigentlich zu viel Energie, kann die Überschüsse aber kaum zu Geld machen, da sich Elektrizität und Wärme schlecht übers Meer transportieren lassen. Doch dies könnte sich bald ändern! Die Isländer beziehen rund einen Drittel ihrer Energie aus fossilen Energieträgern. Davon wird rund die Hälfte von der Fischfang- Flotte verbraucht. Die isländische Regierung hat nun 1999 beschlossen, bis zu den Jahren 2030 bis 2040 von den Erdöl- und -gas- Exporten loszukommen und die gesamte Wirtschaft auf Wasserstoff umzustellen. Den Anfang soll der öffentliche Verkehr machen, wo bereits heute mit Wasserstoff betriebene Busse verkehren. Weiter sollen alte Fahrzeuge sukzessive durch Wasserstoff- Autos ersetzt und die Fischkutter auf Brennstoffzellenantrieb umgerüstet werden. Dadurch, dass die Brennstoffzelle keinen Lärm verursacht und die Natur nicht schädigt, sollen sogar die Fischerträge steigen. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen wurde eine Joint Venture von drei internationalen Konzernen6 und sechs isländischen Partnern7 gegründet. Die Mehrheit am Unternehmen haben die isländischen Beteiligten. In einigen Jahren wird Island Wasserstoff exportieren können und somit ihre Energie endlich zu Geld machen. Man geht sogar davon aus, dass Island in Zukunft einer der grössten Wasserstoffproduzenten und -exporteuren sein wird. Dies wird voraussichtlich zu einem wirtschaftlichen Aufschwung führen, der in der Geschichte Islands bis jetzt unbekannt ist.

6 Royal Dutch / Shell, Daimler Chrysler, Norsk Hydro 7 ein Betreiber geothermischer Kraftwerke, das Elektrizitätswerk Reykjaviks, ein Düngemittelhersteller, die isländische Uni, das Isländisches Forschungsinstitut, ein Business- Venture- Fonds


5.4 Schweiz „Die Eidgenossenschaft, vertreten durch das Bundesamt für Energie, unterstützt die Einführung von Wasserstoff als Energieträger relativ breit.“ (Martin Pulfer, Leiter Technologiebereich Verkehr im Bundesamt für Energie) Das Bundesamt für Energie unterstützt im Bereich Wasserstoff primär die Brennstoffzelle für stationäre Anlagen. Daneben sind die Schweizer Hochschulen, das Paul- Scherrer- Institut und Schweizer Unternehmen wie die Sulzer Hexis auf dem Gebiet der Wasserstofftechnologie sehr aktiv, zu einem grossen Teil auch durch Unterstützung des Bundes. So erprobt Sulzer Hexis im Kanton Waadt eine landwirtschaftliche Anlage zur Nutzung von Biogas in einer Brennstoffzelle. Weiter baute die Hochstuhle für Technik in Biel ein Elektrofahrzeug des Typs SAM auf Wasserstoff um, ausserdem sorgte die ETH Zürich vor kurzem für Furore, als sie das Pac- Car II vorstellte – ein Brennstoffzellenfahrzeug, das mit einem Benzinäquivalent von acht Litern einmal um die Erde fahren könnte. Das Bundesamt für Energie betont weiter, man wolle mit der Förderung der Erdgastechnologie den Weg für dem Wasserstoff ebnen. Allerdings liegen in der Schweiz keine Projekte vor, Wasserstoff beispielsweise im ÖV einzusetzen. 5.5 EU „Die Kommission unterstützt diese neuen Energiequellen mit Nachdruck. Die Perspektiven des Wasserstoffs scheinen mir besonders viel versprechend zu sein.“ (Loyola de Palacio, Vizepräsidentin der EU- Kommission) Dadurch, dass in der Europäischen Union viele Unternehmen, die am Energiewechsel forschen, beheimatet sind, spielt der europäische Raum eine grundsätzlich wichtige Rolle. Allerdings fällt die finanziellen Unterstützung der EU recht bescheiden aus. Die Wichtigkeit des Wasserstoffs für die Zukunft ist allerdings erkannt und somit ist in den nächsten Jahren mit mehr Unterstützung zu rechnen, sofern dies die Finanzlage der Mitgliedstaaten erlaubt. Die einzelnen Ländern fördern ihrerseits die Technologie in unterschiedlichem Masse.


5.6 USA / Japan „Wasserstoff ist jederzeit verfügbar und kann schnell auf den Markt kommen.“ (Bob Malone, BP USA) Amerikanische Firmen sind ebenfalls auf dem Wasserstoff- Sektor vorne dabei. Auch die Politik unterstützt die Wasserstofftechnologie mit grösseren finanziellen Mittel8. Dabei spielt besonders Kalifornien mit dessen Gouverneur Arnold Schwarzenegger eine Vorreiterrolle. So sollen in Kalifornien in den nächsten Jahren mehrere Tankstellen entstehen, an denen Wasserstoff getankt werden kann, dieser soll aber auch gerade vor Ort produziert werden.

Japan ist nebst den USA dasjenige Land, das am meisten in Richtung Wasserstoff steuert. So gehören die japanischen Hersteller Toyota und Honda zu denjenigen, die die Brennstoffzelle am nächsten bei der Serienreife haben. Auch die Regierung hat sich hohe Ziele gesteckt: so sollen 2010 bereits 50'000 PKW mit Wasserstoff fahren, zwanzig Jahre später 15'000'000. Um diese enorme Anzahl Fahrzeuge mit Wasserstoff zu versorgen, müssten jährlich rund anderthalb Millionen Tonnen H2 produziert werden. Um diese Ziele zu erreichen investiert Japan jährlich Beträge in dreistelliger Millionenhöhe.

8 2004: 165 Mio. US- $


6 Ausblick „Milliarden von Menschen. Und jeder ist einzigartig und unterschiedlich. Und doch bewegt sie ein gemeinsamer Gedanke: Wie sieht die Zukunft aus?“ (BMW- Broschüre) Der Wasserstoff wird kommen! Darüber sind sich alle einig. Die Frage lautet nur, wann und in welcher Form er kommen wird. Hier muss wohl zwischen zwei Bereichen unterschieden werden: dem stationären Bereich und den Kraftfahrzeugen. Im stationären Bereich wird sich wohl von Anfang an die Brennstoffzelle durchsetzten. Bei der Hausversorgung oder in Kraftwerken spielt das Gewicht und die Grösse keine so entscheidende Rolle, die Bedingungen sind ideal, die Brennstoffzelle muss sich nicht ständigen Temperatur- und Lastenschwankungen anpassen, und schlussendlich spielt dort auch der Preis eine weniger entscheidende Rolle, da die Abnehmer solcher Produkte oftmals nicht Privatkunden sein werden. Es gibt sogar die Idee, dass Energieversorger und Stromproduzenten den Kunden Brennstoffzellen vermieten, so dass die Kunden äusserst günstig die innovative Technologie nutzen können. Somit kann damit gerechnet werden, dass bereits in nächster Zeit Brennstoffzellen auf den Markt kommen, die unter Umständen den Wasserstoff noch vor Ort aus Erdgas oder Methanol herstellen. Glaubt man den futuristischen Gedanken einiger Wissenschaftler, könnten in mittlerer bis ferner Zukunft die Brennstoffzellen im Keller sogar die Wasserstoff- und Elektrizitätsproduktion übernehmen. So könnte jeder mithilfe von Solarzellen oder Ähnlichem Elektrizität produzieren. Überschüsse würden in Form von Wasserstoff gespeichert oder verkauft. Bei Strommangel würde von diesen Vorräten gezerrt, ausserdem könnte der Wasserstoff für die Versorgung von kleinen elektronischen Geräten und als Treibstoff fürs Auto genutzt werden. Somit würde nach Jeremy Rifkin, einem Trendforscher und Querdenker aus den Staaten, ein HEW, ein Hydrogen Energy Web, entstehen, vergleichbar mit dem World Wide Web – jeder kann Wasserstoff produzieren und ins Netz stellen, aber auch konsumieren. Ob die Zukunft allerdings wirklich so anders und visionärer wird, bleibt dahingestellt. Im anderen Bereich, bei den Fahrzeugen, dürfte das ganze etwas länger dauern. an den Antrieb eines Fahrzeugs werden enorme Anforderungen gestellt: Der Motor muss sowohl nach einer kalten Winternacht in Nordschweden als auch nach einem Sommertag in Südalgerien einwandfrei funktionieren. Ausserdem will der Automobilist sofort nach dem Besteigen seines Autos losfahren können und verlangt ständig volle Leistung, er will Gas geben und bremsen können, wann er will. Somit muss sich der Motor ständigen Lastenwechseln anpassen und absolut zuverlässig funktionieren. Auch bei der Wartung werden hohe Ansprüche an ein Auto gestellt: Mehrere Tausend Kilometer ohne Werkstatt- Besuch sollten kein Problem darstellen, bei einer kleinen Panne sollte nicht immer gerade ein Abschleppwagen nötig werden. Angesichts dieser Probleme wird sich wohl zuerst die Technik durchsetzen, mit der die Menschheit schon jahrzehntelang Erfahrungen gesammelt hat: der Verbrennungsmotor! In wenigen Jahren schon könnten die ersten Fahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotoren auf den Markt gelangen. Zuerst wohl nur Busse, da diese auf kein flächendeckendes Tankstellennetz angewiesen sind und ständig von Profis gefahren und gewartet werden. Später wird sich die Technik auch im PKW- Bereich durchsetzen – zuerst sicherlich im Premium- Bereich, da dort der Aufpreis für die spezielle Technik weniger stark ins Gewicht fällt als bei Billigautos. So kann schon vor 2010 mit Wasserstoff- Fahrzeugen von BMW, Volvo oder Jaguar (beide zu Ford gehörend) gerechnet werden.


Sollte sich dieser frühe Gang auf den Markt bewähren, kann davon ausgegangen werden, dass andere Hersteller schnell nachziehen werden und eigene Motoren auf Wasserstoff umbauen oder Kooperationen mit BMW oder Ford eingehen werden. In zwanzig bis dreissig Jahren dürfte dann die Brennstoffzelle den Verbrennungsmotor sukzessive verdrängen. Allgemein muss gesagt werden, dass die ersten Prognosen von Unternehmen, die sich für den Wasserstoff einsetzen, eine Serieneinführung zu früh prophezeiten. Heute ist man mit Voraussagen vorsichtiger geworden. Trotzdem gehen viele Leute davon aus, dass die Wasserstofftechnologie etwas ist, das sie nicht mehr betreffen wird. Hier darf nicht vergessen werden, dass die Technik sehr weit entwickelt ist und der Wasserstoff bereits in einigen Jahren von grosser Bedeutung sein wird. Trotz dieser Wichtigkeit wäre es eine Illusion zu glauben, der Wasserstoff verdränge in den nächsten Jahrzehnten die fossilen Energieträger vollständig. Wir werden noch lange von ihnen abhängig sein und werden froh sein, dass wir mit dem Wasserstoff Öl, Gas und Kohle sparen und somit noch lange auf sie zurückgreifen können. Denn man darf eines nicht vergessen: Für die Herstellung von vielen Medikamenten, Kunststoffen etc. braucht man ebenfalls Erdölprodukte. Brauchen wir das Öl besser, um solche, zum Teil lebenswichtige Produkte herzustellen, statt zu verfeuern!


7 Danksagungen Vorab möchte ich hier erwähnen, dass ich während meiner Arbeit grundsätzlich auf breites Interesse und grosse Hilfsbereitschaft gestossen bin. Das grösste Dankeschön gebührt ganz klar Herrn Jakob Hertig (Garage Hertig, Kammershaus 881e, 3552 Bärau / BE), der mir beim praktischen Teil der Arbeit half. Ohne seine Hilfe wäre ich wohl nicht im Stande gewesen, den Umbau des Motors zu bewältigen. Es ist keinesfalls selbstverständlich, dass ein selbstständiger Unternehmer sich Zeit für einen Gymnasiasten und seine Arbeit nimmt. Auch seinen Mitarbeitern und Lehrlingen möchte ich für die Akzeptanz danken, die sie mir als Laie entgegengebracht haben. Weiter möchte ich meinem Betreuer Tomas Thormeier danken für die konstruktiven, wenn auch nicht immer von mir genutzten Ratschläge. Besonders in der Anfangsphase war ich sehr froh über Ideen und Tipps. Weiter danke ich herzlich Herrn Adrian Amstutz, Vizepräsident von SwissAlps 3000, SVP- Nationalrat und Unternehmer aus Sigriswil, für das Vorwort. Ebenfalls danken möchte ich meinem Grossvater, Walter Wenger, für das schnelle und unkomplizierte besorgen des Vertikulierers. Auch Herrn Walter Stähli danke ich für die jahrelange Lieferung von Automobil- Fachzeitschriften. Die darin enthaltenen Artikel waren mir zu einem grossen Teil eine wichtige Informationsquelle. Herrn Dieter Würgler möchte ich ebenfalls danken für die Tipps zur (empirischen) Leistungsmessung. Des weitern möchte ich den Leuten von SwissAlps 3000, vom Bundesamtes für Verkehr und Energie, der Stadt Thun und der ETH respektive der HTI Biel danken für die Beantwortung meiner Fragen. Weiter möchte ich allen Verwandten, Bekannten, (Schul-) Kollegen und Lehrern danken, die mich direkt oder indirekt unterstützt haben, mit denen ich interessante Gespräche führen konnte und die mir Tipps, Ratschläge und Links gaben.


8 Quellenverzeichnis 8.1 Literatur - Bättig, Irene; Antriebe für die Zukunft; Coopzeitung Nr.46 / 2002; S.34 ff. - Bättig, Irene; Solarenergie in Pulverform; Coopzeitung Nr. 20 / 2005; S.78 ff. - Blumenstock, Klaus- Ulrich; Zukunft im Focus; mot – Autos, Test, Technik Nr. 22 / 2002; S.66 ff. - Bosch; Kraftfahrtechnisches Taschenbuch; Fried. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden; 2003 - Depeschenagentur; Der Wasserstoff- Mercedes; Thuner Tagblatt vom 8.10.2002; S. 15 - Dobler, Helmut; Wenn das Benzin zur Neige geht; Automobil Revue Nr. 39/ 2004; S.13 f. - Egli, Kurt; Alternative Antriebe und Treibstoffe; Leonardo – VCS- Magazin Nr. 2 / 2005; S.42 f. - Geitmann, Sven; Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen; Hydrogeit- Verlag, Berlin; 2002 - Göschel, Burkhard; Auto fahren wird bei BMW auch künftig nicht anders sein als heute; Automobil Revue Nr. 21 / 2004; S.3 - Hauri, Stephan; Fernziel Wasserstoffantrieb; Automobil Revue Nr. 50 / 2004; S. 13 - Horisberger, Christian; Japan – ein hartes Pflaster; Automobil Revue Nr. 20 / 2005; S.19 - Klingholz, Reiner; Der Wettlauf um das andere Auto; GEO Nr. 9 / 2001; S.46 ff. - Köbler, Johannes; Autofahren 2010; mot – Die Autozeitschrift Nr. 1+2 / 2003; S.10 ff. - Menzato, Nico; ETH- Sparauto: Mit 8 Litern Benzin einmal um die Erde; 20 Minuten Ausgabe Bern Nr. 122 / 2005; S. 6 - Rehsche, Michael; Die Grünen kommen; Auto-Bilanz Spezialausgabe März 2000; S.44 ff. - Reitzle, Wolfgang; Luxus schafft Wohlstand – Die Zukunft der globalen Wirtschaft; Rowohlt, Reinbek bei Hamburg; 2001 - Rifkin, Jeremy; Die H2- Revolution; Campus, Frankfurt / New York; 2002 - Rühle, Alf- Sibrand; Wasserstoff & Wirtschaft – Investieren in eine saubere Zukunft; Hydrogeit- Verlag, Kremmen; 2005 - Ryf, Hansruedi; Honda setzt auf Brennstoffzelle; Automobil Revue Nr. 12 / 2005; S.3 - Tschachtli, Christian; Blick hinter die Motorenkulissen; Automobil Revue Nr. 22 / 2004; S. 13 - Tschachtli, Christian; Pionier mit Wasserläufer; Automobil Revue Nr. 23 / 2004; S. 5 - Tschachtli, Christian; Schweizer Zukunftsauto ganz vorn; Automobil Revue Nr. 43 / 2004; S. 7 - Tschachtli, Christian; Warten auf die Energierevolution; Automobil Revue Nr.51 / 2003; S.12 - Tschachtli, Christian; Wasserstoff für Mazda- Wankel; Automobil Revue Nr. 11 / 2004; S.19 - Tschachtli, Christian; Wasserstoff will Weile haben; Automobil Revue Nr. 19 / 2004; S. 3 - Tschachtli, Christian; Wasserstoffmotor im Ford- Van; Automobil Revue Nr.33 / 2004; S.11 - verschiedene Verfasser; Chemie heute S1 Gesamtband; Schroedel Verlag, Hannover; 2001 - verschiedene Verfasser; H2 Tec – das magazin für wasserstoff und brennstoffzellen; April 2005


8.2 Internet - www.bfh.ch - www.bmw.com - www.bmweducation.co.uk/cleanenergy/ - www.bosch.com - www.carbagas.ch - www.der-wankelmotor.de - www.dwv-info.de - www.energie-fakten.de - www.erdgasfahren.ch - www.ethz.ch - www.ford.ch - www.h2-lab.com - www.h2tec.net - www.hydrogeit-verlag.de - www.hydrogen.org - www.hydrogennow.org - www.hydrogenus.com - www.hydropole.ch - www.jenbacher.com - www.man-nutzfahrzeuge.de - www.pangas.ch - www.psi.ch - www.swissalps3000.ch - www.umweltlexikon-online.de 8.3 Hersteller- Informationen - BMW; Clean Energy – Wasserstoffantrieb; Faltblatt; 2001 - BMW; Clean Energy Hydrogen Power; Video - BMW; Clean Energy; kreisrunde Broschüre - BMW; Deutschland- Karte; pdf- Dokument - BMW; So fahren wir in die Zukunft, Ausstellungskatalog; Broschüre - BMW; The BMW Group’s energy strategy; Faltblatt; 2003 - DaimlerChrysler; Die Brennstoffzelle – Antrieb für die Zukunft; Broschüre - DaimlerChrysler; Emissionsfrei in die Zukunft – Fahrzeuge mit Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie; Broschüre - DaimlerChrysler; Energy for the Future; Broschüre; 2003 - DaimlerChrysler; F- Cell – driving the future; Broschüre; 2003 - DaimlerChrysler; HightechReport – Zukunft trifft Alltag; Broschüre; 2 / 2004 - DWV; Wasserstoff – der neue Energieträger; zwei pdf- Dokumente - Ford; Alles auf Grün!; Kopie aus „@ ford reportage“ - Ford; Focus C-MAX mit H2-Verbrennungsmotor; Info- Blätter; Juli 2004 - Honda; FCX – Fuel Cell Power; Info- Blatt - Jenbacher; Wasserstoff als Antriebsenergie für konventionelle Ottomotore; pdf- Dokument - MAN; Mobilität auf neuen Wegen; pdf- Dokument - Mazda; Mazda Renesis Hydrogen Rotary Engine; pdf- Dokument


- PSI, ETHZ; Energiespiegel Nr. 6 / März 2002; Faltblatt - PSI; Wasserstoff bewegt die Autowelt!; Broschüre - SwissAlps 3000; Abgasfreie Mobilität im Alpenraum; Broschüre - SwissAlps 3000; Abgasfreier Alpenraum – eine Vision; zwei pdf- Dokumente - SwissAlps 3000; Abgasfreies Pistenfahrzeug – Demonstration eines Wasserstoff angetriebenen Pistenfahrzeuges; Info- Blatt - Volkswagen; The Drive Design for the Future; Broschüre 8.4 Sonstiges - Antwortmail von SwissAlps 3000 bezüglich Unterstützung - Antwortmail vom Bundesamt für Verkehr bezüglich Wasserstoff- Bussen in der Schweiz - Antwortmail vom Bundesamt für Energie bezüglich Wasserstoff- Förderung in der Schweiz - Antwortmail des Planungsamtes der Stadt Thun bezüglich einer Aussage von Gemeinderätin Ursula Haller zu Wasserstoff- Bussen


9 Eidesstattliche Erklärung Hiermit erkläre ich, die vorliegende Arbeit selbständig und unter Angabe aller benötigten Quellen verfasst zu haben. Datum Unterschrift


10 Anhang 10.1 Chemische Eigenschaften

Tab. 5: chem. Kennwerte Wasserstoff Benzin Diesel Erdgas (Methan) Dichte bei 272 K / 1013 mbar [kg / l]

0.00009 0.72 – 0.775 0.82 – 0.845

0.00073 – 0.00083

Siedetemp. bei 1013 mbar [K]

19.3 297 - 487 452 - 632 111

Heizwert (flüssig) [MJ / kg]

120 42.7 42.5 50

Zündtemp. [K] 832 572 522 922 Laminare Brenngeschw. [cm/s]

270 - 346 30 - 40 - 37 - 43

Verdampfungs-energie [J/g] am Siedepunkt

445.5 380 250 510.4

Zündbereich [Vol.- %]

4.0 – 77.0 0.6 – 7.8 0.6 – 6.5 4.4 – 17.0

Explosionsbereich [Vol.- %]

18.3 – 59.0 1.1 – 3.3 0.8 – 5.4 6.3 – 13.5

Minimale Zündenergie [mJ]

0.017 0.24 - 0.28

Stöchiometrisches Gemisch [Vol.- %]

29.6 1.8 1.3 9.5

Quellen: „Wasserstoff & Brennstoffzellen“, Sven Geitmann „Kraftfahrtechnisches Taschenbuch“, Bosch


10.2 Geschichtliche Eckdaten 1766: Cavendish entdeckt die „entflammbare Luft“ (GB) 1783: Charles lässt einen Ballon, gefüllt mit Wasserstoff, steigen (F) 1787: Lavoisier tauft das Gas „hydrogène“ (F) 1807: Rivaz baut erstes Wasserstoff- Fahrzeug 1839: Grove erfindet dank Erkenntnissen seines Freundes Schönbein die Brennstoffzelle 1874: Jules Verne erwähnt in seinem Buch „Die geheimnisvolle Insel“ die Idee, dass Wasserstoff die Kohle der Zukunft werden könnte. 1898: erstmals Verflüssigung von Wasserstoff (GB) 1937: „Hindenburg“- Katastrophe –Wasserstoff erleidet einen Image- Schaden 1956: erster mit Wasserstoff angetriebener Flugzeug- Prototyp (USA) 1963: Gemini- Mission der NASA – erster „ernster“ Einsatz der Brennstoffzelle 1975: Wasserstoff- Versuchsfahrzeug von Mercedes 1979: Geofrey Ballard gründet das nach ihm benannte Unternehmen, das zum grössten und bedeutendsten Brennstoffzellen- Spezialisten wird. 1980: Dahlberg präsentiert nach dem Ölschock Idee der solaren Wasserstoffwirtschaft (D) 1988: Russische Tupolev fliegt wahlweise mit Erdgas oder Wasserstoff (Versuch) 1989: Brennstoffzelle von Siemens für deutsche U-Boote 2000: BMW baut erste Kleinserie (15 Fahrzeuge) von wasserstoffbetriebenen PKWs 10.3 Einheiten / Abkürzungen

Tab. 6: Einheiten und Abkürzungen BMW Bayrische Motoren Werke BSZ Brennstoffzelle DWV Deutscher Wasserstoff Verband ETHZ Eidgenössische Technische Hochschule Zürich F Kraft FC Fuell Cell (= engl. Brennstoffzelle) GH2 Gasförmiger Wasserstoff (engl. gaseous) GM General Motors ICE Internal Combustion Engine (= Verbrennungsmotor) J Joule K Kelvin kW Kilowatt LH2 Flüssiger Wasserstoff (engl. liquid) m Masse, „Gewicht“ M Drehmoment n Tourenzahl, Umdrehungen pro Minute Nm Newtonmeter NOx Stickstoffoxid P Leistung PS Pferdestärke PSI Paul- Scherrer- Institut T Temperatur u. N. Unter Normalbedingungen (20 ºC; 1013 mbar) Vol.- % Volumenprozent η (Rho) Wirkungsgrad


10.4 Glossar - Anode: Elektrode, an der eine Oxidation stattfindet (s. Kapitel 3.5) - Biomasse: organische Abfälle; erzeugen bei der Vergärung Biogas (CO2- neutrales Methan) - bivalenter Antrieb: Motor, der mit zwei Kraftstoffen (z.B. Benzin und Wasserstoff) betrieben werden kann (Bi- Fuel) - Carnot’sches Gesetz: Gesetz für den höchsten theoretisch möglichen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen. Hierbei ist die Temperatur im Brennraum sowie die Abgastemperatur beim Verlassen des Brennraumes, also der Energieunterschied, entscheidend. (s. Kapitel 3.5) - Dampfreformierung: Wasserstoff- Herstellungsart (s. Kapitel 3.3) - DMFC: Brennstoffzellen- Typ, der direkt mit Methanol betrieben werden kann; da es in dieser Arbeit nicht primär um Brennstoffzellen geht, habe ich bewusst auf eine Unterscheidung der verschiedenen Typen verzichtet. - Elektrolyse: Wasserstoff- Herstellungsart (s. Kapitel 3.3) - Elektron: negatives Teilchen eines Atoms; fliegt um den Kern - fossile Energieträger: Energieträger, die aus organischem Material entstanden sind und somit kohlenstoffhaltig sind. - Joule: Einheit für Arbeit / Energie (1 J = 1 Nm = 1 Ws) - karzinogen: krebserregend - Katalysator: Stoff, der die Reaktion beschleunigt / die Reaktionsenergie senkt, an der Reaktion aber nicht teilnimmt. - Kathode: Elektrode, an der eine Reduktion stattfindet (s. Kapitel 3.5) - Kelvin: Temperatur- Einheit, gemessen vom absoluten Nullpunkt (0 ºC = 272 K) - Kilowatt: Einheit für die Leistung (1 kW = 1.36 PS = 1 kJ / s) - kryogen: tiefkalt - Lambda- Zahl: Verhältnis von dem Motor zugeführter Luft zum Luftbedarf bei stöchiometrischer Verbrennung (λ < 1: fettes Gemisch; λ > 1: mageres Gemisch) - Metallhydrid- Speicher: Speichermethode (s. Kapitel 3.4) - monovalenter Antrieb: Gegenteil des bivalenten Antriebs, also ein Motor, der nur mit einem Treibstoff betrieben werden kann. - Neutron: neutral geladenes Teilchen eines Atoms; Teil des Kerns - PEM- Brennstoffzelle: weit verbreiteter Brennstoffzellen- Typ; s. DMFC - PEM: Membrane in der PEM- Brennstoffzelle - Pferdestärke: veraltete Einheit für die Leistung (1 PS = 0.74 kW) - Photovoltaik: Stromerzeugung mit Solarzellen - Proton: positives Teilchen eines Atoms; Teil des Kerns - Reduktion: Elektronenaufnahme - regenerative Energie: erneuerbare, schadstoffneutrale Energie (Wasserkraft, Sonnenenergie, Erdwärme,...) - Solarthermie: Energieerzeugung durch die Wärme der Sonne (Aufwindkraftwerke,...) - stöchiometrisches Verhältnis: theoretisches Luft- Kraftstoff- Verhältnis, nach chemischer Reaktionsgleichung - Volumenprozent: Anteil in Prozent, gemessen am Volumen und nicht an der Masse - Wirkungsgrad: Prozentsatz, wie viel der im Treibstoff vorhandenen Energie genutzt wird (Rest Reibungsverluste, Abwärme,...)

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