Burn Baby Burn

Ich habe mich ja schon mit meiner Vorstellung der mobilen Zukunft befasst. Meiner Ansicht nach sind Akkus als Energiespeicher aufgrund der geringen Speicherkapazität für Autos ungeeignet und wenn dann eher etwas für -Bikes oder das Elektroäquivalent zu einem Mofa oder Moped. (Viel schneller als 45 km/h die ein Moped erreicht möchte zumindest ich persönlich auch nicht mit einem Zweirad unterwegs sein, denn wenn dann ml die Straßenverhältnisse schlecht sind oder man plötzlich ausweichen muss dann legt es einen beim Bremsen nicht nur hin, sondern das kann dann auch lebensgefährlich werden. Zudem kommt man zumindest innerorts heute auch nicht schneller als mit maximal 45 km/h vorwärts).

Nun ist aber Erdöl begrenzt. Das sind alle fossilen Treibstoffe, aber Erdöl ist am knappsten und die Vorhersagen über Vorräte am geringsten. Man sollte also beizeiten nach einem Ersatz suchen. Theoretisch kann man Erdöl synthetisch herstellen, das hat man auch schon getan (in Deutschland zu Kriegszeiten in Südafrika wegen eines Embargos) aber es ist ineffizient und das so erzeugte Erdöl wird recht teuer sein.

Die für mich am ehesten realisierbare Technologie sehe ich Brennstoffzellen. Brennstoffzellen sind heute auch „in“, was mich ein bisschen wundert, denn als ich vor 35 Jahren mich erstmals mit Raumfahrt beschäftigte erfuhr ich das die schon bei Apollo eingesetzt wurden, was damals auch schon 10-15 Jahre zurücklag. Also nach 50 Jahren ist die Raumfahrt noch der Automobilindustrie voraus – bei den Bordcomputern wird es bald umgekehrt sein (der schnellste weltraumtaugliche Prozessor erreicht 200 MHz…).

Brennstoffzellen oder was manchmal auch genommen wird die nicht ganz korrekte 1:1 Übersetzung aus dem Englischen Fülllzellen verbrennen einfach einen Stoff, nur wird die freigesetzte Energie zumindest zum Teil in Strom umgewandelt weil für den Verbrennungsvorgang Elektronen von einer Elektrode zur anderen fließen müssen. Sie benötigen dazu Sauerstoff wie ein Verbrennungsmotor auch. Die Energie ist chemische Energie. Der Strom kann dann einen Elektromotor antreiben. Der Wirkungsgrad ist heute mit 40% nicht sehr hoch, doch ein Ottomotor hat auch keinen höheren. Der Elektromotor hat dagegen einen hohen Wirkungsgrad, braucht meistens deutlich weniger Leistung als ein Ottomotor und der Strom für die vielen elektrischen Verbraucher muss nicht aus der mechanischen Energie des Ottomotors erzeugt werden. So dürfte in der Summe sicher eine Brennstoffzelle nicht schlechter, vielleicht sogar besser als die heutigen Motoren dastehen.

Für das Auto muss der Treibstoff lagerbar sein. Wasserstoff, der in der Raumfahrt eingesetzt wird kommt also nicht in Frage. Was sich eignet sind Füllzellen aus Methanol. Für Laptops hat man schon experimentelle Brennstoffzellen entwickelt die dann einen Akku ersetzen. Der Vorteil ist das man eine kleine Flasche mit 25 bis 50 ml Methan anstatt einem schweren Akku braucht. Die Effizienz wird dadurch limitiert, dass zum einen selbst mit Katalysatoren es eine Temperatur von mindestens 80-100° für die Reaktion braucht, man also Energie in Form von Wärme verliert, es zu Diffusionsvorgängen von Methanol durch die Membran kommt und Kohlendioxydbläschen auch die Reaktionsoberfläche teilweise bedecken.

Methanol ist der einfachste Alkohol. Durch das zusätzliche Sauerstoffatom ist der Energiegehalt allerdings kleiner. Theoretisch sind es 19,7 kJ/kg, Benzin liegt bei etwa dem doppelten Energiegehalt. Direktes Methanol kann allerdings nicht in Brennstoffzellen eingesetzt werden, sondern nur eine wässrige Lösung. Es existieren schon Brennstoffzellen als Stromversorger für Insellösungen (z.B. beim Wochenendhaus ohne Stromanschluss. Da liefert ein 10 l Kanister etwa 9,1 kWh. Das ist bezogen auf den Roh-Energiewert recht schlecht (10 l Benzin lägen theoretisch bei über 100 KWh), jedoch bei der nutzbaren Energie sieht es schon besser aus. Die Energiedichte von etwa 1 KWh/kg ist zumindest etwa 5-mal größer als die von Akkus. Mithin braucht man 5-mal weniger Gewicht. Zudem könnte man es wie Benzin in einem Tank unterbringen. Die Batteriekapazitäten von heutigen Elektroautos liegen bei 40 bis 90 KWh, so was wiegt selbst bei den besten Lithiumakkus (200 W/h/kg) dann schon 200 bis 450 kg. Sie wären durch eine wässrige Methanol-Lösung von 4,5 bis 10 kg Gewicht zu ersetzen und eine normale Tankfüllung hätte dann auch die heutige Reichweite eines Autos.

Theoretisch könnte man das noch optimieren. Das Wasser verdampft bei den Temperaturen in der Brennstoffzelle, ist aber nicht viel heißer als 100″. Man müsste es leicht auskondensieren können und bräuchte dann eben zwei Tanks – einen für das Wasser und einen für das Methanol, aus denen müsste man dann die wässrige Lösung herstellen können.

Was offen ist und was wohl die Hersteller beantworten müssen isst, wie langlebig Brennstoffzellen sind und wie sie mit einem schnell wechselnden Antriebbedarf zurechtkommen. Die Brennstoffzellen die ich fand, sind eher für niedrige Dauerlast ausgelegt. Die Brennstoffzellen des Space Shuttles waren aber in der Last gut regulierbar lieferten bis zu 28 kW und konnten 3 Wochen am Stück betrieben werden. Ein Auto könnte in der Zeit rund 67.000 km zurücklegen und ich vermute man hat sie nicht nach jeder Mission erneuert.

Was ich allerdings noch lieber sehen würde als Autos mit Brennstoffzellen wären Mofas und Mopeds mit Brennstoffzellen. Wegen der Effizienz (siehe letzter Blog zum Thema) und weil der enorm laute Motor dieser Fahrzeuge für mich der Hauptnachteil ist. Die sind oft viel lauter als ein Auto mit viel mehr PS.

burn that mama down.

6 thoughts on “Burn Baby Burn

  1. Synthetisches Erdöl kann man nach meinem Wissen einigermaßen effizient herstellen:
    – aus Erdgas und Kohle
    – aus Wasserstoff und Kohle (so man elektrolytisch erzeugten Wasserstoff im Überschuß hat)

    Da der problematischte Verbraucher das Flugzeug ist:
    kann ein Mantelstromtriebwerk oder ein Turboprop mit
    – Flüssiggas
    – Erdgas
    – Wasserstoff
    betrieben werden?

    In einem Verkehrsflug besteht ja am ehesten noch die Möglichkeit einen gekühlten Treibstoff einzusetzen.
    In einem militärischem Flugzeug, einem PKW oder LKW ist das unpraktisch.

  2. Die einer Brennstoffzelle mit Methanol ist eine gute Idee, allein sie ist für relativ leichte Fahrzeuge wie Pkw nicht gut geeignet.

    Brennstoffzellen können keine hohen Spitzenlasten ausgeben. Dies ist für den Betrieb eines einfachen Laptops oder die Beleuchtung eines Wohnwagens nicht notwendig, wohl aber für den hohen Strombedarf eines anfahrenden Fahrzeugs. Dazu kommt das die Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle abhängig von der Belastung stark schwankt. Man benötigt also einen Leistungsstarken Umrichter und eine recht große Pufferbatterie die der Brennstoffzelle nachgeschaltet sind. Sowie natürlich davor noch den Methanolreformer, falls man keinen reinen Wasserstoff tanken möchte.

    Alle Komponenten reduzieren den Gesamtwirkungsgrad des Systems, benötigen Platz und haben ein bisweilen hohes Gewicht. Die einfachere, billigere und erheblich weniger Störanfällige Lösung wäre es die ganzen Komponenten wegzulassen, und den verfügbaren Platz komplett mit Lithium-Ionen-Akkus zu füllen. Oder falls man unbedingt mit Methanol als Treibstoff fahren will, ein ganz normales Auto mit Verbrennungsmotor zu verwenden. 😉

    Grundsätzlich ist die Methanol-Brennstoffzellen-Kombination eine gute Idee, aber eben nur bei Fahrzeugen bei denen die Leichtbau und Platzersparnis nur eine untergeordnete Rolle spielen. Es dafür aber wichtig ist schnell tanken zu können. Es hat seinen Grund, warum die Meisten Forschungsprojekte mit Brennstoffzellen zur Zeit im Nautik Bereich liegen…

  3. Das mit der Regulierbarkeit als offene Frage habe ich schon angesprochen, nur sehe ich den Bedarf für eine große Batterie nicht. Selbst wenn man zum Anfahren und überholen einen hohen bedarf hat, sagen wir mal den doppelten des Durchschnittsbedarf – für wie lange? Nehmen wir mal einen bedarf von 50 kw für 60 s (länger dauert ein Anfahren und Überholmanöver sicher nicht) dann sind das nur eine Kapazität von 0,83 kwh also eine etwa 5 kg schwere Batterie.

  4. @Bernd Leitenberger:

    Realistischer ist wohl eher etwa der zehnfache Anlaufstrom, allerdings nur für wenige Sekunden.

    Natürlich kann man dabei mit einem sehr kleinen Akku auskommen. Abhängig von der Architektur des Umrichters könnte man ihn eventuell sogar komplett durch einen großen Kondensator ersetzen. Nur verzichtet man dann auf einige Vorteile eines Elektrofahrzeuges und muss die Brennstoffzelle im Lastfolgebetrieb betreiben. Sie müsste dann nah an der Nennleistung des Fahrzeuges dimensioniert werden, arbeitet aber die Meiste Zeit bei einem geringen Prozentsatz ihrer Nennleistung. Dies bewirkt einen schlechten Wirkungsgrad und einen hohen Verschleiß.

    Wenn man dagegen einen großen Akku verwendet (etwa wie bei den heutigen „Plug-In-Hybriden“) kann man eine erheblich kleinere Zelle verwenden und diese stets am idealen Betriebspunkt arbeiten lassen. Sie arbeitet dann indirekt und kann komplett abgeschaltet werden wenn die Batterie voll ist.

  5. Wie ich schon schrieb: ein kleiner akku reicht aus, egal ob man dann die 10-fache Leistung für 6 Sekunden oder die doppelte für 60 s braucht.

    Ich möchte jetzt aber auch nach und nach die Titel auflösen die als Headline gewählt wurde. Diese Zeile stammt aus dem Lied „Disco Inferno“, dem größten Hit der tramnps und heute noch genauso gut wie 1975.

  6. Das Hauptproblem von Brennstoffzellen ist der Wirkungsgrad, der kaum über dem normaler Motoren und Turbinen liegt. Klar gibt es die Möglichkeit, bei Hochtemperaturzellen die Abwärme noch in einer konventionellen Dampfturbine zu nutzen, und so Gesamtwirkungsgrade von etwas über 60% zu erreichen. Jedoch erreichen auch GuD-Kraftwerke schon knapp 60%, und das mit, anders als bei Brennstoffzellen, ausgereifter und dauerbetriebsfester Technologie.

    @Andreas: Gekühlte Gase könnten im Verkehrsflugzeug einen Option sein. Gase unter Druck eher nicht, zum einen wegen des Gewichts der Drucktanks, zum anderen wegen der Explosionsgefahr bei Unfällen.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.