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Profil 5/2002 f r PDF - Kolbenschmidt Pierburg AG

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Das <strong>Profil</strong> 5/<strong>2002</strong> Das aktuelle Thema<br />

Seite 5<br />

„Automotive“: Kompetenz bei Zukunftstechnologie<br />

Brennstoffzelle macht<br />

dem Motor „Dampf“<br />

(Fortsetzung von Seite 4)<br />

stems“, erläutert Hunkel den Projektinhalt:<br />

„Bei einem auftretenden Leck<br />

müssen sofort Alarmmechanismen –<br />

etwa das Ausschalten und Absperren<br />

der betroffenen Subsysteme – eingeleitet<br />

werden.“ Bisher sind am Markt<br />

keine Wasserstoffsensoren erhältlich,<br />

die den hohen Ansprüchen einer Anwendung<br />

im Pkw gewachsen wären.<br />

„Das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung<br />

legen wir deshalb auf die<br />

,Fail-safe‘-Funktion der Sensoren sowie<br />

des gesamten Sicherheitssystems“,<br />

berichtet Hunkel, der bereits<br />

seit 1999 in der Entwicklungsabteilung<br />

bei der Neusser Rheinmetall-„Automotive“-Tochter<br />

beschäftigt ist: „‚Failsafe‘<br />

bedeutet, daß unsere Sensoren<br />

entweder ausschließlich korrekte,<br />

oder – bei Fehlfunktionen – überhaupt<br />

keine Meßwerte liefern und das<br />

Steuerungssystem ihr Ausfallen sofort<br />

bemerkt.“ Bei der Entwicklung dieser<br />

Technologie wird <strong>Pierburg</strong> von einem<br />

international renommierten Unternehmen<br />

unterstützt, dessen Mitarbeiter<br />

zeitweise auch vor Ort in Neuss arbeiten.<br />

Neben den beschriebenen Wasserstoffsicherheitssensoren,<br />

bei denen<br />

<strong>Pierburg</strong> bereits die technologische<br />

Führerschaft innehat, werden im Produktsegment<br />

der Sensoren sogenannte<br />

Luft- und Wasserstoffmassensensoren<br />

entwickelt. Getestet werden die<br />

Komponenten im hauseigenen Prüfstand<br />

in Neuss. Darüber hinaus ist der<br />

Aufbau eines „Full-Size“-Brennstoffzellen-Prüfstandes<br />

zum Testen anderer<br />

Komponenten in Zusammenarbeit<br />

mit dem Zentrum für Brennstoffzellen-<br />

Technologie an der Universität Duisburg<br />

geplant.<br />

Der in Aachen lebende Entwicklungsspezialist<br />

ist überzeugt davon,<br />

daß der Technologiewandel hin zur<br />

Brennstoffzelle in den nächsten Jahrzehnten<br />

kommen wird. „Die Automobilindustrie<br />

steht unter erheblichem<br />

Druck. Das amerikanische ‚Low Emission<br />

Vehicle Program II‘ des ‚California<br />

Air Resources Board‘ beispielsweise<br />

Grafik: DaimlerChrysler Communications<br />

Schalldämpfer<br />

Luftfilter<br />

Brennstoffzellen-Stacks<br />

Zentralelektrik<br />

Kompressor/Expander<br />

Wärmetauscher<br />

Wasserfilter<br />

schreibt vor, daß in den USA bis zum<br />

Jahr 2004 zehn Prozent der Neufahrzeuge<br />

Nullemissionen oder zumindest<br />

‚super ultra low emissions‘ bzw. ‚ultra<br />

low emissions‘ aufweisen müssen.<br />

Damit soll langfristig ein Emissionsrückgang<br />

um 50 Prozent erreicht werden.“<br />

Und auch in Deutschland gibt es<br />

für die Automobilhersteller immer<br />

strengere Umweltauflagen. „Die<br />

Brennstoffzelle wäre eine ideale Lösung“,<br />

bekräftigt Hunkel: „Sie ist leise,<br />

effizient, vibrations- und emissionsfrei.<br />

Und Wasserstoff ist ein unerschöpflicher<br />

Rohstoff. Immerhin bestehen<br />

90 Prozent unseres Universums<br />

daraus. Zudem wären wir unabhängig<br />

von den begrenzten Rohölvorkommen.“<br />

Dennoch gibt es viele Kritiker, die<br />

vom Durchbruch der Brennstoffzelle<br />

wenig überzeugt sind. Hinterfragt werden<br />

die Dauerhaltbarkeit der Zellen<br />

und der wirtschaftliche Erfolg, bedenkt<br />

man den hohen Investitionsaufwand.<br />

„Alles nur eine Frage der Zeit“,<br />

entgegnet Hunkel solchen Zweiflern:<br />

„Der ‚Necar 5‘ von DaimlerChrysler<br />

schaffte bereits 250 000 Kilometer auf<br />

dem Prüfstand. Derzeit wird er im<br />

Straßenverkehr getestet. Daß man keine<br />

Betriebserfahrung mit den Brennstoffzellen-Antrieben<br />

hat, stimmt in<br />

diesem Sinne also nicht.“ Und auch<br />

bei den Preisen wird sich in den nächsten<br />

Jahren noch einiges tun, davon ist<br />

der Hobbysportler überzeugt: „Innovative<br />

Technologien sind anfangs immer<br />

teurer als die bereits etablierten.<br />

Schließlich war das Automobil mit<br />

dem klassischen Verbrennungsmotor<br />

auch nicht von Beginn an für jedermann<br />

zu bezahlen. Erst wenn die<br />

Brennstoffzelle durch Massenproduktion<br />

wettbewerbsfähig ist, lohnt es<br />

sich, mit Fahrzeugen wie dem ‚Necar‘<br />

in Serienproduktion zu gehen.“ Bis<br />

dahin will sich die <strong>Kolbenschmidt</strong> <strong>Pierburg</strong><br />

<strong>AG</strong> dank konsequenter Entwicklungstätigkeiten<br />

auf dem Gebiet der<br />

Brennstoffzellen-Technologie eine bedeutende<br />

Stellung im neuen Zuliefermarkt<br />

gesichert haben.<br />

Claudia Wessolly<br />

Kondensator<br />

Kondensatabscheider<br />

Wasserpumpe<br />

H2-/Luftbefeuchter<br />

Ladeluftkühler<br />

Jetpumpe<br />

Schalldämpfer (Luft)<br />

Wasserstofftank<br />

PIERBURG INSIDE: 1994 präsentierte DaimlerChrysler (Stuttgart)<br />

das erste „New Electric Car“ (Necar), einen Kleintransporter, der bis unters<br />

Dach mit Apparaten und Meßgeräten vollgestopft war. Mittlerweile<br />

paßt die gesamte Technik in den Motorraum eines A-Klasse-Modells.<br />

Beim „Necar 4“, der unter anderem mit einem Luftmassensensor, einer<br />

elektrischen Wasserpumpe, Sicherheitssensoren und Ventilen der <strong>Pierburg</strong><br />

GmbH (Neuss) ausgestattet ist, finden bequem fünf Personen mit<br />

Gepäck Platz. Der kompakte Brennstoffzellen-Antrieb ist im Unterboden<br />

des A-Klasse-Modells untergebracht. Insgesamt sind 320 Zellen zu zwei<br />

„Stacks“ zusammengefaßt, die eine Leistung von 70 Kilowatt mit einer<br />

Spitzengeschwindigkeit von 145 Stundenkilometern bringen. Beladen mit<br />

fünf Kilogramm flüssigem Wasserstoff besitzt der „Necar 4“ eine Reichweite<br />

von 450 Kilometern und ist ein echtes „Zero Emission Vehicle“ (Null-<br />

Emissions-Fahrzeug). Als bestes Fahrzeugkonzept für die Zukunft erhielt<br />

der „Necar 4“ bereits 1999 die Auszeichnung “International Engine of the<br />

Year“. Spätestens 2004 will DaimlerChrysler die erste Kleinserie von<br />

Brennstoffzellen-Autos auf den Markt bringen.<br />

Composing: frei-stil digitale Bildgestaltung<br />

Systemkompetenz im Brennstoffzellen-Fahrzeug: Insgesamt fünf Produktgruppen werden im Bereich der alternativen<br />

Antriebe bei der <strong>Pierburg</strong> GmbH in Neuss entwickelt. An welchen Stellen die Ventile, Sensoren, Gebläse,<br />

elektrischen Pumpen und Kompressoren im Pkw zum Einsatz kommen, zeigt die obige Grafik. Geplant ist, zukünftig<br />

ein umfassendes Luftversorgungssystem, bestehend aus einem Kompressor, Luftgebläse, Luftmassensensoren,<br />

Ventilen und der dazugehörigen Elektronik, für einen Brennstoffzellen-Antrieb anzubieten.<br />

Aus Wasserstoff und Luft wird Energie<br />

Brennstoffzellen sind sehr<br />

einfach aufgebaut. Die eigentliche<br />

Zelle besteht aus<br />

drei nebeneinander liegenden<br />

Schichten: Die beiden<br />

äußeren Schichten – Anode und Kathode<br />

– sind die Elektroden, die mittlere<br />

Schicht, eine hauchdünne Trägerstruktur,<br />

ist der Elektrolyt. Dieser besteht,<br />

je nach Brennstoffzellen-Typ,<br />

aus unterschiedlichen Stoffen. Manche<br />

Elektrolyten sind flüssig; andere<br />

sind fest und haben eine Membran-<br />

Struktur. Da eine einzelne Zelle nur<br />

für eine Glühbirne reicht, also ein<br />

sehr niedriges Spannungsniveau besitzt,<br />

werden die Brennstoffzellen je<br />

nach benötigter Spannung aneinander<br />

gestapelt, sozusagen in Reihe geschaltet.<br />

Solch einen Stapel nennt<br />

man „Stack“.<br />

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzellen<br />

ist ähnlich einfach wie ihr<br />

Aufbau. Die Brennstoffzelle kehrt den<br />

Prozeß der Elektrolyse um. Während<br />

bei der Elektrolyse Wasser (H2O) mit<br />

Hilfe elektrischer Energie in seine gasförmigen<br />

Bestandteile Wasserstoff<br />

(H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt wird,<br />

nimmt die Brennstoffzelle diese beiden<br />

Stoffe und verwandelt sie wieder<br />

in Wasser. Dabei wird theoretisch die<br />

Menge elektrischer Energie wieder<br />

abgegeben, die bei der Elektrolyse<br />

zur Spaltung notwendig war. In der<br />

Praxis führen verschiedene physikalisch-chemische<br />

Prozesse zu geringfügigen<br />

Verlusten. Da die meisten<br />

Brennstoffzellen neben dem Wasserstoff<br />

mit einfacher Luft funktionieren,<br />

muß der Sauerstoff nicht zusätzlich<br />

gespeichert werden.<br />

Für den mobilen Anwendungsbereich<br />

– wie dem Einsatz im Pkw – werden<br />

meist sogenannte „PEM“-Brennstoffzellen<br />

(„polymer electrolyte membrane“<br />

oder „proton exchange membrane“)<br />

verwendet. Die Niedertemperatur-Zellen<br />

weisen bei geringem Gewicht<br />

eine hohe Leistungsdichte auf,<br />

sind flexibel in der Handhabung und<br />

besitzen ein großes Potential für die<br />

Massenfertigung. Daher stehen sie<br />

derzeit im Vordergrund der gesamten<br />

Brennstoffzellen-Entwicklung.<br />

Das grundlegende Arbeitsprinzip<br />

dieser Zellen funktioniert wie folgt: An<br />

der Anode befindet sich der Wasserstoff,<br />

an der Kathode der Sauerstoff.<br />

Bei kontrollierter chemischer Reaktion<br />

werden die Wasserstoffmoleküle<br />

in ihre Bausteine, Elektronen und Protonen,<br />

gespalten. Die entstehenden,<br />

positiv geladenen Wasserstoff-Ionen<br />

(Protonen) wandern durch den für sie<br />

durchlässigen Elektrolyten zur Katho-<br />

de und wollen mit den dort vorhandenen<br />

Sauerstoff-Teilchen zu Wasser<br />

oxidieren. Dazu benötigen sie aber<br />

die negativ geladenen Ionen (Elektronen),<br />

die vorher an der Anode abgegeben<br />

wurden. Da der Elektrolyt einen<br />

Isolator darstellt, durch den sich<br />

die Elektronen nicht bewegen können,<br />

suchen sie sich einen anderen<br />

Weg zur Kathode. Sie laufen über den<br />

elektrischen Leiter, der beide Seiten<br />

miteinander verbindet: es fließt ein<br />

nutzbarer, elektrischer Strom. Dieser<br />

Prozeß läuft kontinuierlich ab, solange<br />

ausreichend Wasserstoff und Sauerstoff<br />

an Anode und Kathode zur Verfügung<br />

stehen. Die Betriebstemperatur<br />

in den Brennstoffzellen beträgt 80<br />

bis100 Grad; als Abfallprodukt bleibt<br />

Wasser, das als reiner Dampf entweicht.<br />

Ökologisch gesehen ist die Brennstoffzelle<br />

eine der umweltfreundlichsten<br />

Pkw-Antriebsformen. Jedoch ist<br />

die Energiebilanz von der Gewinnung<br />

des Kraftstoffs bis hin zu seiner Verwendung<br />

im Fahrzeug erst dann wirklich<br />

emissionsfrei, wenn der notwendige<br />

Strom für die Elektrolyse – die<br />

Herstellung des Wasserstoffs – langfristig<br />

aus regenerativen Energien wie<br />

Wasser-, Windkraft oder Sonnenenergie<br />

stammt. cw

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