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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Auch auf dem Parkplatz brauchen Brummis Energie – für Klimatisierung, Kommunikationstechnik, Beleuchtung, Wasserkocher und Kühlschrank.
© Herd Integrated Vehicle Protection, Winnipeg, Canada, www.herd.com
Brennstoffzellen-Bordstromversorgung
Projektinfo 02/2013

Darstellung des SOFC-Systems mit den Komponenten Brennstoffzellen-Stack mit Isolationsbox, Reformer, Restgasbrenner und Abgas-Wärmeübertrager, Startbrenner und Startbrenner-Wärmeübertrager, Luftverdichter, Heißgasverdichter, elektronischer Steuerung, Ventilen und Klappen, Kraftstoffversorgung und Abgasanlage.
© Eberspächer

Darstellung der kompletten, einbaufertigen Brennstoffzellen-APU mit ihren Hauptkomponenten.
© Eberspächer
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Emissionsarme Energieversorgung auf dem Rastplatz

Fernlaster brauchen auch im Stand und auf dem Rastplatz elektrische Energie – nämlich für Klimatisierung, Kommunikationstechnik, Beleuchtung, Wasserkocher und Kühlschrank. Doch wenn der Fahrer für diesen geringen Energiebedarf den 400-PS-Antriebsmotor im Leerlauf grummeln lässt, verbraucht er zu viel Diesel – Lärm, Abgase und Ruß belasten die Umgebung. Als umweltfreundlichere Alternative entwickeln Forscher eine motorunabhängige Bordstromversorgung mit einem Hochtemperatur-Brennstoffzellen-System, das Diesel als Energieträger nutzt.

Das Fahrerhaus ist für LKW-Fahrer auf Tour zugleich Arbeitsplatz und Wohnraum. Daher besteht auch in Ruhezeiten ein großer Bedarf für eine emissionsarme und energieeffiziente Bordstromversorgung. Dieser wird angefacht von verschärften Umweltauflagen, die es zum Beispiel den US-amerikanischen Truckern verbieten, LKW-Motoren im Stand laufen zu lassen, um die Heizung oder Klimaanlage zu betreiben. Diese sogenannten anti-idling laws (Anti-Leerlauf-Gesetze) machen den Einbau einer unabhängigen Bordstromversorgung in Fernlastern erforderlich. Für diese Aufgabe arbeiten Entwickler an einer neuen Bordstromanlage mit Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Die Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) können die Verbraucher in der Fahrzeugkabine effizienter, leiser und emissionsärmer versorgen als die bereits auf dem Markt verfügbaren Dieselgeneratoren. Eine brennstoffzellenbetriebene Auxiliary Power Unit (APU) ist mit einem angepeilten Wirkungsgrad von 30 % viel sparsamer als eine motorbetriebene APU, die ungefähr 25 % erreicht. Brennstoffzellengeräte produzieren elektrischen Strom mit dem fünffachen Wirkungsgrad eines im Leerlauf betriebenen LKW-Motors und erreichen im Vergleich zu einer dieselbetriebenen APU einen höheren Wirkungsgrad und damit eine Kraftstoffersparnis von 20 %. Die Schadstoffemissionen durch Stickoxide, Kohlenmonoxid und Rußpartikel liegen an der Nachweisgrenze. Die neue Anlage ist leiser als eine Standheizung.

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Entwicklung einer kompakten und sparsamen Hochtemperatur-Brennstoffzelle für LKW

Eine mobile Hochtemperatur-Brennstoffzelle für die Stand-Klimatisierung und Elektrifizierung von LKW-Kabinen muss zugleich leicht, kompakt und ausgesprochen robust sein. Sie ist Erschütterungen und Vibrationen ausgesetzt und ihre Bauteile, insbesondere die Stackdichtungen, müssen durch schnelle Aufheizung und hohe Betriebstemperatur großen thermomechanischen Belastungen standhalten. Aus „bordeigenem“ Dieselkraftstoff wird das Brenngas zum Betrieb der Brennstoffzelle reformiert. Der Schwefelgehalt dieses weitverbreiteten Treibstoffs bewirkt in allen Betriebsphasen kritische Wechselwirkungen zwischen den System-Komponenten. Daraus ergibt sich für die Entwickler die Herausforderung, die Degradation des Gesamtsystems auf ein Minimum zu reduzieren. Damit sich die vielversprechende neue Technologie auf dem Markt etablieren kann, müssen ihre Leistungsfähigkeit, Standfestigkeit sowie Produktionstechnik noch verbessert werden.

Das neue Brennstoffzellengerät basiert auf einem SOFC-Leichtbau- Stack. Auf kleinstem Raum und bei extremen Temperaturen vereinigt das Gerät alle Komponenten des Systems (s. Abb.).

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt entwickeln die beteiligten Unternehmen ein System, das eine möglichst hohe Leistungsdichte erreicht, dauerhaft funktioniert und kostengünstig ist. Sie verbessern Funktion und Standfestigkeit von Reformer, Brennstoffzelle, Brenner und Wärmeübertrager, entwickeln Elektronikbauteile und eine fahrzeugtaugliche Kraftstoff- und Luftversorgung mit Abgasrückführung. Auch wurden bereits die ersten Schritte Richtung Vorserie gemacht. Die Entwickler arbeiteten bisher daran, die grundsätzliche Funktion des samtsystems über mehrere Zyklen abzusichern.

In einem 2012 gestarteten, bis 2015 laufenden Folgeprojekt „Entwicklung Nutzfahrzeug-SOFC-APU“ konzentrieren sie sich auf Lebensdauertests und die seriennahe Produktentwicklung. Sie gehen davon aus, dass die Brennstoffzellensysteme drei Jahre später marktreif sind und erwarten ein Absatzpotenzial im mittleren fünfstelligen Bereich.

Die von den beteiligten Unternehmen bereits erreichten Fortschritte zur Verbesserung von Wirkungsgrad und Funktionsstabilität werden im Folgenden umrissen.

Projektinfo 02/2013:
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Merkzettel

Adressen

Projektleitung, Entwicklung Reformer und Gesamtsystem
Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG

Entwicklung und Fertigung SOFC-Stack
Elring Klinger AG

Herstellung von Hochleistungs-Wärmeübertragern
Behr GmbH & Co. KG

Grundlagenentwicklung Reformer/Restgasbrenner, Entwicklung von Betriebsstrategien, Lebensdaueruntersuchungen
OWI gGmbH

Tests der Wärmeübertrager und Stacks, Entwicklung von Betriebsstrategien
Projektträger Jülich

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu den Projekten 0327823 und 0327703.