Portable Brennstoffzellen II

Zuletzt aktualisiert am 05.02.2017

Abstract

Im Rahmen des Projektes wurden die energetischen und ökologischen Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen als Alternative zu Verbrennungsmotoren in mobilen Kleingeräten untersucht. Für die betrachteten Techniken wurden zudem Wege zu einem geschlossenen Materialkreislauf aufgezeigt und eine ganzheitliche Bilanzierung durchgeführt.

Allgemeiner Kontext und Zielsetzung

Zur Begrenzung der lokalen Emissionen wurde im Dezember 2002 die EU-Richtlinie 2002/88/EG mit Wirkung zum 1. August 2004 erlassen. Diese Richtlinie legt Grenzwerte je nach Leistung und Anwendung für Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide aus Verbrennungsmotoren mit einer Nennleistung bis 19 kW fest. Die Studie zeigt, dass die Minderung der lokalen Emissionen durch Brennstoffzellensysteme weit über das technische Verbesserungspotenzial der konventionellen Technik oder durch batteriebetriebene mobile Kleingeräte hinausgeht.

Im Bundes-Immissionsschutzgesetz sind maximale Schallleistungspegel für Rasenmäher festgelegt. Der Betrieb von Brennstoffzellensystemen ist nahezu geräuschfrei. Dies ist für mobile Kleingeräten von besonderer Bedeutung, da sie in der Regel personennah eingesetzt werden.

Vorgehensweise

Für den Systemvergleich zwischen verbrennungsmotorisch betriebenen Kleingeräten und Geräten mit Brennstoffzellen wurden die Referenzsysteme eines mobilen Stromerzeugers und eines Aufsitzmähers gegenübergestellt. Neben dem 4-Takt-Verbrennungsmotor und den Brennstoffzellen (NEXA™-Module) wurden die zu den Energiesystemen gehörenden Komponenten wie Wechselrichter, Asynchron-Generator, Gleichstrommotor und Druckgasflaschen betrachtet. Für eine energetisch und ökologisch vergleichende Bewertung der beiden Systeme wurde eine ganzheitliche Bilanzierung vorgenommen. Hierzu wurden der Energieaufwand und die Emissionen von Herstellung, Nutzung und Entsorgung der einzelnen Komponenten bilanziert.

Der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen verbrennungsmotorisch betriebener Kleingeräte wurden durch Messungen an der FfE, in Kooperation mit dem TÜV Süddeutschland und anhand von Literaturangaben ermittelt. Der Wasserstoffverbrauch des Brennstoffzellensystems wurde anhand von Herstellerangaben berechnet.

Die Ganzheitliche Bilanzierung der jeweiligen Komponenten wurde auf der Basis bereits bilanzierter vergleichbarer Geräte/ Module vorgenommen. Da Brennstoffzellen noch Gegenstand intensiver Forschung sind, konnten nur begrenzt detaillierte Aussagen von Seiten des Herstellers verwendet werden. Weitere Daten wurden mittels umfangreicher Literaturrecherche und Plausibilitätsbetrachtungen abgeschätzt.

Ergebnisse

Die Ergebnisse zeigen, dass der kumulierte Energieaufwand (KEA) für die Herstellung der Brennstoffzellen-Systeme mit Faktor 9 für den Stromerzeuger und Faktor 18 für den Aufsitzmäher deutlich über dem KEA der konventionellen Kleingeräte liegt. Entscheidend bei der ganzheitlichen Analyse ist die Nutzung. Die Bereitstellung des Wasserstoffs für das Brennstoffzellen-System weist einen schlechteren Bereitstellungsnutzungsgrad als die Bereitstellung von Euro-Super-Benzin für das verbrennungsmotorisch betriebene System auf (59 % anstelle von 85 %). Die Brennstoffzellen betriebenen Systeme weisen jedoch einen höheren Wirkungsgrad auf. Beim mobilen Stromerzeuger werden 38,7 % anstelle von 32 % und beim Aufsitzmäher 32,0 % anstelle von 18,2 % erreicht. Hierdurch lassen sich während der Nutzungsphase 54 % bzw. 6 % des KEA einsparen. Unter Berücksichtigung der Aufwendungen für die Herstellung können durch einen Systemwechsel beim mobilen Stromerzeuger die Primärenergieaufwendungen um 43 % reduziert werden, beim Aufsitzmäher steigt der KEA um 13 %.

 

Abbildung 1: Anteiliger KEAH der jeweiligen Baugruppen der untersuchten PEM-Brennstoffzelle
Abbildung 1: Anteiliger KEAH der jeweiligen Baugruppen der untersuchten PEM-Brennstoffzelle

Die kumulierten Emissionen lassen sich durch den Einsatz eines Brennstoffzellensystems bei allen betrachteten Luftschadstoffen und bei Kohlendioxid stark vermindern. Die umweltrelevanten Emissionen bei der Brennstoffzelle entstehen hierbei ausschließlich durch die Herstellung und bei der Bereitstellung des Wasserstoffs, wodurch in erheblichem Maße lokale Emissionen vermieden werden.

Die Entsorgung des konventionellen Stromerzeugungsaggregates ist mit der Entsorgung von Kraftfahrzeugen vergleichbar. Der energetische Aufwand und Gewinne durch eine Wiederverwertung sind in Relation zu den Aufwendungen für Herstellung und Nutzung vernachlässigbar. Eine hohe Recyclingquote beim Brennstoffzellensystem ist insbesondere wegen des hohen Platinanteils von großer ökologischer und ökonomischer Bedeutung. Die Studie stellt aktuelle Verfahren zur Platinwiedergewinnung wie beispielsweise das Aquacat™-Verfahren vor.

 

Praxisbezogenheit, Anwendbarkeit und Umsetzbarkeit

Die Technologie der Brennstoffzelle befindet sich in der Phase der Markteinführung. Durch die weltweit intensiven Forschungs- und Entwicklungs-Aktivitäten sind weitere Verbesserungen bezüglich der Materialaufwendungen für die Herstellung, der Effizienz im Betrieb und der Entsorgung- und Recyclingverfahren zu erwarten. Diese werden den Einsatz von Brennstoffzellen in mobilen Kleingeräten im zunehmenden Maße aus ökologischen Gründen attraktiv machen. Da mobile Kleingeräte in großen Stückzahlen und teilweise mit hoher Gleichzeitigkeit betrieben werden, kann der Einsatz von Brennstoffzellen zur Luftverbesserung an kritischen Tagen mit hoher Schadstoffbelastung beitragen. Beim Einsatz von Brennstoffzellen in mobilen Kleingeräten sind keine technischen Probleme zu erwarten.

 


Abbildung 2: Lokale Emissionen als Äquivalent der zulässigen Emissionen nach Euro-IV-Norm für Otto-Motoren in km

 

Perspektiven und Handlungsbedarf

Der Einsatz von Brennstoffzellen in Kleingeräten kann einen wertvollen Beitrag bei der Einführung der Brennstoffzellen-Technik leisten. Hohe Stückzahlen und Synergieeffekte mit anderen Anwendungen, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, helfen die Kosten zu senken, sowie Zuverlässigkeit und Akzeptanz dieser innovativen Technologie zu erhöhen.

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