Abgasfreie Fahrzeugtechnologien durch Brennstoffzelle und Wasserstoff

Abstract

Das Ziel der Arbeit bestand darin die Potentiale und Möglichkeiten von Wasserstoff als Energieträger und Brennstoffzelle als Energiewandler für eine emissionsfreie Fahrzeug-technologie zu bestimmen. Dazu wurden zunächst die Emissionssituation und Immissionssitu-ation in Österreich für verschiedene Stoffe und mit schwerpunktmäßigem Bezug zum Verkehr betrachtet. Aus den Trends von CO2 und Schadstoffausstößen und Entwicklungen von gesetz-lichen Beschränkungen und Grenzwerten wurden die gegenwärtigen und zukünftigen Prob-lemfelder für den Straßenverkehr identifiziert und Handlungsfelder aufgezeigt.<br />Aus Literaturrecherchen wurde als Basis für die weiteren Arbeiten der Stand der Technik für die Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologie für Automotive Anwendungen aufgearbeitet. Dazu wurden die Grundlagen des Wasserstoffs als Energieträger für eine mobi-le Anwendung und dessen Handhabung ebenso betrachtet. Anschließend wurden die Potenti-ale der Brennstoffzelle als Energiewandler und die Anforderungen an ein Gesamtsystem so-wie weitere Fahrzeugkomponenten untersucht. Um die Möglichkeiten und Potentiale der Technologie auch für den Schwerverkehr abschätzen zu können, wurde zunächst ein Konzept für ein Langstrecken-Zugfahrzeug entwickelt.<br />Aus den Erkenntnissen dieser Arbeiten wurde ein Gesamtfahrzeugmodell für ein Di-rekt-Wasserstoffbrennstoffzellenfahrzeug mit einer Pufferbatterie erarbeitet. Dieses Modell ermöglicht die Simulation des streckenbezogenen Gesamtenergieverbrauches und damit des Kraftstoffverbrauches des Fahrzeuges auf einer beliebigen Strecke.<br />Weiters kann die Interak-tion der verschiedenen Fahrzeugkomponenten in den verschiedenen Fahrzuständen unter-sucht werden. Aus Basis der Erkenntnisse erster Simulationsrechnungen wurden in der Folge Optimierungen am Gesamtsystem zusammen mit aktuellen Forschungsergebnissen an Brenn-stoffzellen untersucht. Die Ergebnisse der Analyse von Emissions- und Verbrauchsverhalten von Klein- und Schwerfahrzeugen wurde in eine Szenarienberechnung eingebracht. Darin wurde auf einer hochrangigen Straßenverbindung in Österreich der Einsatz von Wasserstoff- und Brennstoff-zellentechnologien dargestellt. Die Emissionsszenarienberechnungen für das Jahr 2015 zeig-ten entsprechend große Potentiale zu einer Reduktion beizutragen. Die beim Einsatz von Wasserstoff als Energieträger auftretenden erhöhten Wasseremissionen wurden ebenfalls berücksichtigt.<br />Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass Wasserstoff in Kombination mit Brennstoffzellen als Energiewandler ein großes Potential haben, Emissionsproblematiken im Straßenverkehr zu verringern und die Energieeffizienz der Antriebe stark zu steigern. Den-noch sind in der Gesamtsystemarchitektur noch Technologieverbesserungen möglich.

The work around the thesis "Exhaust free Vehicle Technologies by Fuel Cell and Hy-drogen" aims at identifying potentials and possibilities of hydrogen as energy carrier and fuel cells as energy converters for emission free vehicle concepts. At first the current emission and imission situation as well as past and future trends for different components with rele-vance to traffic in Austria were evaluated. Based on the trends of CO2 and regulated compo-nent emissions and the respective legal regulations and limits, current and upcoming fields of tension for traffic and the respective need for action were identified. As base for the further work the state of the art of fuel cell and hydrogen technolo-gies for automotive application were collected. The basics of hydrogen as energy carrier for mobile applications as well as the handling of hydrogen were approached. Furthermore the potentials of the fuel cell as energy converter and the requirements for an Automotive overall system were evaluated. Heavy Duty traffic is responsible for a majority of emissions. Thus to evaluate the potential of the technologies also for heavy duty vehicles, a concept for a hy-drogen powered long distance truck was developed.<br />Based on the findings of the state of the art evaluation a model of a fuel cell vehicle with a direct hydrogen fuel cell and a hybrid battery system was developed. This model en-ables the simulation and prediction of the energy consumption and thus the fuel consumption of the vehicle under different driving conditions. Furthermore the interaction of the different components of the concept can be simulated and optimized. The results of the simulation and modelling were continued in a system optimization in connection with recent research activi-ties in the field of fuel cell design. The results of the evaluation of the emission and energy consumption of light and heavy vehicles were slipped in a emission scenario. This scenario shows the operation of light and heavy hydrogen and fuel cell vehicles on transit inter-city routes in Austria. The scenario for the year 2015 showed large potentials for emission reduction. The increased water vapour emissions as a consequence of the implementation of hydrogen as energy carrier were as well taken into account. Concluding it is to say that hydrogen in combination with fuel cells as energy con-verter have an enormous potential, to mitigate emission effects of traffic and increase the efficiency of the propulsion systems. Nevertheless the overalls concepts demand further op-timization in component interaction.