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von Vera Brandstetter
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Das Auto mit Brennstoffzelle

Lesedauer: ca. 3 Minuten – Im zweiten und letzten Teil zum Thema Brennstoffzelle betrachten wir die Chancen, welche das Auto mit Brennstoffzelle in Zukunft haben könnte und welche Anstrengungen dafür erforderlich sind.

Das Auto mit Brennstoffzelle

Ende des 19. Jahrhunderts kam es zwischen Tesla, Westinghouse und Edison zum sogenannten Stromkrieg. Aufgrund mehrerer entscheidender Vorteile konnte sich in diesem Konflikt Tesla und Westinghouse mit der Wechselstromtechnik durchsetzen, und eine lange währende Ära dieser Art von Energieversorgung begann. Jetzt fast 125 Jahre später fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie seit dem 1. Juli 2016 ein branchenübergreifendes Forschungsprojekt namens „DC-Industrie“. Ziel dieses Projektes ist eine Umstellung der Energieversorgung in der industriellen Produktion durch DC DC Spannungswandler auf Gleichstrom. Eine solche Umstellung betrifft nicht nur die Versorgungsnetze, sondern in gleichem Maße auch die Leistungselektronik in der Industrie. Im Folgenden werden sowohl die Vor- und Nachteile der beiden Versorgungsarten als auch die daraus resultierenden Konsequenzen für die Verbraucher analysiert.

Gründe für den Umstieg auf DC DC Spannungswandler


Grundsätzlich muss bei der Wahl einer geeigneten Energieversorgung zwischen zwei separaten Anforderungen unterschieden werden. Die Energieübertragung vom Erzeuger zum Abnehmer und die Funktionsweise der Verbraucher. Um den Strom möglichst verlustarm über weite Wegstrecken transportieren zu können, sind hohe Spannungen notwendig. Eine wirtschaftliche Anpassung der Spannung war in der Vergangenheit nur mit Wechselspannung möglich. Der Energietransport mittels Wechselspannung führt aber in Abhängigkeit der Entfernung und der notwendigen Isolierung zu Verlusten. Diese Verluste beruhen auf den kapazitiven und induktiven Eigenschaften der Leitung, welche in Abhängigkeit der Wechselstromfrequenz und der Leitungslänge zu einem ständig auftretenden Blindstrom führen. Des Weiteren sind in Folge des sogenannten Skin-Effektes, bei dem sich aufgrund der hohen Frequenz die Ladungsträger vermehrt an der Oberfläche des Leiters bewegen, dickere Kabel als bei einer vergleichbaren DC-Übertragung notwendig, um dem Strom eine höhere Leiteroberfläche zur Verfügung stellen zu können.

Bis auf wenige Ausnahmen setzen die großen deutschen Automobilisten beim Umstieg auf regenerative Antriebssysteme aktuell auf batterieelektrische Fahrzeuge. Insbesondere asiatische Hersteller bieten inzwischen auch ein alternatives Konzept, bestehend aus einem Wasserstofftank in Kombination mit einem Brennstoffzellen-Stack an. Ein Auto mit Brennstoffzelle ist heute noch ein sehr seltener Anblick im Straßenverkehr. Die freiwerdende elektrische Energie wird wie im batterieelektrischen Fahrzeug dann mittels Inverter dem Elektromotor bzw. mittels DC/DC-Wandler dem 12V-Bordnetz zugeführt. Die zeitintensiven und meist praxisfremden Ladezeiten der Batterien entfallen hierbei. Der Tankvorgang mit Wasserstoff steht grundsätzlich in Hinsicht auf Dauer und Aufwand dem mit fossilen Brennstoffen in nichts nach.

Die Gefahren durch Wasserstoff bei Unfällen oder bei Pannen während dem Betanken sind ebenfalls als eher unproblematisch einzuschätzen, da sich im Gegensatz zu Benzindämpfen der Wasserstoff aufgrund seiner äußerst geringen Dichte sehr schnell verflüchtigt. Die größten Herausforderungen einen flächendeckenden Einsatz von Autos mit Brennstoffzellen zu ermöglichen liegen in der Schaffung einer entsprechenden Infrastruktur. Die Kosten hierfür sind aufgrund der anspruchsvollen Speicherung des Wasserstoffes genauso wie beim Aufbau eines Ladenetzes für Akkus immens.

Das Auto mit Brennstoffzelle als echte Innovation


Kürzlich veröffentlichte Forschungsergebnisse, das Katalysatormaterial der Brennstoffzellen betreffend, lassen auf ein baldiges Sinken der Herstellungskosten hoffen. Dabei wird versucht das bisher unter anderem in Membranbrennstoffzellen verwendete und teure Katalysatorelement Platin durch günstigere Materialien wie Tantal- und Niob-Disulfid zu ersetzen. Des Weiteren ermöglichen Fortschritte im Herstellungsprozess von Wasserstoff, die ebenfalls auf verbesserte Katalysatoreigenschaften zurückzuführen sind, eine signifikante Effizienzsteigerung. Die Probleme bei der Speicherung von Wasserstoff, die durch Diffusion des Gases verursacht werden, konnten vor einigen Jahren durch speziell beschichtete Tanks deutlich reduziert werden.
Neben der Größe und dem Gewicht der Zellen konnte in letzter Zeit auch der Betrieb in Bezug auf die Störanfälligkeit stetig optimiert werden, was den Einsatz in Privat- und Großserienapplikationen wirtschaftlich sinnvoll erscheinen lässt.

Fazit


Diese lange Zeit fast vergessene Technologie birgt großes Potential die Abkehr von fossilen Brennstoffen und die dezentrale Energieversorgung mitzugestalten. Die größte Herausforderung besteht in der Schaffung einer leistungsstarken Infrastruktur, die neben dem fortschreitenden Ladesäulennetz ebenfalls immense Kosten verursachen wird. Vor dem Hintergrund, dass eine zwingend erforderliche Energiewende nicht mit einer einzigen Technologie zu erreichen ist, sind diese Investitionen jedoch unumgänglich.

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