Pedelec-Brennstoffzelle T1

E-Bike, Pedelec, Elektrofahrrad
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doran

Pedelec-Brennstoffzelle T1

Beitrag von doran »

In diesem Teil geht es um die Brennstoffzelle, eingeschränkt mit Sicht aus der Interessenslage des Pedelcfahrers. Industrieanwendung oder Forschung u Spezialanwendungen, werden nur am Rande gestreift. Erst wird Grundlegendes beleuchtet um im 2. Schritt die Anwendungsmöglichkeit fürs Pedelec zu sondieren. Ich versuche ohne Mathematik u Formeln dem "Normalfahrer" die Materie näher zu bringen. Ob das gelingt, wird man sehen - einen Versuch ist es wert.
Man kann die Brennstoffzelle im weitesten Sinne mit dem "Saxo-Motor" vergleichen, die Vorgänge dort
sind im Forum "Jedem" bekannt. Beim Benzinmotor wird ein reaktionsfähiges Luft (genauer Sauerstoff) Benzingemisch zur Reaktion gebracht ( Reaktion = Verbrennung ) Der Sauerstoffanteil ( ca.18-20% ) der Luft reagiert mit den "Ringmolekülen" des Benzols ( Volksmund: Benzin ) Die chemische Reaktion läuft im milli.sec.- Bereich ab, - die Flammenfront schlägt von der Kerze in Richtung Kolbenboden. Parallel dazu gibt
es einen Druckanstieg ( Ausdehnung der Gase in Abhängigkeit zur Temperatur ) Der Druckanstieg bleibt
technisch beherrschbar ( nutzbar ) weil er nicht schlagartig ( wie bei Sprengstoffen ) sondern in einer
definierten Zeit (drehzahlabhängig) fast linear ansteigt. Ein technischer Kunstgriff --- man lässt den Boden
(Kolben) eine Ausweichbewegung ( Hub ) machen mit " Bremswirkung des getriebenen Fahrzeuges". So können die expandierenden Gase nutzbar unsere Saxo antreiben. Die Energie kommt dabei aus der freiwerdenden "Bindungsenergie" des Energieträgers Benzin. Chemisch betrachtet sind es Kohlenwasserstoffe mit ungesättigten "Bindungsarmen" die nur allzu bereitwillig eine neue chemische Verbindung (CO2) eingehen . Dabei ist prinzipiell kein Unterschied zwischen Diesel - Benzin -Petroleum -Methanol u.s.w. Es sind alles "Ringmoleküle" der Familie - Benzole/Alkohole mit unterschiedlichen "Molekül-Kettenlängen". Der Energiegehalt variiert zwischen 8 ...11 KWh. / liter , hängt von möglichen Additiven u Druckverhältnissen ( Verdichtung) bei der Zündung ab. Bei der Brennzelle wird ebenfalls ein reaktionsfähiger Stoff ( Wasserstoff - Methanol - Äthanol - Propanol u.s.w.) mit Sauerstoff in Verbindung gebracht .Prinzipiell kann auch ein gasförmiger Energieträger wie Methan Buthan - Propan oder Stadtgas - Erdgas verwendet werden. Vereinfacht kann man sagen, alles was im Verbrennungsmotor verwendbar ist, kann auch in der Brennstoffzelle "verheizt" werden, wenn die technischen Voraussetzungen stimmen. Ob das jeweils Sinn macht, hängt von der Anwendung ab. Die Brennzelle läuft hervorragend mit reinem Sauerstoff, - oder einem geeigneten -
"Sauerstoffträger" - im Alltagseinsatz läuft sie mit Luft, - weil überall vorhanden. Bei der Reaktion wird auch hier Bindungsenergie frei. Durch "Feinsteuerung" lässt man die Reaktion so dosiert ablaufen daß die erzeugte Wärme nur als Nebeneffekt auftritt. Man spricht von einer "kalten Verbrennung". Temperaturen von 80 Grad sind ein praktischer Kompromiß für mobile Anwendung. Bei höherer Temperatur ( 100...120 Grad) steigt die Effiziens der Energieumwandlung. Nachteilig ist die "Abwärme" - im Auto wäre sie als Heizung nutzbar - beim Zweirad ginge sie ungenutzt an die Aussenluft. So steht zu erwarten, daß Brennstoffzellen im Zweiradeinsatz im "Niedertemperaturbereich" ausgelegt werden, was aber prinzipiell den Wirkungsgrad senkt. Etwas vereinfacht besteht die Brennzelle aus einem Gefäß wo an 2-Seiten jeweils Luft ( Sauerstoff ) als Oxidant u auf der anderen Seite der Energieträger - Wasserstoff -( Kohlenstoff in verschiedener Form wie Ethanol - Methanol oder Anderes) zugeführt wird. Nun können die reaktionswilligen Stoffe aber nicht direkt zueinander. Eine "Trennwand" verhindert das zunächst. Diese "Trennwand" kann eine Elektrolytmembran oder eine Feststoffmembran ( Protonenaustauschmembran) sein. Diese Membran gibt es in unterschiedlicher Ausführung. Sie macht den eigentlichen Unterschied bei den Brennzellen aus. Das Prinzip bleibt gleich --- die Membran lässt den Brennstoff ( Energieträger ) nur ohne Elektronen durch ( Elektronen-Strippen) Die Elektronen drängt es dann über den äußeren "Stromkreis" vom Minuspol zum Pluspol zu wandern. Schaltet man zwischen minus u plus einen Verbraucher, so wandern die Elektronen durch ihn hindurch u verrichten "nebenbei" sinnvolle Arbeit. Heißt: lassen ein Birnchen leuchten oder einen Motor drehen - oder einen Akku aufladen u.s.w. Das positive Rumpfatom wandert durch die Membran u verbindet sich nach dem Durchgang mit dem Sauerstoff der anderen Seite. Die Elektronen kommen über den äußeren Kreis am Pluspol an, u gehen zu den Rumpfatomen ( Ionen ) mit Elektronenmangel. Die Dosierbarkeit stellt man mittels Durchflußsteuerung u unterschiedlichen Membranen her - je nach Verwndungszweck. Bei der Oxidation entsteht Wärme als Nebeneffekt. Der Nutzeffekt kommt von den Elektronen die nicht durch die Membran kommen, u ihren Weg über den äußeren "Strompfad" finden müssen. Der Wirkungsgrad liegt dabei ( zur Zeit ) bei ca. 30% für den Strom-Teil, u 10% werden in Wärme umgesetzt, - üblicherweise über die Behälterwandung abgeführt. Die Anteile lassen sich in Grenzen verändern, je nach Schwerpunkt der Anwendung. Als Brennzelle für Zweiradantrieb wird der Schwerpunkt einzig auf hohe Stromausbeute gelegt. Ein paar Haken sind an der Sache schon, so bestehen die Elektroden aus Metall oder Carbon-Nanoröhren (Kohlenstoffröhrchen feinster Art ) oder leitfähigen Kunststoffen, neuerdings auch Folien-Kombinationen. Als Katalysator (Reaktionsbeschleuniger ) sind Überzüge aus Platin oder Palladium notwendig - was die
Herstellung gewaltig verteuert. Ob man in Zukunft Katalysatorwerkstoffe billigerer Art findet, bleibt zu hoffen. Da Platin u Palladium seltene Metalle sind,
wird eine weltweite Massenproduktion aufgrund der Knappheit nicht zu realisieren sein. Ohne Katalysatoren "laufen" die Zellen schlecht bis garnicht - auch da wartet man auf einen Durchbruch .
Fast so schwierig ist die Membrane. Sie muß die Rumpfatome "durchlassen" ( Filter ) die Elektronen
jedoch sperren - obwohl diese um ein Vielfaches kleiner sind . ( Unterschied der Massen ca. 1800 fach).
Das klingt zunächst unmöglich , u doch gibt es solche " Filter" ( Membranen) Die Herstellung ist zur
Zeit recht teuer - da aufwendig, u zusätzlich mit einem gewaltigen " Überhang an Forschung u
Entwicklung belastet". Die technisch einfachste Brennzelle brennt mit Wasserstoff. Bei niedrigen Temperaturen muß der Wasserstoff sehr rein sein. Hochtemperaturzellen ( bis 900 Grad) sind weniger empfindlich - für mobile Anwendung aber ungeeignet. Für industrielle oder Forschung oder militärische Anwendung ist die Wasserstoffzelle zur Zeit Favorit. Ihre Nachteile wiegen bei den Anwendern nicht so schwer. Die Wasserstoff-Brennzelle liefert theoretisch eine maximale Spannung von 1,23 V. pro Zelle
im Leerlauf bei 25 Grad. In der praktischen Anwendung bewegen sich die Werte zwischen 0,5 ... 1 Volt
pro Zelle. Die Spannung lässt sich durch den Brennstoff - der Ausführung der Zelle ( Qualität ) u der Temperatur beeinflussen. Heißt: billige einfach konstruierte Zellen liefern kleinere Ausgangsspannung als
hochwertig gefertigte - mit höherer Temperatur Laufende - u reinem Brennstoff Betriebene. Wer's billig
will, muß Abstriche machen. Die Zellen verhalten sich ähnlich wie bei der Batterie ( Element ) u dem
Ackumulator ( Stromsammler). Man kann sie in Reihe schalten, - unter Einhaltung von el. Regeln auch
parallel ( Abgleich der Spannung u des Innenwiderstandes ) Bei den Brennzellen wird für Zelle oft der
Begriff "Stack" ( Stapel ) benutzt.
Der Wasserstoff muß durch "Aufspalten" von Wasser mittels Elektrolyse gewonnen werden. Dabei
muß "Bindungsenergie" aufgewendet werden, die man später als Nutzenergie ( Fahrenergie fürs Pedelec) nutzen möchte, plus dem obligatorischen Wirkungsgrad-Verlust. Bei kleinen Leistungen wie der Antrieb von Zweirädern spielt das keine große Rolle. Wasserstoff ist sehr flüchtig - stellt hohe Anforderungen an Dichtungen - ( Drücke von mehreren hundert Bar müssen bei den Tanks beherrscht werden ) bei Undichtigkeiten in Räumen besteht Explosionsgefahr - Wasserstoff lässt sich entweder unter hohem Druck speichern - oder abgekühlt bis zur Verflüssigung. Für den Umgang mit ungeschulten Leuten nicht geeignet - wird die Sicherungstechnik soweit getrieben, daß es "narrensicher" wird, - kann es der Normalverbraucher nicht mehr bezahlen. Eine Ausnahme bildet der Hydridspeicher - ein poröses Metall oder Keramik wo sich Wasserstoff zu Speicherzwecken einlagert. Inwieweit solche Lösungen markttauglich ( bezahlbar) u gebrauchstüchtig sind, muß die
Zukunft weisen. Das "Druckproblem" wäre beim Hydridspeicher ein gutes Stück gelöst. Nach dem Verbrennen entsteht als Reaktionsprodukt Wasser - ein Stoff der sich im Fahrzeugbau schlecht mit anderen Werkstoffen verträgt. ( Stahl - Textil - Holz - Leder u.s.w. mögen kein Wasser) Die Probleme sind zwar lösbar - führen aber zu hohen Kosten. Die Fa. Masterflex baut kleine Systeme - z.B. 5OW.
www.masterflex-bz.de
Ein Besuch der Seite lohnt sich - inhaltlich bin ich "teilweise nicht gleicher Meinung" ( tut dem grundlegenden Verständnis aber keinen Abbruch ) der Hersteller hat eine andere Interessenslage nach der er sich ausrichtet .Konkrete Preise gibt es auf Anfrage - zum Nachlesen u Vertiefen meines Berichtes bestens geeignet - ob es mehr Hersteller oder Anwender gibt, weiß ich nicht. Meine Zeit zum Recherchieren ist begrenzt.
Die Alternative wäre zur Zeit die Ethanol ( Spiritus ) oder Methanol-Brennzelle. Nach dem Wasserstoff liegt sie zur Zeit am "Besten im Rennen". Vorteile: Methanol kann ohne Druck u Kühlen in einem einfachen Tank gespeichert werden. Keine hohen Anforderungen an Dichtungen u Tankmaterial - die Verdunstung hält sich in Grenzen. (Explosionsgefahr bei Verdunstung sehr gering) Ethanol - Methanol lässt sich aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen. ( Zuckerrohr - Zuckerrüben - Kartoffeln - Obst - Getreide u.s.w. ) - Ausser CO2 fallen keine "Rückstände" - wie beim Benzinmotor ( Stickoxide) oder Rußpartikel beim Diesel, an. CO2 entweicht als Gas - bildet keine nassen Niederschläge. Alkohol ist in unserem Klimabereich ausreichend frostsicher - bei Wasserstoff wird es unterhalb -3 Grad kritisch, - mit Aufwand kann man ein Einfrieren verhindern, (Kristallbildung) Startprobleme bei tiefen Wintertemperaturen sind vorprogrammiert. Alkohol ist praktisch gespeicherte Sonnenenergie, u somit ein Energieträger - er braucht nicht durch "Reduktion" erzeugt werden. Energiemäßig liegt Alkohol oberhalb von Wasserstoff aber unterhalb von Benzin u Diesel bei etwa 8KWh /l. Setzt man den Wirkungsgrad der Brennzelle mit 30% (praktisch) an, - den Saxo-Zweitaktmotor mit 15%, so ergibt sich in erster Näherung, fast eine Verdoppelung der Reichweite bei gleichem Tankinhalt. Sicher wird der Wirkungsgrad der Brennzelle noch verbessert werden - sie steht erst am Anfang ihrer Entwicklung. Im Laborbetrieb werden knapp 80% Wirkungsgrad erreicht, man sieht wo die Entwicklung hinführen wird. Die Kosten spielen beim "Treibstoff" fürs Pedelec nicht die große Rolle - Reichweite ohne viel Gewicht zählt stärker. Die Herstellungskosten sind bei der Brennstoffzelle der Engpass. Vom Preis her kann zur Zeit keine Zelle auch nur annähernd mit dem Verbrennungsmotor mithalten. Man spricht im Umgangsdeutsch von Brennstoffzellen, meint aber Zellenreihenschaltungen (Stacks) mit festgelegter Nennspannung.(z.B. 12V-24V-36V-48V u.s.w.) Kleine Brennzellen bis 100 W. nennt man "Mikrobrennstoffzellen" - sie werden für mobile Anwendungen in Kleingeräten gebraucht. Die Forschung betrachtet sie als eigenständiges Marktsegment. Sie kämen zunächst aus Preisgründen, Gewicht u Größe für den Einsatz am Pedelec in Betracht. Kaufen kann man zur Zeit noch nichts - jedenfalls nicht zu einem Preis der für "Normalfahrer" bezahlbar wäre. Als Forschungsobjekt existieren Brennstoffzellen - unterstützte/getriebene Zweiräder schon, auch als "Kleinserien-Produkte" für Werbezwecke - Messen - Demonstration - Testfahrzeuge u.s.w. Das Bundesforschungsministerium unterstützt mehrere Forschungseinrichtungen mit der Entwicklung von Brennstoffzellen - das lässt hoffen. Als Labormuster gibt es Brennzellen von "Daumengröße" bis "Autogröße" ( für Energieversorgung ). Fragen, die sich beim Einsatz der Brennzellen rund ums Pedelec ergeben, beleuchte ich in einem späteren Bericht um nicht zu "überziehen" ! Gruß Doran
Saxorotti

Re: Pedelec-Brennstoffzelle T1

Beitrag von Saxorotti »

wann schätzt du wird sowas erhältlich sein und dem benziner von den unterhaltskosten ebenbürtig bzw überlegen sein so das es zweckmässig ist ein rad mit dieser technologie einzusetzen?
doran

Re: Pedelec-Brennstoffzelle T1

Beitrag von doran »

Hallo Saxorotti,

Diese Fragen stelle ich mir auch, um eine fundierte Antwort zu geben muß ich auch sondieren
( recherchieren )- etwas ins "Blaue" zu erzählen, lasse ich lieber sein. Ich denke daß ich mich im
2.Teil dazu äußere. Ich kann nur eine Analyse versuchen, aus der dann jeder seinen Schluß ziehen
kann. Wissen tun wir es erst, wenn es per Werbung angekündigt wird. Natürlich halten sich die
Firmen bedeckt um die Konkurenz nicht zu wecken. Wer als Erster ( möglichst mit einem Patent )
auf dem Markt ist , macht großes Geld - das wissen alle Beteiligten, deshalb die Geheimniskrämerei
u für uns die Schwierigkeit abzuschätzen wie lange man noch warten muß. Lies meinen nächsten
Bericht, da wird noch einiges "beleuchtet" - ich muß mich da auch"reinarbeiten" - teilweise mühsam.
Gruß Doran
Flormf

Re: Pedelec-Brennstoffzelle T1

Beitrag von Flormf »

Hallo zusammen! Habe schon ein wenig gegooglet, aber nichts gefunden, also stelle ich meine Frage mal kurz und knapp: gibt es mittlerweile mal ein paar Neuigkeiten zu dem Thema? Evtl hat ja jemand einen link mit einer news oder steht das noch in weiter Ferne? Danke schonmal

Gruß Manuel
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tnt-dennis
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Re: Pedelec-Brennstoffzelle T1

Beitrag von tnt-dennis »

Wie wäre es hiermit?

http://www.masterflex-bz.de/

Gruß
Dennis
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