Ensa III

Entwicklung eines mobilen, dieselbetriebenen Brennstoffzellensystems zur Stromversorgung parkender Nutzfahrzeuge

Kurzbeschreibung

Lastwagen im Fernverkehr benötigen auch während der Stand- und Ruhezeiten elektrische Energie zur Versorgung von Bordsystemen wie zum Beispiel Klimaanlage, Telekommunikation oder Beleuchtung. Die Versorgung übernehmen normalerweise die Motoren der Fahrzeuge im Leerlauf oder separate, dieselbetriebene Stromgeneratoren (APU) mit einem bauartbedingten elektrischen Wirkungsgrad von üblicherweise nicht mehr als 25%. Die Folgen für Mensch und Umwelt sind Lärm, Schadstoffemissionen wie z.B. Ruß und eine wenig effiziente Nutzung des Dieselkraftstoffs. In den USA gibt es bereits Umweltauflagen, die Truckfahrern den Betrieb von LKW-Motoren im Leerlauf während der Pausenzeiten untersagen (sog. Anti-idling-laws).

Ein Konsortium von Industrieunternehmen der Firmen Eberspächer Climate Control Systems, ElringKlinger und Behr erforscht und entwickelt daher mit Unterstützung durch Forschungsinstitutionen eine alternative, motorunabhängige Bordstromversorgung durch ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem, das leise, schadstoffarm und effizienter arbeitet. Zur Stromerzeugung wandelt ein in das System integrierter Reformer Dieselkraftstoff aus dem Tank des Fahrzeugs in ein Brenngas um, das von der Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) in elektrische Energie umgesetzt wird.

Arbeitsziele des Projekts

Das Brennstoffzellensystem muss zur Integration in Lastwagen leicht, kompakt und sehr robust gebaut werden. Da Dieselkraftstoff Schwefel enthält, der die dauerhafte Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle beeinträchtigen kann, wird eine Minimierung kritischer Wechselwirkungen bei Einsatz schwefeltoleranter Katalysatoren untersucht. Die angestrebte Leistung des technisch ausgereiften Brennstoffzellensystems soll bei 3 kW elektrisch liegen und der Wirkungsgrad bei zirka 30 %. Der Verbrauch pro Betriebsstunde wird dann etwa einen Liter Diesel betragen. Zudem soll das Brennstoffzellensystem beim Preis, seinen Abmessungen und der Lebensdauer wettbewerbsfähig mit APU´s auf dieselmotorischer Basis sein.

Arbeitspakete des OWI

Reformer
Zur Erfüllung der Anforderungen des Gesamtsystems sind die Eigenschaften des Reformers von elementarer Bedeutung. Zur Absicherung der Funktionalität führt das OWI Auslegungs- und Berechnungsarbeiten zur Darstellung und Optimierung des Strömungsfelds und der strukturmechanischen Arbeiten durch. Die Berechnungsarbeiten werden unterstützt mit umfangreichen experimentellen Untersuchungen zu den Berechnungsmodellen. Dazu werden insgesamt vier Teststände mit den inhaltlichen Schwerpunkten Untersuchung neuer Geometrien, Katalysatorauswahl, Kraftstoffvariation und Verdampfervlies-Optimierung kontinuierlich über die gesamte Projektlaufzeit betrieben. Parallel wird eine Steuerungsstrategie entwickelt und erprobt, die unter Einbeziehung von serientauglichen Aktoren und Sensoren die Funktionalität des für die benötigte Lebensdauer der Komponente sicherstellt.

Restgasbrenner
Wesentliche Ziele der Weiterentwicklung des Restgasbrenners sind eine fertigungsgerechte Optimierung der Konstruktion und der Nachweis der Funktionalität über die angestrebte Lebensdauer bei Beanspruchung durch Thermozyklen. Das OWI führt experimentelle Untersuchungen an fertigungsgerecht optimierten Mustern zur Bestimmung des Betriebskennfelds an einem Teststand mit synthetischen Gasen durch. Die Ergebnisse werden in Zusammenhang mit den parallel durch das OWI aufgestellten Berechnungsmodellen zur Strömungssimulation und Festigkeitsberechnungen zur Absicherung der Funktion verwendet. Die Alterung der Materialien und insbesondere der Fügestellen werden in einem Langzeitversuch an Probekörpern über bis zu 7.000 Stunden betrachtet. Parallel wird eine Steuerungsstrategie entwickelt und erprobt, die unter Einbeziehung von serientauglichen Aktoren und Sensoren die Funktionalität des Restgasbrenners für die benötigte Lebensdauer der Komponente sicherstellt.

Abgasanlage
Ergänzend zu der thermischen Restgasverbrennung wird eine katalytische Nachbehandlung durch das OWI ausgelegt und experimentell untersucht. Mit Hilfe dieser Technologie ist es möglich minimale Emissionswerte im Bereich der Null-Emissionsklasse zu erreichen.

Industriepartner

Behr GmbH & Co. KG, Stuttgart
Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG, Esslingen
ElringKlinger AG, Dettingen

Projektförderung

Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 03ET2048 gefördert.

Projektlaufzeit

April 2012 – März 2015

Weiterführende Informationen auf der OWI-Homepage:

Technischer Hintergrund der Brennstoffzellen-APU