Konstruktion und Auslegung eines Brennstoffzellensystems für ein Schneemobil

Ziele/Ideen

Die ökonomischen, ökologischen, sozialen und gesundheitlichen Folgen von Klimawandel und Umweltbelastung durch Schadstoffe stellen eine ernsthafte Bedrohung unserer Lebensqualität dar. Der Klimawandel wird durch den Ausstoß von Treibhausgasen, deren Quelle vor allem die übermäßige Nutzung von fossilen Energieträgern ist, verursacht. Um die daraus resultierenden Folgen für Gesundheit und Umwelt zu begrenzen, wurde im Jahr 2015 das Pariser Klima-Übereinkommen vereinbart. Dieses Übereinkommen zielt auf eine vollständige Dekarbonisierung ab, um den Anstieg der Durchschnittstemperatur der erdnahen Atmosphäre und Meere auf 1,5 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Basierend auf diesen Erkenntnissen definierten die Vereinten Nationen und die Europäische Kommission Ziele für die Reduzierung von Treibhausgasen auf internationaler und nationaler Ebene. In Österreich ist eine Reduktion um 40 % bis 2030 (Basis 1990) und eine Dekarbonisierung bis 2050 in allen relevanten Sektoren wie Verkehr, Haushalte, Industrie und Landwirtschaft empfohlen. Eine Dekarbonisierung kann nur dann erreicht werden, wenn kohlenstoffbasierte Energieträger durch erneuerbare kohlenstofffreie Energieträger substituiert werden. Strom und Wasserstoff aus erneuerbaren Energien sind die beiden einzigen kohlenstofffreien Energieträger und können in Kombination eine vollständige Dekarbonisierung ermöglichen. Vor allem der Verkehrssektor hat ein hohes Potential Treibhausgase und Schadstoffe durch die Nutzung dieser Energieträger einzusparen. Strom wird aus Wind-, Solar- und Wasserkraft in Zeiten der Überproduktion gewonnen und durch Elektrolyse in Wasserstoff als Energiespeicher umgewandelt. Der so produzierte Wasserstoff kann in weiterer Folge gespeichert, verteilt und z. B. in brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen lokal schadstofffrei wieder zu elektrischem Strom umgesetzt werden und einen Elektromotor antreiben.

Kurzbeschreibung

In jüngster Zeit wurden große technologische Fortschritte im PKW-Sektor hinsichtlich der Anwendung von Hybridisierungs- und emissionsfreien Technologien auf Basis von Batterien und Brennstoffzellen erzielt. Die wesentlichen Vorteile gegenüber der Verbrennungskraftmaschine sind die lokale Emissionsfreiheit, der hohe Wirkungsgrad und die niedrigen Lärmemissionen. Emissionsfreie Technologien für Spezialfahrzeuge wie Schneemobile, Quads oder Jet-Skis gibt es bisher nur vereinzelt. Jedoch gerade bei Spezialfahrzeugen, die einen hohen Ausstoß an Treibhausgasen und Schadstoffen aufweisen und oft in ökologisch sensiblen Gebieten eingesetzt werden, bieten diese Technologien große Reduktionspotentiale. Im Zuge dieser Masterarbeit wird ein hybrider Brennstoffzellen-Antriebsstrang in ein Schneemobil-Prototyp integriert.

Resultate

Die Ergebnisse zeigen, dass die Integration des hybriden Antriebsstrangs in den begrenzten Bauraum des konventionellen Schneemobils möglich ist. Jene Package-Variante mit der höchsten Bewertung laut der durchgeführten Nutzwertanalyse hat eine Gesamtmasse von rund 187,5 kg und ist somit um 4,5 kg schwerer als der konventionelle Antriebsstrang. Die gravimetrische Leistungsdichte des BZ-Systems beträgt rund 0,31 kWh/kg bzw. die volumetrische Leistungsdichte rund 0,51 kWh/dm³. Mit einer Tankkapazität von rund 1,5 kg Wasserstoff bei 700 bar kann eine Reichweite von durchschnittlich 100 km erzielt werden. Mit einer effektiven Nennleistung von rund 29 kW kann die Leistung des konventionellen Antriebsstrangs von 92 kW zwar nicht erreicht werden, da jedoch das Drehmoment von einem Elektromotor bereitgestellt wird, ist bereits bei geringen Drehzahlen die maximale Leistung abrufbar. Für die Entwicklung von serientauglichen hybriden Brennstoffzellen-Schneemobilen ist hinsichtlich des Packaging noch großes Optimierungspotential vorhanden. Im Zuge einer Serienentwicklung kann vor allem beim Chassis des Schneemobils der Bauraum optimal an die Anforderungen der Komponenten ausgelegt werden (Purpose Design). Dadurch kann die Batterie optimal integriert und zusätzlicher Bauraum für Wasserstofftanks geschaffen und damit eine höhere Reichweite erzielt werden.