CO2-freie Mobilität mit einem multivalenten Fahrzeug für ... · Helmut Eichlseder, Manfred Klell,...
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Helmut Eichlseder, Manfred Klell, Klaus Schaffer,Daniel Leitner, Markus Sartory
Technische Universität / HyCentA Graz
11. Symposium Energieinnovation, Graz
10. bis 12. Februar 2010
CO2-freie Mobilität mit einem
multivalenten Fahrzeug für variablen
Erdgas/Wasserstoff-Mischbetrieb
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Forschungsgesellschaft für Verbrennungs-
kraftmaschinen und Thermodynamik mbH (FVT)
Geschäftsführer: Univ. Prof. Dr. Helmut Eichlseder
2002 von der Leitung des
Institutes für VKM und Thermodynamik
gegründet (TU-Graz)
Arbeit des FVT ist eng mit Arbeit des
Institutes verknüpft
(Institutsleitung: Prof. Eichlseder)
Forschungsschwerpunkte im Bereich
Energie
Motor
Verkehr und Umwelt
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Hydrogen Center Austria
(HyCentA)
Erstes österreichisches Forschungszentrum für Wasserstoff mit
Abgabestellen für LH2 und CGH2, eröffnet Oktober 2005
Geschäftsführer: Dr. Manfred Klell
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CO2-freie Mobilität mit einem multivalenten
Fahrzeug für variablen H2NG-Mischbetrieb
Inhalt:
Geschichtliches und aktuelle H2-Konzepte
H2NG-Mischbetrieb: Motivation
Umsetzung eines H2NG-Fahrzeugkonzeptes
Dezentrale Erzeugung von H2 am HyCentA
CO2-Emissionen
Zusammenfassung
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Geschichte: H2 zum Antrieb von Fahrzeugen
Erste Anwendung bereits vor über 200 Jahren
Storage Device
Cylinder
PistonIgnition
1807 François Isaac de Rivaz
1860 Etienne Lenoir
Quelle:http://www.h2mobility.org/
1933 Norsk Hydro
1939 Rudolf A. Erren
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Aktuelle Konzepte: H2 zum Antrieb von Fahrzeugen
State of the Art - Kleinserien und Forschungsfahrzeuge mit H2-VKM
BMW
Mazda
Ford
MAN
Saugrohreinblasung
Kompressor-Aufladung
Wankel
Niederdruck-
DirekteinblasungSaugrohr-Einblasung
Niederdruck-
Direkteinblasung
Turbolader
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H2NG: Motivation
Probleme:
Erzeugung
Infrastruktur
Kosten
Der Weg zu CO2-freier Mobilität mit reinem Wasserstoff
Lösungsansatz:
Brückenfunktion
von H2NG mit
VKM
Zukünftig breiter
Einsatz von
H2-Technologie
H2-Technologie
heute
Quelle: www.netinform.net
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H2NG: Motivation
Brückenfunktion: Vorteile von H2NG in Verbindung mit VKM
Verbrennungskraftmaschine
(anteilige) Absenkung der Emissionen von CO2 entsprechend dem H2-Anteil
Magerbetrieb mit hohem Luftüberschuss zur Absenkung von Emissionen und
Steigerung des Wirkungsgrades
Höheres Volllastpotential von H2NG im Vergleich zu reinem H2
Fahrzeugeinsatz
Reichweitenvorteile durch die höhere Energiedichte
Synergien bei gasführenden Komponenten im Fahrzeug (Drucktank, Leitungen,
Ventile, Injektoren, ...)
Infrastruktur
Graduelle Einführung einer regenerativen H2-Erzeugung
Graduelle Einführung von Tankstelleninfrastruktur
Dezentrale Erzeugung mit lokaler Wertschöpfung durch Verwendung von Biogas
Graduelle Substitution von Erdgas durch Biogas
Nutzung vorhandener Produktionslinien für VKM
Brückenfunktion von CNG zu H2 bezüglich Konsumentenverhalten
Kosten
Verwendung „herkömmlicher“ VKM
Mehraufwand nur durch zusätzlichen Gemischsensor und Bedatung von ECU
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Umsetzung: Multivalentes H2NG-Fahrzeug
Basis: Mercedes Benz E 200 NGT
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Adaption des Motors
H2-Detektoren
H2-Druckleitung
Prüfstand
Alu-Sauganlage
H2-Injektoren
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Sicherheitsabsperrventil
Temperatursensor
Be
nzin
EV
Ste
ue
rle
itu
ng
en
1÷4
Adaption des Motors
Motormanagement
Sensoren und
Aktoren des
Benzinsystems
Druckregler
Tankabsperrventil
H2-Tank
Gas-Rail
Bosch-Injektoren
Benzin
Einspritzventile
1÷4CA
N-B
us
Armaturentafel
Niederdrucksensor
Hochdrucksensor
Benzin/H2 Switch
Kab
elb
au
m
CNG Box
ECU ME
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Adaption des Fahrzeuges
Gasversorgungssystem
Einbau 350 bar Druckgaszylinder für 1.7 kg H2 (56.6 kWh)
Einbau Sicherheitseinrichtungen und Druckkonditionierung
Sicherheitsventile, Schmelzsicherungen,
Durchflussmengenbegrenzer, Absperrventile, Druckregler,…
Betankungsnippel für 350bar GH2
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Adaption des Fahrzeuges
Elektronisches Gas Sicherheitssystem (ELGASS)
Funktionen:
Umschaltsteuerung
Füllstandsberechnung
Redundante Leckage-
detektierung
Visualisierung des
Systemstatus
Messdatenerfassung
Einleitung von
Notaus-Maßnahmen
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Adaption des FahrzeugesELGASS: Visualisierung des Systemstatus
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Zulassungsprozess
Konstruktion und Ausführung des multivalenten Gasfahrzeuges
in Anlehnung an
Einzelverordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäischen
Parlaments und des Rates vom 14. Jänner 2009 über die
Typengenehmigung von wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen
und
Erdgasrelevante Regelwerke: ÖVGW G95 (ECE-R-110 u. 115)
Sept. 2009: TÜV-Abnahme durch TÜV Austria Automotive
Okt. 2009: Abnahme des Fahrzeuges durch die Fachabteilung
17B – Kraftfahrwesen und Sicherheitsdienst
Okt. 2009: Ausstellung des Einzelgenehmigungsbescheids
Rechtsgrundlage §28 und §34 des Kraftfahrgesetzes 1967, BGBl.
Nr. 267/1967 i.d.g.F.
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Pressepräsentation
4. November 2009
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Gradueller Aufbau von H2-Erzeugung
Dezentrale Produktion von Wasserstoff
mit Ökostrom auf Basis von Sonnen-, Wasser- und Windenergie
höchste Energieeffizienz durch Kopplung von H2-Erzeugung, Wärme-
und Sauerstoffnutzung
Beispiel: Elektrolyse mit Ökostrom am HyCentA
H2O2
Wärme
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H2NG: Motivation
Probleme:
Erzeugung
Infrastruktur
Kosten
Der Weg zu CO2-freier Mobilität mit reinem Wasserstoff
Lösungsansatz:
Multivalente Fahrzeuge für
variablen Erdgas/Wasserstoff
Mischbetrieb
Zukünftig breiter
Einsatz von
H2-Technologie
Quelle: www.netinform.net
H2-Technologie
heute
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Vergleichsbasis: Kompaktklasse 1.7l Diesel: 117gCO2/km Bj. 2000
CO2-Emissionen: Well to Wheel im NEFZ
-120.0%
-100.0%
-80.0%
-60.0%
-40.0%
-20.0%
0.0%
WtW
CO
2-E
mis
sio
nen
[∆
%]
WtW [∆%] -8.5% -1.9% -91.1% -96.4%
Kompaktklasse
1.6l Diesel, Bj.
2010
Kompaktklasse
Batterie EU
Strommix
HyCar Elektrolyse
Ökostrom
Kompaktklasse
Batterie Ökostrom
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Zusammenfassung
Mischgase H2 – CH4 weisen neben CO2-Minderung günstige Eigenschaften für motorische Verbrennung auf
Wirkungsgradpotential, Potential zur Emissionssenkung
Günstiges Volllastverhalten
Bessere Nutzbarkeit von Biogasen
„Multivalentes“ Versuchsfahrzeug wurde dargestellt und straßenzugelassen
Adaptierung des Motors und neues Tanksystem
Eigenes elektronisches Gassicherheitssystem (HyCentA)
mit begrenztem Aufwand dargestellt
Einstiegsszenario und Brückentechnologie für Wasserstoff
auf Basis kostengünstiger und ausgereifter Technologie
graduell möglich, z.T. Infrastruktur vorhanden
Reichweitenvorteil vs. reinem Wasserstoff
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Mitsubishi Evo IX
Bivalentes Wasserstoff / Benzin Fahrzeug
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CO2-freie Mobilität mit einem
multivalenten Fahrzeug für variablen
Erdgas/Wasserstoff-Mischbetrieb
HYCAR-Projektpartner: FVT, HyCentA, Steirische Gas Wärme GmbH, Linde Gas GmbH und Continental
Automotive AG (vormals Siemens VDO)
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Well to Tank
CO2-Emissionen
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Erdgas Benzin/Diesel Biosprit Wasserstoff Strom
CO
2-E
mis
sio
ne
n W
tT [g
/kW
h]
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Flammengeschwindigkeit
Wasserstoff in Methan
Hu
Lam
inare
Fla
mm
en–
geschw
indig
keit [
cm
/s]
38
40
42
44
46
48
50
Anteil H2 in CH4 [Vol%]
0 5 10 15 20 25 30
Anteil H2 in CH4 [Energie%]
0 1.56 3.24 5.05 7.01 9.13 11.45
vlam
Unte
rer
Heiz
wert
[kW
h/N
m3]
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
10.5
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MotivationMotivation
Vergleich der Gemischbildungsverfahren
BLENDS
Wasserstoff
Saugrohr
293
2.97
83
Erdgas
Saugrohr
293
3.40
90
Kraftstoff
Gemischbildung
Gemischtemperatur [K]
Gemischheizwert [MJ/m3]
Volllastpotential [%]
Annahmen:
a
e
n
VH
= 1
= konst.
= konst.
= konst.
= konst.
Benzin
Saugrohr
293
3.59
100
Verbrennungskraftmaschine (anteilige) Absenkung der Emissionen von CO2 entsprechend H2-
und/oder Biogasanteil
Magerbetrieb mit hohem Luftüberschuss zur Absenkung von NOx
und Steigerung des Wirkungsgrades
Verbrennungsbeschleunigung und damit Wirkungsgrad-
verbesserung durch hohe Verbrennungsgeschwindigkeit
Fahrzeugeinsatz Reichweitenvorteile durch die höhere Energiedichte von Erdgas
gegenüber Wasserstoff
Synergien bei gasführenden Komponenten im Fahrzeug (Drucktank,
Leitungen, Ventile,..) und bei der Infrastruktur (Pipelines)
Infrastruktur Brückenfunktion von CNG zu H2 bezüglich Konsumentenverhalten
und Infrastruktur
Mögliche graduelle Einführung einer regenerativen H2-Erzeugung
Eigenschaften von H2NG
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6
Ste
p W
idth
2°
CA
0m
ax.
RF
Spark-
plug
EV IV
Sig
nal In
tensity
Experimentelle Untersuchungen
Transparentmotor
00
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4
Zeit nach ZZP in ms
Rad
ius v
erb
ran
nte
Zo
ne
in
mm Wasser-
stoff
Blends50% 25%
10%
Methan
Zündverzug
λ≈1.1, n=1000min-1, WOT
MFB50 ≈8°KW n.OT
Geschwindigkeit der Flammenausbreitung vfp
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Adaption des Motors
Versuchsergebnisse
Differenzkennfeld H2/Benzin
e / %
pe /
bar
0
2
4
6
8
10
12
n / min–1
1000 2000 3000 4000 5000 6000
0.0
-1.5-1.0
1.02.0
3.0
2.5
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8
Adaption des Motors
Versuchsergebnisse Wasserstoffbetrieb
Luftverhältniskennfeld
pe /
bar
0
2
4
6
8
10
12
n / min–1
1000 2000 3000 4000 5000 6000
10
20
30
40
50
60
70
80
17616214913512210895816854412714
2.4
2.0
1.9
1.81.7
1.6
2.1
2.2
/ –
Pe / kW
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Adaption des Motors
Volllastpotenzial
= 1.0
= 1.6 ... 1.9
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
n / min–1
1000 2000 3000 4000 5000 6000
CNG
H2
pe
/ bar
50H2NG=1.0…1.4
75H2NG
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CO2-Emissionen
Eigenschaften von H2NG
Methan
H2/CH4
0,20 0,20 0,190,18
0,15
0,00
0,27
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0% 4% 10% 25% 50% 100% ROZ 98
Spezifis
che C
O2-E
mis
sio
n [k
g/k
Wh]
Benzin
Wassers
toff
H2-Anteil in CH4 [Vol-%]
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1
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
pp
mExperimentelle Untersuchungen
Emissionen und Wirkungsgrad
0.90 1.10 1.30 1.50 1.70 1.90 2.10
Luftverhältnis λ
0
8
16
24
32
40
48
%
NOX in ppmHC in ppm
ηi HD in %
n=2000min-1, pi=6bar, MFB50 ~8°KW n.OT
CH4
4% H2
10% H2
25% H2
Überstöchiometrische
Betriebsgrenze
ROZ98