Energieeinsparmaßnahmen am Methanol-Brennstoffzellen-Fahrzeug

Spaniel, Dirk; Wallentowitz, Henning

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-6652

Energieeinsparmaßnahmen am Methanol-Brennstoffzellen-Fahrzeug

Spaniel, Dirk (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dirk Spaniel

ImpressumAachen : IKA 2003

Umfang187 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wallentowitz, Henning (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-07-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-6652
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59040/files/Spaniel_Dirk.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Membranbrennstoffzelle (Genormte SW) ; Methanol (Genormte SW) ; Fahrzeugantrieb (Genormte SW) ; Energieeinsparung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Methanol-Brennstoffzellenantriebe für Kraftfahrzeuge werden von führenden Fahrzeugher-stellern als eine der Alternativen zu optimierten konventionellen Antrieben favorisiert, um der durch den weltweit zunehmenden Verkehr bedingten Verknappung fossiler Brennstoffe ent-gegenzuwir-ken. In verschiedenen Studien wird jedoch der Sinn eines Methanol-Brennstoffzel-len (BZ)-Antriebs in Frage gestellt, da dieser Antrieb in der Gesamtenergiebilanz (inklusive Kraft-stoffherstellung) ungünstiger bewertet wird als optimierte konventionelle Antriebe. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, ob ein Methanol-BZ-Antrieb soweit optimiert werden kann, dass er im Vergleich zu konventionellen Antrieben in der Gesamtenergiebilanz günstiger ist. Dabei sollen nur bereits untersuchte und dem aktuellen Stand der Technik entsprechende Modifikationen berücksichtigt werden. Die Bewertung der einzelnen Modifikation erfolgt durch eine rechnerische Untersuchung mit einem Simulationsmodell. Es zeigt sich, dass aus der Simulationstechnik von konventionellen Fahrzeugen entwickelte Simulationsmodelle nicht geeignet sind, BZ-Fahrzeuge abzubilden. Ein für die Simulation von BZ-Fahrzeugen geeignetes Simulationsmodell wird entwickelt. Dabei werden die Abbildung der Brennstoffzellensystem (BZS)-Dynamik sowie die Abbildung verschiedener Schaltungen von BZS, elektrischen Antrieben und Speicher (Hybridkonzepte) berücksichtigt. Anhand der Messdaten eines Prototypen wird eine Validierung des Simulationsmodells vorgenommen. Dabei zeigt sich, dass mit dem entwickelten Simulations-modell die Realität mit hoher Genauigkeit abgebildet werden kann. Anhand von Simulationsrechnungen werden die Einflüsse auf den Verbrauch sowohl isoliert als auch in Kombination untereinander betrachtet. Bemerkenswert ist auch, dass mittels eines neu entwickelten Bewertungsverfahrens Maß-nahmen identifiziert werden konnten, die zu einem energetisch optimalen BZ-Antriebskonzept führen. Werden diesem Konzept weitere Maßnahmen hinzugefügt, so kann der Verbrauch nicht mehr signifikant gesenkt werden. Der mit diesem Antriebskonzept in Verbindung mit einem modifizierten elektrischen Antrieb erzielte Energieverbrauch kann im Vergleich zu dem Basis-Fahrzeug um 36% reduziert wer-den. Es wird gezeigt, dass optimierte BZ-Fahrzeuge mit einem Verbrauch von 2,8 l/100 km bzw. 3 l/100 km Die-seläquivalent im NEFZ bei unverändertem Fahrzeuggewicht (Schwungmassenklasse 1590 kg), einen erheblich niedrigeren Energieverbrauch haben als zukünftige konventionelle An-triebe (3,9 l/100 km Dieseläquivalent). Damit zeigen diese Fahrzeuge sogar in der Gesamt-energiebilanz inklusive der Kraftstoffherstellung keine höheren Werte als verbrauchs-opti-mierte konventionelle Antriebe.

Methanol fuel cell engines are regarded by leading automobile companies as a promising alternative to optimized conventional internal combustion engines in order minimize the effect of a shortage of fossil fuels which is caused by the increasing worldwide traffic. Nevertheless, some recent studies question the effectiveness of methanol fuel cell engines, as their total energy consumption (including fuel production) is judged less favorable than the energy consumption of optimized conventional internal combustion engines. This paper is trying to analyze if and how a methanol fuel cell engine can be optimized so that its total energy consumption is lower than that of an optimized conventional internal combustion engine. Only state of the art technology is considered for this study. The evaluation is carried out with a computer simulation model. It turns out that computer simulation models which were developed for conventional vehicles are unsuitable for the simulation of fuel cell engines. A specific fuel cell simulation architecture is developed to consider the special fuel cell system dynamics and the numerous combinations of fuel cell systems, energy storages and electric drives (fuel cell hybrids). A validation with measured data from a fuel cell prototype vehicle shows a very good consistency between the model and the real vehicle. The effects on energy consumption of the modifications on the fuel cell model are discussed as well as their interaction when applied in combination. An optimized energy efficient fuel cell drive train is derived. Additional energy efficient modifications cannot reduce energy consumption further. The energy consumption of the optimized energy efficient fuel cell drive train is 36% lower than that of a comparable optimized internal combustion engine drive train. A total fuel consumption of just 2.8 litres per 100 kilometres Diesel equivalent (3 litres per 100 kilometres when the vehicle weight remains the same) can be achieved in the NEDC. As a conclusion, it can be stated that methanol fuel cell powered vehicles can achieve an energy consumption as low as the optimized conventional vehicles, even under consideration of the well-to-wheel energy consumption.

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