Brennstoffzelle & Wasserstoff

Wasserstoff stellt als Energieträger einen wichtigen Baustein für die CO2-neutrale Mobilität der Zukunft dar, da durch ihn überschüssig produzierter Strom aus erneuerbaren Energien gespeichert und auch über größere Distanzen von energetisch günstigen Produktionsorten zum Nutzungsort transportiert werden kann.

Neben der direkten Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren dient Wasserstoff als Grundlage vieler weiterer synthetischer Kraftstoffe, die bereits ein langjähriger Forschungsschwerpunkt des VKM-Instituts sind (CO2-neutrale Kraftstoffe). Hinsichtlich der direkten Nutzung von Wasserstoff liegt der Fokus des VKM-Instituts auf der Nutzung von Brennstoffzellensystemen im Rahmen von verschiedenen Anwendungsfällen und -szenarien, sowie auf der Verwendung von Wasserstoff im Verbrennungsmotor u.a. zur Steigerung des Wirkungsgrads. Das VKM-Institut untersucht dabei nicht nur einzelne Komponenten hinsichtlich deren Potentiale, sondern berücksichtigt ebenfalls das Gesamtsystem sowie die spezifischen Randbedingungen und Zielgrößen, die je nach Anwendungsfall relevant sind.

Entwicklung und Optimierung von Energiemanagement und Betriebsstrategien für brennstoffzellenbetriebene Antriebsstränge

Die langjährige Erfahrung in der methodischen Entwicklung und Auslegung von Energie- und Thermomanagement von Hybridantriebssträngen wird auf brennstoffzellenbetriebene Antriebsstränge übertragen und angepasst. In diesem Zusammenhang ist die Simulation ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung und Optimierung von multikriteriellen Betriebsstrategien. Als Optimierungsziel werden dabei unter anderem Effizienz, Alterung der Brennstoffzelle und/oder der Batterie berücksichtigt. Je nach Entwicklungsziel kommen dabei verschiedene Strategieansätze zum Einsatz, z.B. Optimalsteuerungen, Heuristiken oder prädiktive Betriebsstrategien.

Im Bereich Thermomanagement sind Kaltstart- und Heizstrategien von besonderem Interesse. Hierbei kann zusätzlich zur Simulation eigens entwickelte und innovative Prüfstandtechnik genutzt werden, welche die realistische Abbildung von realen Fahrzuständen am Prüfstand erlauben.

Entwicklung, Komponentenauslegung und Bewertung von anwendungsspezifischen brennstoffzellenbetriebenen Antriebssträngen

Ein Hauptaugenmerk der Brennstoffzellenforschung liegt in der Systembetrachtung von Brennstoffzellensystemen im Antriebsstrang für sowohl PKW- als auch LKW-Anwendungen. Der jeweilige Anwendungsfall des Fahrzeugs hat dabei einen großen Einfluss auf die optimale Gestaltung und Dimensionierung des Antriebsstrangs. Betrachtet werden hierbei die Peripherie der Brennstoffzelle sowie die weiteren mechanischen und elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs. Das Ergebnis ist demnach ein optimal konfigurierter und dimensionierte Antriebsstrang, der optimal auf Basis der definierten Zielgrößen betrieben wird. Die Erkenntnisse dienen in frühen Entwicklungsphasen zur Potentialabschätzung sowie als Basis für Antriebsstrangauslegungen zu späteren Entwicklungszeitpunkten.

Für umfassende simulative Untersuchungen auf Brennstoffzellensystem und -stackebene kommen 0D / 1D – Simulationsmodelle zum Einsatz, durch die z.B. eine genauere Untersuchung des Luftpfades und der relevanten Komponenten möglich ist. Ebenso können durch die genannten Simulationsansätze Detailuntersuchungen zu Temperaturverläufen und thermischen Belastungen durchgeführt werden, welche in gleicher Form am realen Prüfling nur unter hohem Messaufwand möglich sind.

Untersuchung am BZS-in-the-Loop-Prüfstand

Das VKM-Institut verfolgt konsequent die Entwicklungsmethodiken, die bereits bei der Untersuchung von Verbrennungsmotoren und Hybridantriebssträngen erfolgreich zum Einsatz kommen und überträgt diese in Form des Brennstoffzellensystem-in-the-Loop-Prüfstands (BZSiL) auf die Forschung zu brennstoffzellenbetriebenen Antriebssystemen. Der BZSiL-Prüfstand bietet die Möglichkeit das Brennstoffzellensystem auf Gesamtfahrzeugebene bereits in frühen Entwicklungsphasen zu untersuchen, indem ein reales Brennstoffzellensystem am Prüfstand unter Zuhilfenahme von simulierten Antriebssträngen, Betriebsstrategien, Fahrzeugen, Fahrszenarien, etc. betrieben wird. Der Prüfstand befindet sich derzeit in Vorbereitung und wird zunächst die Möglichkeit bieten Brennstoffzellensysteme bis 160 kW zu betreiben. Perspektivisch sind Brennstoffzellensystemleistungen von bis zu 300 kW möglich. Neben modernster Automatisierung und Messtechnik besteht die Möglichkeit Tieftemperaturuntersuchungen mit vorkonditionierten Medien durchzuführen.

Wasserstoff als alternativer Energieträger im Verbrennungsmotor

Im Zusammenhang von Wasserstoff als Energieträger spielt ebenfalls der Wasserstoffmotor eine wichtige Rolle. Eine wichtige Aufgabe ist dabei die Antriebssysteme in ihrer jeweiligen Anwendung angemessen bewerten und deren Potential einschätzen zu können. Besonders in Hinblick auf den Einsatz von Wasserstoff im Nutzfahrzeugbereich bieten sowohl die Brennstoffzelle als auch der Wasserstoffmotor Vorteile.

Die Einspritzung von Wasserstoff im Saugrohr eines Ottomotors trägt dazu bei, dass die Verbrennungsleistung gesteigert werden kann, indem die Flammenstabilität erhöht wird und somit extreme Abmagerungen und damit auch hohe Wirkungsgrade bis 50% erreicht werden können. Durch die Betriebsstrategie muss dabei entschieden werden, ob sich die Einspritzung von Wasserstoff in Bezug auf die definierten Zielgrößen, z.B. Fahrzeugeffizienz, lohnt oder ob Wasserstoff auf Kosten der Effizienz eingespart werden sollte, um diesen zu einem späteren Zeitpunkt sinnvoller einsetzen zu können.

Projekte:

  • Gemeinschaftsforschung mit langjährigen Partnern
  • Matched PhD Program TU Darmstadt & TU Graz
  • ICE2030 – Grenzen der ottomotorischen Wirkungsgradsteigerung in hybridisierten Antriebssträngen
  • Brennstoffzellenanwendung im Nutzfahrzeugbereich Beitrag bei AVL Entwicklungsmethodiksymposium 2021
  • FVV Modular Hybrid-Powertrain