Intelligentes Betriebsführungskonzept für die Brennstoffzelle

Kosten, Kosten und Kosten seien die 3 Herausforderungen der Zukunft in der Brennstoffzellentechnologie habe ich als erstes aufgeschnappt, als ich hier in Nabern bei der Daimlertochter NuCellSys begann meine Diplomarbeit zu schreiben.

Nabern: wo ist das denn überhaupt? Nabern gehört zu Kirchheim unter Teck, und das ist in ungefähr 30 bis 40min, von Stuttgart über die A8 in Richtung München, erreichbar. Schon lange setzt man sich hier mit Brennstoffzellentechnologie auseinander. Leise surrende Autos kreuzen hier auf dem Werksgelände den Weg, aber auch die von außen stets mit Eis beschichtete Wasserstofftankstelle ist ein erstes Anzeichen, dass hier weder Benziner noch Dieselmotoren in die Autos eingebaut sind.

Für mich war im ersten Moment faszinierend, dass die aufgebauten Prototypen für den Fahrer schon vollends serientauglich sind – kürzlich wurden Sie ja auch auf der IAA in Frankfurt vorgestellt und selbst der Schumi hat schon eine Kostprobe erlebt.

Aber, dass die Autos selbst unter extremen klimatischen Bedingungen zum Beispiel im Wintertest in Schweden alltagstauglich sind war für mich neu; das ist ja auch nicht selbstverständlich, wenn man sich überlegt, dass als ‚Abgas’ nur Wasserdampf aus dem Auspuff kommt. Und Wasser gefriert ja bekanntlich unter Null. Wie man Kaltstarts und den Betrieb bei Minusgraden hinbekommt ist das bestgehütete Geheimnis unser Forscher. Aber die Autos emittieren nicht nur ausschließlich Wasserdampf sondern sind dazu – wie auch andere mit Elektromotoren angetriebene Autos – noch so leise, dass es Gedanken gibt sie künstlich lauter zu machen, damit sie nicht überhört werden. Akustische Tiefflieger hat die Auto Motor und Sport sie kürzlich genannt.

Im ganz Groben besteht ein solcher Brennstoffzellenantrieb aus Tank, Brennstoffzellenstack und dem sogenannten System. Im Tank befindet sich Wasserstoff unter Hochdruck, der dann unter Zufuhr von Luft im Stack in Strom umgewandelt werden kann. Das Pendant des Stacks wäre beim normalen Motor der Motorblock. Dort findet nämlich die Wasserstoffumsetzung statt. Beim Brennstoffzellensystem entsteht hier der elektrische Strom, der dann einen Elektromotor antreibt. Beim klassischen Verbrenner wird ja hingegen eine sich drehende Kurbelwelle vom Motor angetrieben. Meine Firma NuCellSys liefert das System inklusive der Betriebsführungssoftware, das den Stack betreibt, die gesamte Peripherie sozusagen. Sicherstellung der optimalen Luftzufuhr und Konditionierung, Kühlung des Systems, die richtige Wasserstoffdosierung oder die Betriebssicherheit sind dabei zum Beispiel wichtig.

Aber was kann ich als Mechatronik-Student hier jetzt machen, um daran zu arbeiten die Brennstoffzelle marktfähig zu machen, so dass ich mir bald beim Mercedes Händler um die Ecke als Privatkunde so ein Auto kaufen kann? Damit auch ein Brennstoffzellenfahrzeug unter allen Umständen zuverlässig funktioniert und zu einem akzeptablen Preis vermarktbar ist, untersuche ich im Rahmen meiner Arbeit ein modellbasiertes Konzept, mit dem das System im Betrieb intelligent berechnen kann in welchem Zustand sich der Wasserstoffkreislauf befindet, ohne dass empfindliche (und sehr teure) Laborsensorik eingesetzt werden muss. Denn der Vorteil von einer solchen softwarebasierten Systemanalyse im Gegensatz zu hardwaretechnischer Umsetzung ist neben dem eklatanten Kostenvorteil im rauen, automobilen Betriebsumfeld eine große Robustheit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen.

Dabei betreten wir hier häufig technisches Neuland, in dem Lösungen vielfach nur interdisziplinär, also unter Einbezug verschiedenster ingenieurwissenschaftlicher Disziplinen gefunden werden können. Als Mechatronik-Student bieten sich mir hier tolle Möglichkeiten. Denn einerseits ist das Brennstoffzellensystem verfahrenstechnisch zu verstehen und andererseits ist dann der Lösungsansatz zu programmieren und auf Grundlage ausführlicher Testdaten zu überprüfen, was die ingenieurwissenschaftliche Vielseitigkeit fördert und Verständnis für das gesamte Brennstoffzellensystem erzeugt.

An der automobilen Zukunft mitzuentwickeln ist dabei natürlich extrem spannend und einen kleinen persönlichen Anteil an Hightechantrieben zu liefern umso mehr. Vielleicht wird es mir ja gelingen, im Rahmen des CAReer Programms einzusteigen und bei Daimler weiter an grünen Technologien zu forschen.

Von Markus Kersting, Diplomand NuCellSys


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