Sicherheit von Wasserstofffahrzeugen: Mythen und Realität
Vor einiger Zeit habe ich mal – wie in ähnlicher Form das Thema synthetische Kraftstoffe, also E-Fuels beleuchtet. Heute gehts um Wasserstoff und die Brennstoffzelle. Es gibt weit verbreitete Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Fahrzeugen, die mit Brennstoffzellen betrieben werden. Ein Hauptgrund für diese Befürchtungen ist die allgemeine Kenntnis über die Brennbarkeit von Wasserstoff. Tatsächlich kann Wasserstoff in Anwesenheit von Sauerstoff brennen und in einem Verhältnis von 4% bis 75% in der Luft ein zündfähiges Gemisch bilden. Ein explosives Gemisch entsteht jedoch erst bei einem Wasserstoffanteil von mindestens 18%.
Ein wichtiger Aspekt, der oft übersehen wird, ist die Tatsache, dass Wasserstoff etwa 14-mal leichter als Luft ist. Dies bedeutet, dass er sich in offenen Umgebungen schnell verflüchtigt. Ein Bericht hebt hervor, dass Wasserstoff etwa 57-mal leichter als Benzin und 14-mal leichter als Luft ist. Wenn er in einer offenen Umgebung freigesetzt wird, steigt er typischerweise schnell auf und verteilt sich rasch. Dies bietet in Außenbereichen einen Sicherheitsvorteil.
In einem Experiment, das von Forschern durchgeführt wurde, wurden zwei Autos in Brand gesetzt: eines mit einem Benzintank und das andere mit einem Wasserstofftank. Das Ergebnis zeigte, dass das mit Benzin betriebene Auto innerhalb von 60 Sekunden vollständig in Flammen stand, während das Wasserstoffauto eine große Stichflamme erzeugte, die schnell wieder erlosch.
Ein weiterer Artikel betont, dass es für Ersthelfer, wie Feuerwehrleute und Rettungsdienste, wichtig ist, neue Verfahren und Reaktionen für Unfälle zu entwickeln, die ein Wasserstofffahrzeug betreffen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wasserstoff zwar brennbar ist und unter bestimmten Bedingungen ein explosives Gemisch bilden kann, aber in der Praxis aufgrund seiner leichten und flüchtigen Natur weniger gefährlich ist als andere Kraftstoffe. Fahrzeuge mit Brennstoffzellen stellen keine besondere Explosionsgefahr dar, und die Brandgefahr ist bei Fahrzeugen mit Benzin- oder Dieseltank tatsächlich höher.
Wasserstoffspeicherung: Mythen und Realität
Die Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Frühere Modelle, wie der BMW Hydrogen 7, nutzten flüssigen Wasserstoff, der in einem kälteisolierten Tank bei extrem niedrigen Temperaturen von etwa -250 Grad Celsius gelagert wurde. Ein Problem dabei war, dass der Wasserstoff im Laufe der Zeit erwärmte und verdampfte, was zu Druckanstiegen im Tank führte. Um diesen Druck zu regulieren, musste das Gas entweichen, was zu beträchtlichen Verlusten führte. Ein Beispiel dafür ist, dass sich der Tank des Hydrogen 7 innerhalb von 9 Tagen halbierte, wenn er nicht verwendet wurde.
Heutige Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen jedoch gasförmigen Wasserstoff, der in Drucktanks mit bis zu 700 bar gespeichert wird. Die Technologie für diese Tanks wurde durch Erfahrungen mit Erdgasfahrzeugen, die Drücke von bis zu 200 bar nutzen, weiterentwickelt. Diese modernen Tanks sind so konstruiert, dass sie aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen, wodurch das Entweichen von Wasserstoff minimiert wird. Tatsächlich sind die Verluste durch entweichenden Wasserstoff heutzutage vernachlässigbar. Es gibt jedoch immer noch Verluste, die beim Komprimieren des Gases entstehen, wobei einige Quellen diese Verluste auf etwa 12 Prozent schätzen.
Ein weiterer Aspekt ist das Gewicht der Tanksysteme. Zum Beispiel wiegt das Tanksystem des Mercedes GLC F-Cell, das 4,4 Kilogramm Wasserstoff fasst, etwa 125 Kilogramm. Dies ermöglicht dem Fahrzeug, mit einer einzigen Tankfüllung etwa 400 Kilometer weit zu fahren. Zum Vergleich: Ein Tesla Model S mit ähnlicher Reichweite hat einen Akku, der ungefähr 650 Kilogramm wiegt.
Fazit: Die Technologie der Wasserstofftanks hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, insbesondere durch Erfahrungen mit Erdgasfahrzeugen. Die Verluste durch Wasserstoffentweichung oder Diffusion sind mittlerweile minimal, und die Technologie bietet eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Brennstoffen. Quelle
Effizienz von Wasserstoff- gegenüber Elektrofahrzeugen
Wasserstofffahrzeuge sind in der Diskussion um nachhaltige Mobilitätslösungen immer präsenter. Ein zentrales Thema dabei ist die Energieeffizienz. Aktuelle Brennstoffzellentechnologien weisen einen beeindruckenden Wirkungsgrad von bis zu 83% auf, wobei das gesamte Fahrzeugsystem einen Wirkungsgrad von etwa 50% erreicht. Im Vergleich dazu haben Elektrofahrzeuge einen Wirkungsgrad von bis zu 90%. Es ist jedoch zu beachten, dass beim Schnellladen von Elektrofahrzeugen der Wirkungsgrad auf bis zu 75% sinken kann.
Ein interessanter Aspekt der Brennstoffzelle ist, dass sie bereits heute einen doppelt so hohen Wirkungsgrad wie herkömmliche Verbrennungsmotoren aufweist, die je nach Betriebszustand einen Wirkungsgrad von bis zu 65% erreichen können. Die Brennstoffzelle fungiert als Energiewandler, der Wasserstoff in elektrische Energie umwandelt. Dies bedeutet, dass sie niemals die gleiche Effizienz wie eine Batterie, ein reiner Energiespeicher, erreichen kann. Ein Vorteil der Brennstoffzelle ist jedoch die Möglichkeit, die entstehende Abwärme zur Fahrzeugheizung zu nutzen.
Wenn man den gesamten Energieprozess von der Wasserstofferzeugung bis zur Umwandlung in elektrische Energie betrachtet, ergibt sich ein Wirkungsgrad von 29 bis 32%. Dies ist nur geringfügig besser als bei herkömmlichen Benzin- (22%) oder Dieselfahrzeugen (25%). Elektrofahrzeuge haben bei einer ganzheitlichen Betrachtung, die auch die Stromerzeugung einschließt, einen ähnlichen Wirkungsgrad wie Wasserstofffahrzeuge. Interessanterweise zeigt eine Studie, dass selbst wenn Wasserstoff aus Erdgas hergestellt wird, Wasserstofffahrzeuge im Vergleich zu Benzinern um etwa 25% effizienter sind.
Es ist wichtig zu betonen, dass die Wahl zwischen Wasserstoff- und Elektrofahrzeugen nicht nur eine Frage der Effizienz ist. Andere Faktoren, wie die Verfügbarkeit von Rohstoffen, Infrastruktur und Umweltauswirkungen, spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der besten nachhaltigen Mobilitätslösung. Auch die Energiequelle beeinflusst zum Beispiel den Fussabdruck.
Effizienz von Wasserstoff- und Batteriefahrzeugen: Ein Vergleich
Während Elektrofahrzeuge immer mehr an Bedeutung gewinnen, bleibt die Rolle von Wasserstofffahrzeugen im Verkehrssektor umstritten. Einige Untersuchungen haben gezeigt, dass Batteriefahrzeuge in Bezug auf den Energieverbrauch effizienter sind als ihre Wasserstoff-Pendants. Zum Beispiel, wenn man mit einer bestimmten Menge an erneuerbarer Energie beginnt, führt die Umwandlung dieser Energie in eine Batterie eines Elektrofahrzeugs zu einem Verlust von 6% der ursprünglichen Gesamtmenge. Im Gegensatz dazu führt die Erzeugung von Wasserstoff zu einem Verlust von 32%. Quelle
Zudem gibt es beim Betrieb des Fahrzeugs weitere Unterschiede. Bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug geht weitere 17% der ursprünglichen elektrischen Energie verloren, während bei einem Wasserstofffahrzeug weitere 35% verloren gehen. Das bedeutet, dass bei einem Batteriefahrzeug 77% der ursprünglichen Energie genutzt wird, während bei einem Wasserstofffahrzeug nur 33% genutzt werden.
Trotz dieser Unterschiede in der Effizienz hat Wasserstoff den Vorteil, dass er als transportabler Energiespeicher dient, was ihn in bestimmten Anwendungen, wie z.B. im Schwerlastverkehr oder in der Schifffahrt, nützlich macht. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass Wasserstofffahrzeuge jemals mit Batteriefahrzeugen in Bezug auf die Effizienz konkurrieren können.
Abschließend lässt sich sagen, dass, obwohl Wasserstofffahrzeuge in bestimmten Bereichen Vorteile haben können, Batteriefahrzeuge in Bezug auf die Effizienz überlegen sind. Das Hauptziel beider Technologien sollte jedoch die Reduzierung von CO2-Emissionen sein, und in diesem Bereich haben beide Technologien Potenzial.
Wasserstoff: Energetische Revolution oder bloße Illusion?
Während Wasserstoff als das am häufigsten vorkommende chemische Element im Kosmos gilt, ist es auf der Erde nicht in seiner reinen Form vorhanden. Die Gewinnung von Wasserstoff aus natürlichen Ressourcen ist daher eine Herausforderung. Dennoch kann Wasserstoff aus Wasser extrahiert werden, was ihn zu einer potenziell unerschöpflichen Ressource macht. Es gibt auch Verfahren, bei denen fossile Brennstoffe wie Erdgas zur Wasserstofferzeugung verwendet werden. Eine umweltfreundliche Methode ist jedoch die Elektrolyse, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, vorausgesetzt, der dafür benötigte Strom stammt aus CO2-neutralen Quellen.
Die Elektrolyse hat einen Wirkungsgrad von etwa 60-70%, was bedeutet, dass nicht alle eingesetzte Energie in Wasserstoff umgewandelt wird. Wenn jedoch der Strom aus CO2-neutralen Quellen stammt, wird der Wirkungsgrad weniger kritisch, da die Speicher- und Transportkapazität von Wasserstoff wichtiger wird. Insbesondere bei erneuerbaren Energien können Produktionsspitzen auftreten, weshalb Experten schätzen, dass für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen zwischen 200 und 300 Terrawattstunden gespeichert werden müssen. Hier könnte Wasserstoff als effizienter Energiespeicher dienen, im Gegensatz zu Batteriespeichern, die teurer sind.
Ein weiterer Vorteil von Wasserstoff ist seine potenzielle Rolle bei der CO2-Reduzierung in der Stahlproduktion. Derzeit wird in Hochöfen Kohle als Brennstoff verwendet, was zu erheblichen CO2-Emissionen führt. Durch den Einsatz von Wasserstoff könnten diese Emissionen erheblich reduziert werden.
In Bezug auf den Verkehr könnten Wasserstoffautos von der erhöhten Wasserstoffproduktion profitieren, insbesondere wenn die Stahlindustrie ihren Wasserstoffbedarf erhöht. Die derzeit in Deutschland produzierte Menge an Wasserstoff könnte bereits eine erhebliche Anzahl von Autos versorgen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wasserstoff, obwohl er nicht natürlich in reiner Form auf der Erde vorkommt, durch Technologien wie die Elektrolyse gewonnen werden kann. Seine Rolle als saubere Energiequelle und sein Potenzial zur Reduzierung von CO2-Emissionen in verschiedenen Industrien machen ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für die zukünftige Energiewende. Quelle
Wasserstoff vs. Elektro: Ein Blick auf die CO2-Bilanz
Es gibt ein weit verbreitetes Missverständnis über die CO2-Bilanz von Wasserstofffahrzeugen. Während batteriebetriebene Elektrofahrzeuge in Bezug auf den Wirkungsgrad von der Energiequelle bis zum Rad (Tank-to-Wheel) beeindruckend sind, zeigt eine umfassendere Betrachtung von der Energiequelle bis zum Rad (Well-to-Wheel) ein differenzierteres Bild. Selbst wenn Wasserstoff aus Erdgas gewonnen wird, schneiden Wasserstofffahrzeuge in dieser ganzheitlichen Betrachtung etwa 25 Prozent besser ab als konventionelle Verbrennungsfahrzeuge.
Ein Bericht hebt hervor, dass die CO2-Bilanz eines Fahrzeugs über dessen gesamten Lebenszyklus stark davon abhängt, wie der benötigte Wasserstoff oder Strom produziert wird. Die Herstellung von Wasserstoff kann, je nach Methode, unterschiedliche Mengen an CO2 freisetzen. Beispielsweise kann die Produktion von sogenanntem grauem Wasserstoff, der durch Dampfreformierung hergestellt wird, den CO2-Fußabdruck eines Wasserstofffahrzeugs erhöhen. Im Gegensatz dazu hat grüner Wasserstoff, der durch Elektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energien hergestellt wird, einen viel geringeren CO2-Fußabdruck.
Die CO2-Bilanz von Elektrofahrzeugen hängt ebenfalls stark von der Herkunft des Stroms und der Art der Batterie ab. Während Lithium-Ionen-Batterien während des Betriebs kein CO2 ausstoßen, kann ihre Herstellung und die Beschaffung der benötigten Materialien den CO2-Fußabdruck eines Elektrofahrzeugs erhöhen. Fortschritte in der Batterietechnologie, wie der Übergang zu Festkörperbatterien, könnten jedoch den CO2-Ausstoß während des gesamten Lebenszyklus eines Elektrofahrzeugs um bis zu 38% reduzieren.
In Bezug auf die Effizienz haben batteriebetriebene Elektrofahrzeuge gegenüber Wasserstofffahrzeugen einen Vorteil. Während die meisten batteriebetriebenen Fahrzeuge eine Effizienz von rund 80% aufweisen, liegt die Effizienz von Wasserstofffahrzeugen oft unter 40%. Dies liegt an den komplexen Prozessen, die sowohl bei der Produktion als auch bei der Speicherung von Wasserstoff sowie bei der Umwandlung von Wasserstoff in Elektrizität in den Brennstoffzellen erforderlich sind.
Abschließend lässt sich sagen, dass sowohl Wasserstoff- als auch Elektrofahrzeuge ihre eigenen Vor- und Nachteile in Bezug auf die CO2-Bilanz haben. Während Wasserstofffahrzeuge den Vorteil bieten, schnell betankt zu werden und keine schweren Batterien mit sich führen zu müssen, könnten Elektrofahrzeuge in Zukunft durch Fortschritte in der Batterietechnologie und -produktion einen noch geringeren CO2-Fußabdruck aufweisen. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass beide Technologien eine wesentlich geringere Umweltauswirkung haben als herkömmliche Verbrennungsfahrzeuge.
Brennstoffzellen und Platin: Ein kritischer Blick
Während Elektrofahrzeuge oft wegen ihrer Abhängigkeit von seltenen Materialien wie Kobalt oder Lithium kritisiert werden, stehen Brennstoffzellenfahrzeuge ebenfalls im Fokus, insbesondere wegen ihres Bedarfs an Platin. Dieses wertvolle Edelmetall ist für die Herstellung von Brennstoffzellen unerlässlich. Interessanterweise wird Platin bereits seit den 1980er Jahren in den Katalysatoren von Benzinmotoren verwendet, ohne dass dies zu großen Kontroversen geführt hat.
Die Frage, die sich stellt, ist, ob Brennstoffzellen tatsächlich einen höheren Platingehalt erfordern als herkömmliche Benzin-Katalysatoren. Es ist bekannt, dass frühere Modelle wie die Mercedes B-Klasse F-Cell einen erhöhten Platingehalt aufwiesen. Dennoch hat die Technologie Fortschritte gemacht. Aktuelle Modelle, wie der GLC F-CELL von Mercedes, haben den Platingehalt im Vergleich zu früheren Modellen um beeindruckende 90% reduziert. Zukünftige Modelle könnten sogar einen Platingehalt aufweisen, der nur geringfügig über dem eines herkömmlichen Benzin-Katalysators liegt, etwa 8-10g.
Die Herausforderung besteht darin, Platin in Brennstoffzellen vollständig zu ersetzen. Dies erfordert intensive Forschung und Entwicklung. Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Recyclingrate von Platin in Benzin-Katalysatoren bereits beeindruckende 98% erreicht hat. Ähnliche Recyclingraten könnten auch für Brennstoffzellen erreichbar sein.
Ein weiterer interessanter Punkt ist, dass Platin in der Industrie weit verbreitet ist, wobei 30-40% der jährlichen Nachfrage auf die Automobilindustrie entfallen. Dies zeigt, dass der Bedarf an Platin nicht nur auf Brennstoffzellen beschränkt ist.
Schlussfolgerung: Der Bedarf an Platin für die Massenproduktion von Brennstoffzellenfahrzeugen ist nicht signifikant höher als der Bedarf für aktuelle Benzinmotoren. Es ist jedoch entscheidend, die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich fortzusetzen, um die Abhängigkeit von diesem Edelmetall weiter zu reduzieren.
Brennstoffzellen-Fahrzeuge: Mythen und Realitäten
Wasserdampfemissionen von Brennstoffzellenfahrzeugen Wasserdampf trägt in der Atmosphäre zur Erwärmung bei und wird als Klimagas klassifiziert. Interessanterweise emittieren Brennstoffzellenfahrzeuge nicht wesentlich mehr Wasserdampf als konventionelle Verbrennungsfahrzeuge, da Benzin aus Kohlen-Wasserstoffen besteht, die bei Verbrennung ebenfalls Wasserdampf freisetzen. Der Wasserdampf aus Brennstoffzellenfahrzeugen hat jedoch niedrigere Temperaturen und kondensiert schneller. Ein Teil des erzeugten Wassers wird daher gesammelt und zur Befeuchtung der Brennstoffzelle zurückgeführt. Somit besteht keine erhöhte Glatteisgefahr durch diese Fahrzeuge. Bei Flugzeugen mit Brennstoffzellenantrieb könnte die Wasserrückgewinnung sogar dazu beitragen, dass bis zu 90% des Wassers für die Bordtoiletten eingespart werden können – eine interessante Option auch für Wohnmobile.
Kosten und Infrastruktur von Wasserstofftankstellen Obwohl Experten die Baukosten einer Wasserstofftankstelle auf etwa 1 Million Euro schätzen und für ein flächendeckendes Netz in Deutschland rund 1.000 solcher Tankstellen benötigt werden, sind die Gesamtkosten von einer Milliarde Euro im Vergleich zu anderen Großprojekten, wie z.B. den 28 Milliarden Euro, die der Dieselskandal Volkswagen gekostet hat, relativ gering. Mit steigender Produktion könnten die Kosten für Wasserstofftankstellen durch Skaleneffekte sogar auf etwa 500.000 Euro pro Tankstelle sinken.
Zukunft von Brennstoffzellenfahrzeugen Trotz ihrer klaren Vorteile, insbesondere in Zeiten des Klimaschutzes, sind Brennstoffzellenfahrzeuge nicht weit verbreitet. Die Hauptgründe sind die hohen Produktionskosten der Fahrzeuge und die teure Infrastruktur. Experten glauben, dass diese Herausforderungen durch Skalierung gelöst werden können. Allerdings ist der Fortschritt bei der Batterietechnik schon so enorm, dass die Hoffnung deutlich schwinden. Der Glaube aktuell: Bei Produktion in großen Mengen könnten die Kosten für Brennstoffzellenfahrzeuge denen von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen entsprechen. Vor allem die aufwendige Brennstoffzellentechnologie ist der grösste Kostentreiber. Die Hoffnung ist es, dass die Bedeutung der Brennstoffzelle für den Transportsektor nach 2025 signifikant steigen wird.
FAZIT
Die größten Hindernisse für die Verbreitung von Brennstoffzellenfahrzeugen sind ihre hohen Produktionskosten und die fehlende Infrastruktur. Beide Probleme könnten jedoch durch Massenproduktion gelöst werden. Es besteht also die Möglichkeit, dass Brennstoffzellenfahrzeuge in der Zukunft keine Nischenprodukte mehr sind.
Der Brennstoffzellenantrieb bietet potenziell CO2-neutrale Mobilität, Wasserstoff bietet dank seiner guten Speicherfähigkeit für schwere Fahrzeuge oder Langstrecken Vorteile auch gegenüber dem batterielektrischen Antrieb. Auf Grund des schlechten Wirkungsgrad well to wheel brauchen Wasserstoffautos allerdings große Mengen an idealerweise CO2-neutral erzeugtem Strom. Solange sich CO2-Einsparung für niemanden als finanzieller Vorteil auszahlt, ist die Brennstoffzellen-Technik aber in Relation deutlich teurer. Würde sie erstmal massenhaft produziert, würde der Preis auf ein erträgliches Niveau sinken. Die Wahrscheinlichkeit ist aber weiter eher gering.
Ziel der Wasserstoffstrategie der Bundesregierung ist es, Deutschland zum weltweit führenden Ausrüster für moderne Wasserstofftechnologien zu machen. Die neun Milliarden sollen Anwendungen etwa in der Stahl- und in der Chemieindustrie, im Wärmebereich, aber auch im Verkehrsbereich fördern. Das schließt nicht aus, dass Wasserstoff in der Mobilität vor allem auf Lkw, Busse und Schiffe begrenzt bleibt.
Allerdings hieße auch das: Das Wirtschaftssystem insgesamt wird mit erheblich größeren Mengen an Wasserstoff hantieren, die Verfügbarkeit wächst. Asiatische Hersteller wie Hyundai und Toyota entwickeln ihre Brennstoffzellenautos konsequent Richtung Großserie. Die Akzeptanz ist trotzdem nicht da – dafür steigt diese bei den batterieelektrischen Fahrzeugen.
