Wasserstoffantrieb
Als Wasserstoffantrieb wird umgangssprachlich eine Antriebsart bezeichnet, die Wasserstoff als Treibstoff oder Energieträger nutzt.
Im Wesentlichen lassen sich folgende Konzepte unterscheiden:
- die Verbrennung in einem Verbrennungsmotor – siehe Wasserstoffverbrennungsmotor;
- die Verbrennung in einer Gasturbine;
- die Umsetzung in einer Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor – siehe Brennstoffzellenfahrzeug;
- die Nutzung als Treibstoffkomponente in Raketen – siehe Raketentreibstoff.
Energieträger Wasserstoff
Treibstoff und Abgase
Der als Treibstoff dienende Wasserstoff ist keine Primärenergie, sondern muss analog zur Stromerzeugung aus Primärenergie hergestellt werden. Zu seiner Herstellung ist Energie erforderlich. Diese wird bei der chemischen Reaktion in einem Wasserstoffverbrennungsmotor oder in der Brennstoffzelle teilweise wieder freigesetzt. Wasserstoffgas enthält aufgrund seiner geringen Dichte massebezogen mehr Energie pro Gewichtseinheit als jeder andere chemische Brennstoff. Allerdings ist die Energiedichte volumenbezogen sehr gering. Daher muss Wasserstoff als Treibstoff entweder stark komprimiert (bis etwa 700 bar) oder verflüssigt (−253 °C) werden. Beides ist mit zusätzlichem Energieeinsatz verbunden. Des Weiteren kann die LOHC-Technik den Wasserstoff durch gesonderte Verfahren binden, wodurch die beiden vorher genannten Verfahren überflüssig werden. Jedoch wird bei der Bindung ebenfalls Energie benötigt.
Die Abgase einer Brennstoffzelle bestehen aus reinem Wasserdampf.
Bei der Verbrennung von Wasserstoff in Verbindung mit Luft (in einer Gasturbine) enthalten die Abgase zusätzlich Stickoxide, die bei den hohen Temperaturen im Brennraum aus dem Luftstickstoff entstehen. Bei hohem Luftüberschuss (λ≫1) entstehen weniger Stickoxide, allerdings sinkt dann auch der Wirkungsgrad. Bei Kolbenmotoren gelangen weiterhin Spuren von CO und CH in das Abgas. Sie stammen vom Schmieröl zwischen Zylinderwand und Kolben und von der Kurbelgehäuseentlüftung.
Wasserstofferzeugung
Die wesentlichen Verfahren zur Wasserstofferzeugung sind:
- Die thermochemische Konversion kohlenstoffhaltiger Energiequellen (in der Regel Fossile Energieträger) bei Temperaturen von 300–1000 °C. Das älteste Verfahren dieser Art ist die Dampfreformierung mit einem Marktanteil von über 90 %. Mit diesem Verfahren wurde früher aus Kohle und Wasserdampf das Stadtgas (Synthesegas) hergestellt, das ca. 60 % Wasserstoff enthielt. Durch weitere Prozessschritte kann nahezu der gesamte Energieinhalt der Energiequelle an Wasserstoff gebunden werden. Nachteilig dabei ist das entstehende klimaschädliche Gas CO2. Es gibt auch Technologien, Wasserstoff klimaneutral aus Biomasse herzustellen. Eine erste kommerzielle Anlage,[1] der Blaue Turm Herten, wurde wegen Insolvenz der Solar Millennium AG nicht vollendet.[2]
- Wasserstoff fällt als Nebenprodukt bei einer Reihe chemischer Prozesse (z. B. Chlor-Alkali-Elektrolyse) an. Die Mengen sind erheblich, werden jedoch meist weiterverwendet. Allein der in der Region Köln als Nebenprodukt anfallende Wasserstoff würde ausreichen, um 40.000 Pkw dauerhaft zu betreiben (Stand 2010).[3]
- Noch vergleichsweise selten wird Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser hergestellt. Hier werden inzwischen Wirkungsgrade von 70–80 % erreicht (siehe auch Technische Wasserelektrolyse). Es gibt aktuell Projekte, bei denen der Elektrolyseur direkt durch Windkraftanlagen versorgt wird.[4] Windenergieanlagen werden jetzt an windreichen Tagen mit geringer Stromnachfrage vom Netz genommen; sie könnten stattdessen dann zur Elektrolyse für die Wasserstofferzeugung dienen.[5] Problematisch ist dabei neben der notwendigen Energiemenge auch die Bereitstellung des benötigten Wassers: „Um alle Flugzeuge, die auf dem Frankfurter Flughafen tanken, mit Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser zu versorgen, wäre die Energie von 25 Großkraftwerken nötig. Gleichzeitig würde sich so der Wasserverbrauch von Frankfurt verdoppeln.“[6]
- Versuche, Wasserstoff in einem Wasserstoffbioreaktor mit Algen über eine Variante der Photosynthese herzustellen, befinden sich noch im Forschungsstadium.[7]
Wasserstoffspeicherung
Die technischen Probleme bei der Speicherung von Wasserstoff gelten heute als gelöst. Verfahren wie Druck- und Flüssigwasserstoffspeicherung und die Speicherung in Metallhydriden befinden sich im kommerziellen Einsatz. Daneben existieren weitere Verfahren wie die Speicherung in Nanoröhren oder als chemische Verbindung (N-Ethylcarbazol), die sich noch im Stadium der Entwicklung oder in der Grundlagenforschung befinden.
Wasserstofftankstelle
Als Voraussetzung für die breite Anwendung von Wasserstoffantrieben gilt die Herstellung der Versorgungsinfrastruktur. Um in Deutschland ein flächendeckendes Netz zu erhalten, sind ca. 1000 Wasserstofftankstellen erforderlich.
Weltweit existierten ca. 274 Wasserstofftankstellen (Stand Mai 2017). In Deutschland waren es ca. 30, davon wurden nur 7 öffentlich betrieben. Der Daimler Konzern wird in Zusammenarbeit mit der Linde AG weitere 20 Wasserstofftankstellen bauen, um zunächst durchgängige Verbindungen auf der Nord-Süd- und der Ost-West-Achse zu gewährleisten.[8] → Siehe auch : Hydrogen highway
Im Februar 2020 gab es in Deutschland 87 Wasserstofftankstellen; bis 2021 soll die Zahl gemäß Bundesverkehrsministerium auf 130 steigen. Europaweit gab es im Februar 2020 177 einsatzbereite Wasserstofftankstellen.[9]
Eine Wasserstofftankstelle kostet ca. 1 bis 1,5 Mio. Euro.[10]
Anwendung
Raketenantriebe
Wasserstoff/Sauerstoff-Gemische werden als Raketentreibstoff verwendet, so z. B. für die Haupttriebwerke des Space Shuttle oder der Delta IV Heavy.
Überwasserschiffe
Auf der Hamburger Alster verkehrte von 2007 bis 2013 ein Fahrgastschiff für 100 Passagiere, das durch Strom (ca. 100 kW) aus Brennstoffzellen angetrieben wurde. Die Kosten der Brennstoffzellen betrugen 3 Mio. Euro, das komplette Schiff kostete 5 Mio. Euro. Es wurde im Rahmen des Projektes Zemships entwickelt. Die Stilllegung erfolgte wegen Außerbetriebnahme der H2-Tankstelle wegen Unwirtschaftlichkeit.
Als wasserstoffbetriebenes Hochseeschiff befindet sich die norwegische Viking Lady im Einsatz. Sie ist ein Versorgungsschiff für Bohrplattformen, das 2009 zusätzlich zum dieselelektrischen Antrieb mit einer Brennstoffzelle ausgerüstet wurde. Diese wird wie der konventionelle Antrieb mit LNG (verflüssigtem Erdgas) betrieben.
U-Boote
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Bei der U-Boot-Klasse 212 A und den neueren Booten der Dolphin-Klasse werden Brennstoffzellenantriebe eingesetzt. Die neun wassergekühlten Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellenmodule leisten insgesamt 306 kW. Sie werden mit Sauerstoff aus Drucktanks und Wasserstoff aus Metallhydridspeichern versorgt. Das anfallende Wasser wird als Brauchwasser genutzt. Das aus den Brennstoffzellen kommende Kühlwasser erwärmt den Metallhydridspeicher, um den Wasserstoff auszutreiben.
Das DeepC (in englischer Aussprache: Tiefsee) ist ein wasserstoffbetriebenes, unbemanntes Unterwasserfahrzeug. Es wurde 2004 in Betrieb genommen. Inzwischen ist das Projekt beendet.
Flugzeugantriebe
Fahrzeugantriebe
Heutzutage wird Wasserstoff noch aus fossilen Energien hergestellt und weist somit gegenüber der direkten Verbrennung fossiler Energieträger keine Umweltvorteile auf. Im Rahmen der weltweiten stattfindenden Transformation hin zu nachhaltigen Energiesystemen mittels Erneuerbaren Energien, der sog. Energiewende, ist vorgesehen, Wasserstoff entweder direkt durch Künstliche Photosynthese oder indirekt mittels Elektrolyse aus erneuerbaren Energien, insbesondere Windenergie, Solarenergie und Wasserkraft herzustellen. Dieser Wasserstoff kann dann emissionsfrei in Wasserstoffantrieben genutzt werden.
Wasserstoffantriebe werden mit anderen Antriebsformen konkurrieren, in Zukunft im motorisierten Individualverkehr vorwiegend mit Elektroautos. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff betriebene Autos zwar einerseits effizienter und sauberer sind als fossil betriebene Fahrzeuge, Elektrofahrzeuge aber andererseits wieder deutlich effizienter als Wasserstofffahrzeuge. Aus Sicht der Energieeffizienz sind batteriebetriebene Elektrofahrzeuge demnach sinnvoller als Wasserstofffahrzeuge, da sie deutlich weniger Strom benötigen als beim Umweg über Wasserstoff. Allerdings ist Wasserstoff für Anwendungen notwendig, in denen batteriebetriebene Fahrzeuge nicht sinnvoll eingesetzt werden können, beispielsweise im Schwerlastverkehr, Flugverkehr oder Schiffsverkehr.[11] Da sowohl die Wasserstoffherstellung als auch die Rückverstromung in den Brennstoffzellen des Wasserstofffahrzeugs verlustintensiv sind, benötigen Wasserstofffahrzeuge für dieselbe Strecke etwa 2,2-mal so viel elektrische Energie wie batteriebetriebene Elektroautos.[12]
Verbrennungsmotor
Mazda verleast seit März 2006 den Wasserstoff RX-8 und ist somit der erste Autohersteller, der ein Fahrzeug mit Wasserstoffverbrennungsmotor anbietet.[13][14]
BMW ist der zweite Hersteller, der einen Wasserstoffverbrennungsmotor für PKW zur Serienreife gebracht hat. Der Motor kann sowohl mit Wasserstoff als auch mit Benzin betrieben werden.[15] BMW hat auf der Auto-Show 2006 in Los Angeles das ab November 2007 erhältliche Modell 760h „Hydrogen 7“ vorgestellt. Es basiert auf dem 760i der BMW-7er-Reihe und kann von BMW geleast werden (ein Verkauf ist nicht vorgesehen). Der herkömmliche 12-Zylinder Verbrennungsmotor der 7er Reihe wurde dabei für die Verbrennung von Wasserstoff und Benzin modifiziert. Die Speicherung erfolgt als Flüssigwasserstoff. Für die Wasserstoffverflüssigung (−253 °C) wird allerdings sehr viel Energie benötigt. Außerdem verflüchtigt sich durch unvermeidbare Isolationsverluste ein Teil des Wasserstoffes bei der Lagerung, wenn kein kontinuierlicher Verbrauch gesichert ist. So beginnt die Ausgasung beim BMW Hydrogen 7 nach 17 Stunden Standzeit, nach 9 Tagen ist der Inhalt eines halbvollen Tanks verdampft.[16]
In Berlin waren zur Fußball-Weltmeisterschaft 2006 zwei Busse mit Wasserstoffverbrennungsmotor im Dauereinsatz.[17] Sie legten dort 8.500 Kilometer zurück und hatten im Lauf des Jahres 2006 in Berlin-Spandau den Linienbetrieb aufgenommen. 2009 teilte der Hersteller MAN mit, wegen vermehrter Defekte das Projekt aufzugeben.[18]
Das österreichische Hydrogen Center Austria stellte Ende 2009 unter dem Namen HyCar1 ein Konzeptfahrzeug (Mercedes W211) mit Verbrennungsmotor vor, welches multivalent sowohl mit Benzin, Wasserstoff, Erdgas oder Gasgemischen betrieben werden kann.[19]
BMW hat Ende 2009 bekanntgegeben,[20] dass die Weiterentwicklung von Wasserstoffverbrennungsmotoren eingestellt wird. Der Feldversuch mit Luxuslimousinen, die mit Wasserstoff betrieben werden, wird nicht weitergeführt. „Es wird vorerst keine neue Wasserstoff-Testflotte geben“, sagte der BMW-Entwicklungsvorstand im Dezember 2009. 2010 wurde von BMW der 1er mit Brennstoffzellenantrieb vorgestellt.[21]
Das Startup-Unternehmen Keyou gab 2021 bekannt auf Basis eines 7,8-Liter-Motors von Deutz einen Wasserstoffverbrennungsmotor vorrangig für Stadtbusse anbieten zu wollen. Umwelttechnisch bedenklich sein nur die NOx-Werte, die aber mit einer spezifischen Abgasnachbehandlung verschwinden würden.[22]
HCNG (oder H2CNG) ist eine Mischung aus komprimiertem Erdgas (CNG) und Wasserstoff. Der Wasserstoffanteil liegt bei bis zu 50 Volumenprozent. Dieser Treibstoff kann prinzipiell mit jedem Erdgasmotor verbrannt werden und verringert den Aufwand für konstruktive Änderungen herkömmlicher Verbrennungsmotoren.
Fahrzeuge mit Brennstoffzellen
Brennstoffzellen-Pkw
Schon um 1995 beschäftigten sich Fahrzeugbauer intensiv mit Brennstoffzellen-Pkw. Daimler-Benz stellte mit dem Necar II (New Electric Car) ein Forschungsfahrzeug vor und rühmte es als das „mit Abstand umweltfreundlichstes Auto der Welt“[23] Wird demgegenüber auch die Herstellung des Wasserstoffs als Vorkette bis zur Betankung (Well-to-Tank) in die Betrachtung einbezogen (Well-to-Wheel-Betrachtung), verschlechtert sich dessen Ökobilanz drastisch[24], wird es gar als „Eines der klimafeindlichsten Autos überhaupt“[25] bezeichnet. Eine neuere Ökobilanz von 2015 zeigt auf, unter welchen Rahmenbedingungen Brennstoffzellenfahrzeuge ökologisch konkurrenzfähig werden im Vergleich zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen und konventionellen Fahrzeugen mit Otto- oder Dieselmotoren.[26]
Die in der Schweiz ansässige Firma ESORO stellte 2008 unter dem Namen „HyCar“ ein Konzeptfahrzeug vor.[27]
Die Fahrzeughersteller Toyota, Nissan und Honda haben angegeben, die Produktionskosten für wasserstoffgetriebene Fahrzeuge inzwischen stark reduziert zu haben. Es sei beabsichtigt, in Japan ab 2015 Großserien zu fertigen und zahlreiche Wasserstofftankstellen in den japanischen Metropolregionen zu errichten.[28]
2013 nahm Hyundai in Korea als erster Hersteller die Serienfertigung des Brennstoffzellen-Pkw Hyundai ix35 FCEV in Kleinserie auf; Hauptzielmarkt ist Europa.[29] Seit 2015 findet sich der Wagen unter der Bezeichnung ix35 fuel cell im offiziellen Vertriebsprogramm von Hyundai Deutschland.[30]
2015 bringt Toyota den seriell gefertigten Brennstoffzellen-Pkw unter dem Namen Mirai auf den internationalen Markt.[31]
Daimler wollte 2014 mit der Großserienfertigung von Wasserstofffahrzeugen beginnen.[32] Um die Alltagstauglichkeit des Wasserstoffantriebes nachzuweisen, startete Daimler eine Weltumrundung mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der Mercedes-Benz B-Klasse. Bereits 200 Serienfahrzeuge dieses Typs wurden 2010 auf Leasingbasis an Kunden ausgeliefert.[33] Ende 2012 wurde bekannt, dass sich die Serienproduktion bezahlbarer BSZ-PKW bei Daimler um mehrere Jahre verschiebt.[34]
Opel hatte im April 2011 angekündigt, ab 2015 erste Serienmodelle mit Brennstoffzellenantrieb in Serie zu fertigen und den Aufbau einer flächendeckenden Infrastruktur für Wasserstofftankstellen parallel zur Markteinführung voranzutreiben. Im Zusammenhang mit dem Kernkraftausstieg würde erwogen, überschüssige Energie aus Wind- und Solarkraftwerken zur ökologischen Wasserstofferzeugung zu verwenden. Ein erstes Pilotprojekt sei mit dem Windkrafterzeuger Enertrag geplant.[35] Ende 2012 wurde bekannt, dass die Brennstoffzellenentwicklung bei Opel aufgegeben wurde.[36]
Im November 2014 kündigte Toyota die Serienfertigung des Brennstoffzellenautos („Mirai“) an, das seit Dezember in Japan erhältlich ist. Seit 2015 wird dieses Fahrzeug auch in Deutschland verkauft.[37]
Im Rahmen der IAA 2017 wurde ein Vorserienmodell des Mercedes-Benz GLC F-Cell vorgestellt. Das Fahrzeug ist als Serienmodell seit 2018 im Leasing erhältlich.[38]
Auf der CES im Januar 2018 präsentierte Hyundai mit dem Nexo das Nachfolgemodell des ix35 fuel cell.[39]
Die walisische Firma Riversimple hat ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle entwickelt (Modell Rasa), das ab 2021 in die Serienproduktion gehen wird.[40]
Brennstoffzellen-Busse
Brennstoffzellenbusse erzeugen elektrische Energie mittels einer Brennstoffzelle, die Elektromotoren antreibt. Sie haben zumeist eine Antriebsbatterie als Zwischenspeicher und für die Rückspeisung der rekuperierten Bremsenergie, womit sie zu den seriellen Hybridbussen gehören.
EvoBus von Daimler
Eine Kleinserie wasserstoffbetriebener Stadtbusse wurde vom Daimler-Tochterunternehmen EvoBus gebaut und zur weltweiten Erprobung in Großstädten zur Verfügung gestellt. Da es sich hierbei um Stadtbusse handelt, entfällt das Problem des fehlenden Tankstellennetzes. In der Stadt ist nur eine Tankstelle auf dem Betriebshof des Busbetreibers nötig. 2004 wurden wasserstoffgetriebene Busse in einem gemeinsamen Projekt von DaimlerChrysler, Shell und dem isländischen Umweltministerium in Reykjavík erprobt. Neuere Modelle werden als Mercedes-Benz FuelCell Hybridbusse gefertigt.
Brennstoffzellenbusse in Hamburg
In Hamburg waren ab 2004 drei durch Brennstoffzellen und Elektromotoren angetriebene Stadtbusse von Daimler-Benz in der praktischen Erprobung, sechs weitere seit April 2006. Das Projekt der Hamburger Hochbahn AG und Vattenfall Europe hieß HH2. Der Gesamtwirkungsgrad (Well-to-Wheel) der mit Wasserstoff aus Ökostrom betriebenen Fahrzeuge ist allerdings umstritten, da zur Wasserstoffherstellung und Speicherung enorme Strommengen benötigt werden. Der Energieverbrauch der Wasserstoffbusse entsprach etwa einem Dieselverbrauch von 100 Liter auf 100 Kilometer.[41] Diese zweite weiterentwickelte Generation[42] war bis 2010 im Einsatz. Von 2011[43] bis Ende 2018[44] war die dritte, deutlich verbesserte Version im Einsatz. Es handelte sich um serielle Hybridbusse, deren Brennstoffzelle mit bis zu 60 % Wirkungsgrad arbeitete und die den Strom in Lithium-Ionen-Batterien speicherte. Dadurch waren rein elektrisches Fahren und Rekuperation möglich. Die zwei Radnabenmotoren hatten je 60 kW Dauerleistung und konnten kurzzeitig bis 240 kW leisten.[45] Der Wasserstoffverbrauch konnte um bis zu 50 % verringert werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad besser wurde.[46][47] Vier der Busse sind seit 2019 auf dem Werksgelände des Industrieparks Frankfurt-Höchst im Einsatz.
Brennstoffzellenbusse in NRW
Beim Regionalverkehr Köln (RVK) wurden von 2011 bis 2016 zwei Phileas Brennstoffzellen-Gelenkbusse des niederländischen VDL-Tochterunternehmens Advanced Public Transport Systems (ATPS) eingesetzt.
Vom belgischen Bushersteller Van Hool wurden bei der RVK (Frühjahr 2014: 2 dreiachsige Wagen, ab Herbst 2019: 35 zweiachsige Wagen) und bei den WSW Wuppertaler Stadtwerken (ab 2019) Wasserstoffbusse in Betrieb genommen. Bis Mitte 2020 sollen in der Kölner Region 37 und in Wuppertal 10 Busse in Betrieb stehen.[48] Anfang 2020 folgte eine Bestellung von insgesamt 25 Bussen des Typs Solaris Urbino 12 hydrogen.[49]
Brennstoffzellenbusse im Rhein-Main-Gebiet
In Frankfurt, Wiesbaden und Mainz ist der Einsatz von Wasserstoffbussen vorerst gescheitert, weil der polnische Hersteller Autosan nicht liefern kann. Im Januar 2020 wurde die gemeinsame Bestellung von 11 Fahrzeugen aufgehoben. Sie sollten ab Sommer 2019 eingesetzt werden. Die Tankanlage in Wiesbaden für 2,3 Millionen Euro steht ungenutzt rum. Frankfurt will nun 22 Busse bei einem anderen Hersteller ordern. Zwischen Darmstadt und Groß-Umstadt fährt seit Mai 2019 ein Brenstoffzellenbus im Linienbetrieb des Busunternehmers Winzenhöler. In Wiesbaden fahren seit Dezember 2021 im Linienbetrieb die ersten 2 von 10 bestellten Wasserstoffbussen des portugiesischen Herstellers CaetanoBus S.A., in denen eine Brennstoffzelle (PEM) von Toyota verbaut ist.[50]
Ursus City Smile
Auf der Hannover Messe 2017 wurde ein neues Elektrobusmodell mit Brennstoffzelle des polnischen Herstellers Ursus vorgestellt. Der Stadtbus Ursus City Smile erreicht durch den Range Extender eine Reichweite von 450 km und kann in etwa acht Minuten voll aufgetankt werden. Der Bus ist 12 m lang, bietet Platz für 76 Passagiere, fährt maximal 85 km/h und hat laut Hersteller einen Wasserstoffverbrauch von ca. 7 kg H2 pro 100 km. Die elektrischen Radnabenantriebe ZAwheel von Ziehl-Abegg erreichen einen Wirkungsgrad von 90 % und eine maximale Leistung von 364 kW. Die Brennstoffzelle mit einer maximalen Leistung von 60 kW lieferte das niederländische Unternehmen HyMove. Die Batterie kam vom deutschen Hersteller BMZ.[51]
Toyota Sora
Der Brennstoffzellenbus Sora des japanischen Herstellers Toyota wurde 2017 auf der Tokyo Motor Show vorgestellt. 2018 erhielt der Bus die Zulassung für den Einsatz in Japan. Bis zum Jahr 2020 möchte Toyota – anlässlich der Olympischen Spiele – im Großraum Tokio 200 Fahrzeuge zum Einsatz bringen. Verwendet wird die auch bei dem PKW Toyota Mirai eingesetzte Technik, allerdings mit zwei Elektromotoren.[52]
Brennstoffzellen-Schienenfahrzeuge
Brennstoffzellen-Zweiräder
Mit Brennstoffzellen angetriebene Fahrräder und Motorroller befinden sich in der Entwicklungsphase. Als erstes Brennstoffzellen-Zweirad überhaupt erhielt der Suzuki Burgman Fuel-Cell-Scooter 2011 die EU-Typgenehmigung zur Straßenzulassung. Nun soll der Roller in England auf seine Alltagstauglichkeit hin getestet werden. Herzstück des Fahrzeugs ist eine luftgekühlte Brennstoffzelle sowie ein in den Rahmen integrierter Wasserstofftank.[53]
Wirtschaftlichkeit
Antriebe, die fossile Treibstoffe nutzen, waren im Jahr 2011 im Gegensatz günstiger als Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb. Wasserstoff aus erneuerbaren Energien wird vom Verbraucher nur genutzt, wenn er für eine Übergangszeit durch staatliche Maßnahmen wirtschaftlich gemacht wird (Förderung der erneuerbaren Energien/Besteuerung der fossilen Energien).
Die Wirtschaftlichkeit von Wasserstofffahrzeugen ist von mehreren Faktoren abhängig (siehe Tabelle). Neben den Kosten der Wasserstofffahrzeuge verglichen mit herkömmlichen Antrieben ist der relative Preis der fossilen Primärenergieträger zum Wasserstoff ein wichtiger Faktor für die Wirtschaftlichkeit.
In einer Studie der DENA, die im Auftrag des Bundesverkehrsministeriums im Jahr 2009 durchgeführt wurde, sind Preise zwischen 85 $/Barrel und 130 $/Barrel als Gewinnschwelle zur Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellenfahrzeugen genannt, sofern die Preise für ein Brennstoffzellenfahrzeug im Bereich eines Dieselfahrzeugs liegen.[54] Nach der Einschätzung namhafter Automobilhersteller sollte dies etwa ab 2014 erreicht sein.[55] Allerdings wird der Serienstart der Brennstoffzellenfahrzeuge auch von führenden Autoherstellern immer wieder verschoben.[56]
| Faktoren, die die Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff erhöhen | Faktoren, die die Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff verringern |
|---|---|
| Die Ressourcenverknappung der fossilen Primärenergien führen zu Preissteigerungen. Damit wird die Preisdifferenz im Vergleich zum Wasserstoffpreis verringert oder kompensiert. | Neue Technologien erfordern zunächst hohe Investitionen, z. B. für den Ausbau der Infrastruktur. |
| Das Potential der Effizienzsteigerung der Wasserstofftechnologien ist 2011 noch nicht ausgeschöpft. Bei den Technologien zur Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff, besonders aber bei der Brennstoffzellentechnik sind Kostensenkungen und Effizienzsteigerungen zu erwarten. | Das Potential der Effizienzsteigerung der konventionellen fossilen Technologie ist 2011 noch nicht ausgeschöpft. Effizienzsteigerungen sind vor allen bei der Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren und bei Hybridantrieben zu erwarten. |
| Das Klimaschutzziel der deutschen Bundesregierung (80-prozentige Reduktion der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2050) bedingt hohe Investitionen zur Vermeidung klimaschädlicher Abgase, was die Energieeffizienz senkt und die Kosten erhöht. Damit wird die Wirtschaftlichkeit von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff erhöht.
Aus dem gleichen Grund werden erneuerbare Energien von der deutschen Bundesregierung gefördert, um sie schneller in den Bereich der Wirtschaftlichkeit zu heben. |
Die ökologischen und sozialen Folgekosten der Nutzung von fossilen Treibstoffen sind schwer zu quantifizieren und werden in einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung meist nicht der Wirtschaftlichkeit zugeordnet, was die Wirtschaftlichkeit von klimaneutralem Wasserstoff gegenüber fossilen Treibstoffen scheinbar verringert. |
Beispiel
| Fahrzeug mit Brennstoffzelle | Fahrzeug mit Ottomotor |
|---|---|
| Um mit einem Brennstoffzellenfahrzeug der Mercedes B-Klasse bei einem Verbrauch von 0,97 kg/100 km[57] und einem Preis von 8,099 Euro/kg (bei konventioneller Erzeugung aus fossilen Primärenergien)[58] 100 km weit fahren zu können, zahlt man 7,86 Euro.
Ein Toyota Mirai verbraucht im realen Betrieb etwa 1 kg/100 km, bei einem Preis von 9,50 Euro/kg (Stand 2016) und kostet somit auf 100 km etwa 9,50 Euro. |
Um mit einem Fahrzeug der Mercedes-Benz B-Klasse mit Ottomotor bei einem Verbrauch von 7 l/100 km und einem Benzinpreis von 1,579 Euro[58] (E10) 100 km weit fahren zu können, zahlt man 11,05 Euro.
Ein mit dem Toyota Mirai vergleichbarer Toyota Prius IV kostet bei einem hoch angesetztem Benzinverbrauch von 5 Liter/100 km und einem Preis von 1,579 Euro/Liter auf 100 km 7,90 Euro. |
Damit ist das Brennstoffzellenfahrzeug in Bezug auf den Treibstoffverbrauch wirtschaftlicher als das Fahrzeug mit Ottomotor. Dies gilt für die Kraftstoffpreise, die der Kunde an der Tankstelle zu zahlen hat. Anzumerken ist, dass Mineralöl und Wasserstoff steuerlich unterschiedlich behandelt werden. Auf Wasserstoff wird keine Energiesteuer erhoben.
Ein Problem bei der Wirtschaftlichkeit des Brennstoffzellenantriebes sind die Kosten für den Katalysator. Benötigt ein Katalysator 60 g Platin, so belaufen sich die Kosten auf knapp 2.400 Euro allein für das Platin (zum Vergleich: Der Katalysator eines benzingetriebenen Fahrzeugs benötigt nur ca. 20 g Platin). Mit weniger Platin auskommende Brennstoffzellen befinden sich in der Entwicklung.[59][60][61]
Unfallrisiko bei Wasserstofffahrzeugen
→ Siehe auch : Sicherheitshinweise
Mit Wasserstoff betriebene Pkw sind nicht gefährlicher als mit Benzin oder Gas betriebene Fahrzeuge. Wasserstoff ist wegen der geringen Dichte ein sehr flüchtiges Gas. Im Freien verflüchtigt es sich sehr schnell. In geschlossenen Räumen ist für eine ausreichende Belüftung zu sorgen, da es in einem weiten Bereich von 4–75 Vol.-% entzündlich ist (Benzin: 0,6–8 Vol.-%).[62] Sauerstoff/Wasserstoffgemische mit einem Anteil von unter 10,5 Volumenprozent Wasserstoff sind schwerer als Luft und sinken zu Boden. Die Entmischung erfolgt nicht unmittelbar,[63] so dass bis zur Unterschreitung der 4-Volumenprozent-Grenze die Zündfähigkeit erhalten bleibt. Beim Umgang mit Wasserstoff müssen Sicherheitsvorschriften und Entlüftungsanlagen dieses Verhalten berücksichtigen.
Benzin ist eine Flüssigkeit, die langsam verdampft. Die entzündlichen Benzindämpfe sind schwerer als Luft und verbleiben länger am Boden und der Zeitraum, in dem es sich entzünden kann, ist länger.[62]
Wenn Wasserstoff in geschlossenen Räumen freigesetzt wird, besteht erhöhte Explosionsgefahr, z. B. in Garagen oder Tunneln. Hier ist für eine erhöhte Belüftung und eventuell für zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen zu sorgen.
Die Detonationsgrenze von Wasserstoff liegt bei einer Konzentration ab 18 %. Benzin explodiert wesentlich früher, nämlich schon bei einer Konzentration von 1,1 %. Damit es überhaupt zu einer Explosion oder zum Brand kommt, muss in beiden Fällen ein entstandenes Kraftstoff-Luft-Gemisch erst einmal entzündet werden. Im Fall von Wasserstoff ist dafür eine geringere Energie von 0,02 mJ nötig als bei Benzin (Benzin: 0,24 mJ), in der Praxis spielt das aber keine Rolle, denn bereits die Energie eines elektrischen Funkens reicht aus, um auch Benzindämpfe zu entzünden.[62]
Benzin hat eine deutlich geringere Zündtemperatur (220–280 °C) als Wasserstoff (585 °C), so dass es sich leichter an heißen Oberflächen wie dem Auspuffkrümmer oder dem Katalysator entzünden kann.[62]
Nach einer Entzündung brennt Wasserstoff mit einer höheren Verbrennungsgeschwindigkeit ab als Benzin. Die Flamme bewegt sich dabei mit geringem Durchmesser steil nach oben,[62] wenn sich das Leck an der Tankoberseite befindet.
Eine Wasserstoff-Flamme hat eine geringere Wärmestrahlung als eine Benzinflamme. Neben einer Wasserstoff-Flamme wird es deshalb weniger heiß als neben einer Benzinflamme – der Vorteil ist, dass benachbarte Gegenstände wie z. B. Autositze nicht so leicht Feuer fangen. Auch für Personen, die sich in der Nähe der Flamme aufhalten ist die Gefahr geringer, Verbrennungen zu erleiden. Allerdings ist die Wasserstoff-Flamme kaum sichtbar. Daher besteht die Gefahr, unabsichtlich hineinzugeraten.[62]
Die heute verwendeten Drucktanks halten (im Gegensatz zu Benzintanks) auch schwere Unfälle unbeschadet aus.[64][65][66] Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt. Im Gegensatz dazu dürfen Fahrzeuge mit Flüssigwasserstoff nicht in geschlossenen Räumen abgestellt werden, da sich durch das Ausgasen explosive Gasansammlungen bilden können.[16]
Ein Beispiel für das Verhalten von Wasserstoff zeigte sich bei mehreren Unfällen von Tankwagen, die mit Flüssigwasserstoff beladen waren. Hier kam es jeweils zur Explosion bzw. zum Abbrennen des Wasserstoffes: Es gab keine oder nur leicht Verletzte, niemand kam bisher ums Leben.[67][68]
Das Hauptproblem bei der Wasserstofflagerung sind Lecks. Wasserstofftanks und Rohrleitungen müssen aufgrund des gegenüber z. B. Erdgas bzw. Propan/Butan geringeren Moleküldurchmessers wesentlich besser abgedichtet sein. Manche Materialien sind ungeeignet, da sie für Wasserstoff durchlässig sind. Lecks führen nicht nur zu hohen Transportverlusten, sondern bilden ein Sicherheitsrisiko, wenn sich Gas ansammelt und sich ein Wasserstoff-Luft-Gemisch bildet. Deshalb sind Wasserstofftanks und Leitungen aus besonderen Kunststoffen, die eine Diffusion weitgehend verhindern.[69] Solche Systeme müssen vom TÜV abgenommen werden.[70] Von Vorteil ist, dass Wasserstoff wegen seiner geringen Dichte nach oben entweicht und sich nicht, im Gegensatz zu Benzindämpfen, Propan oder Butan, in Vertiefungen sammelt.
Siehe auch
Weblinks
- Kritik an der Effizienz einer Wasserstoffwirtschaft und Wasserstoffantrieben, 24. Mai 2007, heise.de
- Wasserstoffmotor bei Katalyse Institut für angewandte Umweltforschung, 4. Mai 2001
- alternative Kraftstoffe: Wasserstoff
- Die Rolle des Wasserstoffs in einer nachhaltig geführten Energiewirtschaft (Memento vom 17. Juli 2012 im Internet Archive)
Einzelnachweise
- Der Blaue Turm: 150 m3 H2 in der Stunde (Memento vom 1. Februar 2017 im Internet Archive)
- Blauer Turm - Land fordert Millionen zurück, WAZ, 4. Mai 2012, aufgerufen am 14. August 2012
- Neue Wasserstofftankstellen eröffnet (Stand: 12. Mai 2010)
- Wasserstoff Hybridkraftwerk Prenzlau (Stand: 18. Januar 2011)
- Hybrid-Kraftwerk (PDF; 1,4 MB)
- Auf Wiedersehen Wasserstoff, heise.de, 24. Mai 2007, aufgerufen am 11. September 2013
- Wasserstoff aus Blaualgen (Stand: 16. Dezember 2010)
- Daimler und Linde wollen Wasserstofftankstellen bauen, Handelsblatt, Stand 1. Juni 2011
- Dieses Jahr eröffnet die 100. Wasserstofftankstelle. In: auto motor und sport, 20. Februar 2020. Abgerufen am 14. Juni 2020.
- Daimler baut früher Autos mit Brennstoffzellen (Memento vom 4. Juni 2011 im Internet Archive), Südwest Presse, Stand 3. Juni 2011
- Vgl. Mark Z. Jacobson et al., A 100 % wind, water, sunlight (WWS) all-sector energy plan for Washington State. In: Renewable Energy 86, (2016), 75–88, S. 76, doi:10.1016/j.renene.2015.08.003.
- Markus F. Felgenhauer et al.: Evaluating co-benefits of battery and fuel cell vehicles in a community in California. In: Energy. Band 114, 2016, S. 360–368, doi:10.1016/j.energy.2016.08.014.
- Mazda verleast Wasserstoff RX-8 (PDF; 187 kB)
- Mazda RX-8 Hydrogen RE: Zukunft auf Knopfdruck, Spiegel, 28. August 2006
- Der fährt mit Wasserstoff – BMW bringt einen 7er als erstes H2-Serienauto auf die Straße (Memento vom 2. Januar 2007 im Internet Archive)
- Unterwegs im Wasserstoff-7er, heise online, 22. November 2006, eingefügt am 8. Februar 2012
- Erste Wasserstoffbusse von MAN für Berlin, MAN Truck&Bus, Juni 2006, eingefügt am 15. Februar 2012
- Versuch mit Wasserstoffbussen verpufft, Der Tagesspiegel, 8. März 2009, eingefügt am 15. Februar 2012
- HyCar 1 – Wasserstofffahrzeug in Österreich (Memento vom 4. März 2016 im Internet Archive) (PDF; 141 kB)
- Aus für den Wasserstoffantrieb (Stand: 7. Dezember 2009)
- Brennstoffzellenfahrzeug der BMW Group auf 1er Basis (Stand 27. März 2010)
- Emissionsfreie Alternative; Kehrt der Wasserstoff-Verbrenner zurück?, n-tv.de; 17. Februar 2021
- Das gezähmte Knallgas, Zeit online, 17. Mai 1996, aufgerufen am 25. Juni 2013
- Wasserstoff löst keine Energieprobleme, Theorie und Praxis Nr. 1, 15. Jg., April 2006, PDF, aufgerufen am 29. September 2014
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