Brennstoffzellenfahrzeug - Fuel cell vehicle

Foton BJ6123FCEVCH-1 Brennstoffzellenbus in Betrieb

Ein Brennstoffzellenfahrzeug ( FCV ) oder Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug ( FCEV ) ist ein Elektrofahrzeug , das eine Brennstoffzelle verwendet , manchmal in Kombination mit einer kleinen Batterie oder einem Superkondensator , um seinen bordeigenen Elektromotor anzutreiben . Brennstoffzellen in Fahrzeugen erzeugen Strom in der Regel mit Sauerstoff aus der Luft und komprimiertem Wasserstoff . Die meisten Brennstoffzellen-Fahrzeuge werden als emissionsfreie Fahrzeuge eingestuft , die nur Wasser und Wärme emittieren. Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zentralisieren Wasserstofffahrzeuge Schadstoffe am Ort der Wasserstoffproduktion , wo Wasserstoff typischerweise aus reformiertem Erdgas gewonnen wird . Auch der Transport und die Speicherung von Wasserstoff können Schadstoffe erzeugen.

Brennstoffzellen wurden in verschiedenen Arten von Fahrzeugen einschließlich Gabelstaplern verwendet , insbesondere in Innenanwendungen, wo ihre sauberen Emissionen für die Luftqualität wichtig sind, und in Weltraumanwendungen. Das erste kommerziell produzierte Wasserstoff-Brennstoffzellen-Auto, der Hyundai ix35 FCEV , wurde 2013 eingeführt, Toyota Mirai folgte 2015 und dann stieg Honda auf den Markt. Brennstoffzellen werden unter anderem in Lkw, Bussen, Booten, Motorrädern und Fahrrädern entwickelt und getestet.

Bis Dezember 2020 wurden weltweit 31.225 mit Wasserstoff betriebene FCEVS für Passagiere verkauft. Südkorea ist das Land mit den meisten Passagier-FCEVs (10.041 Einheiten), gefolgt von den USA (9.135), China (5.546) und Japan (4.100). Ab 2020 gab es eine begrenzte Wasserstoffinfrastruktur mit weniger als fünfzig öffentlich verfügbaren Wasserstofftankstellen für Autos in den USA, aber weitere Wasserstoffstationen sind insbesondere in Kalifornien geplant. Kritiker bezweifeln, ob Wasserstoff im Vergleich zu anderen Null-Emissions-Technologien für Autos effizient oder kostengünstig sein wird, und 2019 meinte The Motley Fool : Fahrzeugmarkt."

Beschreibung und Zweck von Brennstoffzellen in Fahrzeugen

Alle Brennstoffzellen bestehen aus drei Teilen: einem Elektrolyten, einer Anode und einer Kathode. Im Prinzip funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle wie eine Batterie, die Strom erzeugt, der einen Elektromotor antreiben kann. Anstatt eine Nachladung zu erfordern, kann die Brennstoffzelle jedoch mit Wasserstoff nachgefüllt werden. Verschiedene Arten von Brennstoffzellen umfassen Polymerelektrolytmembran- (PEM)-Brennstoffzellen, Direkt-Methanol-Brennstoffzellen , Phosphorsäure-Brennstoffzellen , Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen , Festoxid-Brennstoffzellen , reformierte Methanol-Brennstoffzellen und regenerative Brennstoffzellen.

Geschichte

1966 GM Elektrovan

Das Konzept der Brennstoffzelle wurde erstmals 1801 von Humphry Davy demonstriert , aber die Erfindung der ersten funktionierenden Brennstoffzelle wird William Grove zugeschrieben, einem Chemiker, Rechtsanwalt und Physiker. Groves Experimente mit einer von ihm so genannten "Gasvoltaikbatterie" bewiesen 1842, dass durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff über einem Platinkatalysator ein elektrischer Strom erzeugt werden kann. Der englische Ingenieur Francis Thomas Bacon erweiterte die Arbeit von Grove und entwickelte und demonstrierte von 1939 bis 1959 verschiedene alkalische Brennstoffzellen .

Das erste moderne Brennstoffzellenfahrzeug war um 1959 ein modifizierter Allis-Chalmers- Ackerschlepper, der mit einer 15-Kilowatt-Brennstoffzelle ausgestattet war. Das Weltraumrennen im Kalten Krieg trieb die Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie voran. Das Projekt Gemini testete Brennstoffzellen, um bei bemannten Weltraummissionen elektrische Energie bereitzustellen. Die Brennstoffzellenentwicklung wurde mit dem Apollo-Programm fortgesetzt . Die elektrischen Energiesysteme in den Apollo-Kapseln und Mondmodulen verwendeten Alkali-Brennstoffzellen. 1966 entwickelte General Motors das erste Brennstoffzellen-Straßenfahrzeug, den Chevrolet Electrovan . Es hatte eine PEM-Brennstoffzelle , eine Reichweite von 120 Meilen und eine Höchstgeschwindigkeit von 70 Meilen pro Stunde. Es gab nur zwei Sitze, da der Brennstoffzellenstapel und große Tanks mit Wasserstoff und Sauerstoff den hinteren Teil des Vans einnahm. Nur einer wurde gebaut, da das Projekt als zu teuer erachtet wurde.

General Electric und andere arbeiteten in den 1970er Jahren weiter an PEM-Brennstoffzellen. Brennstoffzellenstapel waren in den 1980er Jahren noch hauptsächlich auf Raumfahrtanwendungen beschränkt, einschließlich des Space Shuttle . Der Abschluss des Apollo-Programms schickte jedoch viele Branchenexperten zu privaten Unternehmen. In den 1990er Jahren interessierten sich Automobilhersteller für Brennstoffzellenanwendungen, und Demonstrationsfahrzeuge wurden fertig. Im Jahr 2001 wurden die ersten 700 Bar (10000 PSI) Wasserstofftanks demonstriert, die die Größe der Kraftstofftanks, die in Fahrzeugen verwendet werden können, reduzieren und die Reichweite erhöhen.

Anwendungen

Brennstoffzellenfahrzeuge gibt es für alle Verkehrsträger. Die am weitesten verbreiteten Brennstoffzellenfahrzeuge sind Autos, Busse, Gabelstapler und Flurförderzeuge.

Autos

Das Honda FCX Clarity Concept Car wurde 2008 für das Leasing durch Kunden in Japan und Südkalifornien eingeführt und 2015 eingestellt. Von 2008 bis 2014 hat Honda insgesamt 45 FCX-Einheiten in den USA geleast. Über 20 weitere FCEV-Prototypen und Demonstrationsfahrzeuge wurden in diesem Zeitraum veröffentlicht, darunter der GM HydroGen4 und Mercedes-Benz F-Cell .

Das Brennstoffzellenfahrzeug Hyundai ix35 FCEV stand von 2014 bis 2018 zur Vermietung zur Verfügung, als 54 Einheiten geleast wurden. 2018 stellte Hyundai den Nexo vor .

Der Umsatz der Toyota Mirai zu Staats- und Unternehmenskunden begann in Japan im Dezember 2014 Preise bei gestartet ¥ 6.700.000 (~ US $ 57.400 ) vor Steuern und einer Regierung Anreiz von ¥ 2.000.000 (~ US $ 19.600 ). Der frühere Präsident des Europäischen Parlaments, Pat Cox, schätzte, dass Toyota bei jedem verkauften Mirai zunächst etwa 100.000 US-Dollar verlieren würde. Im Dezember 2017 beliefen sich die weltweiten Verkäufe auf 5.300 Mirais. Die umsatzstärksten Märkte waren die USA mit 2.900 Einheiten, Japan mit 2.100 und Europa mit 200.

Die Honda Clarity Fuel Cell wurde von 2016 bis 2021 hergestellt. Die Clarity 2017 hatte die höchste kombinierte und städtische Kraftstoffeffizienz unter allen Wasserstoff-Brennstoffzellen-Autos, die in diesem Jahr von der EPA bewertet wurden, mit einer kombinierten Stadt-/Autobahnbewertung von 67 Meilen pro Gallone Benzin Äquivalent (MPGe) und 68 MPGe im Stadtverkehr. 2019 erklärte Katsushi Inoue, Präsident von Honda Europe: „Unser Fokus liegt jetzt auf Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Vielleicht werden Wasserstoff-Brennstoffzellenautos kommen, aber das ist eine Technologie für die nächste Ära.“

Bis 2017 stellte Daimler seine FCEV-Entwicklung aufgrund sinkender Batteriekosten und steigender Reichweite von Elektrofahrzeugen aus. Die meisten Automobilunternehmen, die Wasserstoffautos entwickelten, hatten ihren Fokus auf batterieelektrische Fahrzeuge verlagert.

Kraftstoffverbrauch

Die folgende Tabelle vergleicht den Kraftstoffverbrauch der EPA in Meilen pro Gallone Benzinäquivalent (MPGe) für die beiden Modelle von Wasserstoff- Brennstoffzellenfahrzeugen, die von der EPA ab September 2021 bewertet wurden und in Kalifornien erhältlich sind.

Vergleich des Kraftstoffverbrauchs ausgedrückt in MPGe für Fahrzeuge mit Wasserstoff- Brennstoffzellen

zum Verkauf oder zur Vermietung in Kalifornien verfügbar und ab September 2021 von der US-Umweltschutzbehörde bewertet

Fahrzeug Model Jahr Kombiniert

Kraftstoffverbrauch

Stadt

Kraftstoffverbrauch

Autobahn

Kraftstoffverbrauch

Bereich Jährlich

Kraftstoffkosten

Hyundai Nexo 2019-2021 61 mpg-e 65 mpg-e 58 mpg-e 380 Meilen (610 km)
Toyota Mirai 2016–20 66 mpg-e 66 mpg-e 66 mpg-e 502 km
Toyota Mirai 2021 74 mpg-e 76 mpg-e 71 mpg-e 647 km
Anmerkungen: Ein kg Wasserstoff hat ungefähr den gleichen Energieinhalt wie eine US-Gallone Benzin.

Liste der produzierten Modelle

Liste moderner Brennstoffzellenautos, Pickups, Vans und SUVs, die
kommerziell hergestellt werden
(1990-heute)
Modell Produktion Ursprünglicher MRSP (2)
/Leasing pro Monat
(aktuell $)
Bereich
Kommentare
Modelle aus der Produktion
Honda FCX 01.JPG
Honda FCX-V4
2002-2007
Leasen Sie nur
11.500 US-Dollar
160 mi (260 km)
bis 190 mi (310 km)
Erstes Brennstoffzellenfahrzeug, das von der Environmental Protection Agency und dem California Air Resources Board für amerikanische Straßen zugelassen wurde , mit anschließendem Leasing in Kalifornien. Auch für japanische Straßen vom japanischen Ministerium für Land, Infrastruktur und Verkehr zugelassen . Ungefähr 30 im Raum Los Angeles und Tokio angemietet . Später wurde das Leasing auf 50 Staaten ausgeweitet.
Ford Focus H2.JPG
Ford Focus FCV
2003-2006
Leasing nur
unbekannt
200 Meilen (320 km)
Ursprünglich sollte es in 50 Bundesstaaten vermietet werden, wurde es schließlich nur in Kalifornien , Florida und Kanada vermietet .
Eastern Airport Motors 115 X-TRAIL FCV.jpg
Nissan X-Trail FCV 04
2003-2013
Leasing nur
1.000.000
(8.850 USD)
350 km (220 Meilen)
Vermietet an Unternehmen und staatliche Stellen in Japan und Kalifornien .
Mercedes-Benz A-Klasse F-Cell front.jpg
Mercedes-Benz F-Cell (A-Klasse basiert)
2005-2007
Leasing nur
unbekannt
100 mi (160 km)
bis 110 mi (180 km)
100 weltweit vermietet.
Chevrolet Equinox Fuel Cell.jpg
Chevrolet Equinox FC
2007-2009
Nur Leasing
310 km
Vermietet in Kalifornien und New York .
FCX Klarheit.jpg
Honda FCX Klarheit
2008-2015
Leasen Sie nur
600 US-Dollar
280 mi (450 km)
später 240 mi (390 km)
und 231 mi (372 km)
Vermietet in den USA, Europa und Japan.
MB F-Cell Aachen.jpg
Mercedes-Benz F-Cell (B-Klasse basiert)
2010-2014
Leasing nur
850 US-Dollar
310 km
Vermietet in Südkalifornien .
Hyundai ix35 Brennstoffzelle.  Spielvogel.JPG
Hyundai ix35 FCEV
2014–2018
Leasing nur
599 US-Dollar
426 km
Vermietet in Südkorea , Kalifornien , Europa und Vancouver (manchmal auch als "Tucson" bezeichnet).
Honda CLARITY FUEL CELL (Garnet) auf der Tokyo Motor Show 2015.jpg
Honda Klarheit
2016–2021
Verkauf und Leasing
58.490 $
300 Meilen (480 km)
Vermarktet in Japan, Südkalifornien, Europa. Gesamtabsatz 1.900 Fahrzeuge.
Modelle in Produktion
Toyota MIRAI Z"Executive Package Advanced Drive" (ZBA-JPD20-CEDHS(M)).jpg
Toyota Mirai
2015–heute
Verkauf und Vermietung
49.500 US-Dollar
647 km
Vermarktet in Japan, Kalifornien , Europa und Québec . Ab 2021 überstieg der weltweite Absatz seit der Einführung 11.000 Einheiten.
Hyundai Nexo Genf 2018.jpg
Hyundai Nexo
2018–heute
Verkauf und Vermietung
58.300 USD
370 Meilen (600 km)
Vermarktet in Südkorea, Kalifornien und Europa.

Brennstoffzellen, die von einem Ethanolreformer angetrieben werden

Im Juni 2016 kündigte Nissan an, Brennstoffzellenfahrzeuge zu entwickeln, die mit Ethanol statt mit Wasserstoff betrieben werden . Nissan behauptet, dieser technische Ansatz wäre billiger und es wäre einfacher, die Betankungsinfrastruktur bereitzustellen als eine Wasserstoffinfrastruktur. Das Fahrzeug würde einen Tank mit einer Mischung aus Wasser und Ethanol enthalten, die in einen Bordreformer geleitet wird, der sie in Wasserstoff und Kohlendioxid aufspaltet. Der Wasserstoff wird dann in eine Festoxid-Brennstoffzelle eingespeist . Laut Nissan könnte der flüssige Kraftstoff eine Ethanol-Wasser-Mischung im Verhältnis 55:45 sein.

Busse

Mercedes-Benz Brennstoffzellenbus.

Es gibt auch Vorführmodelle von Bussen, und 2011 waren weltweit über 100 Brennstoffzellenbusse im Einsatz. Die meisten dieser Busse wurden von UTC Power , Toyota , Ballard , Hydrogenics und Proton Motor hergestellt. UTC-Busse hatten über 970.000 km (600.000 Meilen) Fahrt gesammelt. Brennstoffzellenbusse haben einen um 30-141% höheren Kraftstoffverbrauch als Dieselbusse und Erdgasbusse. Brennstoffzellenbusse werden in Städten auf der ganzen Welt eingesetzt, obwohl ein Projekt in Whistler, British Columbia, 2015 eingestellt wurde. Der Fuel Cell Bus Club ist eine weltweite Kooperation bei der Erprobung von Brennstoffzellenbussen. Bemerkenswerte Projekte sind:

  • 12 Brennstoffzellenbusse wurden in der Region Oakland und San Francisco Bay in Kalifornien eingesetzt.
  • Die Daimler AG schloss 2007 mit sechsunddreißig experimentellen Bussen mit Ballard Power Systems- Brennstoffzellen einen erfolgreichen dreijährigen Test in elf Städten ab.
  • In Kalifornien wurde eine Flotte von Thor-Bussen mit UTC Power- Brennstoffzellen eingesetzt, die von der SunLine Transit Agency betrieben werden.
  • Der erste Prototyp eines Wasserstoff-Brennstoffzellenbusses in Brasilien wurde in São Paulo eingesetzt . Gefertigt wurde der Bus in Caxias do Sul , der Wasserstoff-Kraftstoff sollte in São Bernardo do Campo aus Wasser durch Elektrolyse hergestellt werden . Das Programm mit dem Namen „ Ônibus Brasileiro a Hidrogênio “ (brasilianischer Wasserstoffautobus) umfasste drei Busse.

Gabelstapler

Ein Brennstoffzelle Gabelstapler (auch ein Brennstoffzelle Hubwagens oder eine Brennstoffzelle Gabelstapler genannt) ist ein brennstoffzellenbetriebenen Industrie Gabelstapler zum Anheben und Transportmaterialien verwendet. Die meisten in Gabelstaplern verwendeten Brennstoffzellen werden von PEM- Brennstoffzellen angetrieben .

Im Jahr 2013 wurden in den USA über 4.000 Brennstoffzellen-Gabelstapler im Materialtransport eingesetzt, von denen nur 500 vom DOE finanziert wurden (2012). Brennstoffzellenflotten werden von einer Vielzahl von Unternehmen betrieben, darunter Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (bei Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark und Whole Foods) und HEB Grocers. Europa hat mit Hylift 30 Brennstoffzellen-Gabelstapler demonstriert und mit HyLIFT-EUROPE auf 200 Einheiten erweitert, mit weiteren Projekten in Frankreich und Österreich. Pike Research stellte 2011 fest, dass brennstoffzellenbetriebene Gabelstapler bis 2020 der größte Treiber der Nachfrage nach Wasserstoff sein werden.

PEM-Brennstoffzellenbetriebene Gabelstapler bieten gegenüber erdölbetriebenen Gabelstaplern erhebliche Vorteile, da sie keine lokalen Emissionen erzeugen. Brennstoffzellen-Gabelstapler können mit einer einzigen Wasserstofftankstelle eine volle 8-Stunden-Schicht arbeiten, können in 3 Minuten betankt werden und haben eine Lebensdauer von 8–10 Jahren. In Kühlhäusern werden häufig brennstoffzellenbetriebene Gabelstapler eingesetzt, da ihre Leistung durch niedrigere Temperaturen nicht beeinträchtigt wird. In der Konstruktion werden die FC-Einheiten oft als Drop-In-Ersatz hergestellt.

Motorräder und Fahrräder

Yamaha FC-me-Motorrad.

Im Jahr 2005 produzierte die britische Firma Intelligent Energy das erste funktionierende wasserstoffbetriebene Motorrad namens ENV (Emission Neutral Vehicle). Das Motorrad hat genug Kraftstoff, um vier Stunden lang zu fahren und 160 km (100 mi) in einem Stadtgebiet mit einer Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h (50 mph) zurückzulegen. Im Jahr 2004 entwickelte Honda ein Brennstoffzellen-Motorrad, das den Honda FC Stack nutzte. Es gibt andere Beispiele für Fahrräder und Fahrräder mit einem Wasserstoff-Brennstoffzellen-Motor. Der Suzuki Burgman erhielt in der EU die Zulassung für den gesamten Fahrzeugtyp. Das taiwanesische Unternehmen APFCT führt für das taiwanesische Energiebüro einen Live-Straßentest mit 80 Brennstoffzellen-Scootern mit dem Betankungssystem der italienischen Acta SpA durch.

Flugzeuge

Der Boeing Fuel Cell Demonstrator wird von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle angetrieben.

Boeing- Forscher und Industriepartner in ganz Europa führten im Februar 2008 experimentelle Flugtests mit einem bemannten Flugzeug durch, das nur mit einer Brennstoffzelle und leichten Batterien angetrieben wurde . Das sogenannte Fuel Cell Demonstrator Airplane nutzte ein Proton-Exchange Membrane (PEM)-Brennstoffzellen- Lithium-Ionen-Batterie- Hybridsystem zum Antrieb eines Elektromotors, der mit einem konventionellen Propeller gekoppelt war. Im Jahr 2003 wurde das weltweit erste Propellerflugzeug, das vollständig von einer Brennstoffzelle angetrieben wurde, geflogen. Die Brennstoffzelle war ein einzigartiges FlatStack-Stack-Design, das es ermöglichte, die Brennstoffzelle in die aerodynamischen Oberflächen des Flugzeugs zu integrieren.

Es gab mehrere brennstoffzellenbetriebene unbemannte Luftfahrzeuge (UAV). Ein Brennstoffzellen-UAV von Horizon stellte 2007 die Rekorddistanz eines kleinen UAVs auf. Das Militär ist wegen des geringen Rauschens, der geringen thermischen Signatur und der Fähigkeit, große Höhen zu erreichen, an dieser Anwendung besonders interessiert. Im Jahr 2009 verwendete der Ion Tiger des Naval Research Laboratory (NRL) eine wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle und flog 23 Stunden und 17 Minuten lang. Boeing führt Tests mit dem Phantom Eye durch, einem HALE (High Altitude, Long Endurance), das für Forschungs- und Überwachungsflüge in 20.000 m (65.000 ft) für bis zu vier Tage am Stück verwendet werden soll. Brennstoffzellen werden auch als Hilfsenergie für Flugzeuge verwendet und ersetzen fossile Brennstoffgeneratoren, die zuvor zum Starten der Triebwerke und zur Stromversorgung des Bordstrombedarfs verwendet wurden. Brennstoffzellen können Flugzeugen helfen, CO 2 und andere Schadstoffemissionen sowie Lärm zu reduzieren.

Boote

Das Hydra- Brennstoffzellenboot.

Das weltweit erste Brennstoffzellenboot HYDRA nutzte ein AFC-System mit 6,5 kW Nettoleistung. Für jeden verbrauchten Liter Kraftstoff produziert ein durchschnittlicher Außenbordmotor 140 Mal weniger Kohlenwasserstoffe, als ein durchschnittliches modernes Auto produziert. Brennstoffzellenmotoren haben eine höhere Energieeffizienz als Verbrennungsmotoren und bieten daher eine bessere Reichweite und deutlich reduzierte Emissionen. Island hat sich verpflichtet, seine riesige Fischereiflotte bis 2015 auf den Einsatz von Brennstoffzellen umzustellen, um Hilfsenergie bereitzustellen und schließlich die Primärenergie in seinen Booten bereitzustellen. Amsterdam hat vor kurzem sein erstes brennstoffzellenbetriebenes Boot vorgestellt, das Menschen durch die Kanäle der Stadt fährt.

U-Boote

Die erste tauchfähige Anwendung von Brennstoffzellen ist das deutsche U-Boot Typ 212 . Jeder Typ 212 enthält neun PEM-Brennstoffzellen, die über das gesamte Schiff verteilt sind und jeweils zwischen 30 kW und 50 kW elektrische Leistung liefern. Dadurch kann der Typ 212 länger unter Wasser bleiben und erschwert die Erkennung. U-Boote mit Brennstoffzellenantrieb sind auch einfacher zu konstruieren, herzustellen und zu warten als nuklearbetriebene U-Boote.

Züge

Im März 2015 demonstrierte die China South Rail Corporation (CSR) in einem Montagewerk in Qingdao den weltweit ersten mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebenen Straßenbahnwagen. In sieben chinesischen Städten wurden 83 Meilen Schienen für das neue Fahrzeug gebaut. China plante, in den nächsten fünf Jahren 200 Milliarden Yuan (32 Milliarden US-Dollar) auszugeben, um die Straßenbahnschienen auf mehr als 1.200 Meilen zu erhöhen.

Im Jahr 2016 stellte Alstom den Coradia iLint vor , einen Regionalzug mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb. Es wurde entwickelt, um 140 Stundenkilometer (87 mph) zu erreichen und 600 bis 800 Kilometer (370 bis 500 Meilen) mit einem vollen Wasserstofftank zu fahren. Der Zug wurde 2018 in Deutschland in Dienst gestellt und soll ab 2019 in den Niederlanden getestet werden.

Der Schweizer Hersteller Stadler Rail hat in Kalifornien einen Vertrag über die Lieferung eines Wasserstoff-Brennstoffzellen-Zugs in die USA, den FLIRT H2-Zug, im Jahr 2024 im Rahmen des Bahnprojekts Arrow unterzeichnet .

LKW

Hyundai Xcient Fuel Cell in Winterthur , Schweiz

Im Jahr 2020 begann Hyundai unter dem Modellnamen XCIENT mit der Herstellung wasserstoffbetriebener 34-Tonnen-Lastkraftwagen, wobei zunächst 10 Fahrzeuge in die Schweiz geliefert wurden. Sie können mit vollem Tank 400 Kilometer (250 Meilen) zurücklegen und brauchen 8 bis 20 Minuten zum Tanken.

Im Jahr 2020 kündigte Daimler das Flüssigwasserstoff-Konzept Mercedes-Benz GenH2 an, das ab 2023 produziert werden soll.

Wasserstoffinfrastruktur

Eberle und Rittmar von Helmolt stellten 2010 fest, dass es noch Herausforderungen gibt, bevor Brennstoffzellenautos mit anderen Technologien wettbewerbsfähig werden können, und verweisen auf das Fehlen einer umfassenden Wasserstoffinfrastruktur in den USA: Im Juli 2020 gab es in den USA 43 öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen , davon 41 in Kalifornien. Im Jahr 2013 unterzeichnete Gouverneur Jerry Brown AB 8, einen Gesetzentwurf zur Finanzierung von 20 Millionen US-Dollar pro Jahr für 10 Jahre, um bis zu 100 Stationen zu bauen. Im Jahr 2014 finanzierte die California Energy Commission 46,6 Millionen US-Dollar für den Bau von 28 Stationen.

Japan erhielt seine erste kommerzielle Wasserstofftankstelle im Jahr 2014. Bis März 2016 verfügte Japan über 80 Wasserstofftankstellen, und die japanische Regierung beabsichtigt, diese Zahl bis 2020 auf 160 zu verdoppeln. Im Mai 2017 gab es in Japan 91 Wasserstofftankstellen. Deutschland hatte im Juli 2015 18 öffentliche Wasserstofftankstellen. Die Bundesregierung hoffte, diese Zahl bis Ende 2016 auf 50 erhöhen zu können, aber im Juni 2017 waren nur 30 geöffnet.

Codes und Standards

Unter den globalen technischen Vorschriften der Vereinten Nationen für Radfahrzeuge, insbesondere in Bezug auf die Wasserstoffnutzung, gibt es internationale Standards, die Aspekte der Technik und Gesamtintegrität, Leistung, Sicherheit, Teilelebenszyklus und verschiedene andere Kategorien definieren. Ein bemerkenswerter Bereich dieser Vorschriften betrifft die Speichersysteme für komprimierten Wasserstoff, die typischerweise das Ende ihrer qualifizierten Nutzungsdauer nach 15 oder weniger Jahren im Einsatz erreichen.

US-Programme

2003 schlug US-Präsident George Bush die Hydrogen Fuel Initiative (HFI) vor. Ziel des HFI war es, Wasserstoff-Brennstoffzellen und Infrastrukturtechnologien weiterzuentwickeln, um die kommerzielle Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen zu beschleunigen. Bis 2008 hatten die USA 1 Milliarde Dollar zu diesem Projekt beigetragen. 2009 behauptete Steven Chu , der damalige US-Energieminister , dass Wasserstofffahrzeuge "in den nächsten 10 bis 20 Jahren nicht praktikabel sein werden". Im Jahr 2012 erklärte Chu jedoch, dass er Brennstoffzellenautos als wirtschaftlich sinnvoller ansehe, da die Erdgaspreise gesunken und die Technologien zur Wasserstoffreformierung verbessert seien. Im Juni 2013 bewilligte die California Energy Commission 18,7 Millionen US-Dollar für Wasserstofftankstellen. Im Jahr 2013 unterzeichnete Gouverneur Brown AB 8, einen Gesetzentwurf zur Finanzierung von 20 Millionen US-Dollar pro Jahr für 10 Jahre für bis zu 100 Stationen. Im Jahr 2013 kündigte das US-amerikanische DOE bis zu 4 Millionen US-Dollar an, die für die „kontinuierliche Entwicklung fortschrittlicher Wasserstoffspeichersysteme“ geplant sind. Am 13. Mai 2013 startete das Energieministerium H2USA, das sich auf die Weiterentwicklung der Wasserstoffinfrastruktur in den USA konzentriert.

Kosten

Bis 2010 hatten Fortschritte in der Brennstoffzellentechnologie die Größe, das Gewicht und die Kosten von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen reduziert. Im Jahr 2010 schätzte das US-Energieministerium (DOE), dass die Kosten von Brennstoffzellen für Kraftfahrzeuge seit 2002 um 80 % gesunken sind und dass solche Brennstoffzellen potenziell für 51 US-Dollar/kW hergestellt werden könnten, vorausgesetzt, dass die Herstellungskosten in großen Stückzahlen eingespart werden. Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge wurden mit "einer Reichweite von mehr als 250 Meilen zwischen dem Auftanken" hergestellt. Sie können in weniger als 5 Minuten aufgetankt werden. Eingesetzte Brennstoffzellenbusse haben einen um 40 % höheren Kraftstoffverbrauch als Dieselbusse. Das Fuel Cell Technologies Program von EERE behauptet, dass Brennstoffzellen ab 2011 einen Wirkungsgrad von 42 bis 53 % Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen bei voller Leistung und eine Lebensdauer von über 75.000 Meilen mit weniger als 10 % Spannungsabfall erreichten, doppelt so viel wie in 2006. Im Jahr 2012 veröffentlichte Lux Research, Inc. einen Bericht, der zu dem Schluss kam, dass "die Kapitalkosten ... die Einführung bis 2030 auf nur 5,9 GW begrenzen werden", was "eine nahezu unüberwindbare Barriere für die Einführung darstellt, außer bei Nischenanwendungen". Die Analyse von Lux ergab, dass bis 2030 die stationären PEM- Brennstoffzellenanwendungen 1 Milliarde US-Dollar erreichen werden, während der Fahrzeugmarkt, einschließlich Brennstoffzellen-Gabelstapler , insgesamt 2 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Umweltbelastung

Die Umweltbelastung von Brennstoffzellenfahrzeugen hängt von der Primärenergie ab, mit der der Wasserstoff hergestellt wurde. Brennstoffzellenfahrzeuge sind nur dann umweltschonend, wenn der Wasserstoff mit erneuerbarer Energie hergestellt wurde . Wenn dies der Fall ist, sind Brennstoffzellenautos sauberer und effizienter als Autos mit fossilen Brennstoffen. Sie sind jedoch nicht so effizient wie batterieelektrische Fahrzeuge , die viel weniger Energie verbrauchen. Normalerweise verbraucht ein Brennstoffzellenauto 2,4 Mal mehr Energie als ein Batterie-Elektroauto, da die Elektrolyse und Speicherung von Wasserstoff viel weniger effizient ist als die direkte Ladung einer Batterie mit Strom.

Ab 2009 verbrauchten Kraftfahrzeuge den größten Teil des in den USA verbrauchten Erdöls und verursachten über 60 % der Kohlenmonoxidemissionen und etwa 20 % der Treibhausgasemissionen in den Vereinigten Staaten, jedoch wird die Produktion von Wasserstoff für das Hydrocracken in der Benzinproduktion verwendet unter seinen industriellen Verwendungen war für etwa 10 % der flottenweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Ein mit reinem Wasserstoff betriebenes Fahrzeug hingegen emittiert wenig Schadstoffe und produziert hauptsächlich Wasser und Wärme, wobei bei der Herstellung des Wasserstoffs Schadstoffe entstehen würden, wenn der in der Brennstoffzelle verwendete Wasserstoff nicht ausschließlich mit erneuerbarer Energie hergestellt würde.

In einer Well-to-Wheels- Analyse aus dem Jahr 2005 schätzte das DOE, dass Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge, die aus Erdgas hergestellten Wasserstoff verwenden, zu Emissionen von etwa 55 % des CO 2 pro Meile von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor führen und etwa 25 % weniger Emissionen haben als Hybridfahrzeuge . 2006 stellte Ulf Bossel fest, dass die große Energiemenge, die erforderlich ist, um Wasserstoff aus Naturstoffen (Wasser, Erdgas, Biomasse) zu isolieren, das Leichtgas durch Kompression oder Verflüssigung zu verpacken, den Energieträger an den Verbraucher zu übertragen, zuzüglich der Energieverluste beim es ist nützlich Elektrizität mit Brennstoffzellen umgewandelt, Blätter rund 25% für die Praxis „Richard Gilbert, Co-Autor. Transport Revolutionen: Menschen bewegen und Fracht ohne Öl (2010), Kommentare in ähnlicher Weise, dass die Herstellung von Wasserstoffgas endet einige mit der erzeugten Energie. Anschließend wird Energie aufgenommen, indem der Wasserstoff in Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt wird. Es schneidet beispielsweise nicht gut gegen das Aufladen eines Elektrofahrzeugs (EV) wie den Nissan Leaf oder Chevy Volt an einer Steckdose ab". ry gibt an, dass erneuerbare H2-Pfade viel größere Treibhausgasvorteile bieten. Dieses Ergebnis wurde kürzlich bestätigt. Im Jahr 2010 ging eine US-amerikanische DOE Well-to-Wheels-Publikation davon aus, dass der Wirkungsgrad des einzigen Schrittes der Verdichtung von Wasserstoff auf 6.250 psi (43,1 MPa) an der Tankstelle 94 % beträgt. Eine Studie von Wissenschaftlern der Stanford University und der Technischen Universität München in der November-Ausgabe der Zeitschrift Energy aus dem Jahr 2016 kam zu dem Schluss, dass selbst unter Annahme einer lokalen Wasserstoffproduktion "Investitionen in vollelektrische Batteriefahrzeuge eine wirtschaftlichere Wahl zur Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes sind. vor allem aufgrund der geringeren Kosten und der deutlich höheren Energieeffizienz."

Kritik

2008 schrieb Professor Jeremy P. Meyers in der Zeitschrift Interface der Electrochemical Society : "Während Brennstoffzellen im Vergleich zu Verbrennungsmotoren effizient sind, sind sie vor allem aufgrund der Ineffizienz der Sauerstoffreduktionsreaktion nicht so effizient wie Batterien. ... [D]ie sind am sinnvollsten bei netzunabhängigem Betrieb oder wenn Brennstoff kontinuierlich bereitgestellt werden kann Für Anwendungen, die häufige und relativ schnelle Starts erfordern ... Lagerhallen und wo Wasserstoff als akzeptabler Reaktionspartner gilt, wird eine [PEM-Brennstoffzelle] eine immer attraktivere Wahl [wenn der Austausch von Batterien unbequem ist]". Die praktischen Kosten von Brennstoffzellen für Autos werden jedoch hoch bleiben, bis die Produktionsmengen Skaleneffekte und eine gut entwickelte Lieferkette beinhalten. Bis dahin liegen die Kosten etwa eine Größenordnung über den Zielen des DOE.

Ebenfalls 2008 berichtete Wired News , dass „Experten sagen, dass es 40 Jahre oder länger dauern wird, bis Wasserstoff einen nennenswerten Einfluss auf den Benzinverbrauch oder die globale Erwärmung hat, und wir können es uns nicht leisten, so lange zu warten Ressourcen aus unmittelbareren Lösungen." Das Economist- Magazin zitierte 2008 Robert Zubrin , den Autor von Energy Victory , mit den Worten: "Wasserstoff ist 'so ziemlich der schlechtestmögliche Fahrzeugkraftstoff'". Das Magazin stellte fest, dass der größte Teil des Wasserstoffs durch Dampfreformierung hergestellt wird, die mindestens so viel Kohlenstoff pro Meile ausstößt wie einige der heutigen Benzinautos. Wenn der Wasserstoff hingegen aus erneuerbaren Energien hergestellt werden könnte, "wäre es sicher einfacher, diese Energie einfach zum Laden der Batterien von reinen Elektro- oder Plug-in-Hybridfahrzeugen zu verwenden." Die Los Angeles Times schrieb 2009: "Wie man es auch betrachtet, Wasserstoff ist eine lausige Art, Autos zu bewegen." Die Washington Post fragte im November 2009: "[Warum] wollen Sie Energie in Form von Wasserstoff speichern und diesen Wasserstoff dann verwenden, um Strom für einen Motor zu produzieren, wenn die elektrische Energie bereits überall darauf wartet, aus den Steckdosen gesaugt zu werden". Amerika und in Autobatterien gespeichert...?"

The Motley Fool stellte 2013 fest, dass "es [für Wasserstoffautos] immer noch Kostenhindernisse in Bezug auf Transport, Lagerung und vor allem Produktion gibt." Rudolf Krebs von Volkswagen sagte 2013: "Egal wie gut man die Autos selbst herstellt, die Gesetze der Physik behindern ihre Gesamteffizienz. Der effizienteste Weg, Energie in Mobilität umzuwandeln, ist Strom." Er führte aus: "Wasserstoffmobilität macht nur Sinn, wenn man Ökostrom nutzt", aber ... man muss ihn erst "mit geringen Wirkungsgraden" in Wasserstoff umwandeln, bei dem "etwa 40 Prozent der Anfangsenergie verloren gehen". Sie müssen den Wasserstoff dann komprimieren und unter hohem Druck in Tanks speichern, was mehr Energie verbraucht. "Und dann muss man den Wasserstoff in einer Brennstoffzelle mit einem weiteren Wirkungsgradverlust wieder in Strom umwandeln." Krebs fuhr fort: "Am Ende kommen von Ihren ursprünglich 100 Prozent elektrischer Energie auf 30 bis 40 Prozent."

Im Jahr 2014 berechnete der Elektroautomobil- und Energiefuturist Julian Cox die Emissionen, die pro EPA-Meilen mit kombiniertem Zyklus von Well-to-Wheel von realen Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen erzeugt wurden, und die Zahlen, die von den Testpersonen aggregiert wurden, die an der langfristigen NREL FCV-Studie des US-amerikanischen DOE teilnahmen . Der Bericht präsentierte offizielle Daten, die die Behauptungen der Vermarkter über alle inhärenten Vorteile von Wasserstoffbrennstoffzellen gegenüber den Antriebssträngen gleichwertiger konventioneller Benzinhybride und sogar gewöhnlicher kleinmotoriger Autos mit gleichwertiger Antriebsstrangleistung aufgrund der Emissionsintensität der Wasserstofferzeugung aus Erdgas widerlegen . Der Bericht zeigte die wirtschaftliche Unvermeidlichkeit der fortgesetzten Verwendung von Methan bei der Wasserstofferzeugung aufgrund des Kostendämpfungseffekts von Wasserstoffbrennstoffzellen auf die Reichweite erneuerbarer Energien aufgrund von Umwandlungsverlusten von Elektrizität in und aus Wasserstoff im Vergleich zur direkten Verwendung von Elektrizität in einem gewöhnlichen Elektrofahrzeug. Die Analyse widerspricht den Marketingaussagen der Fahrzeughersteller, die Wasserstoff-Brennstoffzellen fördern. Die Analyse kam zu dem Schluss, dass die öffentliche Politik in Bezug auf Wasserstoff-Brennstoffzellen durch falsche Äquivalenzen mit sehr großen, sehr alten oder sehr leistungsstarken Benzinfahrzeugen in die Irre geführt wurde, die die Auswahl an Technologien zur Emissionsreduzierung, die unter kostengünstigeren und bereits vorhandenen, leicht verfügbar sind, nicht genau widerspiegeln neuere Fahrzeugauswahl, die den Verbrauchern zur Verfügung steht. Cox schrieb 2014, dass die Herstellung von Wasserstoff aus Methan „pro Energieeinheit deutlich kohlenstoffintensiver ist als Kohle. Fossilen Wasserstoff aus der hydraulischen Aufspaltung von Schiefer mit einem umweltverträglichen Energiepfad zu verwechseln, droht eine Energiepolitik zu fördern, die die weltweiten Bemühungen verwässert und möglicherweise zunichte macht.“ dem Klimawandel entgegenzuwirken, da die Gefahr besteht, dass Investitionen und Fokussierung von Fahrzeugtechnologien abgelenkt werden, die mit erneuerbaren Energien wirtschaftlich verträglich sind." Der Business Insider kommentierte 2013:

Reiner Wasserstoff kann industriell gewonnen werden, kostet aber Energie. Wenn diese Energie nicht aus erneuerbaren Quellen stammt, sind Brennstoffzellenautos nicht so sauber, wie es scheint. ... Eine weitere Herausforderung ist die fehlende Infrastruktur. Tankstellen müssen in die Möglichkeit investieren, Wasserstofftanks zu betanken, bevor FCEVs praktisch werden, und es ist unwahrscheinlich, dass viele dies tun werden, während heute so wenige Kunden unterwegs sind. ... Zu der fehlenden Infrastruktur kommen die hohen Kosten der Technologie hinzu. Brennstoffzellen seien "noch sehr, sehr teuer".

Im Jahr 2014 schrieb Joseph Romm , ehemaliger Beamter des Energieministeriums , drei Artikel, in denen er feststellte, dass FCVs die folgenden Probleme immer noch nicht überwunden hatten: hohe Fahrzeugkosten, hohe Kraftstoffkosten und fehlende Infrastruktur für die Kraftstoffversorgung. Er erklärte: "Es würde mehrere Wunder brauchen, um all diese Probleme in den kommenden Jahrzehnten gleichzeitig zu überwinden." Darüber hinaus, sagte er, "sind FCVs nicht grün", weil Methan bei der Erdgasförderung und bei der Herstellung von Wasserstoff entweicht, das zu 95 % im Dampfreformierungsverfahren hergestellt wird. Er kam zu dem Schluss, dass erneuerbare Energien nicht wirtschaftlich genutzt werden können, um Wasserstoff für eine FCV-Flotte "weder jetzt noch in Zukunft" herzustellen. Der Analyst von GreenTech Media kam 2014 zu ähnlichen Schlussfolgerungen. Clean Technica listete 2015 ebenso wie Car Throttle einige der Nachteile von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen auf . Ein anderer Clean Technica- Autor schloss: "Obwohl Wasserstoff in der Welt der Energiespeicherung (insbesondere der saisonalen Speicherung) eine Rolle spielen kann, sieht er bei Mainstream-Fahrzeugen wie eine Sackgasse aus."

Eine in Green Car Reports veröffentlichte Analyse aus dem Jahr 2017 ergab , dass die besten Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge „mehr als dreimal mehr Strom pro Meile verbrauchen als ein Elektrofahrzeug … mehr Treibhausgasemissionen erzeugen als andere Antriebstechnologien … [und] sehr hohe Kraftstoffkosten ... Angesichts all der Hindernisse und Anforderungen an eine neue Infrastruktur (geschätzte Kosten von bis zu 400 Milliarden US-Dollar) scheinen Brennstoffzellenfahrzeuge bestenfalls eine Nischentechnologie zu sein, die wenig Einfluss auf den US-Ölverbrauch hat. Im Jahr 2017 listete Michael Barnard in Forbes die anhaltenden Nachteile von Wasserstoff-Brennstoffzellenautos auf und kam zu dem Schluss, dass "um 2008 sehr klar war, dass Wasserstoff der Batterietechnologie als Energiespeicher für Fahrzeuge unterlegen war und sein wird. [Bis 2025 sollten die letzten Hold-outs wahrscheinlich ihre Brennstoffzellenträume aufgeben.“

Ein Video von Real Engineering aus dem Jahr 2019 stellte fest, dass die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff für Autos nicht dazu beiträgt, die CO2-Emissionen aus dem Verkehr zu reduzieren. Die 95 % des noch aus fossilen Brennstoffen hergestellten Wasserstoffs setzen Kohlendioxid frei, und die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser ist ein energieaufwendiger Prozess. Die Speicherung von Wasserstoff erfordert mehr Energie, um ihn entweder in den flüssigen Zustand abzukühlen oder unter hohem Druck in Tanks zu füllen, und die Lieferung des Wasserstoffs an Tankstellen erfordert mehr Energie und kann mehr Kohlenstoff freisetzen. Der Wasserstoff, der benötigt wird, um ein FCV einen Kilometer zu bewegen, kostet etwa 8-mal so viel wie der Strom, der benötigt wird, um ein BEV die gleiche Entfernung zu bewegen. Auch 2019 erklärte Katsushi Inoue, der Präsident von Honda Europe: "Unser Fokus liegt jetzt auf Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Vielleicht werden Wasserstoff-Brennstoffzellenautos kommen, aber das ist eine Technologie für die nächste Ära." Eine Bewertung aus dem Jahr 2020 ergab, dass Wasserstofffahrzeuge immer noch nur 38 % effizient sind, während Batterie-EVs 80 % effizient sind.

Siehe auch


Anmerkungen

Verweise

Karr. „Die Macht und der Ruhm: Ein Sonderbericht über die Zukunft der Energie“, Seite 11. The Economist , 2008.

Externe Links