Wasserstofffahrzeug - Hydrogen vehicle

Der Toyota Mirai aus dem Jahr 2015 ist eines der ersten Fahrzeuge mit Wasserstoff- Brennstoffzellen , das kommerziell verkauft wird. Der Mirai basiert auf dem Toyota Fuel Cell Vehicle (FCV) Concept Car (siehe Abbildung).

Ein Wasserstoff - Fahrzeug ist ein Typ von alternativem Kraftstoff Fahrzeug , die verwendeten Wasserstoffkraftstoff für die Antriebskraft . Wasserstofffahrzeuge umfassen wasserstoffbetriebene Weltraumraketen sowie Autos und andere Transportfahrzeuge. Strom wird erzeugt, indem die chemische Energie von Wasserstoff in mechanische Energie umgewandelt wird , entweder durch die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle , um Elektromotoren anzutreiben, oder, seltener, durch die Verbrennung von Wasserstoff in einem Verbrennungsmotor .

Ab 2021 sind in ausgewählten Märkten zwei Modelle von Wasserstoffautos öffentlich erhältlich: der Toyota Mirai (2014–), das weltweit erste in Serie produzierte dedizierte Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (FCEV), und der Hyundai Nexo (2018–). . Der Honda Clarity wurde von 2016 bis 2021 produziert. Die meisten Unternehmen, die Wasserstoffautos getestet hatten, sind auf batterieelektrische Autos umgestiegen; Volkswagen hat zum Ausdruck gebracht, dass die Technologie im Automobilbereich keine Zukunft hat, vor allem weil ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug pro gefahrenen Kilometer etwa dreimal mehr Energie verbraucht als ein Batterie-Elektroauto . Im Dezember 2020 waren weltweit 31.225 mit Wasserstoff betriebene Passagier- FCEVs auf den Straßen unterwegs .

Ab 2019 werden 98% des Wasserstoffs durch Dampfmethanreformierung erzeugt , die Kohlendioxid emittiert . Es kann thermochemisch oder pyrolytisch unter Verwendung nachwachsender Rohstoffe hergestellt werden , aber die Verfahren sind derzeit teuer. Es werden verschiedene Technologien entwickelt, die darauf abzielen, die Kosten niedrig genug und die Mengen groß genug zu liefern, um mit der Wasserstofferzeugung aus Erdgas konkurrieren zu können.

Die Vorteile der Wasserstofftechnologie sind eine schnelle Betankungszeit (vergleichbar mit Benzin) und eine große Reichweite mit einer einzigen Tankfüllung. Die Nachteile der Wasserstoffnutzung sind hohe Kohlenstoffemissionen bei der Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas, Kapitalkostenbelastung, geringer Energiegehalt pro Volumeneinheit bei Umgebungsbedingungen, Produktion und Verdichtung von Wasserstoff, erforderliche Investitionen in Tankstellen zur Abgabe von Wasserstoff, Transport von Wasserstoff zu Tankstellen und fehlende Möglichkeit, Wasserstoff zu Hause zu produzieren oder abzugeben.

Fahrzeuge

Honda FCX Clarity , ein 2008 eingeführtes Wasserstoff-Brennstoffzellen-Demonstrationsfahrzeug

Autos, Busse , Gabelstapler, Züge , PHB-Fahrräder , Kanalboote , Lastenräder , Golfwagen , Motorräder , Rollstühle , Schiffe , Flugzeuge , U-Boote und Raketen können bereits mit Wasserstoff in verschiedenen Formen betrieben werden. Die NASA nutzte Wasserstoff, um Space Shuttles ins All zu bringen. Ein funktionierendes Spielzeugmodellauto wird mit Solarenergie betrieben und verwendet eine regenerative Brennstoffzelle , um Energie in Form von Wasserstoff und Sauerstoffgas zu speichern . Es kann dann den Brennstoff wieder in Wasser umwandeln, um die Sonnenenergie freizusetzen. Seit dem Aufkommen des Hydrofracking ist das Hauptanliegen bei Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen die Verwirrung der Verbraucher und der öffentlichen Politik bezüglich der Einführung von erdgasbetriebenen Wasserstofffahrzeugen mit starken versteckten Emissionen auf Kosten des umweltfreundlichen Transports.

Autos

Das Serienauto Hyundai ix35 FCEV

Ab 2021 sind in ausgewählten Märkten zwei Wasserstoffautos öffentlich verfügbar: der Toyota Mirai und der Hyundai Nexo . Der Honda Clarity wurde von 2016 bis 2021 produziert.

Der Hyundai Nexo ist ein Crossover-SUV mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb

Im Jahr 2013 wurde der Hyundai Tucson FCEV auf den Markt gebracht , er war ein Umbau des Tucson und nur als Linkslenker erhältlich und wurde das erste kommerziell in Serie produzierte Fahrzeug seiner Art weltweit. Der Hyundai Nexo , der 2018 die Nachfolge des Tucson antrat, wurde 2018 vom Euro NCAP zum „sichersten SUV“ gekürt und in einem Seitencrashtest des Insurance Institute for Highway Safety (IIHS) mit „Gut“ bewertet.

Toyota brachte Ende 2014 das weltweit erste dedizierte Brennstoffzellenfahrzeug in Massenproduktion (FCV), den Mirai , in Japan auf den Markt und begann mit dem Verkauf in Kalifornien, hauptsächlich im Raum Los Angeles sowie in ausgewählten Märkten in Europa, Großbritannien, Deutschland und Dänemark später im Jahr 2015. Das Auto hat eine Reichweite von 502 km und braucht etwa fünf Minuten, um seinen Wasserstofftank aufzufüllen. Der anfängliche Verkaufspreis in Japan betrug etwa 7 Millionen Yen (69.000 USD). Der frühere Präsident des Europäischen Parlaments, Pat Cox, schätzte, dass Toyota bei jedem verkauften Mirai zunächst etwa 100.000 US-Dollar verlieren würde. Ende 2019 hatte Toyota über 10.000 Mirais verkauft. Viele Automobilunternehmen haben Vorführmodelle in begrenzter Stückzahl eingeführt (siehe Liste der Brennstoffzellenfahrzeuge und Liste der Fahrzeuge mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor ).

Im Jahr 2013 mietete BMW Wasserstofftechnologie von Toyota , und eine Gruppe von Ford Motor Company , Daimler AG und Nissan kündigte eine Zusammenarbeit bei der Entwicklung von Wasserstofftechnologie an. Bis 2017 hatte Daimler jedoch die Entwicklung von Wasserstofffahrzeugen aufgegeben, und die meisten Automobilunternehmen, die Wasserstoffautos entwickelten, hatten ihren Fokus auf batterieelektrische Fahrzeuge verlagert.

Autorennen

Ein Rekord von 207.297 Meilen pro Stunde (333.612 km/h) wurde im August 2007 von einem Prototyp des Ford Fusion Hydrogen 999 Fuel Cell Race Car auf den Bonneville Salt Flats aufgestellt, der einen großen Drucksauerstofftank zur Leistungssteigerung verwendete. Der Land-Geschwindigkeitsrekord für ein mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeug von 286,476 Meilen pro Stunde (461,038 km / h) wurde durch gesetzt Ohio State University ‚s Buckeye Bullet 2 , die eine‚fliegende Meile‘Geschwindigkeit von 280,007 Meilen pro Stunde erreicht (450,628 km/h) auf den Bonneville Salt Flats im August 2008.

2007 wurde die Hydrogen Electric Racing Federation als Rennorganisation für Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge gegründet. Die Organisation sponserte das Hydrogen 500, ein 500-Meilen-Rennen.

Busse

Solaris Urbino 12 Bus in der Nähe der Fabrik in Bolechowo, Polen

Brennstoffzellenbusse werden von mehreren Herstellern an unterschiedlichen Standorten getestet , zum Beispiel der Ursus Lublin. Solaris Bus & Coach stellte 2019 seine Urbino 12 Wasserstoff-Elektrobusse vor. Mehrere Dutzend wurden bestellt und werden voraussichtlich in den Jahren 2020 und 2021 ausgeliefert.

Straßenbahnen und Züge

Im März 2015 demonstrierte die China South Rail Corporation (CSR) in einem Montagewerk in Qingdao den weltweit ersten mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebenen Straßenbahnwagen. Der Chefingenieur der CSR-Tochter CSR Sifang Co Ltd. , Liang Jianying, sagte, dass das Unternehmen untersucht, wie die Betriebskosten der Straßenbahn gesenkt werden können. In sieben chinesischen Städten wurden Gleise für das neue Fahrzeug gebaut. China plant, bis 2020 200 Milliarden Yuan (32 Milliarden US-Dollar) auszugeben, um die Straßenbahnschienen auf mehr als 1.200 Meilen zu erhöhen.

In Norddeutschland wurden 2018 die ersten Coradia iLint- Züge mit Brennstoffzellenantrieb in Betrieb genommen; Überschüssiger Strom wird in Lithium-Ionen-Batterien gespeichert .

Ein Versuchszug „Hydroflex“ der British Rail Class 799 startete im Juni 2019 in Großbritannien seine Tests.

Schiffe

Wasserstoff-Brennstoffzellen eignen sich ab 2019 nicht mehr für den Antrieb großer Langstreckenschiffe, werden aber als Reichweitenverlängerer für kleinere, kurze und langsam fahrende Elektroschiffe wie Fähren in Betracht gezogen. Als Langstreckenkraftstoff wird Wasserstoff in Ammoniak in Betracht gezogen.

Fahrräder

PHB Wasserstofffahrrad

2007 demonstrierte Pearl Hydrogen Power Source Technology Co aus Shanghai , China, ein PHB- Wasserstofffahrrad. 2014 stellten australische Wissenschaftler der University of New South Wales ihr Hy-Cycle-Modell vor. Im selben Jahr begann Canyon Bicycles mit der Arbeit am Konzeptfahrrad Eco Speed.

2017 entwickelte Pragma Industries of France ein Fahrrad, das 100 km mit einer einzigen Wasserstoffflasche zurücklegen konnte. 2019 gab Pragma bekannt, dass das Produkt "Alpha Bike" verbessert wurde, um eine elektrisch unterstützte Tretreichweite von 150 km zu bieten, und die ersten 200 der Fahrräder werden an Journalisten verteilt, die den 45. G7-Gipfel in Biarritz , Frankreich, berichten . Im Erfolgsfall antwortete Lloyd Alter von TreeHugger auf die Ankündigung und fragte: „Warum … sich die Mühe machen, Strom zur Herstellung von Wasserstoff zu verwenden, nur um ihn wieder in Strom umzuwandeln , um eine Batterie aufzuladen, um das E-Bike zu betreiben [oder] einen Kraftstoff zu wählen? das erfordert eine teure Tankstelle, die nur 35 Fahrräder pro Tag abfertigen kann, wenn Sie ein batteriebetriebenes Fahrrad überall aufladen können Umsatz?"

Militärfahrzeuge

Die Militärabteilung von General Motors , GM Defence , konzentriert sich auf Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellen. Sein SURUS (Silent Utility Rover Universal Superstructure) ist eine flexible Brennstoffzellen-Elektroplattform mit autonomen Fähigkeiten. Seit April 2017 testet die US-Armee den kommerziellen Chevrolet Colorado ZH2 auf ihren US-Stützpunkten, um die Lebensfähigkeit von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen im taktischen Umfeld militärischer Einsätze zu ermitteln.

Motorräder und Roller

ENV entwickelt Elektromotorräder, die mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle betrieben werden, darunter Crosscage und Doppeldecker . Andere Hersteller wie Vectrix arbeiten an Wasserstoffrollern. Schließlich werden Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektro-Hybrid-Roller wie der Suzuki Burgman-Brennstoffzellen-Roller und der FHybrid hergestellt . Der Burgman erhielt in der EU die Zulassung für den "ganzen Fahrzeugtyp". Das taiwanesische Unternehmen APFCT führte für das taiwanesische Energiebüro einen Live-Straßentest mit 80 Brennstoffzellen-Rollern durch.

Autorikschas

Wasserstoffauto -Rikscha- Konzeptfahrzeuge wurden von Mahindra HyAlfa und Bajaj Auto gebaut.

Quads und Traktoren

Das H-Due von Autostudi Srl ist ein wasserstoffbetriebenes Quad, das 1-3 Passagiere befördern kann. Es wurde ein Konzept für einen wasserstoffbetriebenen Traktor vorgeschlagen.

Flugzeuge

Der Boeing Fuel Cell Demonstrator mit Wasserstoff-Brennstoffzelle

Unternehmen wie Boeing , Lange Aviation und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt setzen auf Wasserstoff als Treibstoff für bemannte und unbemannte Flugzeuge. Im Februar 2008 testete Boeing einen bemannten Flug eines kleinen Flugzeugs, das von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle angetrieben wurde. Auch unbemannte Wasserstoffflugzeuge wurden getestet. Für große Passagierflugzeuge berichtete The Times , dass "Boeing sagte, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen die Triebwerke großer Passagierflugzeuge wahrscheinlich nicht antreiben würden, aber als Reserve- oder Hilfsaggregate an Bord verwendet werden könnten."

Im Juli 2010 stellte Boeing sein wasserstoffbetriebenes Phantom Eye UAV vor , das von zwei Ford-Verbrennungsmotoren angetrieben wird, die auf Wasserstoff umgerüstet wurden.

In Großbritannien wurden die Reaktionstriebwerke A2 vorgeschlagen, um die thermodynamischen Eigenschaften von flüssigem Wasserstoff zu nutzen, um einen sehr schnellen Langstreckenflug (antipodal) durch Verbrennen in einem vorgekühlten Düsentriebwerk zu erreichen .

Gabelstapler

Ein Gabelstapler mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor (oder „HICE“) oder HICE- Gabelstapler ist ein mit Wasserstoff betriebener, mit Verbrennungsmotor betriebener Industriegabelstapler, der zum Heben und Transportieren von Materialien verwendet wird. Der erste serienmäßige HICE-Gabelstapler auf Basis des Linde X39 Diesel wurde am 27. Mai 2008 auf einer Messe in Hannover vorgestellt Einsatz eines Kompressors und Direkteinspritzung .

Ein Brennstoffzellenstapler (auch Brennstoffzellenstapler genannt) ist ein brennstoffzellenbetriebener Industriestapler. Im Jahr 2013 wurden in den USA über 4.000 Brennstoffzellen-Gabelstapler im Materialumschlag eingesetzt . Der Weltmarkt wurde für den Zeitraum 2014–2016 auf 1 Million brennstoffzellenbetriebene Gabelstapler pro Jahr geschätzt. Flotten werden von Unternehmen auf der ganzen Welt betrieben. Pike Research erklärte 2011, dass brennstoffzellenbetriebene Gabelstapler bis 2020 der größte Treiber der Nachfrage nach Wasserstoff sein werden.

Die meisten Unternehmen in Europa und den USA verwenden keine erdölbetriebenen Gabelstapler, da diese Fahrzeuge in Innenräumen arbeiten, wo die Emissionen kontrolliert werden müssen, und stattdessen elektrische Gabelstapler verwenden. Brennstoffzellenbetriebene Gabelstapler können gegenüber batteriebetriebenen Gabelstaplern Vorteile bieten, da sie in 3 Minuten betankt werden können. Sie können in Kühlhäusern eingesetzt werden, da ihre Leistung durch niedrigere Temperaturen nicht beeinträchtigt wird. Die Brennstoffzelleneinheiten sind oft als Drop-In-Ersatz konzipiert.

Raketen

Viele große Raketen verwenden flüssigen Wasserstoff als Treibstoff, mit flüssigem Sauerstoff als Oxidationsmittel (LH2/LOX). Ein Vorteil von Wasserstoff-Raketentreibstoff ist die hohe effektive Abgasgeschwindigkeit im Vergleich zu Kerosin / LOX- oder UDMH / NTO- Motoren. Nach der Tsiolkovsky-Raketengleichung verbraucht eine Rakete mit höherer Abgasgeschwindigkeit weniger Treibstoff zum Beschleunigen. Auch die Energiedichte von Wasserstoff ist größer als bei jedem anderen Kraftstoff. LH2/LOX bietet auch die größte Effizienz in Bezug auf die verbrauchte Treibstoffmenge von allen bekannten Raketentreibstoffen.

Ein Nachteil von LH2/LOX-Motoren ist die geringe Dichte und niedrige Temperatur des flüssigen Wasserstoffs, wodurch größere und isolierte und damit schwerere Kraftstofftanks benötigt werden. Dies erhöht die strukturelle Masse der Rakete, was ihr Delta-v erheblich reduziert. Ein weiterer Nachteil ist die schlechte Lagerfähigkeit von LH2/LOX-betriebenen Raketen: Aufgrund des ständigen Wasserstoff-Boil-Offs muss die Rakete kurz vor dem Start betankt werden, was kryogene Triebwerke für Interkontinentalraketen und andere Raketenanwendungen mit kurzen Startvorbereitungen ungeeignet macht .

Insgesamt unterscheidet sich das Delta-v einer Wasserstoffstufe normalerweise nicht wesentlich von dem einer dicht befeuerten Stufe, aber das Gewicht einer Wasserstoffstufe ist viel geringer, was sie für obere Stufen besonders effektiv macht, da sie von den unteren getragen werden Stufen. Für die ersten Stufen können dicht betankte Raketen in Studien aufgrund der geringeren Fahrzeuggröße und des geringeren Luftwiderstands einen kleinen Vorteil zeigen.

LH2/LOX wurden auch im Space Shuttle verwendet , um die Brennstoffzellen zu betreiben, die die elektrischen Systeme antreiben. Das Nebenprodukt der Brennstoffzelle ist Wasser, das zum Trinken und für andere Anwendungen verwendet wird, die Wasser im Weltraum benötigen.

Schwere Lkw

United Parcel Service begann 2017 mit der Erprobung eines wasserstoffbetriebenen Lieferfahrzeugs. US Hybrid , Toyota und Kenworth planen auch, Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw der Klasse 8 mit Drayage zu testen .

Im Jahr 2020 hat Hyundai mit der kommerziellen Produktion seiner Xcient- Brennstoffzellen-Lkw begonnen und zehn davon in die Schweiz verschifft . Bis 2022 soll in weitere Märkte, darunter die USA, verkauft werden.

Fahrzeug mit Verbrennungsmotor

Autos mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor unterscheiden sich von Autos mit Wasserstoff-Brennstoffzellen. Das Auto mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor ist eine leicht modifizierte Version des traditionellen Autos mit Benzin- Verbrennungsmotor . Diese Wasserstoffmotoren verbrennen Kraftstoff auf die gleiche Weise wie Benzinmotoren; Der Hauptunterschied ist das Abgasprodukt. Die Verbrennung von Benzin führt zu Emissionen von Kohlendioxid , Kohlenmonoxid , NOx, Partikeln und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, während das Hauptabgasprodukt der Wasserstoffverbrennung Wasserdampf ist.

1807 konstruierte Francois Isaac de Rivaz den ersten wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor . 1965 baute Roger Billings , damals Gymnasiast, ein Modell A auf Wasserstoff um. Im Jahr 1970 patentierte Paul Dieges eine Modifikation an Verbrennungsmotoren, die es ermöglichte, einen benzinbetriebenen Motor mit Wasserstoff zu betreiben US 3844262  .

Mazda hat Wankelmotoren entwickelt , die Wasserstoff verbrennen und im Mazda RX-8 Hydrogen RE zum Einsatz kommen . Der Vorteil der Verwendung eines Verbrennungsmotors, wie Wankel- und Kolbenmotoren, sind die geringeren Kosten für die Umrüstung für die Produktion.

Auf Basis umgebauter Diesel-Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung wurden HICE-Gabelstapler demonstriert .

Brennstoffzelle

Brennstoffzellenkosten

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind relativ teuer in der Herstellung, da ihr Design seltene Substanzen wie Platin als Katalysator benötigt . 2014 schätzte der ehemalige Präsident des Europäischen Parlaments, Pat Cox , dass Toyota bei jedem verkauften Mirai zunächst etwa 100.000 US-Dollar verlieren würde. Im Jahr 2020 entwickeln Forscher am Department of Chemistry der Universität Kopenhagen einen neuen Katalysatortyp, von dem sie hoffen, dass er die Kosten von Brennstoffzellen senkt. Dieser neue Katalysator verbraucht viel weniger Platin, da die Platin-Nanopartikel nicht über Kohlenstoff beschichtet sind, was in herkömmlichen Wasserstoff-Brennstoffzellen die Nanopartikel an Ort und Stelle hält, aber auch dazu führt, dass der Katalysator instabil wird und ihn langsam denaturiert, wodurch noch mehr Platin benötigt wird . Die neue Technologie verwendet statt der Nanopartikel langlebige Nanodrähte. "Der nächste Schritt für die Forscher besteht darin, ihre Ergebnisse zu skalieren, damit die Technologie in Wasserstofffahrzeugen umgesetzt werden kann."

Gefrierbedingungen

Die Probleme früher Brennstoffzellen-Designs bei niedrigen Temperaturen bezüglich Reichweite und Kaltstartfähigkeit wurden angegangen, sodass sie "nicht mehr als Show-Stopper angesehen werden können". Nutzer gaben 2014 an, dass ihre Brennstoffzellenfahrzeuge bei Minustemperaturen einwandfrei funktionieren, selbst wenn die Heizungen explodieren, ohne die Reichweite signifikant zu reduzieren. Studien mit Neutronenradiographie bei einem nicht unterstützten Kaltstart weisen auf Eisbildung in der Kathode, drei Phasen beim Kaltstart und Nafion-Ionenleitfähigkeit hin. Ein Parameter, definiert als Coulomb-Ladung, wurde auch definiert, um die Kaltstartfähigkeit zu messen.

Lebensdauer

Die Lebensdauer von Brennstoffzellen ist mit der anderer Fahrzeuge vergleichbar. Die Lebensdauer der Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle beträgt 7.300 Stunden unter zyklischen Bedingungen.

Wasserstoff

Wasserstoff existiert nicht in geeigneten Reservoirs oder Lagerstätten wie fossilen Brennstoffen oder Helium . Es wird aus Rohstoffen wie Erdgas und Biomasse hergestellt oder aus Wasser elektrolysiert. Ein vorgeschlagener Vorteil des groß angelegten Einsatzes von Wasserstofffahrzeugen besteht darin, dass er zu geringeren Emissionen von Treibhausgasen und Ozonvorläufern führen könnte. Ab 2014 werden jedoch 95 % des Wasserstoffs aus Methan hergestellt . Es kann auf thermochemischem oder pyrolytischem Weg unter Verwendung nachwachsender Rohstoffe hergestellt werden, aber das ist ein teures Verfahren. Erneuerbare Elektrizität kann jedoch verwendet werden, um die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff anzutreiben: Integrierte Wind-to-Wasserstoff ( Power-to-Gas )-Anlagen, die die Elektrolyse von Wasser nutzen , erforschen Technologien, um mit ausreichend geringen Kosten und ausreichenden Mengen konkurrieren zu können traditionellen Energiequellen.

Laut Ford Motor Company würde ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeug nur drei Fünftel so viel Kohlendioxid erzeugen wie ein vergleichbares Fahrzeug, das mit Benzin, das mit 10 Prozent Ethanol gemischt wird, betrieben wird. Obwohl Methoden der Wasserstofferzeugung ohne fossile Brennstoffe nachhaltiger wären, stellen erneuerbare Energien derzeit nur einen kleinen Anteil der erzeugten Energie dar, und Strom aus erneuerbaren Quellen kann in Elektrofahrzeugen und für Anwendungen außerhalb des Fahrzeugs effizienter genutzt werden.

Zu den Herausforderungen beim Einsatz von Wasserstoff in Fahrzeugen gehört vor allem die Speicherung an Bord des Fahrzeugs. Der Well-to-Wheel-Wirkungsgrad für Wasserstoff aus der am wenigsten effizienten Herstellungsart (Elektrolyse) liegt zwar bei weniger als 25 Prozent, liegt aber dennoch über dem von Fahrzeugen auf Basis von Verbrennungsmotoren.

Produktion

Der molekulare Wasserstoff, der als Bordkraftstoff für Wasserstofffahrzeuge benötigt wird, kann durch viele thermochemische Verfahren unter Verwendung von Erdgas , Kohle (durch ein Verfahren, das als Kohlevergasung bekannt ist), Flüssiggas , Biomasse ( Biomassevergasung ), durch ein Verfahren namens Thermolyse oder . gewonnen werden als mikrobielles Abfallprodukt namens Biowasserstoff oder Biologische Wasserstoffproduktion . 95 % des Wasserstoffs werden mit Erdgas hergestellt und 85 % des erzeugten Wasserstoffs werden verwendet, um Schwefel aus Benzin zu entfernen. Wasserstoff kann auch durch Elektrolyse mit Arbeitswirkungsgraden von 65–70% aus Wasser hergestellt werden . Wasserstoff kann auch durch chemische Reduktion unter Verwendung von chemischen Hydriden oder Aluminium hergestellt werden. Aktuelle Technologien zur Herstellung von Wasserstoff nutzen Energie in unterschiedlicher Form, die insgesamt zwischen 25 und 50 Prozent des höheren Heizwertes des Wasserstoff-Brennstoffs ausmacht, zur Herstellung, Verdichtung oder Verflüssigung und zum Transport des Wasserstoffs per Pipeline oder Lkw.

Zu den Umweltfolgen der Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern gehört der Ausstoß von Treibhausgasen , eine Folge, die auch aus der bordeigenen Reformierung von Methanol zu Wasserstoff resultieren würde. Analysen, die die Umweltfolgen der Wasserstoffproduktion und -verwendung in Brennstoffzellenfahrzeugen mit der Erdölraffination und der Verbrennung in konventionellen Automotoren vergleichen, sind sich nicht einig, ob eine Nettoreduktion von Ozon und Treibhausgasen resultieren würde. Die Wasserstoffproduktion unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen würde keine solchen Emissionen verursachen, aber der Umfang der erneuerbaren Energieerzeugung müsste erweitert werden, um zur Herstellung von Wasserstoff für einen erheblichen Teil des Transportbedarfs verwendet zu werden. Ab 2016 wurden 14,9 Prozent des US-Stroms aus erneuerbaren Quellen erzeugt. In einigen Ländern werden erneuerbare Quellen verstärkt zur Erzeugung von Energie und Wasserstoff genutzt. Zum Beispiel Island wird mit geothermischer Energie zur Erzeugung von Wasserstoff und Dänemark wird mit Wind .

Lagerung

Speichermarke für komprimierten Wasserstoff

Verdichteter Wasserstoff in Wasserstofftanks mit 350 bar (5.000 psi) und 700 bar (10.000 psi) wird für Wasserstofftanksysteme in Fahrzeugen auf Basis der Carbon-Composite-Technologie des Typs IV verwendet.

Wasserstoff hat bei Umgebungsbedingungen eine sehr geringe volumetrische Energiedichte im Vergleich zu Benzin und anderen Fahrzeugkraftstoffen. Es muss in einem Fahrzeug entweder als unterkühlte Flüssigkeit oder als hochkomprimiertes Gas gespeichert werden, was zusätzliche Energie erfordert. Im Jahr 2018 trieben Forscher des CSIRO in Australien einen Toyota Mirai und einen Hyundai Nexo mit Wasserstoff an, der mithilfe einer Membrantechnologie von Ammoniak getrennt wurde. Ammoniak ist in Tankschiffen einfacher sicher zu transportieren als reiner Wasserstoff.

Infrastruktur

Wasserstoff-Autobetankung
Wasserstoffbetankung

Die Wasserstoffinfrastruktur besteht aus mit Wasserstoff ausgestatteten Tankstellen , die über Druckwasserstoff-Rohranhänger , Flüssigwasserstoff-Tankwagen oder dedizierte Vor-Ort-Produktion mit Wasserstoff versorgt werden , sowie einige industrielle Wasserstoff-Pipeline-Transporte . Die Verteilung von Wasserstoffkraftstoff für Fahrzeuge in den gesamten USA würde neue Wasserstofftankstellen erfordern, die in den USA zwischen 20 Milliarden Dollar (4,6 Milliarden in der EU) kosten würden. und eine halbe Billion Dollar in den USA.

Ab 2021 gab es in den USA 49 öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen , davon 48 in Kalifornien (gegenüber 42.830 Elektroladestationen). 2017 gab es in Japan 91 Wasserstofftankstellen.

Codes und Standards

Wasserstoff-Codes und -Standards sowie Codes und technische Standards für die Wasserstoffsicherheit und die Wasserstoffspeicherung waren ein institutionelles Hindernis für den Einsatz von Wasserstofftechnologien . Um die Kommerzialisierung von Wasserstoff in Konsumgütern zu ermöglichen, müssen neue Codes und Standards entwickelt und von Bundes-, Landes- und Kommunalverwaltungen verabschiedet werden.

Offizieller Support

US-Initiativen

2003 kündigte George W. Bush eine Initiative zur Förderung wasserstoffbetriebener Fahrzeuge an. Im Jahr 2009 strichen Präsident Obama und sein Energieminister Steven Chu die Finanzierung der Brennstoffzellentechnologie, nachdem sie zu dem Schluss gekommen waren, dass die Technologie noch Jahrzehnte entfernt sei. Unter heftiger Kritik wurde die Finanzierung teilweise wiederhergestellt.

Im Jahr 2013 sagte Senator Byron L. Dorgan : „Der Gesetzentwurf über Energie- und Wasserzuweisungen investiert in die Bemühungen unseres Landes, sichere, heimische Energiequellen zu entwickeln, die unsere Abhängigkeit von ausländischem Öl verringern werden wegweisenden Technologien, stellt dieser Gesetzentwurf auch die Finanzierung der Wasserstoff-Energieforschung wieder her." Im selben Jahr gab die US Department of Energy 9.000.000 Dollar in Form von Zuschüssen zu beschleunigen Technologie - Entwicklung, 4,5 Millionen für fortschrittlich Brennstoffzellenmembranen, $ 3.000.000 an 3M zu Arbeiten an Membranen mit verbesserter Haltbarkeit und Leistung, und 1,5 Millionen an der Colorado School of Mines für die Arbeit an einfacheren und kostengünstigeren Brennstoffzellenmembranen. US-Investitionen in die Betankung waren 2014 geplant.

Andere Bemühungen

In Japan soll Wasserstoff hauptsächlich von außerhalb Japans bezogen werden.

Norwegen plant eine Reihe von Wasserstofftankstellen entlang der Hauptstraßen.

Kritik

Kritiker behaupten, dass der Zeitrahmen für die Bewältigung der technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen bei der Umsetzung eines breiten Einsatzes von Wasserstoffautos voraussichtlich mindestens mehrere Jahrzehnte dauern wird. Die Fokussierung auf den Einsatz des Wasserstoffautos sei ein gefährlicher Umweg von leichter verfügbaren Lösungen, um den Einsatz fossiler Brennstoffe in Fahrzeugen zu reduzieren. Im Mai 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."

Kritik an Wasserstofffahrzeugen wird im Dokumentarfilm Who Killed the Electric Car? aus dem Jahr 2006 präsentiert . . Laut Joseph Romm , dem ehemaligen Beamten des US-Energieministeriums , "ist ein Wasserstoffauto eine der am wenigsten effizienten und teuersten Methoden, um Treibhausgase zu reduzieren." Auf die Frage, wann Wasserstoffautos allgemein verfügbar sein werden, antwortete Romm: "Nicht zu unseren Lebzeiten und sehr wahrscheinlich nie." Die Los Angeles Times schrieb 2009: „Die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie wird in Autos nicht funktionieren. 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 Kalifornien sich von früheren Zielen zurückgezogen hatte: „Im Jahr [2008] änderte das California Air Resources Board , eine Behörde der kalifornischen Landesregierung und eine Leitlinie für die Regierungen der Bundesstaaten in ganz Amerika, seine Anforderungen an die Anzahl der emissionsfreien Fahrzeuge (ZEVs .). ) soll zwischen 2012 und 2014 in Kalifornien gebaut und verkauft werden. Das überarbeitete Mandat ermöglicht es den Herstellern, die Vorschriften einzuhalten, indem sie mehr batterieelektrische Autos anstelle von Brennstoffzellenfahrzeugen bauen.“ Das Magazin stellte auch fest, dass der größte Teil des Wasserstoffs durch Dampf-Methan-Reformierung hergestellt wird, die mindestens so viel Kohlenstoff pro Meile ausstößt wie einige der heutigen Benzinautos. Wenn der Wasserstoff hingegen mit erneuerbarer Energie hergestellt werden könnte, "wäre es sicher einfacher, diese Energie einfach zum Laden der Batterien von rein elektrischen oder Plug-in-Hybridfahrzeugen zu verwenden." Ab 2019 werden 98 % des Wasserstoffs durch die Dampfreformierung von Methan erzeugt , die Kohlendioxid emittiert.

Eine im Journal of Power Sources veröffentlichte Studie aus dem Jahr 2009 an der UC Davis ergab in ähnlicher Weise, dass Wasserstofffahrzeuge während ihrer Lebensdauer mehr Kohlenstoff ausstoßen werden als Benzinfahrzeuge. Dies stimmt mit einer Analyse aus dem Jahr 2014 überein. Die Washington Post fragte 2009: „Warum wollen Sie Energie in Form von Wasserstoff speichern und diesen Wasserstoff dann zur Stromerzeugung für einen Motor verwenden, wenn die elektrische Energie bereits darauf wartet, aus den Steckdosen in ganz Amerika gesaugt zu werden? 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." Der Business Insider kommentierte:

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 [Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge] 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 widmete Joseph Romm drei Artikel der Aktualisierung seiner Kritik an Wasserstofffahrzeugen in seinem Buch The Hype about Hydrogen . Er stellte fest, dass Brennstoffzellenfahrzeuge die hohen Kosten der Fahrzeuge, die hohen Betankungskosten und die fehlende Infrastruktur für die Kraftstoffversorgung immer noch nicht überwunden hätten. "Es würde mehrere Wunder erfordern, um all diese Probleme in den kommenden Jahrzehnten gleichzeitig zu überwinden." Darüber hinaus schrieb er: "FCVs sind nicht grün", weil bei der Erdgasförderung Methan entweicht und wenn Wasserstoff 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 kam zu dem Schluss, dass "Wasserstoff zwar eine Rolle in der Welt der Energiespeicherung (insbesondere der saisonalen Speicherung) spielen kann, aber bei Mainstream-Fahrzeugen wie eine Sackgasse aussieht." 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 der Annahme einer lokalen Wasserstoffproduktion "Investitionen in vollelektrische Batteriefahrzeuge eine wirtschaftlichere Wahl sind, um den Kohlendioxidausstoß zu reduzieren. vor allem aufgrund der geringeren Kosten und der deutlich höheren Energieeffizienz."

Eine 2017 in Green Car Reports veröffentlichte Analyse kam zu dem Schluss, dass die besten Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge „mehr als dreimal mehr Strom pro Meile verbrauchen als ein Elektrofahrzeug … mehr Treibhausgasemissionen erzeugen als andere Antriebstechnologien … [und haben ] 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 mit geringen Auswirkungen auf den US-Ölverbrauch zu sein Das US-Energieministerium stimmt zu, dass Kraftstoff, der durch Elektrolyse aus Netzstrom erzeugt wird, nicht jedoch für die meisten anderen Erzeugungspfade gilt. Ein Video von Real Engineering aus dem Jahr 2019 stellte fest, dass trotz der Einführung von mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen Wasserstoff als Kraftstoff verwendet wird für Autos trägt nicht dazu bei, die CO2-Emissionen aus dem Verkehr zu reduzieren: 95 % des Wasserstoffs, der immer noch aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird, setzen Kohlendioxid frei, und die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser ist energieaufwendig ming-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 über 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.

Sicherheit und Versorgung

Wasserstoff als Kraftstoff ist wegen der geringen Zündenergie (siehe auch Selbstzündungstemperatur ) und der hohen Verbrennungsenergie von Wasserstoff gefährlich und neigt dazu, leicht aus Tanks auszulaufen . Explosionen an Wasserstofftankstellen wurden gemeldet. Wasserstofftankstellen erhalten in der Regel Wasserstofflieferungen per Lkw von Wasserstofflieferanten. Eine Unterbrechung einer Wasserstoffversorgungsanlage kann mehrere Wasserstofftankstellen stilllegen.

Vergleich mit anderen Fahrzeugtypen mit alternativen Kraftstoffen

Wasserstofffahrzeuge konkurrieren mit verschiedenen vorgeschlagenen Alternativen zur modernen Fahrzeuginfrastruktur mit fossilen Brennstoffen .

Plug-in-Hybride

Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge oder PHEVs sind Hybridfahrzeuge , die an das Stromnetz angeschlossen werden können und einen Elektromotor sowie einen Verbrennungsmotor enthalten . Das PHEV-Konzept erweitert Standard- Hybrid-Elektrofahrzeuge um die Möglichkeit, ihre Batterien aus einer externen Quelle aufzuladen, was eine verstärkte Nutzung der Elektromotoren des Fahrzeugs ermöglicht und gleichzeitig ihre Abhängigkeit von Verbrennungsmotoren verringert. Die zum Laden von PHEVs erforderliche Infrastruktur ist bereits vorhanden und die Übertragung des Stroms vom Netz zum Auto ist zu etwa 93 % effizient. Dies ist jedoch nicht der einzige Energieverlust bei der Übertragung von Strom vom Netz auf die Räder. Die AC/DC-Wandlung muss von der AC-Versorgung des Netzes zum DC des PHEV erfolgen. Dies ist ungefähr 98% effizient. Anschließend muss der Akku geladen werden. Ab 2007 war die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie zwischen 80 und 90 % effizient beim Laden/Entladen. Der Akku muss gekühlt werden. Ab 2009 beträgt "der gesamte Well-to-Wheel-Wirkungsgrad, mit dem ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug erneuerbaren Strom nutzen könnte, ungefähr 20 %. ... ein Elektromotor in einem PHEV oder EV ist jedoch 80 % ... viermal effizienter als die derzeitigen Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeugwege." Eine Studie der UC Davis vom Dezember 2009 ergab, dass PHEVs während ihrer Lebensdauer weniger Kohlenstoff emittieren als aktuelle Fahrzeuge, während Wasserstoffautos mehr Kohlenstoff ausstoßen als Benzinfahrzeuge.

Erdgas

Auf Verbrennungsmotoren basierende komprimierte Erdgas (CNG), HCNG- , LPG- oder LNG- Fahrzeuge ( Erdgasfahrzeuge oder NGVs) verwenden Methan ( Erdgas oder Biogas ) direkt als Kraftstoffquelle. Erdgas hat eine höhere Energiedichte als Wasserstoffgas. Erdgasfahrzeuge, die Biogas verwenden, sind nahezu CO2-neutral . Im Gegensatz zu Wasserstofffahrzeugen sind CNG-Fahrzeuge seit vielen Jahren verfügbar und es gibt eine ausreichende Infrastruktur, um sowohl gewerbliche als auch private Tankstellen bereitzustellen. Ende 2011 gab es weltweit 14,8 Millionen Erdgasfahrzeuge. Die andere Verwendung von Erdgas ist die Dampfreformierung , die gängige Methode zur Herstellung von Wasserstoffgas für den Einsatz in Elektroautos mit Brennstoffzellen.

Vollelektrische Fahrzeuge

In einem Technology Review- Artikel aus dem Jahr 2008 heißt es: „Elektroautos – und Plug-in-Hybridautos – haben gegenüber Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen einen enormen Vorteil bei der Nutzung von kohlenstoffarmem Strom. Dies liegt an der inhärenten Ineffizienz des gesamten Wasserstoffbetankungsprozesses, von Wasserstoff mit diesem Strom zu erzeugen, dieses diffuse Gas über weite Strecken zu transportieren, den Wasserstoff ins Auto zu bringen und ihn dann durch eine Brennstoffzelle zu leiten – alles mit dem Ziel, den Wasserstoff wieder in Strom umzuwandeln, um genau denselben Elektromotor anzutreiben, den Sie haben. finde ich in einem Elektroauto." Thermodynamisch verringert jeder zusätzliche Schritt im Umwandlungsverfahren die Gesamteffizienz des Verfahrens.

Ein Vergleich von Wasserstoff- und batterieelektrischen Fahrzeugen aus dem Jahr 2013 stimmte mit der 25-Prozent-Zahl von Ulf Bossel im Jahr 2006 überein und stellte fest, dass die Kosten für eine Elektrofahrzeugbatterie „schnell sinken und die Kluft noch größer werden wird“, während es wenig „besteht“. Infrastruktur für den Transport, die Speicherung und die Lieferung von Wasserstoff an Fahrzeuge und würde Milliarden von Dollar kosten, die Steckdosen aller Haushalte sind "Tankstellen für Elektrofahrzeuge" und die "Stromkosten (je nach Quelle) sind mindestens 75 % günstiger" als Wasserstoff." Bis 2018 waren die Kosten für EV-Batterien auf unter 150 US-Dollar pro kWh gefallen.

Frühe Elektroauto- Designs boten eine begrenzte Reichweite, was zu Reichweitenangst führte . Zum Beispiel hatte der Nissan Leaf 2013 eine Reichweite von 121 km. Neuere EV-Modelle haben im Allgemeinen eine erheblich größere Reichweite; Das Tesla Model S 2020 hat beispielsweise eine Reichweite von mehr als 640 km. Die meisten Pendelstrecken in den USA betragen 48 bis 64 km pro Tag hin und zurück, und in Europa sind die meisten Pendelstrecken etwa 20 km (12 Meilen) hin und zurück

Im Jahr 2013 erklärte John Swanton vom California Air Resources Board , der Elektrofahrzeuge und Wasserstofffahrzeuge als komplementäre Technologien ansah, dass Elektrofahrzeuge den Vorsprung gegenüber Brennstoffzellenautos hatten, die „wie Elektrofahrzeuge vor 10 Jahren sind. Elektrofahrzeuge sind für echte Verbraucher. keine Bedingungen. Bei Elektrofahrzeugen ist eine Menge Infrastruktur vorhanden. Der Business Insider kommentierte 2013, wenn die Energie zur Herstellung von Wasserstoff "nicht aus erneuerbaren Quellen stammt, dann sind Brennstoffzellenautos nicht so sauber, wie sie scheinen. ... 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“, selbst im Vergleich zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links