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Ein Wasserstoffantrieb nutzt Wasserstoff als Treibstoff oder Kraftstoff. Im Wesentlichen lassen sich folgende Konzepte unterscheiden:
Inhaltsverzeichnis |
Der als Treibstoff dienende Wasserstoff ist, wie auch elektrische Energie, 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 mehr Energie pro Gewichtseinheit als jeder andere chemische Brennstoff.
Die Abgase einer Brennstoffzelle bestehen aus reinem Wasserdampf.
Die bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft entstehenden Abgase enthalten 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.
Die wesentlichen Verfahren zur Wasserstofferzeugung sind
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.
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 existieren 2011 ca. 200 Wasserstofftankstellen. In Deutschland sind es ca. 30, davon werden 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.[6] → Siehe auch : Hydrogen highway
Eine Wasserstofftankstelle kostet ca. 1 bis 1,5 Mio. Euro.[7]
Auf der Hamburger Alster verkehrt seit 2007 ein Ausflugsschiff für 100 Passagiere, das von einer Brennstoffzelle angetrieben wird, die ca. 100 kW erzeugt. Die Kosten der Brennstoffzellen betrugen 3 Mio €, das komplette Schiff kostete 5 Mio €. Es wurde im Rahmen des Projektes Zemships entwickelt. Wasserstoffbetriebene Hochseeschiffe befinden sich in der Entwicklungsphase.
Die norwegische Viking Lady ist ein Versorgungsschiff, dass 2009 zusätzlich zum dieselelektrischen Antrieb mit einer Brennstoffzelle ausgerüstet wurde.
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Das DeepC (in englischer Aussprache: Tiefsee) ist ein wasserstoffbetriebenes, unbemanntes Unterwasserfahrzeug. Es wurde 2004 in Betrieb genommen. Inzwischen ist das Projekt beendet.
Mazda verleast seit März 2006 den Wasserstoff RX-8 und ist somit der erste Autohersteller, der ein Fahrzeug mit Wasserstoffverbrennungsmotor anbietet. [8][9]
BMW ist der zweite Hersteller, der einen Wasserstoffverbrennungsmotor für PKWs zur Serienreife gebracht hat. Der Motor kann sowohl mit Wasserstoff als auch mit Benzin betrieben werden. [10] 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 derzeit 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 (-253C) 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 Hydogen7 nach 17 Stunden Standzeit, nach 9Tagen ist ein halbvoller Tank verdampft[11].
BMW hat Ende 2009 bekanntgegeben,[12] 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.[13]
In Berlin waren zur Fußball-Weltmeisterschaft 2006 zwei Busse mit Wasserstoffverbrennungsmotor im Dauereinsatz[14]. Sie legten dort 8.500 Kilometer zurück und haben im Laufe des Jahres 2006 in Berlin-Spandau den Linienbetrieb aufgenommen. 2009 teilte der Hersteller MAN mit, wegen vermehrter Defekte das Projekt aufzugeben[15].
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.
Mercedes will 2014 mit der Großserienfertigung von Wasserstofffahrzeugen beginnen.[17] Um die Alltagstauglichkeit des Wasserstoffantriebes nachzuweisen, startete Mercedes eine Weltumrundung mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der B-Klasse. Bereits 200 Serienfahrzeuge dieses Typs sind 2010 an Kunden ausgeliefert worden.[18]
Opel hat 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 wird erwogen, überschüssige Energie aus Wind- und Solarkraftwerken zur ökologischen Wasserstofferzeugung zu verwenden. Ein erstes Pilotprojekt ist mit dem Windkrafterzeuger Enertrag geplant.[19]
Die Fahrzeughersteller hoffen, etwa 2014 Brennstoffzellenfahrzeuge zum Preis vergleichbarer Dieselfahrzeuge anbieten zu können.[20]
Im August 2004 hatte der TÜV-Rheinland das Wasserstoff-Fahrzeug Hysun3000 zugelassen.
In Hamburg sind seit 2004 drei durch Brennstoffzellen und Elektromotoren angetriebene Busse in der praktischen Erprobung, sechs weitere seit April 2006. Das Projekt der Hamburger Hochbahn AG und Vattenfall Europe heißt HH2. Allerdings ist der Gesamtwirkungsgrad (Well-to-Wheel) der mit Wasserstoff aus ÖkoStrom betriebenen Fahrzeuge umstritten, da zur Wasserstoffherstellung und Speicherung enorme Strommengen benötigt werden. Der Energieverbrauch der Wasserstoffbusse entsprach daher etwa einem Diesel-Verbrauch von 100 Liter auf 100 Kilometer[21]. Diese zweite weiterentwickelte Generation[22], war bis 2010 im Einsatz. Seit 2011 kommt die dritte, deutlich verbesserte Version zum Einsatz[23]. Es handelt sich um serielle Hybridbusse, deren Brennstoffzelle mit bis zu 60% Wirkungsgrad arbeitet und die den Strom in Lithium-Ionen-Batterien speichert. Dadurch sind rein elektrische Fahrten und Rekuperation möglich. Die zwei Radnabenmotore besitzen je 60kW Dauerleistung und können kurzzeitig bis 240kW leisten[24] Der Wasserstoffverbrauch konnte um bis zu 50% verringert werden, so dass sich der Gesamtwirkungsgrad deutlich verbesserte[25][26].
Mit Brennstoffzellen angetriebene Fahrräder und Motorroller befinden sich derzeit in der Entwicklungsphase. Als erstes Brennstoffzellen-Zweirad überhaupt erhielt die Suzuki Burgman Fuell 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. [27]
Wirtschaftlichkeit ist ein Maß für den finanziellen Ertrag im Verhältnis zum finanziellen Aufwand. Ein Vorhaben oder Produkt ist wirtschaftlich, wenn der Ertrag größer ist als der Aufwand und größer als der Ertrag von konkurrierenden Vorhaben oder Produkten. In einer Marktwirtschaft besteht für jeden Teilnehmer (Unternehmen, Verbraucher) grundsätzlich der Zwang zum wirtschaftlichen Handeln, um zu bestehen. Jede Antriebstechnologie, auch der Wasserstoffantrieb, wird sich in einer Marktwirtschaft nur dann durchsetzen, wenn sie für den Verbraucher wirtschaftlich ist.
Antriebe, die fossile Treibstoffe nutzen, sind im Jahr 2011 im Gegensatz zu den Wasserstoffantrieben wegen der noch günstigen Preise für die fossilen Primärenergien unbestritten wirtschaftlich. 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 Wasserstoff ist von mehreren Faktoren abhängig (siehe Tabelle). Einer der bestimmenden Parameter ist der Preis der fossilen Primärenergieträger. Erst wenn das Fördermaximum der fossilen Energieträger überschritten ist und durch die zunehmende Erschöpfung deren Preis ansteigt, kommen erneuerbare Energien und damit auch klimaneutral gewonnener Wasserstoff in den Bereich der Wirtschaftlichkeit. Als Vergleichswert dient unter Anderem der Ölpreis. Der liegt im Jahr 2011 um die 100 $/Barrel.[28]
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.[29] Nach der Einschätzung namhafter Automobilhersteller wird dies in den Jahren ab 2014 erreicht sein.[20]
| Faktoren welche die Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff erhöhen | Faktoren welche 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 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 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[30] und einem Preis von 8,099 €/kg (bei konventioneller Erzeugung aus fossilen Primärenergien)[31] 100 km weit fahren zu können, zahlt man 7,86 €. | Um mit einem Fahrzeug der Mercedes B-Klasse mit Ottomotor bei einem Verbrauch von 7 l/100km und einem Benzinpreis von 1,579 €[31] (E10) 100 km weit fahren zu können, zahlt man 11,05 €. |
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. Derzeit wird auf Wasserstoff 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 € allein für das Platin (zum Vergleich: Der Katalysator eines benzingetriebenen Fahrzeugs benötigt nur ca. 20 g Platin). Mit weniger Platin auskommende Brennstoffzellen befinden sich derzeit in der Entwicklung.[32][33][34]
→ 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 4-75Vol% entzündlich ist (Benzin: 0,6-8Vol%)[35]. Sauerstoff/Wasserstoffgemische mit einem Anteil von unter 10,5 Volumenprozent Wasserstoff sind schwerer als Luft und sinken zu Boden. Die Entmischung erfolgt nicht unmittelbar[36], so das 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.[35]
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 0,02mJ nötig als bei Benzin (Benzin: 0,24mJ), in der Praxis spielt das aber keine Rolle, denn bereits die Energie eines elektrischen Funkens reicht aus, um auch Benzindämpfe zu entzünden[35].
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[35].
Nach einer Entzündung brennt Wasserstoff mit einer höheren Verbrennungsgeschwindigkeit ab als Benzin. Die Flamme bewegt sich dabei mit geringem Durchmesser steil nach oben[35], 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.[35].
Die heute verwendeten Drucktanks halten (im Gegensatz zu Benzintanks) auch schwere Unfälle unbeschadet aus.[37][38][39] 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[11]
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.[40][41] Eine vergleichbare Explosion von Benzintankwagen führte meistens zu einer Katastrophe mit zahlreichen Opfern, wie z. B. bei dem Tanklastzugunglück von Los Alfaques (217 Tote, 300 Verletzte).
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.[42] Solche Systeme müssen vom TÜV abgenommen werden.[43] 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.
