Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird die Anwendung von Wasserstoff im deutschen Straßenverkehr im Vordergrund stehen. Ausgangspunkt dafür ist im Verlauf der Arbeit immer der Wasserstoffantrieb per Brennstoffzelle. Die Methodik dieser Arbeit basiert auf der Auswertung aktueller Literatur und der Analyse des technischen Entwicklungsstandes.
Dabei werden drei verschiedene Fahrzeugtypen genauer betrachtet: Pkw, Busse und Lkw. Jeder der drei Kraftfahrzeugtypen kann einen erheblichen Beitrag leisten, um die CO2-Emissionen im Straßenverkehr zu reduzieren – Pkw aufgrund ihrer hohen Anzahl, Busse insbesondere im öffentlichen Personennahverkehr in urbanen Gebieten und Lkw, weil sie den größten Kraftstoffverbrauch haben. Trotzdem stehen sie vor unterschiedlichen Hürden und weisen unterschiedliche Reifestadien in ihrer Entwicklung auf.
Neben der Unterscheidung dieser drei Fahrzeugtypen richtet sich das Hauptaugenmerk in dieser Arbeit auf die Chancen und Herausforderungen des Wasserstoffantriebs in Deutschland. Aktuell treiben sowohl die Automobilindustrie als auch diverse politische Institutionen die Etablierung im Markt stark voran. Dies bringt entsprechende Herausforderungen mit sich, aber die Chancen auf der anderen Seite sind so groß, dass es sich lohnt, sie zu überwinden.
Wasserstoff als Energieträger der Zukunft ist aktuell ein Thema, dem weltweit viel Aufmerksamkeit geschenkt wird, was vor allem an zwei Gründen liegt. Zum einen ist dies durch den Klimawandel und die entsprechenden Klimaziele, die von der Politik gesetzt wurden, bedingt. Sie treiben den Ausbau von Alternativen zu fossilen Energieträgern stark voran. Das Ziel, die Kohlendioxid(CO2)-Emissionen insbesondere im Energie-, Industrie- und Verkehrssektor signifikant zu reduzieren, birgt gleichzeitig die Forderung und Notwendigkeit, schnellstmöglich klimaneutrale Technologien im Markt zu etablieren. Zum anderen verlassen wir uns bei den fossilen Energieträgern bisher zu stark auf immer knapper werdende Rohstoffe. Diese zunehmende Verknappung bringt steigende Preise mit sich, bis die Quellen irgendwann komplett versiegen.
Zu den größten Chancen gehört ohne Zweifel, dass der Wasserstoffantrieb an sich keinerlei CO2 ausstößt. Dem steht jedoch gegenüber, dass Wasserstoffantriebe nur dann als emissionsfrei betrachtet werden können, wenn auch die vorherige Herstellung des Wasserstoffs mit regenerativen Energien betrieben wurde. Hierbei spricht man von grünem Wasserstoff.
Inhaltsverzeichnis
Darstellungsverzeichnis
Abkürzungen
1. Einleitung
2. Der Wasserstoffantrieb
2.1. Die Besonderheit von Wasserstoff als Treibstoff
2.1.1. Der Energieträger Wasserstoff
2.1.2. Physikalische und chemische Eigenschaften von Wasserstoff
2.1.3. Herstellung von Wasserstoff
2.2. Die Brennstoffzelle als Energiewandler
2.2.1. Das Brennstoffzellensystem im Betrieb mit Wasserstoff
2.2.2. Kenngrößen und Wirkungsgrade von Brennstoffzellen
2.2.3. Lebensdauer von Brennstoffzellen im Vergleich
2.2.4. Vergleich der ^-Brennstoffzelle mit anderen Antriebsformen
2.2.4.1. Vergleich mit Verbrennungsmotoren
2.2.4.2. Vergleich mit batteriebetriebenen Elektromotoren
3. Wasserstoffantrieb in Kraftfahrzeugen
3.1. Wasserstoffantrieb für Pkw - Potenzial & Umsetzung
3.2. Wasserstoffantrieb für Busse - Potential & Umsetzung
3.3. Wasserstoffantrieb für Lkw - Potential & Umsetzung
4. Chancen und Herausforderungen des Wasserstoff-antriebs in Deutschland
4.1. Chancen von Wasserstoff als Antriebsform
4.1.1. Ökologische Chancen von Wasserstoff
4.1.1.1. Grüner Wasserstoff aus regenerativer Energie
4.1.1.2. CO2 Emission von Wasserstoff in der Herstellung
4.1.1.3. CO2 Emission von Wasserstoffantrieben im Straßenverkehr
4.1.1.4. Rohstoffverfügbarkeit von Wasserstoff
4.1.2. Ökonomische Chancen von grünem Wasserstoff
4.1.2.1. Förderungen von Wasserstofftechnologien durch den Staat
4.1.2.2. Sinkende Kosten in der Herstellung von Wasserstoffantrieben
4.1.2.3. Sinkende Kosten in der Herstellung von Wasserstoff
4.2. Herausforderungen der Implementierung von Wasserstoff
4.2.1. Speicherung und T ransport von Wasserstoff
4.2.1.1. Wasserstoff im Gasförmigen Zustand
4.2.1.2. Wasserstoff im kalten flüssigen Zustand
4.2.1.3. Wasserstoff in chemischen oder physikalischen Verbindungen
4.2.2. Sicherheit und Handhabung von Wasserstoff
4.2.3. Tankstellennetz für Wasserstoff
4.2.4. Meinung von Bevölkerung und Politik
5. Fazit
Literaturverzeichnis
Darstellungsverzeichnis
Abbildung 1: Phasendiagramm Wasserstoff, Quelle: In Anlehnung an Adolf et al., 2017: 9
Abbildung 2: Zündbereiche von Kraftstoffen, Quelle: Adolf et al., 2017: 10
Abbildung 3: Anteil der Primären Energieträger an der Globalen Wasserstoffproduktion, Quelle: Adolf et al., 2017: 11
Abbildung 4: Erzeugung von Wasserstoff, Quelle: Staiger & Tanţău,, 2020: 62
Abbildung 5: Übersicht über die fünf Brennstoffzellentypen, Quelle: In Anlehnung an Adolf et al., 2017: 33
Abbildung 6: Kenngrößen für Brennstoffzellen bei unterschiedlichen Brennstoffen, Quelle: in Anlehnung an Eichlseder & Klell, 2012: 223
Abbildung 7: Wirkungsgrade: Elektroautos liegen weit vorn, Quelle: BMU, 2020b
Abbildung 8: Prognostizierter jährlicher Absatz Brennstoffzellen-Fahrzeuge 2030 und 2050 in %, Quelle: Weichenhain et al., 2020: 52
Abbildung 9: Vergleich konventionelle und elektrische Antriebe in LKW, Quelle Riepshoff et al., 2019:12
Abbildung 10: Grüner Herstellungsprozess für Wasserstoff, Quelle: Staiger & Tanţău,, 2020: 30
Abbildung 11: THG-Emissionen (CO2-Äquivalente) der Herstellung von Wasserstoff im Vergleich zur Dieselbereitstellung und -verbrennung bezogen auf 100 Kilometer, Quelle: In Anlehnung an Hof et al., 2021: 34
Abbildung 12: Emissionsquellen Verkehr & Endenergieverbrauch nach Energieträger (2018), Quelle: Welke & Beck, 2020:36
Abbildung 13: Förderung des BMVI 2017-2020 & Förderung des BMWi 2017-2020, Quelle: NOW, 2021: 14
Abbildung 14: Gesamtbetriebskosten für verschiedene Wasserstoff- und BrennstoffzellenMobilitätsanwendungen, Quelle: Weichenhain et al., 2020: 35
Abbildung 15: Vergleich Gesamtbetriebskosten für Diesel- und Brennstoffzellen-Lkw mit 18t 2015 und 2030, Quelle: Weichenhain et al., 2020: 37
Abbildung 16: Wasserstoff-Herstellungskosten im Vergleich [€/kg H2), Quelle: Weichenhain et al., 2020: 27
Abbildung 17: Produktionskosten von Wasserstoff nach Wasserstofftyp in Deutschland im Jahr 2019 und Prognosen für die Jahre 2030 und 2050, Quelle: In Anlehnung an Statista, 2021:
Abbildung 18: CooLH2-Tank-System, Quelle: In Anlehnung an TÜV, o.D.: 31
Abbildung 19: BMW i Hydrogen Next Antriebssystem mit zwei 700-bar-Tanks, Quelle Bauchmüller, 2020
Abbildung 20: Standortlösungen für Wasserstofftankstellen, Quelle: eigene Darstellung
Abbildung 21: Komponenten einer Wasserstoff-Tankstelle, Quelle: Adolf et al., 2017: 52
Abbildung 22: Einschätzung der Kompetenz unterschiedlicher Akteure im Innovationsfeld Wasserstoffmobilität, Quelle: Zimmer, 2013: 35
Abkürzungen
€/kg Euro pro Kilogramm
°C Grad Celsius
AFC Alkaline Fuel Cell
BEV Batterie Electric Vehicle
BMU Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit
BMVI Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur
BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
CO2 Kohlenstoffdioxid
EU Europäische Union
FCEV Fuel Cell Electric Vehicle
GmbH Gesellschaft mit beschränkter Haftung
H2 Wasserstoff
kg Kilogramm
km Kilometer
kW Kilowatt
kWh Kilowattstunde
kWh/kg Kilowattstunden pro Kilogramm
Lkw Lastkraftwagen
NIP Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
ÖPNV Öffentlicher Personennahverkehr
PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell
Pkw Personenkraftwagen
PS Pferdestärke
SUV Geländewagen
1. Einleitung
Wasserstoff als Energieträger der Zukunft ist aktuell ein Thema, dem weltweit viel Aufmerksamkeit geschenkt wird, was vor allem an zwei Gründen liegt. Zum einen ist dies durch den Klimawandel und die entsprechenden Klimaziele, die von der Politik gesetzt wurden, bedingt. Sie treiben den Ausbau von Alternativen zu fossilen Energieträgern stark voran. Das Ziel, die Kohlendioxid(CO2)- Emissionen insbesondere im Energie-, Industrie- und Verkehrssektor signifikant zu reduzieren, birgt gleichzeitig die Forderung und Notwendigkeit, schnellstmöglich klimaneutrale Technologien im Markt zu etablieren. Zum anderen verlassen wir uns bei den fossilen Energieträgern bisher zu stark auf immer knapper werdende Rohstoffe. Diese zunehmende Verknappung bringt steigende Preise mit sich, bis die Quellen irgendwann komplett versiegen.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird die Anwendung von Wasserstoff im deutschen Straßenverkehr im Vordergrund stehen. Ausgangspunkt dafür ist im Verlauf der Arbeit immer der Wasserstoffantrieb per Brennstoffzelle. Die Methodik dieser Arbeit basiert auf der Auswertung aktueller Literatur und der Analyse des technischen Entwicklungsstandes.
Dabei werden drei verschiedene Fahrzeugtypen genauer betrachtet: Pkw, Busse und Lkw. Jeder der drei Kraftfahrzeugtypen kann einen erheblichen Beitrag leisten, um die CO2-Emissionen im Straßenverkehr zu reduzieren - Pkw aufgrund ihrer hohen Anzahl, Busse insbesondere im öffentlichen Personennahverkehr in urbanen Gebieten und Lkw, weil sie den größten Kraftstoffverbrauch haben. Trotzdem stehen sie vor unterschiedlichen Hürden und weisen unterschiedliche Reifestadien in ihrer Entwicklung auf.
Neben der Unterscheidung dieser drei Fahrzeugtypen richtet sich das Hauptaugenmerk in dieser Arbeit auf die Chancen und Herausforderungen des Wasserstoffantriebs in Deutschland. Aktuell treiben sowohl die Automobilindustrie als auch diverse politische Institutionen die Etablierung im Markt stark voran. Dies bringt entsprechende Herausforderungen mit sich, aber die Chancen auf der anderen Seite sind so groß, dass es sich lohnt, sie zu überwinden.
Zu den größten Chancen gehört ohne Zweifel, dass der Wasserstoffantrieb an sich keinerlei CO2 ausstößt. Dem steht jedoch gegenüber, dass Wasserstoffantriebe nur dann als emissionsfrei betrachtet werden können, wenn auch die vorherige Herstellung des Wasserstoffs mit regenerativen Energien betrieben wurde. Hierbei spricht man von grünem Wasserstoff.
Grundsätzlich werden die in dieser Arbeit betrachteten Chancen des Wasserstoffantriebs in ökologische und ökonomische Chancen gegliedert. Zu den ökologischen Chancen gehören neben der Dekarbonisierung auch die Rohstoffverfügbarkeit von Wasser, die ganz im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen nahezu unendlich ist. Bei den ökonomischen Chancen werden sowohl aktuelle Förderprogramme als auch zukünftige Skaleneffekte und entsprechend sinkende Kosten in der Herstellung von Wasserstoff und Brennstoffzellen im Detail betrachtet.
Zu den Herausforderungen für Wasserstoffantriebe in Deutschland zählen zum einen technische Aspekte, wie die Speicherung und der Transport von Wasserstoff, sowie die Sicherheit und Handhabung. Daneben gibt es eine große strukturelle Herausforderung, nämlich die Tankstelleninfrastruktur für Wasserstoff. Die Problematik, dass das Tankstellennetz für Wasserstoff noch nicht ausreichend ausgebaut ist, erinnert etwas an das klassische Henne-EiProblem. Ohne Fahrzeuge lohnt es sich nicht, Tankstellen zu bauen, andererseits bringt man kaum Fahrzeuge auf den Markt, wenn es keine entsprechenden Tankstellen gibt. Am Ende wird auch die Meinung der Bevölkerung und das Engagement der Politik zu Wasserstoffantrieben betrachtet.
Im Folgenden werden zunächst die Grundlagen des Wasserstoffantriebs genauer erläutert, um ein Grundverständnis für manche der technischen Herausforderungen aufzubauen, die im Verlauf dieser Arbeit angesprochen werden. Dabei wird neben der Erläuterung der technischen Grundlagen auch ein Vergleich zu Verbrennungsmotoren und batteriebetriebenen Elektromotoren gezogen.
2. Der Wasserstoffantrieb
Um die Chancen und Herausforderungen von Wasserstoffantrieben besser erläutern zu können, ist es zunächst wichtig, einige Grundlagen dieser Antriebsform zu verstehen. Dieses Kapitel wird deshalb einen Überblick über die Eigenschaften von Wasserstoff, die Herstellung und die Verwendung in Kombination mit Brennstoffzellen im Straßenverkehr geben.
2.1. Die Besonderheit von Wasserstoff als Treibstoff
In dem sich abzeichnenden Klimawandel und aufgrund der immer knapper und teurer werdenden fossilen Energierohstoffe ist es aktuell wichtiger denn je, alternative und vor allem nachhaltige Energiequellen zu erschließen und weiterzuentwickeln. Einer der größten Hoffnungsträger, um die CO2-Emissionen zu reduzieren und die fossilen Energieträger abzulösen, ist Wasserstoff.
Wasserstoff ist eines der häufigsten Elemente auf der Erde, kommt in reiner Form jedoch nicht vor, sondern fast ausschließlich gebunden. So findet man Wasserstoff zum Beispiel in Methan oder Otto- und Dieselkraftstoff, vor allem aber in Wasser (vgl. Adolf et al., 2017: 6f). Um reinen Wasserstoff zu gewinnen, muss für die Herstellung Energie aufgewendet werden. Verwendet man Wasser als Rohstoff für die Herstellung von Wasserstoff, wird diese Energie für die Elektrolyse benötigt. Die Energie wird im Wasserstoffgas gespeichert und bei der Verwendung in der Brennstoffzelle in Strom umgewandelt. Dabei entsteht wiederum Wasser, sodass man von einem geschlossenen Kreislauf sprechen kann. Diese Art der Nachhaltigkeit ist bislang in der Energiewirtschaft einmalig. (vgl. Lehmann & Luschtinetz, 2014: 4)
Um wirklich nachhaltig zu sein, muss allerdings auch berücksichtigt werden, dass die Energie, die für die Herstellung von Wasserstoff als Treibstoff aufgebracht werden muss, ebenfalls aus nachhaltigen Quellen stammen sollte. Im Folgenden werden deshalb nicht nur relevante Eigenschaften des Elements, sondern auch die Herstellung von Wasserstoff genauer betrachtet.
2.1.1. Der Energieträger Wasserstoff
Im Periodensystem der Elemente steht Wasserstoff mit dem Kurzzeichen „H“ an erster Stelle und hat im Vergleich zu anderen Energieträgern den höchsten Energiegehalt. Für die Energiemenge von einem Kilogramm (kg) Wasserstoff benötigt man im Vergleich 2,75kg Benzin. Allerdings werden bei der Herstellung von 1kg Wasserstoff auch sehr große Energiemengen von ca. 50 Kilowattstunden pro kg benötigt. Bei einem Energiegehalt von 33,33kWh/1kg Wasserstoff muss somit mehr Energie für die Herstellung aufgewendet werden als am Ende bei der Verwendung zur Verfügung steht. (vgl. Staiger & Tanjäu, 2020: 30)
Aus diesem Grunde ist es umso wichtiger, die Produktion und den Transport so zu gestalten, dass weitere Umwandlungsverluste und Spannungsverluste so gering wie möglich gehalten werden. Um CO2-Emissionen zu verringern, ist es zudem essenziell, dass in der Herstellung Strom aus erneuerbaren Energien verwendet wird. Denn die hohe Menge an benötigtem Strom könnte sonst dazu führen, dass mehr CO2 in der Produktion ausgestoßen wird, als später beim Einsatz als Treibstoff eingespart werden kann.
2.1.2. Physikalische und chemische Eigenschaften von Wasserstoff
Wasserstoff ist im Gegensatz zu anderen Brennstoffen bei normalen Umgebungsbedingungen ein farb- und geruchloses Gas. Es ist nicht toxisch, ätzend oder radioaktiv. Es gefährdet das Trinkwasser nicht und ist nicht krebserregend, somit also ungefährlich für den Menschen. Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht Wärme und reines Wasser. Es werden dabei keine Luftschadstoffe freigesetzt und da es keinen Kohlenstoff enthält entsteht auch kein CO2. (vgl. Wurster & Schmidtchen, 2011: 13)
Zu den physikalischen Eigenschaften gehören die unterschiedlichen Aggregatszustände, die Wasserstoff annehmen kann. Wasserstoff ist unter Normalbedingungen gasförmig. Der Siedepunkt zur Verflüssigung von Wasserstoff liegt bei ca. -253°C (vgl. Töpler & Lehmann, 2014: 47).
Erst ab einer Temperatur von -259°C nimmt Wasserstoff den festen Zustand an. (vgl. Adolf et al., 2017: 8f)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Phasendiagramm Wasserstoff, Quelle: In Anlehnung an Adolf et al., 2017: 9
Eine weitere wichtige physikalische Eigenschaft ist die Dichte eines Elements, welche das Verhältnis von Masse zu Volumen definiert. Wasserstoff verfügt über die geringste Atommasse aller Elemente und wiegt zum Beispiel nur 1/16 von Sauerstoff. Die Dichte von Wasserstoff beträgt bei 15°C ca. 0,09 Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m3) (vgl. Staiger & Tanjäu, 2020: 76). Somit ist Wasserstoff 14mal leichter als Luft, die bei 1,3 Gramm pro Liter liegt. Dadurch hat Wasserstoff eine große Auftriebskraft und verflüchtigt sich sehr schnell. Ändert man wie oben beschrieben den Aggregatzustand von Wasserstoff, wird die Dichte durch die Verflüssigung um das 800-fache erhöht und liegt dadurch bei ca. 71 kg/m3. (vgl. Adolf et al., 2017: 6ff)
Die Aggregatzustände und Dichten von Wasserstoff bieten gleichzeitig verschiedene Methoden der Lagerung und des Transports von Wasserstoff. Die höhere Dichte von flüssigem Wasserstoff sorgt dafür, dass mehr Energie in einem erheblich geringeren Volumen gespeichert wird. Weitere Details hierzu werden in Kapitel 4.2.1. „Speicherung und Transport von Wasserstoff“ erläutert.
Ein ebenfalls nicht unerhebliches Merkmal von Wasserstoff ist die extrem hohe Diffusionsfähigkeit, wodurch das sehr leichte Gas poröses Material oder sogar Metalle durchdringen kann. Mit diesem Problem hatte anfangs auch die Automobilindustrie zu kämpfen, weil sich der Wasserstoff nach wenigen Tagen aus dem Kraftstofftank verflüchtigt hatte. Der Diffusion kann jedoch mit speziellen Materialien, wie z.B. Edelstahl, speziellen Kunststoffen und zusätzlichen Beschichtungen entgegengewirkt werden. (vgl. Adolf et al., 2017: 8f)
Die charakteristischste chemische Eigenschaft von Wasserstoff ist die Brennbarkeit. Verbrennt man Wasserstoff in der Luft, kann man die Flamme im Licht kaum erkennen, sodass die geringe Sichtbarkeit solcher Flammen potentiell auch eine Gefahr birgt. Im Vergleich zu anderen Kraftstoffen hat Wasserstoff einen sehr breiten Zündbereich. Dieser liegt bei einer Konzentration von 4-77% Wasserstoff in der Umgebungsluft, in der es mit einer Zündquelle zur Zündung kommen kann. Wie man Abbildung 2 entnehmen kann, ist die Spanne der Zündbereiche von anderen Kraftstoffen deutlich kleiner. (vgl. Töpler & Lehmann, 2014: 45)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Zündbereiche von Kraftstoffen, Quelle: Adolf et al., 2017:10
Die Selbstentzündungstemperatur liegt mit 585°C wesentlich höher als bei konventionellen Kraftstoffen, jedoch ist die erforderliche Zündenergie bei Wasserstoff deutlicher geringer. Daher wird Wasserstoff als extrem leicht entzündliches Gas klassifiziert. Auf die Herausforderungen hinsichtlich der Sicherheit und Handhabung wird im Kapitel 4.2.2 genauer eingegangen. (vgl. Adolf et al., 2017: 10)
2.1.3. Herstellung von Wasserstoff
Nachdem Wasserstoff kaum in reiner Form auftritt, muss man ihn speziell für die Verwendung in diversen Bereichen herstellen, so auch für die Verwendung als Treibstoff für Brennstoffzellen. (vgl. Adolf et al., 2017: 11)
Um die Zusammenhänge in der Herstellung besser verstehen zu können, ist es erforderlich die Unterschiede der verschiedenen Energieträger aufzuzeigen. In der Energieerzeugung spricht man in der Regel von Primär- und Sekundärenergieträgern. Energieträger, die in der Natur vorkommen, bezeichnet man als Primärenergieträger. Diese wiederum werden in regenerative (z.B. Wind und Sonne) und nicht regenerative Energieträger (z.B. Erdgas und Erdöl) unterteilt. (vgl. Anke, 2018)
Sekundärenergieträger wie Benzin, Diesel oder Wasserstoff werden durch Umwandlungsprozesse aus den Primärenergieträgern gewonnen, um diese leichter zu transportieren, zu lagern und zum Beispiel als Treibstoff nutzbar zu machen. (vgl. Fuchs, 2020)
Eines haben beide Varianten der Primärenergieträger gemeinsam. Neben der Erzeugung von elektrischem Strom wird aus ihnen oft auch Wasserstoff gewonnen. Bei nicht regenerativ erzeugtem Wasserstoff spricht man von grauem Wasserstoff und bei regenerativ erzeugtem Wasserstoff handelt es ich um grünen Wasserstoff. (vgl. Staiger & Tanjäu, 2020: 28)
Erwähnenswert ist hierbei, dass im Jahr 2010 95% des produzierten Wasserstoffs aus fossilen und somit nicht regenerativen Energieträgern hergestellt wurde. Die restlichen 5% wurden durch Elektrolyse, also durch Strom und Wasser, erzeugt, wobei der Strom ebenfalls zum Großteil von fossilen Energieträgern stammte. Dementsprechend wurde zu diesem Zeitpunkt fast ausschließlich grauer Wasserstoff erzeugt. (vgl. Adolf et al., 2017: 11)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Anteil der Primären Energieträger an der Globalen Wasserstoffproduktion, Quelle: Adolf et al., 2017:11
Man erwartet aber eine Zunahme des durch Elektrolyse hergestellten grünen Wasserstoffs, da eine zunehmende Verfügbarkeit von überschüssigem Strom durch den Ausbau erneuerbarer Energiequellen erwartet wird. (vgl. Adolf et al., 2017: 11)
Es gibt eine Vielzahl von Herstellungsverfahren, aber in dieser Arbeit werden nur jene mit dem größten Anteil erklärt. 40% des hergestellten Wasserstoffs fallen als Nebenprodukt aus Industrieprozessen an. Zu diesen zählen der Rohölraffinerieprozess, die Benzinreformierung und die Herstellung von Ethen oder Methanol. Die übrigen 60% werden mit dem direkten Ziel der Wasserstoffherstellung erzeugt. (vgl. Eichlseder & Klell, 2012: 59f)
Die Energieumwandlung von primär zu sekundär ist immer mit einem Wirkungsgrad verbunden. Dieser beschreibt, welcher Anteil von der zugeführten Ausgangsenergie letzten Endes als nutzbare Energie erhalten bleibt und ist immer kleiner 100%. Dieser Wert gibt die Güte der Energieumwandlung an. Die Differenz wird zum Beispiel durch mechanische Reibung und elektrische Widerstände in Wärme umgewandelt. Der Gesamtwirkungsgrad kann erhöht werden, wenn die erzeugte Wärme sinnvoll, z.B. zum Heizen, genutzt wird und nicht an die Umgebung abgegeben wird. (vgl. Lehmann & Luschtinetz, 2014: 9)
Die Reformierung fossiler Kohlenwasserstoffe ist am weitesten verbreitet und ist mit der thermischen Reformierung, zumeist von Methan, aktuell die wirtschaftlichste Methode, um Wasserstoff herzustellen. Wie in Abbildung 4 zu erkennen ist, wird mit diesem Verfahren wie auch mit der partiellen Oxidation ein hoher Wirkungsgrad von 80% erreicht. (vgl. Staiger & Tanjäu, 2020: 32)
Diese Verfahren basieren jedoch auf fossilen Kohlenwasserstoffen und bilden bei der Herstellung von Wasserstoff CO2. Daher sind diese Verfahren aus ökologischer Sicht nicht empfehlenswert und müssen trotz ihrer Wirtschaftlichkeit reduziert werden, um die Klimaneutralität von Wasserstoff zu verbessern. Eine weitere Alternative bei der Reformierung wäre die Verwendung von Biomasse, welche den Reformierungsprozess bei gleichem Wirkungsgrad CO2-neutral gestalten würde. Biomasse enthält zwar Kohlendioxid, dieser wurde aber zuvor während des Wachstums durch die organischen Stoffe aus der Luft aufgenommen. (vgl. Theemann, 2018)
Die Verwendung von Biomasse zur Wasserstoffherstellung ist bisher vernachlässigbar, aber langfristig denkbar, vorausgesetzt die Mengen der benötigten Biomasse kann nachhaltig zur Verfügung gestellt werden (vgl. Eichlseder & Klell, 2012: 59f).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Erzeugung von Wasserstoff, Quelle: Staiger & Tanjäu, 2020: 62
Der Kvaerner Prozess ist ein Herstellungsverfahren mit Erdgas, wird aber für die Herstellung von Wasserstoff nicht im relevanten Ausmaß betrieben. Ein weiteres etabliertes Verfahren ist die Gewinnung von Wasserstoff aus der nahezu unerschöpflichen Quelle Wasser mittels elektrochemischer Spaltung. Diese Methode wird Elektrolyse genannt. Sie ist an sich emissionsfrei, vorausgesetzt, dass in dem Verfahren Strom aus Sonnen-, Wind- und Wasserenergie verwendet wird. Bei der Herstellung von 1kg Wasserstoff mittels Elektrolyse werden 8kg Sauerstoff und 9kg Wasser benötigt und ebenfalls ein Gesamtwirkungsgrad von 80% erreicht. (vgl. Staiger & Tanjäu, 2020: 32)
Bei den Herstellungsverfahren von Wasserstoff ist neben der Dampfreformierung von Biomasse die Elektrolyse mit erneuerbaren Energien deshalb eine der vielversprechendsten Ansätze, um bei gleichem Wirkungsgrad den geringsten CO2-Ausstoß zu erreichen. Der große Vorteil für die Elektrolyse ist, dass der Rohstoff Wasser nahezu unendlich verfügbar ist, insbesondere da er bei dem Verfahren zwar verwendet aber letztendlich nicht verbraucht wird.
2.2. Die Brennstoffzelle als Energiewandler
Brennstoffzellen als Energiewandler können mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird jedoch der Fokus auf den Betrieb von Brennstoffzellen mit Wasserstoff gelegt. Der in der Brennstoffzelle durch eine chemische Reaktion erzeugte Strom dient im mobilen Sektor dazu, einen Elektromotor anzutreiben. Denn wie bei rein batteriebetriebenen Fahrzeugen haben auch brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge einen Elektromotor. Der Strom wird hierbei nicht von einem großen Batteriespeicher, sondern von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt.
2.2.1. Das Brennstoffzellensystem im Betrieb mit Wasserstoff
Bereits im Jahre 1838 hat Christian Friedrich Schönbeck das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle entdeckt. Jedoch nahm die Weiterentwicklung der Brennstoffzelle für den stationären und mobilen Gebrauch erst in den letzten Jahrzehnten wieder Fahrt auf. Die Brennstoffzelle bietet relativ hohe Wirkungsgrade bei der Umwandlung von chemisch gebundener Energie in elektrische Energie. Sie erzeugt mit Wasserstoff als Treibstoff keine CO2- und Lärmemissionen und arbeitet im Vergleich zu Verbrennungsmotoren ohne bewegliche Bauteile, was die Komplexität und die Anzahl der Verschleißteile verringert. (vgl. Eichlseder & Klell, 2012: 219)
Die Brennstoffzelle selbst dient der reinen Energieumwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische und Wärmeenergie. Hierbei handelt es ich um den Umkehrprozess der Elektrolyse. (vgl. Rudolph & Wagner, 2008: 265)
Bei der Herstellung von Wasserstoff wird Wasser mittels Elektrolyse unter Gleichstrom in die Grundstoffe Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. In der Brennstoffzelle kann dieser Prozess umgekehrt werden und durch die Rekombination von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) wird wiederrum Wasser, Abwärme und Strom erzeugt. (vgl. Adolf et al., 2017: 48)
Da mit einer einzelnen Brennstoffzelle nur geringe Spannungen um 1 Volt erreicht werden können, werden mehrere Brennstoffzellen für mobile und technische Anwendungen gestapelt. Hierfür werden mehrere Einzelzellen in einer Serienschaltung zu Zellstapeln (Stacks) verbunden. Somit können die Stacks mit einer kompakten und platzsparenden Bauweise höhere Spannungen bereitstellen. (vgl. Eichlseder & Klell, 2012: 226)
Es gibt unterschiedliche Brennstoffzellentypen, die sich in ihrer Leistung, ihrem Wirkungsgrad und ihrer Betriebstemperatur unterscheiden. In Abbildung 5 sind die wichtigsten Brennstoffzellentypen anhand dieser Kriterien und ihrem Anwendungsgebiet zusammengefasst. (vgl. Adolf et al., 2017: 32f)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Übersicht über die fünf Brennstoffzellentypen, Quelle: In Anlehnung an Adolf et al., 2017: 33
Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen von PA- MC- und SO- Brennstoffzellen, der erbrachten Leistung und der Wirkungsgrade kommen diese Brennstoffzellentypen für die mobile Anwendung nicht in Frage. Obwohl die alkalische Brennstoffzelle (AFC - Alkaline Fuel Cell) der Pionier unter den Brennstoffzellen ist, hat sich die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell) in den mobilen Anwendungen etabliert. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass die AFC im Vergleich zur PEMFC reinen Sauerstoff benötigt und nicht mit normaler Umgebungsluft betrieben werden kann. Das ganze Brennstoffzellensystem ist dadurch komplexer und man müsste zu dem Wasserstoff auch zusätzlich reinen Sauerstoff „tanken“. Auch liegt die PEMFC in puncto Lebensdauer und Leistung vor der AFC. Außerdem weist die PEM- im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen eine höhere Leistungsdichte auf, wodurch eine kompakte Bauweise ermöglicht wird. Es wird auf die Niedrigtemperatur PEMFC zurückgegriffen, die bei Temperaturen von ca. 80°C arbeitet, um dadurch einen aufwendigen Kühlkreislauf zu vermeiden. (vgl. Lehmann & Luschtinetz, 2014: 43)
Jedoch benötigt die PEM-Brennstoffzelle einen Edelmetall-Katalysator aus Platin, was zu hohen Herstellungskosten führt. Man ist jedoch bestrebt durch die Reduzierung des Platinanteils ohne Funktionsbeeinträchtigung die Herstellungskosten zu senken. (vgl. Adolf et al., 2017: 32f)
Im weiteren Verlauf dieser Arbeit bezieht sich der Begriff Brennstoffzelle immer auf die PEMFC.
2.2.2. Kenngrößen und Wirkungsgrade von Brennstoffzellen
Brennstoffzellen und Elektromotoren weisen bei niedriger Last bessere Wirkungsgrade als Verbrennungsmotoren auf. Andersrum erreichen
Verbrennungsmotoren bei höheren Lasten bessere Wirkungsgrade. In der mobilen Anwendung bedeutet dies, dass Brennstoffzellen vor allem im urbanen Betrieb einen Wirkungsgradvorteil gegenüber den Verbrennungsmotoren aufweisen. Laut dem neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) erreichen Brennstoffzellenfahrzeuge im Stadtzyklus einen deutlich höheren Gesamtwirkungsgrad als baugleiche Dieselfahrzeuge. (vgl. Eichlseder & Klell, 2012: 221)
Der maximale Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle wird durch die Umwandlung der freiwerdenden Energie von 286 Kilojoule pro Mol Wasserstoff in elektrische Energie bestimmt. In der Theorie können Brennstoffzellen dadurch einen Wirkungsgrad von >80% erzielen, aber durch Spannungsverluste liegen die tatsächlichen Wirkungsgrade momentan deutlich unter diesem Wert. (vgl. Adolf et al., 2017: 30)
Brennstoffzellen können neben Wasserstoff auch mit anderen Brennstoffen betrieben werden. Der folgenden Tabelle kann man die theoretischen Wirkungsgrade entnehmen. Es fällt auf, dass der Wirkungsgrad von Wasserstoff im Vergleich mit kohlenwasserstoffbasierten Brennstoffen am geringsten ist.
Jedoch würde die Verwendung der fossilen Brennstoffe wiederum zur Produktion von CO2 führen. (vgl. Eichlseder & Klell, 2012: 224)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Kenngrößen für Brennstoffzellen bei unterschiedlichen Brennstoffen, Quelle: in Anlehnung an Eichlseder & Klell, 2012: 223
Der Beitrag von Wasserstoff zur Reduktion von CO2 Emissionen ist einer der größten Vorteile von diesem Treibstoff. Dieses Thema wird in Kapitel 4.1.1. „Ökologische Chancen von Wasserstoff“ eingehender behandelt.
In der Optimierung und Weiterentwicklung von Brennstoffzellen kommt es nicht nur darauf an, die aktuell hohen Herstellungskosten zu reduzieren. Auch die Effizienz und Lebensdauer muss sich erhöhen, damit die Wettbewerbsfähigkeit gegeben ist. Wie bereits erwähnt wird zur Erzeugung von Strom in der Brennstoffzelle Sauerstoff benötigt. Deshalb spielen neben der Brennstoffzelle auch weitere Komponenten im Fahrzeug eine wichtige Rolle. Das nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie - Phase II (NIP II) arbeitet in einem Verbundprojekt an einem elektrischen Aufladesystem zur Optimierung der Versorgung der Brennstoffzelle mit Sauerstoff. Damit sollen die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erhöht werden. Erste Prototypen sollen im Oktober 2021 präsentiert und als Grundlage für eine spätere Serienentwicklung genutzt werden. (vgl. Kaiser & Malanowski, 2020: 20)
2.2.3. Lebensdauer von Brennstoffzellen im Vergleich
Die Lebensdauer einer Brennstoffzelle beträgt mindestens 5.000 bis 10.000 Betriebsstunden. Dies ist vergleichbar mit einer Fahrleistung von 200.000 bis 450.000 km und ist somit vergleichbar mit Dieselfahrzeugen. Die Gesamtreichweite bzw. Lebensdauer liegt damit auch um einiges höher als bei einem Elektroauto. (vgl. Adolf et al., 2017: 32f)
Wenn man sich die Lebensdauer einer Elektroauto-Batterie anschaut liegt diese, gemessen an 500 bis 1000 Ladezyklen, bei einer durchschnittlichen Gesamtreichweite von ca. 100.000km. Dabei gilt zu beachten, dass die Kapazität mit dem Alter der Batterie abnimmt. Jedoch wird auch diese Technologie stets weiterentwickelt und moderne Lithium-Ionen-Batterien können im Idealfall mit 3.000 Ladezyklen eine Reichweite von etwa 300.000km zurücklegen. (vgl. Huber, 2021)
Die Brennstoffzellentechnologie steht sowohl aktuell gängigen Antriebsformen bei der Lebensdauer in nichts nach und weist teils höhere Gesamtreichweiten auf als batteriebetriebene Kraftfahrzeuge. Die Lebensdauer sollte also bei der Etablierung im Verkehrssektor kein Hindernis darstellen.
2.2.4. Vergleich der H2-Brennstoffzelle mit anderen Antriebsformen
Am besten lässt sich die Effizienz von unterschiedlichen Antrieben anhand der Gesamtwirkungsgrade vergleichen. Abbildung 7 zeigt wieviel Energie von der Herstellung über die Bereitstellung bis zur tatsächlichen Fortbewegung des Fahrzeuges verbraucht wird. Auf der linken Seite ist zu sehen, wie viel Prozent der Energie jeweils zwischen der ursprünglichen Energiequelle des Treibstoffs bis zum Antrieb der Fahrzeugräder verloren geht. Auf der rechten Seite wird die verbleibende Energie gezeigt, die am Ende für die tatsächliche Fortbewegung genutzt wird. (vgl. BMU, 2020b)
Es wird deutlich, dass die Elektroautos nach dieser Betrachtungsweise einen deutlichen Vorteil im Wirkungsgrad (64%) aufweisen. Die Brennstoffzellen-Pkw haben mit 27% einen wesentlich geringeren Wirkungsgrad und die Benziner, als Beispiel für Verbrennungsmotoren, schneiden mit 20% am schlechtesten ab. Bei den Brennstoffzellen-Pkw ist es allerdings wichtig zu beachten, dass die aktuell sehr aufwendigen Herstellungsverfahren noch Verbesserungspotenzial haben, sodass die Wirkungsgrade in Zukunft erhöht werden könnten. (vgl. BMU, 2020b)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Wirkungsgrade: Elektroautos liegen weit vorn, Quelle: BMU, 2020b
Neben den Wirkungsgraden gibt es auch diverse andere Faktoren, wie zum Beispiel die Reichweiten und die Tank- bzw. Ladedauer, die einen Einfluss auf den Fahrkomfort und die Effizienz haben. Diese werden in den folgenden Unterkapiteln ebenfalls aufgezeigt und erläutert.
2.2.4.1. Vergleich mit Verbrennungsmotoren
Der geringe Wirkungsgrad bei Verbrennungsmotoren hängt von verschiedenen Faktoren ab. Ein Großteil der Energie geht im Fahrzeug selbst durch die motorischen Verluste in Form von Abwärme verloren. Weitere Verluste durch mechanische Komponenten tragen dazu bei, dass am Ende nur noch 20% für die Fortbewegung übrigen bleiben. (vgl. Staiger & Tanjäu, 2020: 162)
Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren-Pkw waren Brennstoffzellen-Pkw für den Endverbraucher bisher wegen ihrer hohen Anschaffungskosten, fehlenden Tankstelleninfrastruktur und einer geringen Auswahl an Modellen nicht attraktiv genug. Durch neue CO2-Regulierungen im Verkehrssektor werden Verbrennungsmotoren und fossile Treibstoffe jedoch im Preis deutlich ansteigen. Dies liegt zum einen an den steigenden Kraftstoffpreisen durch die zunehmende CO2-Besteuerung und zum anderen an notwendigen Abgasreinungssystemen in den Fahrzeugen, um neue Grenzwertvorgaben für den CO2-Ausstoß einzuhalten. Gemäß der EU-CO2-Grenzwertrichtlinie dürfen neu zugelassene Fahrzeuge ab 2021 nur noch 95g CO2 je Kilometer ausstoßen. Um diesen Wert zu erreichen darf ein Benzin-Pkw durchschnittlich nur einen Verbrauch von 4l/100km aufweisen. Dies könnte in Zukunft vor allem für Mittel- und Oberklassefahrzeuge eine große Herausforderung darstellen. (vgl. Adolf et al., 2017: 48)
Im Gegenzug werden die Brennstoffzellen-Pkw deutlich günstiger. Das liegt unter anderem an der schnellen Weiterentwicklung der Technologie in den letzten Jahren und der voranschreitenden Serienproduktion. Damit verbunden sind Kostenreduktionen durch die Massenproduktion der Komponenten. Zudem würden sinkende Wasserstoffpreise durch effiziente Herstellungsverfahren und eine flächendeckende Tankstelleninfrastruktur die Attraktivität für Brennstoffzellenfahrzeuge erhöhen. (vgl. Adolf et al., 2017: 48)
Bei einer zukünftigen Kostengleichheit könnten nicht nur ökonomische, sondern hauptsächlich ökologische Gründe ausschlaggebend für die Anschaffung von Brennstoffzellenfahrzeugen sein. Die Reichweite und die Tankdauer ist bei beiden Antriebsformen vergleichbar, sodass Brennstoffzellenfahrzeuge bei gleichen Anschaffungskosten den enormen Vorteil hätten, dass sie keine CO2- und Lärmemissionen verursachen. (vgl. Staiger & Tanjäu, 2020: 165)
2.2.4.2. Vergleich mit batteriebetriebenen Elektromotoren
Sowohl batteriebetriebene Fahrzeuge (BEV, Batterie Electric Vehicle), als auch Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle) haben gegenüber Verbrennungsmotoren den gemeinsamen Vorteil, dass sie während des Betriebs keine Schadstoffe und Geräuschemissionen an die Umwelt abgeben. Zudem ist die Komplexität des Antriebsstranges im Vergleich zu Verbrennungsmotoren viel geringer und dadurch Wartungsärmer. (vgl. Staiger & Tanjäu, 2020: 165)
Zu den Nachteilen von BEV gegenüber FCEV gehört die geringere Reichweite, die mit einem Ladevorgang erreichbar ist. Die Ladevorgänge, die wiederum recht lange dauern, müssen entsprechend häufig durchgeführt werden. Je nach Art des Ladepunktes dauert die Ladezeit mit Wechselstrom 2-4 Stunden und bei Schnellladepunkten mit Gleichstrom 30 bis 60 Minuten (vgl. Verivox, 2021). Dem gegenüber steht die Tankdauer von ca. 5 Minuten für Brennstoffzellenfahrzeuge. Hinzu kommt, dass man für die Speicherung der elektrischen Energie große elektrochemische Speicher braucht, die viel Bauraum benötigen und entsprechend schwer sind. Dies hat einen negativen Einfluss auf die Reichweite, wohingegen Brennstoffzellenfahrzeuge nicht wesentlich schwerer sind als Pkw mit Verbrennungsmotor. (vgl. Adolf et al., 2017: 45)
Für diese Batteriespeicher werden außerdem Materialien benötigt, die aus ökologischer und ökonomischer Sicht höchst bedenklich sind. Dazu gehören unter anderem Kobalt, Lithium und Mangan. 60% des Kobalts, einem Ausgangsmaterial heutiger Batteriespeicher, stammen aus dem Kongo. Die politische Instabilität dort birgt ein hohes Beschaffungs- und Planungsrisiko, was zu hohen Preisschwankungen führen kann. Es herrscht eine gewisse Abhängigkeit von den wenigen Förderländern der teilweise seltenen Materialien. Ebenso ist die Toxizität von Kobalt und Lithium während des Herstellungsprozesses nicht außer Acht zu lassen. Dies verkompliziert zusätzlich die späteren Recyclingprozesse. Für den Brennstoffzellenantrieb werden deutlich weniger seltene Rohstoffe benötigt. (vgl. Staiger & Tanjäu, 2020: 168)
Ein weiterer Vorteil der FCEV ist, dass die Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzellen-Stacks entnommen und ohne zusätzlichen Energieaufwand zum Beheizen der Fahrgastzelle genutzt werden kann. Reine Elektrofahrzeuge müssen zum elektrischen Beheizen Leistungs- und damit Reichweitenverluste in Kauf nehmen. (vgl. Adolf et al., 2017: 48)
Es reicht also nicht aus nur die Gesamtwirkungsgrade verschiedener Antriebe zu betrachten, denn trotz des hohen Wirkungsgrades von BEV haben diese an anderen Stellen, wie der Reichweite, der Ladedauer und den Batterierohstoffen, erhebliche Nachteile gegenüber den FCEV.
3. Wasserstoffantrieb in Kraftfahrzeugen
Im Folgenden wird genauer betrachtet, was die Nutzung von Wasserstoff per Brennstoffzellen für verschiedene Verkehrsmittel bedeutet. Im Einzelnen wird dabei auf Pkw, Busse und Lkw eingegangen. Für diese Beurteilung ist wichtig, wie ausgereift die Technologie für das jeweilige Verkehrsmittel aktuell ist und welche Zukunftsaussichten es gibt.
Reiner Wasserstoff könnte auch direkt im Verbrennungsmotor, dem aktuellen Standard unter den Kraftfahrzeugen, verwendet werden. Diese Technik ist jedoch überholt und wurde von der Brennstoffzelle abgelöst. Da die wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle als führende Variante gilt, wird nur diese Kombination im Folgenden betrachtet. (vgl. Adolf et al., 2017: 38)
Die Prognosen in Abbildung 8 sagen voraus, dass 2030 10% der neu angeschafften Busse einen Brennstoffzellenantrieb haben werden, wohingegen Pkw und Lkw bei nur 3% liegen werden. Im Jahr 2050 werden insbesondere leichte Nutzfahrzeuge zu 50% mit einem Brennstoffzellenantrieb angeschafft, gefolgt von 35% der Pkw und 30% der Busse. Lkw bilden mit 25% das Schlusslicht. Die Prognose zeigt deutlich, dass die Brennstoffzellen weltweit bei allen Kraftfahrzeugtypen einen signifikanten Marktanteil haben werden. (vgl. Weichenhain et al., 2020: 51)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: Prognostizierter jährlicher Absatz Brennstoffzellen-Fahrzeuge 2030 und 2050 in %, Quelle: Weichenhain et al., 2020:52
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- Citar trabajo
- Fatih Duran (Autor), 2021, Wasserstoffantriebe für Pkw, Lkw und Busse. Chancen und Herausforderungen in Deutschland, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1328775
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