Trends und Aussichten für Wasserstoff-Brennstoffzellen für sauberen Transport
Dieser Artikel konzentriert sich auf Wasserstoff-Brennstoffzellen, Trends und Perspektiven für ihre Anwendung. Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen erregen heute in der Automobilindustrie zunehmend Aufmerksamkeit, denn wenn das 20. Jahrhundert das Jahrhundert des Verbrennungsmotors war, dann könnte das 21. Jahrhundert zum Jahrhundert der Wasserstoffenergie in der Automobilindustrie werden. Dank Wasserstoffzellen funktionieren Raumschiffe bereits heute und in einigen Ländern der Welt wird Wasserstoff seit mehr als 10 Jahren zur Stromerzeugung eingesetzt.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät wie eine Batterie, das durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt. Das Produkt der chemischen Reaktion ist reines Wasser, während bei der Verbrennung von Erdgas beispielsweise umweltschädliches Kohlendioxid entsteht.
Darüber hinaus können Wasserstoffzellen mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten, weshalb sie besonders vielversprechend sind. Stellen Sie sich effiziente, umweltfreundliche Automotoren vor.Doch die gesamte Infrastruktur ist derzeit auf Erdölprodukte ausgelegt und spezialisiert, und die großflächige Einführung von Wasserstoffzellen in der Automobilindustrie steht vor diesem und anderen Hindernissen.
Mittlerweile ist seit 1839 bekannt, dass sich Wasserstoff und Sauerstoff chemisch verbinden und dadurch elektrischen Strom erzeugen können, d. h. der Prozess der Elektrolyse von Wasser ist reversibel – dies ist eine bestätigte wissenschaftliche Tatsache. Bereits im 19. Jahrhundert begann man, Brennstoffzellen zu erforschen, aber die Entwicklung der Ölförderung und die Entwicklung des Verbrennungsmotors ließen Wasserstoff als Energiequellen übrig und sie wurden zu etwas Exotischem, Unrentablem und Teurem in der Herstellung.
In den 1950er Jahren war die NASA gezwungen, auf Wasserstoff-Brennstoffzellen zurückzugreifen, und das aus der Not heraus. Sie brauchten einen kompakten und effizienten Stromgenerator für ihr Raumschiff. Infolgedessen flogen Apollo und Gemini mit Wasserstoff-Brennstoffzellen ins All, was sich als beste Lösung herausstellte.
Heutzutage gibt es bei Brennstoffzellen keine experimentelle Technologie mehr, und in den letzten 20 Jahren wurden bei ihrer breiteren Kommerzialisierung erhebliche Fortschritte erzielt.
Nicht umsonst werden große Hoffnungen auf Wasserstoff-Brennstoffzellen gesetzt. Bei ihrer Arbeit ist die Umweltbelastung minimal, technische Vorteile und Sicherheit liegen auf der Hand, zudem ist diese Art von Kraftstoff grundsätzlich autonom und kann schwere und teure Lithiumbatterien ersetzen.
Der Brennstoff einer Wasserstoffzelle wird im Zuge einer chemischen Reaktion direkt in Energie umgewandelt, wobei mehr Energie gewonnen wird als bei der herkömmlichen Verbrennung.Es verbraucht weniger Kraftstoff und der Wirkungsgrad ist dreimal höher als der eines ähnlichen Geräts, das fossile Brennstoffe nutzt.
Der Wirkungsgrad ist umso höher, je besser die Nutzung des bei der Reaktion entstehenden Wassers und der Wärme organisiert ist. Der Schadstoffausstoß ist minimal, da nur Wasser, Energie und Wärme freigesetzt werden, während selbst bei der erfolgreichsten Verbrennung herkömmlicher Brennstoffe zwangsläufig Stickoxide, Schwefel, Kohlenstoff und andere unnötige Verbrennungsprodukte entstehen.
Darüber hinaus wirken sich konventionelle Kraftstoffindustrien selbst schädlich auf die Umwelt aus, und Wasserstoff-Brennstoffzellen vermeiden eine gefährliche Invasion des Ökosystems, da die Produktion von Wasserstoff aus vollständig erneuerbaren Energiequellen möglich ist. Auch das Austreten dieses Gases ist ungefährlich, da es sofort verdunstet.
Für den Betrieb der Brennstoffzelle spielt es keine Rolle, aus welchem Brennstoff Wasserstoff gewonnen wird. Die Energiedichte in kWh/l bleibt gleich und dieser Indikator steigt mit der Verbesserung der Technologie zur Herstellung von Brennstoffzellen ständig an.
Der Wasserstoff selbst kann aus jeder geeigneten lokalen Quelle gewonnen werden, sei es Erdgas, Kohle, Biomasse oder Elektrolyse (durch Wind, Solarenergie usw.). Die Abhängigkeit von regionalen Stromlieferanten verschwindet, die Systeme sind in der Regel unabhängig von Stromnetzen.
Die Betriebstemperaturen der Zelle sind recht niedrig und können je nach Elementtyp zwischen 80 und 1000 °C schwanken, während die Temperatur in einem herkömmlichen modernen Verbrennungsmotor 2300 °C erreicht.Die Brennstoffzelle ist kompakt, erzeugt bei der Erzeugung ein Minimum an Lärm, stößt keine Schadstoffe aus und kann daher an jedem geeigneten Ort im System, in dem sie arbeitet, platziert werden.
Prinzipiell kann nicht nur Strom, sondern auch die Wärme, die bei einer chemischen Reaktion freigesetzt wird, für sinnvolle Zwecke genutzt werden, beispielsweise zur Wassererwärmung, Raumheizung oder Kühlung – mit diesem Ansatz wird die Effizienz der Energieerzeugung in einer Zelle annähernd erreicht 90 %.
Die Zellen reagieren empfindlich auf Laständerungen, sodass mit steigendem Stromverbrauch mehr Brennstoff zugeführt werden muss. Dies ähnelt der Funktionsweise eines Benzinmotors oder eines Verbrennungsgenerators. Technisch ist die Brennstoffzelle recht einfach umgesetzt, da es keine beweglichen Teile gibt, der Aufbau einfach und zuverlässig ist und die Ausfallwahrscheinlichkeit grundsätzlich äußerst gering ist.
Eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (z. B. „mit Polymerelektrolyt“) enthält eine protonenleitende Membran aus einem Polymer (Nafion, Polybenzimidazol usw.), die zwei Elektroden – eine Anode und eine Kathode – trennt. Jede Elektrode ist normalerweise eine Kohlenstoffplatte (Matrix) mit einem Trägerkatalysator – Platin oder einer Legierung aus Platinoiden und anderen Verbindungen.
Am Anodenkatalysator dissoziiert molekularer Wasserstoff und verliert Elektronen. Wasserstoffkationen werden über die Membran zur Kathode transportiert, Elektronen werden jedoch an den externen Kreislauf abgegeben, da die Membran keine Elektronen durchlässt. Am Kathodenkatalysator verbindet sich das Sauerstoffmolekül mit einem Elektron (das über externe Kommunikation zugeführt wird) und einem einströmenden Proton und bildet Wasser, das das einzige Produkt der Reaktion (in Form von Dampf und/oder Flüssigkeit) ist.
Ja, Elektroautos werden heute mit Lithiumbatterien betrieben. Wasserstoff-Brennstoffzellen können sie jedoch ersetzen. Anstelle einer Batterie trägt die Stromquelle deutlich weniger Gewicht. Darüber hinaus kann die Leistung des Autos nicht durch die Gewichtszunahme durch den Einbau von Batteriezellen gesteigert werden, sondern einfach durch die Anpassung der Kraftstoffzufuhr zum System, während es sich im Zylinder befindet. Daher haben Automobilhersteller hohe Erwartungen an Wasserstoff-Brennstoffzellen.
Vor mehr als 10 Jahren begann in vielen Ländern der Welt, insbesondere in den USA und Europa, mit der Entwicklung von Wasserstoffautos. Mit einer speziellen Filterkompressoreinheit an Bord des Fahrzeugs kann Sauerstoff direkt aus der atmosphärischen Luft extrahiert werden. Komprimierter Wasserstoff wird in einer Hochleistungsflasche unter einem Druck von etwa 400 atm gespeichert. Das Auftanken dauert ein paar Minuten.
Das Konzept des umweltfreundlichen Stadtverkehrs wird in Europa seit Mitte der 2000er-Jahre praktiziert: Solche Personenbusse gibt es längst in Amsterdam, Hamburg, Barcelona und London. In einer Metropole sind die Abwesenheit schädlicher Emissionen und reduzierter Lärm äußerst wichtig. Der Coradia iLint, der erste wasserstoffbetriebene Eisenbahnpersonenzug, wurde 2018 in Deutschland eingeführt. Bis 2021 sollen 14 weitere solcher Züge auf den Markt kommen.
In den nächsten 40 Jahren könnte die Umstellung auf Wasserstoff als primäre Energiequelle für Autos die Energie- und Wirtschaftswelt der Welt revolutionieren. Allerdings ist mittlerweile klar, dass Öl und Gas noch mindestens weitere 10 Jahre der wichtigste Kraftstoffmarkt bleiben werden.Dennoch investieren einige Länder bereits in die Entwicklung von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen, obwohl noch viele technische und wirtschaftliche Hürden überwunden werden müssen.
Die Schaffung einer Wasserstoffinfrastruktur und sicherer Tankstellen ist die Hauptaufgabe, da Wasserstoff ein explosives Gas ist. So oder so können mit Wasserstoff die Kraftstoff- und Wartungskosten der Fahrzeuge deutlich gesenkt und die Zuverlässigkeit erhöht werden.
Laut Bloomberg-Prognosen werden Autos bis 2040 1.900 Terawattstunden statt der derzeit 13 Millionen Barrel pro Tag verbrauchen, was 8 % des Strombedarfs ausmachen wird, während 70 % des heute weltweit geförderten Öls für die Produktion von Kraftstoffen für den Transport verwendet werden . Natürlich sind die Aussichten für den Markt für batterieelektrische Fahrzeuge derzeit viel ausgeprägter und beeindruckender als im Fall von Wasserstoff-Brennstoffzellen.
Im Jahr 2017 belief sich der Markt für Elektrofahrzeuge auf 17,4 Milliarden US-Dollar, während der Markt für Wasserstoffautos nur 2 Milliarden US-Dollar wert war. Trotz dieses Unterschieds sind Investoren weiterhin an Wasserstoffenergie interessiert und finanzieren neue Entwicklungen.
So wurde 2017 der Hydrogen Council gegründet, dem 39 große Automobilhersteller wie Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai angehören. Ihr Zweck ist die Erforschung und Entwicklung neuer Wasserstofftechnologien und deren anschließende flächendeckende Verbreitung.