Themen:
- Wasserstoff
- Produktion von Wasserstoff
- Wasserstoff als Treibstoff für einen Ottomotor
- Brennstoffzelle
- Lagertank
- Reichweite und Kosten von Wasserstoff
Wasserstoff:
Wasserstoff (auf Englisch Hydrogen genannt) kann als Energieträger zum Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden. Energieträger bedeutet, dass dem Wasserstoff bereits vorab Energie zugeführt wurde. Dies steht im Gegensatz zu (fossilen) Energieträgern wie Öl, Erdgas und Kohle, wo die Energie durch die Verarbeitung dieser Stoffe durch Verbrennung gewonnen wird.
Wasserstoff ist also etwas völlig anderes als die Wassereinspritzung, die bei Benzinmotoren nicht als Energieträger, sondern rein zur Kühlung des Brennraums dient.
Ziel ist es, mit Wasserstoff „Null-Emissionen“ zu erreichen; eine Energieform, die bei der Nutzung keine schädlichen Gase erzeugt. Der Übergang von fossilen Brennstoffen zum elektrischen Antrieb in Kombination mit Wasserstoff und einer Brennstoffzelle fällt darunter Energiewende. Der Antrieb von Fahrzeugen mit Wasserstoff kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen:
- Nutzung von Wasserstoff als Treibstoff für den Ottomotor. Der Wasserstoff ersetzt den Benzinkraftstoff.
- Mit Wasserstoff in einer Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugen. Mit dieser elektrischen Energie treibt der Elektromotor das Fahrzeug komplett elektrisch an.
Beide Techniken werden auf dieser Seite beschrieben.
Wasserstoff kann mit nachhaltiger Energie oder auf Basis fossiler Brennstoffe hergestellt werden. Letzteres versuchen wir so weit wie möglich zu verhindern, da fossile Brennstoffe in Zukunft knapp werden. Auch bei der Verarbeitung fossiler Brennstoffe entsteht CO2.
Die folgenden Spalten zeigen den Energieinhalt einer Batterie, Wasserstoff und Benzin. Wir sehen, dass es viel gibt
Batterie:
- Energiegehalt: 220 Wh/kg, 360 Wh/l
- Sehr effizient
- Kurze Lagerung
- Direkte Energieabgabe möglich
- Der Transport ist kompliziert
Wasserstoff (700 bar):
- Energiegehalt: 125.000 kJ/kg, 34,72 kWh/kg
- 30 % Wärme, 70 % H2 (PEM-Brennstoffzelle)
- Lange Lagerung möglich
- Umbau notwendig
- Transportfreundlich
Benzin:
- Energiewert: 43.000 kJ/kg, 11,94 kWh/kh
- Rendite bis zu 33%
- Lange Lagerung möglich
- Umbau notwendig (Verbrennung)
- Transportfreundlich
Wasserstoff ist überall um uns herum zu finden, aber niemals kostenlos. Es ist immer gebunden. Wir werden es produzieren, isolieren und lagern.
- 1 kg reines Wasserstoffgas (H2) = 11.200 Liter bei Atmosphärendruck
- H2 ist kleiner als jedes andere Molekül
- H2 ist leichter als jedes andere Molekül
- H2 ist immer auf der Suche nach Verbindungen
Neben der Herstellung und Anwendung von Wasserstoff in Pkw wird auf dieser Seite auch die Speicherung und der Transport thematisiert (ganz unten auf der Seite).
Produktion von Wasserstoff:
Wasserstoff ist ein Gas, das nicht wie Erdgas aus der Erde gewonnen wird. Wasserstoff muss produziert werden. Dies geschieht unter anderem durch Elektrolyse, einem Prozess, bei dem Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt wird. Das ist die Umkehrung der Reaktion, die in einer Brennstoffzelle stattfindet. Darüber hinaus kann Wasserstoff durch weniger umweltfreundliche Verfahren gewonnen werden. Die folgenden Daten zeigen, wie Wasserstoff im Jahr 2021 hergestellt werden kann.
- Kohle: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (Temperatur: 1300 °C–1500 °C)
- Erdgas: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (erforderliche Temperatur: 700 °C–1100 °C)
- Öl: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + sehr viele Nebenprodukte
- Elektrolyse aus Wasser: 2H2O -> 2H2 + O2
Die Elektrolyse aus Wasser ist sehr sauber und die umweltfreundlichste Form der Wasserstoffproduktion. Dabei werden Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt, anders als bei der Verarbeitung fossiler Brennstoffe, bei der CO2 freigesetzt wird.
- Elektrolyse von Wasser; Elektrolyse ist eine chemische Reaktion, die Wassermoleküle spaltet, um reinen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Wasserstoff kann überall dort hergestellt werden, wo es Wasser und Strom gibt. Ein Nachteil ist, dass man Strom benötigt, um Wasserstoff herzustellen und ihn dann wieder in Strom umzuwandeln. Dabei gehen bis zu 50 % verloren. Der Vorteil besteht darin, dass die Energie in Wasserstoff gespeichert wird.
- Umwandlung fossiler Brennstoffe; Öl und Gas enthalten Kohlenwasserstoffmoleküle, die aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Mit einem sogenannten Fuel Processor lässt sich Wasserstoff aus Kohlenstoff spalten. Der Nachteil besteht darin, dass der Kohlenstoff als Kohlendioxid in der Luft verschwindet.
Die mit fossilen Brennstoffen gewonnene Wasserstoffproduktion wird grauer Wasserstoff genannt. Dadurch gelangen NOx und CO2 in die Atmosphäre.
Ab 2020 wird die Produktion zunehmend „blau“: CO2 wird abgeschieden.
Ziel ist es, bis 2030 ausschließlich grünen Wasserstoff zu produzieren: Ökostrom und Wasser sind die Quellen für den umweltfreundlichsten erzeugten Wasserstoff.
In der chemischen Welt wird Wasserstoff als H2 bezeichnet, was bedeutet, dass ein Wasserstoffmolekül aus zwei Wasserstoffatomen besteht. H2 ist ein Gas, das in der Natur nicht vorkommt. Das H2-Molekül kommt in allen möglichen Stoffen vor, am bekanntesten ist Wasser (H20). Wasserstoff muss durch Abtrennung des Wasserstoffmoleküls beispielsweise von einem Wassermolekül gewonnen werden.
Die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse ist daher die Zukunft.
Das folgende Bild zeigt ein Modell, das häufig im Chemieunterricht verwendet wird.
- Plus- und Minuspol einer Batterie hängen im Wasser;
- Auf der Anodenseite erhält man Sauerstoff;
- Auf der Kathodenseite entsteht Wasserstoff.
Aus fossilen Brennstoffen, beispielsweise Methan (CH4), hergestellter Wasserstoff wird dabei durch Reformierung in H2 und CO2 umgewandelt. Das CO2 kann abgetrennt und unterirdisch, beispielsweise in einem leeren Erdgasfeld, gespeichert werden. Der Einsatz von Erdgas trägt daher kaum oder gar nicht zum CO2-Ausstoß in die Atmosphäre bei. Wasserstoff kann auch aus Biomasse hergestellt werden. Wird das dabei freigesetzte CO2 ebenfalls abgetrennt und unterirdisch gespeichert, ist es sogar möglich, negative CO2-Emissionen zu erzielen; CO2 aus der Atmosphäre entfernen und dieses CO2 auf der Erde speichern.
Wasserstoff ist im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen wie Erdöl, Erdgas und Kohle kein Energieträger, sondern ein Energieträger. Das bedeutet, dass die Energie, die bei der Nutzung von Wasserstoff, zum Beispiel als Treibstoff im Auto, freigesetzt wird, zunächst eingesetzt werden muss. Zur Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse wird Strom benötigt. Die Nachhaltigkeit dieses Wasserstoffs hängt dann maßgeblich von der Nachhaltigkeit des eingesetzten Stroms ab.
Wasserstoff als Treibstoff für einen Ottomotor:
Ein Ottomotor ist eine andere Bezeichnung für einen Benzinmotor. Der Benzinmotor wurde 1876 von Nikolaus Otto erfunden. In diesem Fall spricht man von einem Ottomotor, da das Benzin durch einen anderen Kraftstoff, nämlich Wasserstoff, ersetzt wird. Bei einem Motor, bei dem Wasserstoff eingespritzt wird, gibt es keinen Kraftstofftank mehr mit Benzin.
Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen im Gegensatz zu herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren keine CO2-Gase, sondern lediglich Wasser. Bei der Einspritzung von Wasserstoff per Direkteinspritzung ergibt sich eine Leistungssteigerung von 15 bis 17 % im Vergleich zum Benzinkraftstoff. Beim Einspritzen des Wasserstoffs in das Einlassventil (indirekte Einspritzung) erfolgt eine schnelle Erwärmung durch die Luft. Auch die Luft wird durch den Wasserstoff verdrängt. In beiden Fällen strömt weniger Sauerstoff (O2) in den Brennraum. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Leistungsverlust von bis zu 50 %.
Das Verhältnis zwischen Luft und Wasserstoff ist nicht so genau wie beispielsweise bei einem Luft-Benzin-Gemisch. Die Form der Brennkammer ist daher nicht von großer Bedeutung.
Wasserstoff kann auf zwei Arten injiziert werden:
– Flüssig: Bei einer flüssigen Zufuhr von Wasserstoff sinkt die Verbrennungstemperatur durch die Verdunstung relativ, so dass weniger NOx entsteht.
– Gasförmig: Wird der Wasserstoff in flüssiger Form im Tank gespeichert und strömt er bei Umgebungstemperatur in den Brennraum, muss ein Verdampfer eingesetzt werden, um den Wasserstoff vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen. In diesem Fall wird der Verdampfer durch das Motorkühlmittel erwärmt. Mögliche Maßnahmen zur Reduzierung von NOx sind: bewirbt sich EGR, Wasser einspritzung oder eine niedrigere Kompressionsrate.
Das Bild unten zeigt vier Situationen mit drei verschiedenen Versionen der Wasserstoffeinspritzung. Im zweiten Bild von links wird der gasförmige Wasserstoff indirekt in das Ansaugrohr eingedüst. Der gasförmige Wasserstoff wird durch die Umgebungstemperatur erwärmt. Außerdem nimmt der Wasserstoff Platz ein, wodurch weniger Sauerstoff in den Zylinder strömt. Dies ist die Situation, in der der größte Leistungsverlust auftritt.
Im dritten Bild wird der Wasserstoff in flüssiger Form bereitgestellt. Unter kryogen versteht man, dass der Wasserstoff sehr stark abgekühlt ist (eine Methode zur Speicherung großer Mengen Wasserstoff in flüssiger Form in einem relativ kleinen Speichertank). Da die Temperatur des Wasserstoffs niedriger ist und er sich in flüssigem Zustand befindet, erfolgt eine bessere Flaschenfüllung. Aufgrund der niedrigen Temperatur wird ein Wirkungsgrad erreicht, der fast so hoch ist wie bei einem Motor mit Direkteinspritzung (Wasserstoff). Der Direkteinspritzer ist im vierten Bild zu sehen. Der gesamte Brennraum ist mit Sauerstoff gefüllt. Wenn das Einlassventil geschlossen ist und der Kolben die Luft komprimiert, wird eine bestimmte Menge Wasserstoff durch den Injektor eingespritzt. Die Zündkerze dieses Motors befindet sich hinter oder neben der Einspritzdüse (dies ist im Bild nicht dargestellt).
Der Wirkungsgrad eines Ottomotors beträgt natürlich nicht 100 %, aber in diesem Bild werden die Wirkungsgrade der Verbrennung von Wasserstoff mit der Verbrennung von Benzin verglichen.
Wasserstoff hat eine hohe Energiedichte pro Masseneinheit (120 MJ/kg) und ist damit fast dreimal so hoch wie Benzin. Die guten Zündeigenschaften von Wasserstoff ermöglichen einen sehr mageren Betrieb des Motors mit einem Lambda-Wert von 4 bis 5. Der Nachteil einer mageren Mischung besteht darin, dass die Leistung geringer ist und die Fahreigenschaften schlechter werden. Um dies auszugleichen, wird häufig eine Aufladung (Turbo) eingesetzt.
Aufgrund der größeren Zündfläche im Vergleich zu Benzinkraftstoff ist die Gefahr einer Detonation oder Rückzündung größer. Daher ist es sehr wichtig, dass die Kraftstoffzufuhr und die Zündung gut kontrolliert werden. Bei Volllast kann die Temperatur im Brennraum sehr hoch sein. Gibt es oft Wasser einspritzung notwendig, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten und damit auch eine vorzeitige Zündung (in Form einer Detonation oder einer Rückzündung) zu verhindern.
Brennstoffzelle:
Im vorherigen Abschnitt wurde erläutert, wie Wasserstoff als Kraftstoff für den Verbrennungsmotor dienen kann. Eine weitere Anwendung von Wasserstoff ist die Brennstoffzelle. Ein mit einer Brennstoffzelle ausgestattetes Fahrzeug verfügt nicht über einen Verbrennungsmotor, sondern über einen oder mehrere Elektromotoren. Die elektrische Energie zum Betrieb der Elektromotoren wird von der Brennstoffzelle erzeugt. Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das chemische Energie ohne thermische oder mechanische Verluste direkt in elektrische Energie umwandelt. Die Energieumwandlung in der Brennstoffzelle ist daher sehr effizient. Die Brennstoffzelle wird in der Regel mit Wasserstoff betrieben, es kann aber auch ein Brennstoff wie Methanol verwendet werden.
Eine Brennstoffzelle lässt sich im Prinzip mit einer Batterie vergleichen, denn beide erzeugen durch einen chemischen Prozess Strom. Der Unterschied besteht darin, dass die in der Batterie gespeicherte Energie einmalig freigegeben wird. Da die Energie mit der Zeit zur Neige geht, muss der Akku aufgeladen werden. Eine Brennstoffzelle liefert kontinuierlich Energie, solange der elektrochemischen Zelle Reaktanten zugeführt werden. Reaktanten sind chemische Substanzen, die in einer chemischen Reaktion miteinander reagieren.
In einer Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff in H+- und OH--Ionen (geladene Teilchen) umgewandelt. Die Ionen werden durch eine Membran in getrennten Kammern der Brennstoffzelle getrennt. Die Brennstoffzelle enthält zwei poröse Kohlenstoffelektroden, auf denen ein Katalysator aufgebracht ist; für Wasserstoff (H) eine negative Elektrode (Anode) und für Sauerstoff (O) eine positive Elektrode (Kathode).
Über die Elektroden (Anode und Kathode) werden H+- und OH--Ionen einander zugeführt, woraufhin die +- und –-Ionen miteinander reagieren. Die Kathode katalysiert die Reaktion, bei der Elektronen und Protonen mit Sauerstoff reagieren und das Endprodukt zwei, nämlich Wasser, bildet. Die H+- und OH--Ionen bilden zusammen ein H2O-Molekül. Dieses Molekül ist kein Ion, da seine elektrische Ladung neutral ist. Das Plusteilchen und das Minusteilchen ergeben zusammen ein Neutralteilchen.
An der Anode findet die Oxidation von Wasserstoff (H) statt. Oxidation ist der Prozess, bei dem ein Molekül seine Elektronen abgibt. Die Anode fungiert als Katalysator und spaltet den Wasserstoff in Protonen und Elektronen.
An der Kathode findet die Reduktion durch Zugabe von Sauerstoff (O) statt. Die von der Anode eingeschlossenen Elektronen gelangen über einen elektrischen Draht, der die Elektronen mit der Außenseite verbindet, zur Kathode.
Indem Elektronen nicht direkt, sondern über einen externen Weg (die Stromleitung) übertragen werden, wird diese Energie größtenteils als elektrische Energie freigesetzt. Der Kreislauf wird durch Ionen in einem Verbindungselektrolyten zwischen dem Reduktionsmittel und dem Oxidationsmittel geschlossen.
Das Teilchen, das Elektronen aufnimmt, wird Oxidationsmittel genannt und dabei reduziert. Das Reduktionsmittel verliert Elektronen und wird oxidiert. Eine Reduktion ist der Vorgang, bei dem ein Teilchen Elektronen absorbiert. Oxidation und Reduktion gehören immer zusammen. Die Anzahl der abgegebenen und absorbierten Elektronen ist immer gleich.
Am Minuspol findet folgende Reaktion statt:
Am Pluspol findet eine andere Reaktion statt:
Das Bild unten zeigt die Unteransicht eines Toyota-Brennstoffzellenstapels. Dieser Brennstoffzellenstapel befindet sich unter der Motorhaube des Autos. An diesem Stapel ist der Elektromotor befestigt. Der Elektromotor liefert die Kraft an das Getriebe, das mit den Antriebswellen verbunden ist, um die Antriebskräfte auf die Räder zu übertragen.
Oben im Stapel sind mehrere Luftschläuche zu sehen. Dazu gehört unter anderem die Luftpumpe, die je nach Leistungsbedarf des Elektromotors die Luft zu den Brennstoffzellen pumpt.
Dieser Brennstoffzellenstack ist mit 370 Brennstoffzellen ausgestattet. Jede Brennstoffzelle liefert 1 Volt, sodass insgesamt 370 Volt an den Elektromotor geliefert werden können. Die Brennstoffzellen sind alle untereinander angeordnet. Der rote Kreis zeigt eine Vergrößerung, in der die Stapelung der Brennstoffzellen deutlich zu erkennen ist.
Lagertank:
Obwohl Wasserstoff eine hohe Energiedichte pro Masseneinheit (120 MJ/kg) aufweist und damit fast dreimal so hoch ist wie Benzin, ist die Energiedichte pro Volumeneinheit aufgrund seiner geringeren spezifischen Masse sehr gering. Für die Speicherung bedeutet das, dass der Wasserstoff unter Druck oder in flüssiger Form gespeichert werden muss, um einen Speichertank mit überschaubarem Volumen nutzen zu können. Für Fahrzeuganwendungen gibt es zwei Varianten:
- Gasspeicherung bei 350 oder 700 bar; Bei 350 bar ist das Tankvolumen gemessen am Energieinhalt um den Faktor 10 größer als bei Benzin.
- Flüssigkeitsspeicherung bei einer Temperatur von -253 Grad (Kryogenspeicherung), wobei das Tankvolumen gemessen am Energieinhalt um den Faktor 4 größer ist als bei Benzin. Mit der gasförmigen Speicherung kann Wasserstoff unbegrenzt gespeichert werden, ohne dass Kraftstoff verloren geht oder die Qualität beeinträchtigt wird. Bei der kryogenen Lagerung hingegen kommt es zur Dampfbildung. Da der Druck im Tank durch die Erwärmung ansteigt, entweicht Wasserstoff durch das Überdruckventil; eine Leckage von etwa zwei Prozent pro Tag ist akzeptabel. Alternative Speichermöglichkeiten befinden sich noch im Forschungsstadium.
Das Bild unten zeigt zwei Lagertanks unter dem Auto. Dabei handelt es sich um Speichertanks, in denen der Wasserstoff gasförmig unter einem Druck von 700 bar gespeichert wird. Diese Lagertanks haben eine Wandstärke von etwa 40 Millimetern (4 Zentimeter) und sind damit hochdruckbeständig.
Unten sehen Sie noch einmal, wie die Wasserstofftanks unter dem Auto montiert sind. Der Kunststoffschlauch ist der Abfluss des bei der Umwandlung in der Brennstoffzelle entstehenden Wassers.
Tanken mit Wasserstoff:
Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels gibt es in den Niederlanden nur zwei Wasserstofftankstellen. Eine dieser Tankstellen befindet sich in Rhoon (Südholland). Die Bilder zeigen die Füllstutzen, mit denen getankt wird. Der Arbeitsdruck zum Befüllen beträgt 350 bar für Nutzfahrzeuge und 700 bar für Pkw.
Der Befüllanschluss im Auto befindet sich hinter der üblichen Tankklappe. An diesen Füllanschluss wird die Füllpistole angeschlossen. Nach dem Anschließen des Füllstutzens verriegelt sich die Verbindung. Der Speichertank des Autos wird mit gasförmigem Wasserstoff unter einem Druck von 700 bar gefüllt.
Reichweite und Kosten von Wasserstoff
Als Beispiel nehmen wir einen Toyota Mirai (Modelljahr 2021) und schauen uns die Reichweite und Zusatzkosten an:
- Reichweite 650 km;
- Verbrauch: 0,84 kg/100 km;
- Kraftstoffpreis pro km: 0,09 bis 13 Cent;
- Kfz-Steuer €0,-
Im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Dieselmotor ist ein Brennstoffzellenauto nicht billig. Obwohl die Kosten der Kfz-Steuer eine große Rolle spielen, ist die Zahl der Tankstellen in den Niederlanden auch im Jahr 2021 gering. Nachfolgend ein Vergleich der Kosten pro 100 km mit den aktuellen Kraftstoffpreisen:
BMW 320d (2012)
- Diesel: 1,30 € pro Liter;
- Verbrauch: 5,8 l/100 km;
- Kosten 100 km: 7,54 €.
Toyota Mirai (2020):
- Wasserstoff: 10 € pro kg;
- Verbrauch: 0,84 kg/100 km;
- Kosten 100 km: 8,40 €
Verwandte Seiten:
- Elektrischer Antrieb (Überblick);
- Energiewende.
