E-Mobil I : Brennstoffzelle
Wasserstoff - Treibstoff der Zukunft
Fast schien es, als hätten Biokraftstoffe und Batterien ihre stärkste Konkurrenz – die lange als Hoffnungsträger gehandelten Brennstoffzellen – aus dem Markt der alternativen Antriebstechnologien gedrängt. Doch nun kündigt sich ein Comeback an.
Eine ansprechende Idee. Diese Technik versprach mehr Unabhängigkeit von fremdem Öl, und aus dem Auspuff käme Wasser statt diverser Schadstoffe, insbesondere keine Treibhausgase. Das Vorhaben passierte problem- los den amerikanischen Kongress; das Energieministerium und andere Forschungseinrichtungen gingen an die Arbeit. Dann aber zogen Biokraftstoffe und batteriebetriebene Fahrzeuge alle Aufmerksamkeit auf sich, da beide Techniken versprachen, den Kohlendioxidausstoß im Transportwesen schneller und billiger zu reduzieren.
Das Ende der Brennstoffzellentechnik schien besiegelt, als Steven Chu 2009 sein Amt als Energieminister antrat. Er brandmarkte vier ungelöste Probleme der Wasserstofftechnik. Die Autobauer suchten erstens immer noch nach einer Brennstoffzelle, die robust, haltbar und obendrein billig war, zweitens nach einer Möglichkeit, genug Wasserstoff für Langstrecken zu speichern. Man benötige drittens eine neue Infrastruktur für den Vertrieb von Wasserstoff. Und selbst wenn alle diese Hindernisse überwunden seien, mangele es an einer Technologie, Wasserstoff aus weit gehend CO2-neutralen Quellen zu erzeugen statt wie bisher aus Erdgas. Im Mai 2009, vier Monate nach seiner Vereidigung, kündigte Chu an, die Forschungsgelder für Brennstoffzellenfahrzeuge im ersten Budget seines Ministeriums zu kürzen. Investitionen in Biokraftstoffe und Batterien seien lohnender. Auch manch ein Umweltschützer war erleichtert. Bushs Initiative werteten sie als Versuch, den Status quo einer erdölbasierten Mobilität durch ein Ablenkungsmanöver zu bewahren – durch die Fokussierung auf eine unerreichbare Alternative.
Doch die Kürzungen mobilisierten die Befürworter der Wasserstofftechnologie, und in den nächsten Monaten zeigte sich, dass die Debatte noch lange nicht vorbei war


Jeff Tollefson arbeitet als Reporter
für "Nature" in Washington D. C.
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1. Stichwort: Wirkungsgrad
20.09.2010, Kai Petzkevielen Dank für den Artikel: "Wasserstoff - Treibstoff der Zukunft" in Spektrum der Wissenschaft 9/2010. Leider fehlt mir in dem ganzen Artikel ein wichtiges Wort: "Wirkungsgrad". Denn sowohl Wasserstoff-Elektrolyse als auch Brennstoffzelle nutzen selbst unter optimalen Bedingungen kaum mehr als 50 Prozent der eingesetzten Energie. Im Ergebnis wird über den ganzen Zyklus Strom -> Wasserstoff-Herstellung, -Verteilung, -Speicherung und -Nutzung in der Brennstoffzelle -> Strom höchstens 25 Prozent des ursprünglich eingesetzten Stroms widergewonnen. Zum Vergleich: Die Kette Strom -> Ladegerät -> Li-Ion-Hochvolt-Akku -.> Strom kommt bei Nutzung guter Komponenten -> deutlich über 80 Prozent, und selbst bei Einrechnung der Verluste im Stromnetz sind über 70 Prozent machbar!
Bei Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen ist das Batterieauto also dreimal effizienter als das Wasserstoffauto!!
Bei Nutzung von aus Erdgas, Kohle, Erdöl oder Biomasse durch chemische Umwandlung erzeugten Wasserstoffs sieht die Bilanz etwas anders aus. Denn die Umwandlung ist recht effizient und zusammen mit den 50 Prozent der Brennstoffzelle und dem hohen Wirkungsgrad der Elektromotoren kommt man auf einen Gesamtwirkungsgrad von 25 bis 35 Prozent von der Quelle (Primärenergieträger) bis zum Rad.
Das liegt über dem Wirkungsgrad aktueller Verbrennungsmotoren. Wenn man für Letztere ebenfalls die chemischen Verluste in der Raffinerie bei der Treibstoffherstellung aus Rohöl und zudem die Leerlaufverluste der Verbrennungsmotoren einrechnet, liegt man für Verbrennungsmotoren bestenfalls bei 25 Prozent!
Auch Batterieautos kommen bei Einsatz herkömmlicher Kraftwerke und Einberechnung der Verluste von Stromnetz und Speicherung in den Batterien auf einen Wirkungsgrad im Bereich von 25 bis 35 Prozent.
Bezüglich Treibhausgas-Emmissionen ist zu sagen, dass die Chemiewerke zur Wasserstoff-Herstellung aus Primärenergieträgern eigentlich ideale Voraussetzungen zur Anwendung von CCS ("carbon-capture-and-storage")-Verfahren bieten. Denn das Produkt der Reaktion von Wasserdampf mit Erdgas, Kohle, Erdöl oder Biomasse ist ein Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Nach Abtrennung des erwünschten Produkts Wasserstoff und des giftigen Kohlenmonoxids (welches in den Prozess zurückgeführt oder anderweitig für chemische Synthesezwecke eingesetzt werden kann) verbleibt Kohlendioxid in Reinform. Wird Biomasse als Primärenergieträger zur Wasserstofferzeugung mit CCS eingesetzt, erhält man sogar eine "negative" CO2-Bilanz, bei der CO2 der Atmosphäre entzogen wird.
Bei Batterieautos ist hingegen der Vorteil, dass beim energetisch mit Abstand verlustreichstem Schritt - der Umwandlung des Primärenergieträgers in Strom im Kraftwerk - die Abwärme grundsätzlich gut genutzt werden kann (Stichwort: Kraft-Wärme-Kopplung) und CCS ebenfalls grundsätzlich anwendbar ist. Ihr eigentlicher Vorteil ist aber die oben zitierte hohe Effizienz auch bei regenerativer Stromerzeugung!
Anders als im Artikel dargestellt, sind Batterieauto und Brennstoffzellenauto auch nicht sich widersprechende, sondern sich ergänzende Technologien: Die Batterie hat die höhere Leistungsdichte, und sie kann zu Zeiten von Stromüberangebot (etwa nachts, oder bei zunehmendem Einsatz von Wind- und Solarenergie während entsprechenden Wetters) sehr effizient aufgeladen werden.
Die Brennstoffzelle bietet im Gegensatz die höhere Energiedichte. Ein Batterie-Brennstoffzellen-Hybrid fährt Kurzstrecken also rein mit der Batterie und nutzt auf Langstrecken eine vergleichsweise kleine Brennstoffzelle zum Laden der Batterie. Auch auf Langstrecken stellt die Batterie aber die Leistungsreserve bereit, die nötig ist, um kurzfristig stark beschleunigen zu können.