HYDROGEIT - Der Wasserstoff-Guide

            STARTSEITE                  Wissen           Verlag           Media           Shop           über uns          Impressum          Kontakt

Wissen / Wasserstoff    



H2 als Kraftstoff       Eigenschaften       Herstellung       Reinigung       Speicherung       Betankung

H2-Motor       Vergleich       Ausblick       Ergebnisse       Literatur    


Ergebnisse
Die Wasserstofftechnologie ist ein altes und auch ein neues Forschungsgebiet. Erste Entdeckungen in diesem Bereich gab es bereits vor Jahrzehnten. Weitreichende technische Neuerungen existieren jedoch erst seit den Entwicklungsfortschritten der letzten Jahre.

Vor dem Hintergrund, dass fossile Energieträger nicht unendlich vorhanden sind und die Umwelt belasten, hat sich zunehmend die Erkenntnis verbreitet, dass es so wie bisher nicht weitergehen kann. Der Verbrauch von Primärenergieträgern und der damit einhergehende Anstieg der Schadstoffmengen machen es notwendig, rechtzeitig nach Alternativen zu suchen, die auf einer neuen Basis den Weg in ein neues Energiezeitalter weisen.
Der heutige Energiemix basiert noch auf Mineralöl, Kohle und Kernenergie. In Anbetracht der Tatsache, dass der Kohlebergbau durch Subventionen künstlich am Leben gehalten wird und ausländische fossile Energieträger lange, energieverbrauchende Transportwege zurücklegen müssen, erscheint diese Variante keine befriedigende Lösung zu sein. Kernenergie stellt immer noch ein unberechenbares Risiko dar, so dass von einem Ausstieg aus der Atomenergie gesprochen wird. Und Mineralöle belasten die Umwelt und werden in einigen Jahrzehnten zu Ende gehen.

Die Natur stellt von sich aus Unmengen an Energie in jeglicher Form zur Verfügung. Bis heute ist es noch nicht gelungen, ein Konzept zu entwickeln, welches z.B. die Sonne als Energiequelle berücksichtigt und ihrer Grösse entsprechend in die Energiewirtschaft integriert. In diesem Zusammenhang kursiert der Begriff der "solaren Wasserstoffwirtschaft", der Sonne und Wasserstoff als Energiequelle und Energiespeicher der Zukunft beschreibt.
Wasserstoff, als das am häufigsten vorkommende Element auf der Erde, besitzt vielerlei Eigenschaften, die es im Vergleich mit anderen Stoffen von diesen positiv abhebt. Als Verbindung mit Sauerstoff ist Wasser in fast unerschöpflicher Menge vorhanden, braucht nicht erzeugt oder abgebaut zu werden, und es kann quasi nicht "verbraucht" werden. Wasser an sich besitzt für Mensch und Natur keine schädlichen Eigenschaften, egal in welchem Aggregatzustand es vorliegt. Und es kann Energie speichern, um diese in nichtstationären Aggregaten nutzen zu können.
Wasser bietet umfassende Möglichkeiten, die zur Zeit noch nicht erschöpfend berücksichtigt worden sind.
Durch die Aufspaltung von Wasser entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Für diese Trennung in seine Bestandteile ist Energie notwendig, die später mit relativ geringen Verlusten wieder freigesetzt werden kann. Solange der Wasserstoff als Molekül H2 vorliegt, egal ob gasförmig unter Druck oder flüssig bei geringen Temperaturen, kann es als transportabler Energiespeicher dienen.

H2 kann über weite Entfernungen transportiert werde, um von der Stelle der Herstellung zum Ort der Nutzung zu gelangen. Er kann aber auch verwendet werden, um die Fortbewegung eines Fahrzeuges zu ermöglichen. Für beide Varianten existieren Speicherungs- und Transportsysteme, die mindestens genauso sicher sind wie konventionelle Systeme.
Der Sicherheitsaspekt, der bei Wasserstoff eine grosse Rolle spielt, ist bereits ausgiebig erforscht worden und stellt kein wirkliches Problem mehr dar. Tanks für gasförmigen aber auch für flüssigen Wasserstoff existieren und entsprechen modernen Sicherheitsstandards. Sie halten schwersten Belastungen stand. Im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen ist das Brandverhalten von H2 sogar positiver, da es zu keiner Lachenbildung kommen kann und eine Wasserstoffflamme eine viel geringere Wärmeabstrahlung aufweist.
Für den Transport liegen neue Konzepte vor. Es existieren Projekte über neuartige Containerschiffe für den Übersee-Transport. Für die individuelle Versorgung können zum Teil Pipelines gebaut und ausgebaut werden, oder es kann auf bewährte Liefersysteme zurückgegriffen werden, wie es sie bereits für flüssiges Helium auf der Strasse und der Schiene gibt.
Andere Speichervarianten, wie z.B. Metallhydride, gilt es weiter zu erforschen. Es sind durchaus Einsatzgebiete vorstellbar, in denen diese Medien Vorteile aufweisen. Momentan erscheint der Durchbruch jedoch noch nicht in greifbarer Nähe zu liegen.

Werden Wasserstoff und Sauerstoff wieder zusammengeführt, entsteht lediglich Wasser. Mit neuen Techniken ist es möglich, diese Reaktion kontrolliert ablaufen zu lassen, ohne ein erhöhtes Sicherheitsrisiko. Leider ist die Meinung sehr weit verbreitet, dass diese beiden Reaktionspartner ein hochexplosives Gemisch ergeben. Tatsächlich handelt es sich auch um die vielseits bekannte Knallgasreaktion. Fakt ist jedoch, dass in einem Hubkolbenmotor mit Benzin- oder Dieselkraftstoff genau das gleiche passiert wie in einem Wasserstoffmotor. Etwas anders, aber noch unbedenklicher läuft es in einer Brennstoffzelle ab, in der eine sogenannte "kalte Verbrennung" stattfindet bei ca. 80 °C.

Beide angesprochenen Antriebsverfahren - der Wasserstoffmotor und die Brennstoffzelle - bieten Vor- und Nachteile, die es gegeneinander abzuwägen gilt. Anderen Antriebsvarianten mit Wasserstoff können nach dem heutigen Wissensstand keine realistischen Zukunftsaussichten eingeräumt werden.
Der Verbrennungsmotor bedarf keines aufwendigen Umbaus. Lediglich die Zuleitungen müssen modifiziert und dem neuen Kraftstoff angepasst werden. In gleichem Masse, wie herkömmliche Verbrennungskraftmaschinen immer weiter optimiert werden, können sie als wasserstoffbetriebene Hubkolbenmotoren umgebaut werden. Verbesserungen zum problemlosen Betreiben dieser Aggregate sind bereits bekannt und auch hinlänglich erforscht, so dass Probleme (z.B. mögliches Klopfen) in den Griff zu kriegen sind. In wie weit sich eine innere oder äussere Gemischbildung anbietet, hängt vom jeweiligen Einsatzbereich und von dem vorliegen Know-how ab. Eine gewisse Markt- und Wissenslücke liegt noch im Bereich der Förderpumpen und Verdichter für kryogene Medien, aber auch hier zeichnen sich Lösungen ab.
Als Speichermedium bietet flüssiger Wasserstoff gewisse Vorteile gegenüber gasförmigem. Auch wenn in diesem Fall im tiefkalten Temperaturbereich gearbeitet wird. Die Energiedichte liegt höher und die technische Realisierbarkeit ist mit Superisolation und kaltziehbaren Kupplungen gegeben.

Bei den Brennstoffzellen bietet sich hauptsächlich die PEM-Brennstoffzelle als Antriebsmodul an. Andere Zellentypen kommen nicht ernsthaft in Betracht. Die Frage nach Art und Aufbereitung des Treibstoffes ist jedoch noch nicht endgültig geklärt.
Brennstoffzellen können mit Wasserstoff und mit Methanol betrieben werden. Methanol ist zwar einfacher herstellbar und transportierbar, erzeugt aber mehr Schadstoffe bei der "kalten Verbrennung" und benötigt einen vorgeschalteten Reformer an Bord des Fahrzeuges zur Aufbereitung. Wasserstoff kann direkt genutzt werden, ist jedoch nur tiefkalt oder unter hohen Drücken speicherbar, verbrennt dafür aber nahezu schadstoffrei. Die Brennstoffzelle an sich ist mittlerweile so weit ausgereift, dass sie bereits als hocheffizienter Energiewandler angesehen werden kann. Sie wird immer kleiner, leichter und billiger, bei trotzdem hohem Wirkungsgrad.

Ein zentraler Aspekt beim Vergleich neuer Technologien mit konventionellen Verbrennungskraftmaschinen ist das Preis/Leistungs-Verhältnis. Es muss gleiche Leistung zu gleichen Preisen angeboten werden können. Allein der positive Umweltaspekt der Wasserstofftechnik ist zwar bereits ein gutes Argument. Angenommen wird eine neue Technologie jedoch erst, wenn sie billiger oder maximal genauso teuer ist wie die alte.
Aus diesem Grund gehen die derzeitigen Forschungsarbeiten hauptsächlich in Richtung der Einsparung oder des Austausches von Materialien und der Erhöhung der Leistungsfähigkeit. Speziell bei der Brennstoffzelle liegen die Hoffnungen hoch, dass sich die Entwicklung der letzten Jahre fortsetzen kann und die Kosten weiter so schnell sinken. Ein grosser Schritt wäre z.B., wenn es gelingen sollte, die Platinbeschichtung durch einen anderen billigeren Werkstoff zu ersetzen.
Egal, welche Technik sich letzten Endes durchsetzten wird, der Wasserstoffmotor oder die Brennstoffzelle, diese Technologie muss sich gegenüber der herkömmlichen Antriebstechnik behaupten und Konkurrenzfähigkeit beweisen.

In Hinsicht der Leistung haben die Wasserstoffkonzepte mit den Benzin- und Dieselmotoren bereits gleichgezogen. Es existieren Fahrzeuge, Busse und Personenkraftwagen, die vom äusseren und vom Fahrkomfort keinerlei Unterschied zu konventionellen Fahrzeugsystemen erkennen lassen. Speziell Buskonzepte haben bereits ihre Alltagstauglichkeit unter Beweis gestellt. Zum Teil fahren Busse im normalen Linienverkehr und zeigen, wie gut sie für derartige Einsatzgebiete geeignet sind. Bei Personenwagen gibt es zur Zeit noch geringe Einschränkungen. Der NECAR 3 (Daimler-Benz) ist z.B. nur ein Zweisitzer und der Wasserstoff-BMW verfügt über ein geringeres Kofferraumvolumen. Aber bereits die nächste Generation dieser Modelle (NECAR 4 wird Ende 1998 erwartet) wird eine weitere Verbesserung mit sich bringen. Von der Beschleunigung bis zur Reichweite stehen diese Fahrzeuge ihren Vergleichspartnern in nichts nach. Statt dessen fahren sie leise und ohne zu rucken.

Zur Zeit besteht noch das Problem des richtigen Herstellungsverfahrens für Wasserstoff. Es gibt in ausreichendem Masse effiziente Verfahren, um mit hohem Wirkungsgrad H2 erzeugen zu können. Die Frage ist jedoch, wo die dafür notwendige Energie herkommen soll.
Am Beginn einer möglichen neuen Energiewirtschaft wird es erforderlich bleiben, konventionelle Energiequellen für die Produktion von H2 einzusetzen. Nach und nach könnte es dann gelingen, vermehrt auf alternative Verfahren zu setzen, wie z.B. die solare Wasserstoffwirtschaft und die Nutzung von Wind- und Wasserkraft. Der Einsatz von H2 ist erst durchweg sinnvoll, wenn weder bei der Herstellung noch bei der Nutzung Primärenergieträger verbraucht oder Schadstoffe freigesetzt werden.
Zu Anfang bietet sich u.a. die Möglichkeit, den ohnehin in der Industrie anfallenden, bis jetzt ungenutzten Wasserstoff zu verwenden.

Einen Vergleich der Schadstoffemissionen eines Otto- oder Dieselmotor und eines Wasserstoffmotors anzustellen, ist müssig, da bei der Verbrennung von H2 ausser geringen Mengen Stickoxids (fast) keine Schadstoffe anfallen. Auch die Gegenüberstellung mit Elektroantrieben fällt zugunsten der "neuen Technologie" aus, da Batterien zu schwer sind und zu lange Beladungszeiten aufweisen bei zu geringer Reichweite.

Knackpunkt ist und bleibt die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit. Da noch keine Serienreife der Wasserstofftechniken vorliegt, lassen sich keine konkreten Fakten vergleichen.
Nach einer Studie von Autoherstellern ist es möglich, Brennstoffzellen für unter 100,- DM/kW herzustellen. Derzeit könnten Brennstoffzellen in Massenproduktion für 350,- DM/kW hergestellt werden.
Nach Expertenmeinung stehen die Chancen dafür gut, dass Anfang des nächsten Jahrzehntes die Marktreife erreicht sein wird. Marktführende Automobilfirmen streiten darum, als erste Wasserstoffahrzeuge anbieten zu können. Spätestens im Jahre 2004 soll dieses Ziel erreicht sein. Bis dahin sollen die Produktionskosten noch weiter reduziert werden, so dass z.B. komplette Brennstoffzellenautos für den gleichen Preis wie herkömmliche Pkw verkauft werden können.


Bei diesem hier veröffentlichten Text handelt es sich um eine gekürzte Zusammenfassung der Studienarbeit von Sven Geitmann über Wasserstoff und Brennstoffzellen aus dem Jahr 1998, allerdings ohne die dazugehörigen Abbildungen. Weiterführende, aktuellere Daten (inklusive Abbildungen) finden Sie im Shop.

Top

 

© Hydrogeit