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.