H2 als Kraftstoff
Eigenschaften
Herstellung
Reinigung
Speicherung
Betankung
H2-Motor
Vergleich
Ausblick
Ergebnisse
Literatur
Vergleich
In welchem Masse all
die bis jetzt beschriebenen Punkte überhaupt als positiv oder negativ
angesehen werden können, lässt sich z.T. intuitiv entscheiden.
Einige Aspekte lassen sich jedoch erst richtig einordnen, wenn man einen
Vergleich anstellt. Am besten lässt sich Neues mit dem bisher
Bekannten vergleichen.
Bei den Kraftstoffen lassen
sich z.B. die Vorteile von Wasserstoff und Mineralöl gegenüberstellen
(s. Tab. 10).
Tab. 10: Gegenüberstellung
von Kraftstoffen
Wasserstoff als Treibstoff | Mineralöl (Benzin/Diesel) |
fast vollständige Vermeidung von Emissionen | leichte Handhabung von Benzin und Diesel |
Reaktion bei der Verbrennung nur zu Wasser | hohe Energiedichte |
Gewinnung aus normalem Wasser | wirtschaftlich günstig |
keine Abhängigkeit von endlichen, fossilen Energieträgern | bekannte, bewährte Technik |
schafft neue Arbeitsplätze | umfassendes Tankstellennetz |
Fahrzeugsysteme im Vergleich
Das elektrochemische Funktionsprinzip
der Brennstoffzelle unterliegt im Vergleich zum Verbrennungsmotor nicht
dem Carnot-Wirkungsgrad, weshalb bereits heute bei nicht zu hohen spezifischen
Leistungen Wirkungsgrade bis ca. 60% (mit Wasserstoff) erreicht werden.
Elektroantriebe haben den Vorteil, dass ihre Wirkungsgrade bei tiefen
Lasten hoch bleiben. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle nimmt bei Teillast
sogar zu. Im neuen europäischen Fahrzyklus kann mit einem Gesamtwirkungsgrad
(inklusive Elektromotor und Getriebe) von rund 45% (Elektroantrieb) gerechnet
werden. Ein Verbrennungsmotor erreicht im Falle sehr fortschrittlicher
Technik ca. 25% (direkt einspritzender Dieselmotor mit Common-Rail-Einspritzung,
inklusive Getriebe) bei einem maximalen Wirkungsgrad des Motors von über
40%. Die erwähnten 45% bzw. 25% sind jeweils ab Zapfsäule gemessen.
Werden die vorgelagerten Prozesse (z.B. Herstellung von Wasserstoff aus
Erdgas inklusive Kompression, Produktion von Dieselöl aus Rohöl)
mit berücksichtigt, so sinken die Wirkungsgrade der gesamten Kette
auf rund 30% respektive 20%. [PSI, 1998]
Anderen Angaben zufolge kann
man von einem Systemwirkungsgrad bei flüssigem Wasserstoff inklusive
der Reformierung von ca. 40% ausgehen, wobei die Brennstoffzellen selbst
bei 75% bis 80% liegen.
Für den Vergleich verschiedener
Treibstoffe sind auch deren Gewicht und Volumen relevant, da sie die Ausmasse
der Treibstofftanks bestimmen. Um das Äquivalent des Brennwertes von
30 kg (40 l) Benzin mit zu führen, muss der Fahrer 60 kg (70
l) Methanol, 24 kg (ca. 110 l) Erdgas oder 10 kg (etwa 370 l) Wasserstoff
tanken, wobei sich die zwei letztgenannten Werte auf komprimierte Gase
bei 300 bar Druck beziehen.
[PSI, 1998]
Ballard ist es in den letzten
Jahren gelungen, die Leistungskonzentration der mit Wasserstoff betriebenen
Brennstoffzelle zu erhöhen (1 kW/kg bzw. 2 kW/l ohne zugehörige
Systeme; 0,15 kW/kg im Stapel für Fahrzeuge).
Antriebe im Vergleich
Daimler-Benz-Forscher haben
versucht, verschiedene Antriebe miteinander zu vergleichen, indem sie verschiedene
Daten während des Fahrbetriebes und der Kraftstoffherstellung auf
ein fiktives Fahrzeug bezogen. Ein direkter Vergleich fällt wegen
der verschiedenen Fahrzeugtypen bei den unterschiedlichen Antriebssystemen
schwer.
Bei dem fiktiven Fahrzeug
handelt es sich um ein Auto mit einem Gesamtgewicht von 880 kg plus etwaigen
Zusatztankgewichten. Die mechanische Fahrleistung von 15 kW entspricht
einem Ottomotor mit 28 kW bei 600 cm3.
Der Versuchsablauf ist auf
den neuen Europäischen Fahrzyklus Teil I und II ausgerichtet. Die
Berechnung berücksichtigt den Fahrbetrieb sowie den Energiebedarf
für die Kraftstoffherstellung (vom Primärenergieträger über
Raffinerie oder Kraftwerk bis zum Tank bzw. Energiespeicher).
Abb.
19: Antriebe
im Vergleich
Quelle: Daimler-Benz
Pressemeldung, Mai 1997, Antriebe im Vergleich
Es zeigt sich, dass
der Verbrennungsmotor beim Fahrbetrieb vergleichsweise schlecht abschneidet.
Da der Wasserstoffmotor ein umgebauter Hubkolbenmotor ist, benötigt
er ebensoviel Energie für den Fahrbetrieb wie der Ottomotor. Der Dieselmotor
braucht zwar etwas weniger, jedoch nicht wesentlich. Der Wirkungsgrad einer
ICE (Internal Combustion Engine = Verbrennungskraftmaschine) liegt - wie
bereits oben erwähnt - nicht sehr hoch. Die Brennstoffzelle mit Wasserstoff
hat noch nicht einmal die Hälfte des Energiebedarfs und auch die Brennstoffzelle
mit Methanol steht um einiges besser da. Noch besser schneidet lediglich
der Elektromotor ab. Bezüglich der Kraftstoffherstellung sieht es
fast genau andersherum aus. Am schlechtesten schneidet der Elektromotor
ab mit mehr als doppelt so hohem Energiebedarf, als wie er für den
Fahrbetrieb benötigt. Am zweitaufwendigsten ist die Gewinnung von
Wasserstoff für die Verbrennungskraftmaschine. Hier liegt der Gesamtenergiebedarf
bei 68 kWh/100km. Allerdings muss man berücksichtigen, dass
der Wasserstoff mit Dampfreforming aus Erdgas erzeugt wurde. Da bei dieser
Herstellungsart relativ hohe Temperaturen benötigt werden, ist der
Energiebedarf dementsprechend hoch. Durch neu oder verbesserte Verfahren
(autothermer Reformer) wäre sicherlich eine Energieeinsparung möglich.
Gerade mal halb so aufwendig ist die Erzeugung von Methanol (13 kWh/100km)
oder Wasserstoff (12 kWh/100km) für Brennstoffzellen. Noch besser
schneiden die konventionellen Verbrennungskraftmaschinen ab. Überhaupt
kein Anteil fällt bei der regenerativen Herstellung von Wasserstoff
an. Dies ist etwas zu idealistisch. Selbst bei der Energiegewinnung durch
Solaranlagen wird vorerst Energie für die Herstellung der Anlagen
benötigt. Ausserdem fallen immer Verluste an (Transport), so
dass es nie gelingen wird, bei der Betrachtung der gesamten Energieumwandlungskette
bei Null zu bleiben.
Insgesamt ergibt sich ein
Bild, bei dem die Brennstoffzelle mit regenerativer Wasserstoffherstellung
am wenigsten Energie benötigt. Im Vergleich dazu brauchen konventionelle
Antriebsarten etwa 250% für die Kraftstoffherstellung und den Fahrbetrieb.
Bei einem batteriebetriebenem Fahrzeug wäre der Bedarf etwa 300% im
Vergleich. Selbst wenn die Brennstoffzelle mit Wasserstoff (Dampfreformierung)
oder Methanol angetrieben würde, läge sie immer noch um 7-13
kWh/100km niedriger als der "sparsame" Dieselmotor.
Abb.
20: Tankvolumina
im Vergleich
Quelle: Daimler-Benz
Pressemeldung, Mai 1997, Antriebe im Vergleich
In obiger Abbildung ist dargestellt,
wie gross in Litern das Volumen an Kraftstoff sein muss, damit
der Antrieb 750 km zurücklegen kann.
Den grössten Platzbedarf
weist der Elektromotor mit 1030 l auf. Gut die Hälfte (570 l) davon
benötigt der Wasserstoffmotor - egal wie der Wasserstoff erzeugt wurde,
schliesslich geht es nur um die Speicherung und nicht um die Herstellung.
Wiederum die Hälfte
davon nimmt der Wasserstoff für die Brennstoffzelle ein (230 l) -
ebenfalls gleich bei Dampfreformierung und regenerativer Herstellung. Fast
schon in den Bereich von konventionellen Kraftstoffen kommt das Methanol
mit 44 l. Diesel (38 l) und Benzin (29 l) haben in dieser Hinsicht die
besten Voraussetzungen, da sie mit erheblichem Abstand zu Wasserstoff und
der Batterie am wenigsten Raum einnehmen.
Derartige Grössenunterschiede
lassen sich über das schlechte Kraft-zu-Volumen-Verhältnis erklären.
Es muss 15mal soviel Wasserstoff im Vergleich zu Benzin in die Brennkammer
geleitet werden, um eine ähnlich gutes Verbrennungsgemisch realisieren
zu können. Berücksichtigt man diesen Faktor, kommt man schnell
von 570 l auf 38 l. Ausserdem besitzen die Kraftstoffe unterschiedliche
Brennwerte. Methanol z.B. besitzt einen geringeren Energieinhalt als Benzin
oder Diesel. Der Methanol-Heizwert ist halb so hoch wie der von Benzin,
weshalb der Platzbedarf an Methanol für die Brennstoffzelle höher
liegt. Teilweise wird dieser Aspekt durch den höheren Wirkungsgrad
von Brennstoffzellen kompensiert.
Für eine derartige
Reichweite ist der Elektromotor gänzlich ungeeignet. Neben dem immensen
benötigten Volumen wäre eine Batterie übermässig
schwer, so dass diese Alternative aussen vor steht.
Abb.
21
Quelle: Daimler-Benz
Pressemeldung, Mai 1997, Antriebe im Vergleich
Wird der Energie- und Platzbedarf
für die Kraftstoffe analysiert, muss auch die Schadstoffemission
betrachtet werden (s. Abb. 21).
Auf den ersten Blick fällt
sofort ins Auge, dass beim Otto- und Dieselmotor extrem hohe Werte
auftreten im Vergleich zu allen anderen Antriebsarten. Da Kraftstoffe aus
Mineralöl Kohlenstoffverbindungen mit diversen Additiven sind, die
zusammen mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft verbrennen, treten vielerlei
Schadstoffe auf. Dazu gehört Kohlenmonoxid, das in hohem Masse
anfällt, aber auch Kohlendioxid, das zwar in gleichem Masse wie
beim Elektro- und dem Wasserstoffmotor entsteht, was aber eindeutig zu
viel ist, da CO2 zu den Gasen gehört, die den Treibhauseffekt vorantreiben.
Nach diesen Angaben liegen die CO2-Werte für Brennstoffzellen um 20
- 40% niedriger als bei konventionellen Antrieben.
Das Kohlendioxid ist der
einzige Wert, der bei Brennstoffzellen in relevanter Grössenordnung
produziert wird - egal ob beim Antrieb mit Methanol oder Wasserstoff. Kohlenwasserstoffe
fallen lediglich bei der Herstellung dieser Wasserstoff an. Beim Fahrbetrieb
kann davon kein Anteil hinzukommen, da kein Kohlenstoff an der Verbrennung
teilnimmt. Beim Methanol liegt dieser Wert nur unwesentlich höher.
Stickoxide werden ausgestossen, weil Stickstoff zu 78% in der Umgebungsluft
enthalten ist und somit an der Reaktion beteiligt ist. Dieser Wert liegt
jedoch um Längen niedriger als beim Otto- oder Dieselmotor und auch
um mehr als die Hälfte niedriger als beim Elektromotor. Dies ist dementsprechend
auch der einzige Schadstoff, der beim Wasserstoffmotor (regenerativ) emittiert
wird.
Dass bei den regenerativen
Herstellungsverfahren von Wasserstoff (bei der Brennstoffzelle und bei
der Verbrennungskraftmaschine) Emissionswerte von Null angegeben werden,
ist (wie bereits im Bezug auf obiges Diagramm erwähnt) nicht ganz
korrekt, macht aber deutlich, dass diese Werte zu vernachlässigen
sind - insbesondere im Vergleich mit Zahlen in der Grössenordnung
von 540 bzw. 846 mg/km.
Energiebilanz
Die Deutsche Forschungsanstalt
für Luft- und Raumfahrt hat im April 1997 eine Studie veröffentlicht
[Carpetis, 1997], die sich mit der "Bewertung von Brennstoffzellen-Antrieben
in Fahrzeugen im Hinblick auf Energie- und Schadstoffbilanz" befasst.
Hier soll eine kurze, aber trotzdem ausreichend informative Wiedergabe
der Inhalte und Ergebnisse dieses Vergleichs zwischen einem herkömmlichen
Ottomotor und einer Brennstoffzelle dargestellt werden.
Abb.
22: typischer
mittlerer Kraftfahrzeugverbrauch (Stadtzyklus - EPA)
[Carpetis, 1997]
Der Wirkungsgrad am Kurbelwellenende
beim Ottomotor (s. Pfeil) beträgt 20%, bei der Brennstoffzelle (elektrischer
Ausgang, s. Pfeil) 48%. Der Ottomotor liefert an den Wellenausgang die
Energie, die praktisch auch genutzt werden kann. Der grösste
Teil der Verluste ist bereits intern berücksichtigt worden , bis auf
die Getriebeverluste. Die elektrische Ausgangsenergie der Brennstoffzelle
verringert sich hingegen noch, da elektrische Umwandlungsverluste anfallen.
Ausserdem muss ein Teil der Energie für den Kompressor abgezweigt
werden, so dass die Ausgangsenergie nicht als Endleistung angesehen
werden kann. In diesem hier betrachteten Fall wurde die Kompressorleistung
zu 100% durch die Brennstoffzelle gedeckt. Durch eine Energierückgewinnung
aus der Bremsvorgang liesse sich bis zu 50% Kompressorleistung decken,
so dass der Wirkungsgrad um ca. 0,5% steigt.
Der Verbrauch im ersten
Fall liegt bei 7,31 l/100km, im zweiten Fall bei 4,63 l/100km.
Abb.
23: höheres
Verbrauchsverhältnis (stop-and-go - ECE-1)
h
Otto = 10,5%
h
BSZ = 43,8%
[Carpetis, 1997]
Abbildung 23 verdeutlicht,
dass "Stop and go" sich extrem ungünstig auf den Verbrennungsmotor
auswirkt. Dieser steigt in diesem Fall um 26% auf ca. 3000 kJ/km. Der Verbrauch
des Brennstoffzellenfahrzeugs steigt nur halb so stark, um 13%.
Abb.
24: hohes Verbrauchsverhältnis (Autobahn) [Carpetis, 1997]
[Carpetis, 1997]
Die gesamte Antriebsenergie,
d.h. die Summe aus den Energieanteilen in Abbildung 24 zur Überwindung
des Roll- und Luftwiderstandes und der Bremsenergie, ist viel höher,
wobei der Luftwiderstand stark zugenommen, die Bremsenergie hingegen abgenommen
hat.
Der Kraftstoffverbrauch
liegt dennoch niedriger, da der Mittellastbereich für beide Antriebsarten
günstiger ist.
Mit zunehmender Last steigt
der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors stärker als der von der Brennstoffzelle
(h Otto
= 30,3% - h
BSZ = 59,8%). Der Verbrauch liegt beim Ottomotor bei 6,72 l/100km und bei
der Brennstoffzelle bei 4,5 l/100km.
Aus den gezeigten Resultaten
ergibt sich, dass der Energiefluss von der Fahrsituation (bzw.
vom Fahrzyklus) abhängen und deswegen konkrete Vergleiche der Antriebsarten
ausschliesslich innerhalb nur eines Fahrzyklus nicht zulässig
sind.
In folgender Graphik (s.
Abb. 24) geht es um den spezifischen Fahrzeugenergiebedarf E für alle
relevanten Fahrzyklen und für drei Antriebskonzepte.
Die Antriebsarten:
· Konventioneller
Antrieb mit Ottomotor (Benzin)
· Brennstoffzellenantrieb
mit Wasserstoff aus Druckbehältern (250 bar) als Kraftstoff
· Brennstoffzellenantrieb
mit Methanol als Kraftstoff und mit Konverter an Bord
In allen Fällen ist
der Verbrauch des konventionellen Ottomotor-Antriebs höher als der
des Brennstoffzellenantriebs mit Wasserstoff als Kraftstoff. Die Brennstoffzelle
mit Methanol nimmt eine mittlere Stellung zwischen diesen beiden ein, wobei
bei Vollast sein Verbrauch sogar höher als der des konventionellen
Antriebskonzeptes wird.
Die Vorteile des Brennstoffzellenantriebs
bezüglich Kraftstoffverbrauch sind am grössten beim Stadtverkehr
nach der ECE-Norm. Der Quotient aus Benzinverbrauch durch Wasserstoff-
bzw. Methanolverbrauch ist sehr gross. Etwas geringer werden diese
Vorteile, je schneller gefahren wird. Bei Vollast ist die Differenz zum
Ottomotor nicht mehr so relevant (beim Wasserstoffantrieb).
Abb.
25
[Carpetis, 1997]
Abbildung 26 entspricht der
obigen Graphik mit dem Unterschied, dass die gesamte Energieumwandlungskette
berücksichtigt wurde. Der angegebene spezifische Energieverbrauch
PE beinhaltet zusätzlich zum Fahrzeugenergiebedarf E auch den Bedarf
für die Bereitstellung, Transport und Verteilung des Kraftstoffes.
Es wurde angenommen, dass
die Sekundärenergieträger Wasserstoff und Methanol aus dem Primärenergieträger
Erdgas gewonnen wurden.
Abb.
26
[Carpetis, 1997]
Bei dieser Betrachtung zeigt
sich, dass die Unterschiede zusammenschrumpfen. Bei grösserer
Last (Autobahn und Vollast) steigt der Methanolbedarf sogar weit über
den Bedarf von herkömmlichen Kraftstoffen. Auch Wasserstoff liegt
lediglich im unteren Lastbereich (Stadtverkehr) etwas unter dem Benzinbedarf.
Insgesamt gesehen zeigen
diese Resultate, dass der Primärenergiebedarf der Brennstoffzellenantriebe
nicht als primärer Vorteil gegenüber den konventionellen Antrieben
betrachtet werden kann. Es ist vielmehr das Potential der Brennstoffzelle
zur Vermeidung der Emissionen bei der Fahrzeugnutzung (lokale Emissionsfreiheit),
dem bei der Bewertung grosse Bedeutung zukommt.
Energieumwandlungsketten
In diesem Abschnitt geht
es um eine Bewertung von Antrieben und Energieträgern für den
Strassenverkehr mit Hilfe der Energieumwandlungsketten (EUK) vom Primärenergieträger
bis zum Pkw im jeweiligen Fahrzyklus. Es sollen die Energie- und Emissionsbilanzen
verglichen werden.
Als einheitliche Definitionsgrundlage
existiert von der Europäischen Union (EU) ein Fahrzyklus, der durchfahren
werden muss und wobei die freigesetzten Schadstoffe gemessen werden.
Mittlerweile gibt es als Emissionsstandard für Kraftfahrzeuge in Europa
die EURO II, die seit dem 1.1.1997 gültig ist. Die EURO III soll ab
2000 gelten.
Die Emissionsstandards, die ab dem Jahre 2000 von der Europäischen Union vorgesehenVorgesehen sind,
sehen einen Energieverbrauch im europäischen Fahrzyklus von max. 120 gCO2/km
oder etwa 5 lBenzin/100km vor. Es existiert jedoch keine Diskussion der technischen
Lösungsansätze.
Der Brennstoffzellenantrieb
mit Methanol als Energieträger konnte nur von seinen Komponenten her
bewertet werden, nicht aber vom Gesamtverhalten im Fahrzyklus.
Energiebedarf:
Die Studie zeigt, dass
momentan die Realität noch etwas an der Theorie vorbeigeht. Beim Feldversuch
ist der Energiebedarf um fast 60% höher gegenüber dem Referenzfall
(die Grenzwerte für 2000 bzw. 2005). Den ausschlaggebenden Anteil
übernimmt der Pkw-Anteil, der um fast 100 MJ/100km höher liegt
als geplant.
Beim Brennstoffzellenauto
liegt der Energiebedarf der EUK um 40% niedriger als der Grenzwert. Für
die Kraftstoffkette ist der Grenzwert beinahe um den Faktor fünf überschritten.
Dies liegt daran, dass die Methanolherstellung aus Erdgas noch sehr
energieaufwendig ist. Dieser hohe Wert wird jedoch durch den niedrigen
Energieverbrauch im Pkw kompensiert.
In Bezug auf die Abgase
lässt sich sagen, dass die Werte aus dem Feldversuch allesamt
über den Grenzwerten liegen. Bei der Kraftstoffkette liegen die Emissionen
rund 50% über Soll.
Kohlendioxid-Bilanz:
Die Emissionen in der Praxis
von Benzinautos weisen eine Grössenordnung um 150% des Sollwertes
auf, bei der Brennstoffzelle um knapp über 50%. Dafür treten
in der KK der Brennstoffzelle fast doppelt so grosse Werte wie erlaubt
auf. Diese sind deswegen so hoch, weil Methanol aus Erdgas bei einem energetischen
Wirkungsgrad von 66% hergestellt werden muss. Insgesamt liegt die
Brennstoffzellen-EUK gerade einmal bei 65% von EURO-2005.
Kohlenmonoxid-Bilanz:
Für die CO-Emissionen
der Pkws liegen zwischen Fall 2 und Fall 4 drei Grössenordnungen,
wobei festzuhalten ist, dass mit Benzin betriebene Pkws heute schon
unter bestimmten Voraussetzungen den CO-Standard EURO-2005 einhalten und
unterbieten können.
Die Werte in der letzten
Spalte 1 gCO/100km kommen durch dieselbetriebene Tanklastwagen zustande.
In den ersten drei Fällen ist dieser Wert relativ unbedeutend. Im
Fall 4, bei gleichem absoluten Niveau, ist dieser Wert entscheidend und
entsteht durch den Methanoltransport.
Kohlenwasserstoff-Bilanz:
In der EUK-Spalte steht
immer die Summe aus der Pkw- und KK-Spalte, nur bei den Kohlenwasserstoffen
nicht. Dies kommt daher, dass hier die Verdunstungsemissionen eine
grosse Rolle spielen. In den ersten beiden Fällen sind dies etwa
50% der gesamten HC-Emissionen bei Pkws im Fahrzyklus. Für alle weiteren
Fälle wurde diese schwierig zu definierende Emissionsquelle zu Null
gesetzt.
Der tatsächliche Schadstoffausstoss
ist rund viermal so hoch, wie EURO-2000 es erlaubt, wobei im Fall der Pkw-Emissionen
der Methan-Anteil zu den HC-Daten dazugezählt wird.
Im Vergleich zu den Standards
und dem Feldversuch sind die Technikums-Ergebnisse der Brennstoffzelle
zu vernachlässigen, da sie nur einige Zehntel Gramm auf 100 Kilometern
betragen.
Stickoxid-Bilanz:
Die Relationen sehen ähnlich
aus wie bei der CO-Bilanz.
Auch hier wird der überragende
Anteil der Emissionen innerhalb der EUK durch die Pkw im Fahrzyklus verursacht.
Im Fall 4 werden Emissionen in Höhe von fast 3 gNOx/100km allein durch
den Transport von Methanol in dieselbetriebenen Tankwagen verursacht.
Im Gegensatz dazu treten
auch hier drei- bis viermal so hohe Emissionen auf wie gestattet.
Alles in allem lässt
sich sagen, die EUK mit Brennstoffzellen-Pkw zeigt deutliche Vorteile gegenüber
dem Referenzfall (Benzin-Pkw) und auch gegenüber hier nicht betrachteten
Erdgas-Pkws. Bei den Emissionen zeigt der Vergleich die deutliche Überlegenheit
des Brennstoffzellenantriebs, insbesondere bei den CO- und NOx-Emissionen,
aber auch bei den HC-Emissionen.
Energiedichte
Unterschiedliche Kraftstoffe
benötigen unterschiedlich viel Raum und Gewicht pro Energieeinheit,
sie besitzen folglich verschiedene Energiedichten.
Erdgas besteht im wesentlichen
aus Methan (CH4) und verfügt über ähnliche Stoffeigenschaften
wie Wasserstoff. Beide Stoffe sind bei Umgebungsbedingungen gasförmige
Energieträger, die bei der Verwendung als Fahrzeugkraftstoffe unter
hohem Druck oder flüssig bei tiefen Temperaturen gespeichert werden
müssen. Die entsprechenden Tanksysteme weisen im Vergleich zu konventionellen
Kraftstofftanks generell niedrigere Energiedichten auf (s. Abb. 27). [Strobl,
1995]
Da bei Benzin- oder Dieseltanks
Kunststoffe oder relativ dünne Metallkonstruktionen eingesetzt werden
können, die zudem in Bezug auf die Formgebung eher ungebunden sind,
liegt die Energiedichte pro Gewichtseinheit am höchsten. Je niedriger
die Temperaturen oder je höher die Drücke liegen, desto mehr
Material muss eingesetzt werden, wodurch die gewichtsbezogene Energiedichte
sinkt. Die volumenbezogene Dichte liegt bei Wasserstoff am niedrigsten
und bei Benzin am höchsten (s. Tab. 4, Kap. 5.1). Dafür sind
je nach Antriebsart (z.B. bei Brennstoffzellen) höhere Wirkungsgrade
möglich.
Abb.
27
Quelle: Strobl, W., E.
Heck, E., VDI Bericht Nr. 1201, S. 173-185, 1995, München
Emissionen
Im Laufe der Betrachtungen
wurde bereits mehrmals auf die Emissionen, die im Verkehr entstehen, eingegangen.
Ein Vergleich zwischen der
Brennstoffzelle und der Verbrennungskraftmaschine ist müssig,
weil sich allein durch die Funktionsweise der Brennstoffzelle (s.
Kap. 7) ein bemerkenswerter Schadstoffausstoss ausschliesst.
Als Endprodukt nach der Reaktion in der Zelle entsteht nur Wasser. Ein
Vergleich würde darauf hinauslaufen, (fast) ein "Nichts" mit den Schadstoffen
eines Benzin- oder Dieselmotors zu vergleichen, was ein sehr einseitiges
Unterfangen wäre und deswegen unterlassen werden soll.
Bei einem Verbrennungsmotor,
der mit Wasserstoff angetrieben wird, entsteht als Nebenprodukt etwas Stickoxid
durch die Verbrennung von in der Umgebungsluft enthaltenem Stickstoff.
Der Ausstoss an Stickoxiden entspricht maximal dem eines Benzinmotors
mit geregeltem Katalysator. Im Vergleich zum Grenzwert des EURO II für
herkömmlichen Hubkolbenmotoren (NOx = 7,0 g/kWh) liegt der Wert für
wasserstoffbetriebene Motoren bei 10%.
Spuren von HC und CO unter
jeweils 1% treten durch Schmieröl und Reaktionspartner in der Luft
auf. Ein Vergleich wäre also wenig sinnvoll.
Zu berücksichtigen bleibt,
dass die gesamte Energieumwandlungskette in Betracht gezogen werden
muss. Wie jedoch bereits erwähnt, gibt es unterschiedliche Wasserstoffherstellungsverfahren.
Zu einem Teil fällt Wasserstoff als Nebenprodukt in der Industrie
an. Zu einem anderen Teil wird Wasserstoff alternativ erzeugt. Und die
bestehenden Herstellungsmethoden verändern sich im Laufe der momentan
verstärkten Wasserstofftechnologie-Entwicklung. Da es zur Zeit noch
nicht absehbar ist, auf welchem Wege die Wasserstoffproduktion am günstigsten
geschehen wird, ist ein Vergleich zum jetzigen Zeitpunkt schwierig.
Statt dessen soll zum Thema
Emissionen folgende Graphik deutlich machen, in welcher Grössenordnung
ein Vergleich - in diesem Fall für stationäre Generatoren - ausfallen
würde.
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 der Abbildungen) finden Sie im Buch.