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Sind Wasserstoffautos umweltfreundlicher als Elektroautos? Sind Wasserstoffautos die beste Mobilitätsalternative für die Zukunft? Sie stossen während der Fahrt kein CO₂ aus – bedeutet das, dass sie nicht umweltschädlich sind? Wikibattery.org klärt auf.
Ein Wasserstoffauto (Brennstoffzellenauto) hat einen Wasserstofftank, der eine Brennstoffzelle mit unter hohem Druck stehendem Wasserstoffgas speist, das sich mit Sauerstoff vermischt. Diese Mischung setzt eine elektrochemische Reaktion in Gang, die Strom für den Elektromotor erzeugt. Das bedeutet, dass Wasserstoffautos sowohl Merkmale von Elektroautos (wegen der Nutzung von elektrischer Energie und des Motors) als auch von herkömmlichen Benzinautos (wegen des Tanks) aufweisen. Sie stellen jedoch einen einzigartigen Anteil des Verkehrsmarktes dar und werden auch als FCV (Fuel Cell Vehicles) oder FCEV (Full Cell Electric Vehicles) bezeichnet.
Brennstoffzellen sind Herzstück von Wasserstoffautos. Sie sind sozusagen der König aller Prozesse, die im Auto ablaufen, damit es die nötige Energie zum Fahren hat. Kurz gesagt: Brennstoffzellen wandeln das gespeicherte Wasserstoffgas (durch Vermischen mit Sauerstoff oder Luft) in Elektrizität um. Dieser Strom wird dann zum Antrieb eines Elektromotors verwendet, der das Fahrzeug ohne bedenkliche Auspuffemissionen antreibt. Das einzige Nebenprodukt des gesamten Prozesses ist Wasser und Wärme, die durch die Verbindung von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen zu Wasser-Molekülen entsteht.
Das scheint doch perfekt – oder ?!
Diesen Traum verfolgen viele Wissenschaftler seit Jahrzehnten. Nun, wie ist es genau aus im Jahr 2022?
Reine Elektrofahrzeuge BEV hingegen werden von Elektromotoren angetrieben, die Strom aus einer wiederaufladbaren Batterie oder anderen tragbaren Stromquellen beziehen (aber meist Batterien). Sobald sie sich in Bewegung setzen, findet auch keine chemische Reaktion statt, sondern nur eine elektrische dank der Energie, mit der die Batterien zuvor aufgeladen wurden. Doch was ist ökologischer und nachhaltiger? Elektroautos oder Wasserstoffautos? Bevor wir zu einem endgültigen Schluss kommen, sollten wir uns zunächst die wichtigsten Merkmale der beiden Fahrzeugtypen ansehen.
Der Hyundai Nexo (mit Wasserstoffantrieb) hat eine Reichweite von ca. 550 km, was in etwa dem elektrischen Tesla Model S entspricht, dem besten seiner Art. Dennoch ist es schwierig, die Reichweite dieser Autos genau zu bestimmen. Sie hängt von einer Reihe von Faktoren ab, z. B. von der Anzahl der Passagiere, die im Auto mitfahren, davon, ob die Klimaanlage ein- oder ausgeschaltet ist, davon, ob das Auto auf einer Schnellstrasse oder im Stadtverkehr steht, von der Art des Fahrzeugs selbst.
Angesichts dessen berichten verschiedene Konsumenten von unterschiedlichen Erfahrungen, die sich aus einer einzigartigen Mischung all dieser Variablen ergeben. Da Wasserstoffautos jedoch ihren Energiespeicher dicht packen, können sie in der Regel längere Strecken zurücklegen. Während die meisten vollelektrischen Fahrzeuge mit einer einzigen Ladung zwischen 150 km und 300 km fahren können, schaffen Wasserstoffautos bis zu 500 km.
Die Zahl der Stromtankstellen für Elektroautos wächst täglich, und im Dezember 2022 gab es in Europa ungefähr bereits ∼500’000 (0.5 Mio) Stromtankstellen. Eine grosse Zahl, wenn man sie mit den weniger als 200 Wasserstofftankstellen in dem Europa vergleicht, von denen die meisten in Deutschland angesiedelt sind. In der Tat sind die Infrastruktur, die Versorgung und die Technologie von Wasserstoffautos noch Jahre hinter Elektrofahrzeugen zurück.
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Die Zeit, die man braucht, um Wasserstoff in den Tank zu pumpen, ist viel interessanter (5 bis 10 Minuten, genau wie bei einem Benzinauto) als die von Elektroautos. Während die Schnellladegeräte von Tesla (mit 120 kW) die Batterien in einer halben Stunde zu 80 % aufladen, brauchen der BMW i3 oder der Nissan Leaf rund 4 bzw. 8 Stunden, um vollständig aufgeladen zu sein. Letztlich hängt die Zeit, die Elektroautos zum Aufladen benötigen, natürlich von der Ladestation und dem Typ des Ladeanschlusses ab. Aber wie auch immer die Kombination aussieht, und selbst mit Teslas V3-Supercharger, ist dies ein klarer Sieg für das Wasserstoffauto – und das alles, weil 1 kg Wasserstoff 236 Mal mehr Energie speichert als 1 kg Lithium-Ionen-Batterien.
Obwohl Wasserstoff das häufigste Element im Universum ist, kommt er auf dem Blauen Planeten nicht in seiner reinen Form vor. Das heisst, wenn wir ihn als Kraftstoff für unsere Autos verwenden wollen, müssen wir ihn aus anderen Verbindungen wie Wasser, Erdgas oder anderen fossilen Brennstoffen oder aus Biomasse herstellen. Und dafür muss Energie aufgewendet werden, und es entstehen Umwelt- und Wirtschaftskosten.
Einerseits können wir Wasserstoff auf saubere Weise gewinnen, indem wir den Elektrolyseprozess von Wasser umkehren. Das Problem ist, dass dieser Prozess der Trennung der Wasserstoffmoleküle zur Gewinnung des Wasserstoffs sehr viel Energie verbraucht, was ihn zu einem sehr teuren Prozess macht. Wenn diese Energie jedoch aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne oder Wind stammt, kann der Netto-Energiekreislauf sehr kohlenstoffarm werden und das Verfahren wird umweltfreundlicher.
Ein weiteres Problem ist die Effizienz des Prozesses, der nur zu 75 % effizient ist und 25 % der Stromverluste verursacht.
Deswegen wird heute der meiste Wasserstoff durch das Verfahren der Erdgasreformierung gewonnen, das kostengünstiger ist als die Elektrolyse. Der Nachteil ist, dass bei diesem Verfahren schädliche Nebenprodukte wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid entstehen, die zur globalen Erwärmung beitragen. Ferner sind Methan-Lecks bei der Erdgasförderung keine Seltenheit, auch wenn sie immer seltener vorkommen. Und diese Moleküle wie Methan sind nicht nur 86-mal schlimmer als CO₂, sondern auch für rund 25 % der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich.
Das Verfahren zur Erdgasförderung – Fracking – hat in der Regel auch erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt und kann Ökosysteme und die biologische Vielfalt schädigen, Gewässer verunreinigen und kleinere Erdbeben verursachen.
Autos mit Wasserstoff-Brennstoffzellen anstelle der typischen Lithium-Ionen-Batterien von Elektroautos bieten ein attraktives Wertangebot, das das Problem des Endes des Lebenszyklus von Lithium-Ionen Batterien zu beseitigen scheint. Das ist ein Pluspunkt, denn derzeit herrscht noch Ungewissheit über die Zukunft dieser Batterien (von Autos, aber auch von Solarzellen, Handys und anderen), sobald sie ihren Hauptzweck nicht mehr erfüllen. Sie sind schwer zu recyceln, und es werden einige Projekte entwickelt, um sie als Notstromaggregate in städtischen Gebäuden wie Krankenhäusern wiederzuverwenden. Jedoch ist auch zu erwähnen, dass die Lebensdauer von Lithium-Ionen auch verbessert werden.
Ausserdem ist das Fahren ohne Schadstoffemissionen (wie es der Fall wäre, wenn man bedenkt, dass die Netze für erneuerbare Energien mit der Dekarbonisierung weltweit zunehmen) mit dem Vorteil, dass man in 5-10 Minuten auftanken kann. Dies verglichen mit dem günstigsten Fall eines 40-minütigen Ladevorgangs oder dem häufigsten Szenario eines 3-6 stündigen Ladevorgangs bei Elektroautos. Also ein unbestreitbarer Vorteil für die
E-Mobilität mit Wasserstoff.
Einige Studien zeigen auch, dass die Wasserstoffwirtschaft das Potenzial hat, die globalen CO2eq-Emissionen zwischen 0 und 27 % zu senken. Dieses Potenzial kann ausgeschöpft werden, wenn 1) die Methanleckagen aus Erdgas relativ gering sind, 2) Methancracking zur Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt wird und 3) eine Wasserstoffbrennstoffzelle verwendet wird.
Trotz der oben genannten Vorteile wird der meiste Wasserstoff heute durch Methanreformierung hergestellt. Dies macht das gesamte Potenzial von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen als Lösung zur Bekämpfung des Klimawandels zunichte, da bei diesem Verfahren Kohlenmonoxid und -dioxid entstehen.
Auch die Notwendigkeit, Erdgas (einen fossilen Brennstoff) zu verwenden, das bei der Förderung und dem Transport (über Pipelines) entweichen könnte, ist nicht sehr überzeugend. Auch wenn das Methan-Crack-Verfahren verbessert wird (und die Bemühungen gehen nicht in diese Richtung), ist es wahrscheinlich keine langfristige Lösung
Doch im Zuge der technologischen Entwicklung kann das Wasserelektrolyseverfahren zur Gewinnung von Wasserstoff vielleicht verbessert und weiter genutzt werden, wenn das Verfahren effizienter wird. Die Tatsache, dass bei Wasserstoffautos zweimal Energie verbraucht wird (für die Herstellung des Wasserstoffs und dann für den Antrieb der Fahrzeuge), während Elektroautos die Energie aus dem Netz direkt nutzen können, ist ein starkes Argument für Elektroautos.
Denn bei der Umwandlung von Elektrizität in Wasserstoff und zurück in Elektrizität gehen bis zu 45 % der Energie verloren (einschliesslich der Komprimierung in eine Flüssigkeit und deren Speicherung), was den Prozess nicht sehr effizient macht.
Während jedoch neue Methoden zur Herstellung von Wasserstoff entwickelt werden, wie die Protonenaustauschmembran, die nach Angaben von Wissenschaftlern einen Wirkungsgrad von 87 % erreichen könnte. Die Nutzung des zusätzlichen Energieangebots für die Wasserstoffproduktion und die Schaffung einer Hybridversion von Wasserstoff-Lithium-Ionen-Autos ist ebenfalls denkbar.
Sobald mehr Studien vorliegen, die klären, ob diese überschüssige Energie effizienter für Staudämme (ohne Berücksichtigung ihrer sonstigen Auswirkungen) oder für die Wasserstoffproduktion genutzt werden kann. Heute sind Elektroautos leichter zugänglich – was die verschiedenen Fahrzeugtypen und Ladestationen betrifft.
Im Vergleich zu wasserstoffbetriebenen Autos verfügen sie über effizientere Verfahren, und wenn ihre Lithiumbatterien für verschiedene Zwecke wiederverwendet werden, dürften sie zumindest in den nächsten Jahren eine nachhaltigere Lösung sein.
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