Brennstoffzellenfahrzeug
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Ein Brennstoffzellenfahrzeug (Fuel Cell Vehicle, FCV) oder Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) ist ein Elektrofahrzeug, das eine Brennstoffzelle, manchmal in Kombination mit einer kleinen Batterie oder einem Superkondensator, zum Antrieb des Elektromotors an Bord verwendet. Brennstoffzellen in Fahrzeugen erzeugen Strom im Allgemeinen mit Hilfe von Luftsauerstoff und komprimiertem Wasserstoff. Die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge werden als emissionsfreie Fahrzeuge eingestuft, die nur Wasser und Wärme ausstoßen. Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor konzentrieren sich bei Wasserstofffahrzeugen die Schadstoffemissionen auf den Ort der Wasserstofferzeugung, wo der Wasserstoff in der Regel aus reformiertem Erdgas gewonnen wird. Auch beim Transport und der Speicherung von Wasserstoff können Schadstoffe entstehen. ⓘ
Brennstoffzellen wurden in verschiedenen Fahrzeugtypen eingesetzt, darunter auch in Gabelstaplern, insbesondere in Innenräumen, wo ihre sauberen Emissionen wichtig für die Luftqualität sind, sowie in der Raumfahrt. Das erste kommerziell hergestellte Wasserstoff-Brennstoffzellenauto, der Hyundai ix35 FCEV, wurde 2013 vorgestellt, der Toyota Mirai folgte 2015 und dann kam Honda auf den Markt. Brennstoffzellen werden u. a. für Lkw, Busse, Boote, Motorräder und Fahrräder entwickelt und getestet. ⓘ
Bis Dezember 2020 wurden weltweit 31.225 mit Wasserstoff betriebene FCEVs für den Personenverkehr verkauft. Ab 2021 gab es nur zwei Modelle von Brennstoffzellenautos, die in ausgewählten Märkten öffentlich erhältlich waren: der Toyota Mirai (2014-) und der Hyundai Nexo (2018-). Der Honda Clarity wurde von 2016 bis 2021 produziert, dann wurde er eingestellt. Ab 2020 gab es nur eine begrenzte Wasserstoffinfrastruktur mit weniger als fünfzig öffentlich zugänglichen Wasserstofftankstellen für Autos in den USA. Kritiker bezweifeln, dass Wasserstoff im Vergleich zu anderen emissionsfreien Technologien für Autos effizient oder kosteneffektiv sein wird, und 2019 meinte The Motley Fool: "Was schwer zu bestreiten ist, ist, dass der Traum von der Wasserstoffbrennstoffzelle für den Pkw-Markt so gut wie tot ist." ⓘ
Brennstoffzellenfahrzeuge sind Transportmittel, bei denen elektrische Energie aus den Energieträgern Wasserstoff, niedermolekularen Alkoholen (Methanol, Ethanol) oder Ammoniak durch eine Brennstoffzelle erzeugt und direkt mit dem Elektroantrieb in Bewegung umgewandelt oder zeitweise in einer Antriebsbatterie zwischengespeichert wird. Der elektrische Speicher ermöglicht zum einen die Rekuperation, zum anderen entlastet er die Brennstoffzelle von Lastwechseln. Der Aufbau des Antriebs entspricht damit einem seriellen Hybridantrieb. International ist die Abkürzung FC(E)V für englisch fuel cell (electric) vehicle üblich. ⓘ
Diese Antriebsform gilt bei Straßenfahrzeugen nicht mehr nur als experimentell, sondern wird trotz Einschränkungen im Betrieb in Kleinserien gefertigt. Einschränkungen ergeben sich durch das noch dünne Netz an Wasserstofftankstellen. In Deutschland existiert mit Stand Januar 2022 eine Wasserstoff-Tankstellen-Infrastruktur aus 91 Tankstellen. 17 weitere sind in Realisierung. Der Tankvorgang dauert ca. 3–4 Minuten. ⓘ
Beschreibung und Zweck von Brennstoffzellen in Fahrzeugen
Alle Brennstoffzellen bestehen aus drei Teilen: einem Elektrolyt, einer Anode und einer Kathode. Im Prinzip funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle wie eine Batterie, die Strom erzeugt, mit dem ein Elektromotor betrieben werden kann. Die Brennstoffzelle muss jedoch nicht aufgeladen werden, sondern kann mit Wasserstoff nachgefüllt werden. Zu den verschiedenen Arten von Brennstoffzellen gehören Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM), Direktmethanol-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzellen, reformierte Methanol-Brennstoffzellen und Regenerative Brennstoffzellen. ⓘ
Geschichte
Das Konzept der Brennstoffzelle wurde erstmals 1801 von Humphry Davy vorgestellt, aber die Erfindung der ersten funktionierenden Brennstoffzelle wird William Grove zugeschrieben, einem Chemiker, Rechtsanwalt und Physiker. Groves Experimente mit einer so genannten "gasvoltaischen Batterie" bewiesen 1842, dass durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff an einem Platinkatalysator elektrischer Strom erzeugt werden kann. Der englische Ingenieur Francis Thomas Bacon baute die Arbeit von Grove weiter aus und entwickelte und demonstrierte von 1939 bis 1959 verschiedene alkalische Brennstoffzellen. ⓘ
Das erste moderne Brennstoffzellenfahrzeug war ein modifizierter Allis-Chalmers-Traktor, der um 1959 mit einer 15-Kilowatt-Brennstoffzelle ausgestattet wurde. Der Weltraumwettlauf im Kalten Krieg trieb die Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie weiter voran. Im Rahmen des Projekts Gemini wurden Brennstoffzellen für die Stromversorgung von Raumfahrtmissionen mit Besatzung getestet. Die Entwicklung von Brennstoffzellen wurde im Rahmen des Apollo-Programms fortgesetzt. Die Stromversorgungssysteme in den Apollo-Kapseln und Mondmodulen verwendeten Alkalibrennstoffzellen. 1966 entwickelte General Motors das erste Brennstoffzellen-Straßenfahrzeug, den Chevrolet Electrovan. Er hatte eine PEM-Brennstoffzelle, eine Reichweite von 120 Meilen und eine Höchstgeschwindigkeit von 70 mph. Es gab nur zwei Sitze, da der Brennstoffzellenstapel und die großen Wasserstoff- und Sauerstofftanks den hinteren Teil des Wagens einnahmen. Es wurde nur ein einziges Exemplar gebaut, da sich das Projekt als zu kostspielig erwies. ⓘ
General Electric und andere arbeiteten in den 1970er Jahren weiter an PEM-Brennstoffzellen. Noch in den 1980er Jahren waren Brennstoffzellenstacks hauptsächlich auf Raumfahrtanwendungen beschränkt, einschließlich des Space Shuttle. Mit der Einstellung des Apollo-Programms wechselten jedoch viele Branchenexperten zu privaten Unternehmen. In den 1990er Jahren interessierten sich auch die Automobilhersteller für Brennstoffzellenanwendungen, und es wurden Demonstrationsfahrzeuge vorbereitet. Im Jahr 2001 wurden die ersten Wasserstofftanks mit einem Druck von 700 bar (10000 PSI) vorgeführt, wodurch die Größe der Kraftstofftanks, die in Fahrzeugen verwendet werden können, verringert und die Reichweite erhöht wurde. ⓘ
Anwendungen
Es gibt Brennstoffzellenfahrzeuge für alle Verkehrsträger. Die am weitesten verbreiteten Brennstoffzellenfahrzeuge sind Autos, Busse, Gabelstapler und Flurförderfahrzeuge. ⓘ
Kraftfahrzeuge
Honda zeigte mit dem FCX Clarity 2007 ein serienreifes Brennstoffzellenauto. Die ersten Exemplare wurden per Leasing an ausgewählte Kunden in Kalifornien übergeben. ⓘ
Am 3. Juni 2008 erhielt der erste Toyota FCHV-adv in Japan seine Straßenzulassung. Am 1. September 2008 leaste das japanische Umweltministerium die ersten Toyota FCHV-adv Prototypen für die kommerzielle Erprobung. ⓘ
Der Hyundai ix35 FCEV wurde seit 2013 in Kleinserie gefertigt und an Kunden ausgeliefert, er wurde 2018 vom Nexo abgelöst. ⓘ
2014 präsentierte Toyota den „FCV“, der seit Herbst 2015 unter dem Namen Toyota Mirai produziert wird. Im November 2015 fanden die ersten Probefahrten in Deutschland statt. Eine Tankfüllung reicht bei etwa 90 km/h für bis zu 500 Kilometer. Das Nachtanken dauert 5 bis 15 Minuten. ⓘ
Weitere Informationen enthält die Liste von Brennstoffzellenautos in Serienproduktion. ⓘ
Einige Hersteller stellten bereits mehrere Generationen oder mehrere verschiedene Konzeptfahrzeuge vor:
| Hersteller | Typ | Jahr ⓘ |
|---|---|---|
| Audi | Audi A2H2 | 2004 |
| Audi | Audi A7 h-tron | 2014 |
| BMW | 5er GT Versuchsfahrzeuge | 2015(1) |
| BMW i | i Hydrogen Next | 2019 |
| Daimler | Mercedes-Benz NECAR | 1994–2002 |
| Daimler | Mercedes-Benz F-Cell (A-Klasse) | 2003–2007 |
| Daimler | Mercedes-Benz F-Cell (B-Klasse) | seit 2007 |
| Daimler | Mercedes-Benz BlueZero F-Cell | 2008 |
| Daimler | Mercedes-Benz F600 Hygenius | 2005 |
| Daimler | Mercedes-Benz Vision Tokyo Concept | 2015 |
| Daimler | Mercedes-Benz GLC F-Cell | 2018 |
| Chrysler | Chrysler Natrium | 2001 |
| Chrysler | Jeep Commander II | 2000 |
| Chrysler | Jeep Treo | 2003 |
| FIAT | Seicento Elettra H2 Fuel Cell | 2001 |
| FIAT | Seicento Hydrogen | 2003 |
| FIAT | Fiat Panda Hydrogen | 2005 |
| Ford | Ford Focus FCV Hybrid | 2002–2005 |
| Ford | Ford Explorer FCV Hybrid | 2006 |
| Ford | Morgan LifeCar | |
| General Motors | GM Electrovan | 1966 |
| General Motors | GM HydroGen3 | 2001–2006 |
| General Motors | GM HydroGen4 | seit 2004 |
| General Motors | GM HyWire | |
| General Motors | GM Sequel | seit 2005 |
| Honda | Honda Clarity | seit 2016 |
| Honda | Honda FCX Clarity | 2008–2014 |
| Hyundai | Santa Fé FCEV | |
| Hyundai | Tucson FCEV | |
| Hyundai | Hyundai ix35 FCEV | 2013–2018 |
| Hyundai | Hyundai Nexo | seit 2018 |
| Nissan | Nissan X-Trail FCHV | |
| Peugeot | Peugeot Quark | 2004 |
| Renault | Renault Kangoo Z.E. H2 | 2015 |
| Toyota | Toyota FCHV | 2001 |
| Toyota | Toyota Fine-N | 2003 |
| Toyota | Toyota Mirai | seit 2014 |
| Volkswagen | VW Bora Hy-motion | 2000 |
| Volkswagen | VW Bora Hy-power | 2002 |
| Volkswagen | VW Touran Hy-motion | 2004 |
Der Verkauf des Toyota Mirai an Regierungs- und Firmenkunden begann in Japan im Dezember 2014. Die Preise begannen bei ¥6.700.000 (~US$57.400) vor Steuern und einem staatlichen Anreiz von ¥2.000.000 (~US$19.600). Der ehemalige Präsident des Europäischen Parlaments, Pat Cox, schätzte, dass Toyota anfangs mit jedem verkauften Mirai einen Verlust von etwa 100.000 US-Dollar machen würde. Im Dezember 2017 wurden weltweit insgesamt 5.300 Mirai verkauft. Die meistverkauften Märkte waren die USA mit 2.900 Einheiten, Japan mit 2.100 und Europa mit 200. ⓘ
Der Honda Clarity Fuel Cell wurde von 2016 bis 2021 produziert. Der Clarity von 2017 hatte die höchsten kombinierten und innerstädtischen Verbrauchswerte aller Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge, die von der EPA in diesem Jahr bewertet wurden, mit einem kombinierten Wert von 67 Meilen pro Gallone Benzinäquivalent (MPGe) und 68 MPGe im Stadtverkehr. 2019 erklärte Katsushi Inoue, der Präsident von Honda Europe: "Unser Fokus liegt jetzt auf Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Vielleicht werden Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge kommen, aber das ist eine Technologie für die nächste Ära." ⓘ
Im Jahr 2017 stellte Daimler seine FCEV-Entwicklung unter Hinweis auf die sinkenden Batteriekosten und die zunehmende Reichweite von Elektrofahrzeugen ein, und die meisten Automobilunternehmen, die Wasserstoffautos entwickeln, hatten ihren Schwerpunkt auf batteriebetriebene Elektrofahrzeuge verlagert. Im Jahr 2020 werden nur noch drei Automobilhersteller Wasserstoffautos herstellen bzw. aktive Herstellungsprogramme für Wasserstoffautos haben. ⓘ
Kraftstoffverbrauch
In der folgenden Tabelle wird der von der EPA angegebene Kraftstoffverbrauch in Meilen pro Gallone Benzinäquivalent (MPGe) für die beiden Modelle von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen verglichen, die von der EPA ab September 2021 bewertet werden und in Kalifornien erhältlich sind. ⓘ
| Vergleich des Kraftstoffverbrauchs, ausgedrückt in MPGe, für Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge die in Kalifornien zum Verkauf oder Leasing angeboten werden und von der US-Umweltschutzbehörde im September 2021 bewertet werden ⓘ | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fahrzeug | Modelljahr | Kombinierter Kraftstoffverbrauch |
Stadt Kraftstoffverbrauch |
Landstraße Kraftstoffverbrauch |
Reichweite | Jährlich Kraftstoffkosten | |
| Hyundai Nexo | 2019-2021 | 61 mpg-e | 65 mpg-e | 58 mpg-e | 380 Meilen (610 km) | ||
| Toyota Mirai | 2016–20 | 66 mpg-e | 66 mpg-e | 66 mpg-e | 312 Meilen (502 km) | ||
| Toyota Mirai | 2021 | 74 mpg-e | 76 mpg-e | 71 mpg-e | 402 Meilen (647 km) | ||
| Anmerkungen: Ein Kilogramm Wasserstoff hat ungefähr den gleichen Energiegehalt wie eine US-Gallone Benzin. | |||||||
Brennstoffzellen, die durch einen Ethanol-Reformer angetrieben werden
Im Juni 2016 kündigte Nissan Pläne zur Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen an, die nicht mit Wasserstoff, sondern mit Ethanol betrieben werden. Nissan behauptet, dass dieser technische Ansatz billiger wäre und dass es einfacher wäre, die Betankungsinfrastruktur aufzubauen als eine Wasserstoffinfrastruktur. Das Fahrzeug würde einen Tank mit einem Gemisch aus Wasser und Ethanol enthalten, das in einen eingebauten Reformer geleitet wird, der es in Wasserstoff und Kohlendioxid aufspaltet. Der Wasserstoff wird dann in eine Festoxid-Brennstoffzelle eingespeist. Nach Angaben von Nissan könnte der flüssige Kraftstoff ein Ethanol-Wasser-Gemisch im Verhältnis 55:45 sein. ⓘ
Busse
- DaimlerChrysler entwickelte einen Antrieb für den Sprinter, sowie 1997 den NeBus (O 405 N2 mit Brennstoffzelle), 2002 den Mercedes-Benz Citaro BZ und präsentierte 2009 auf dem UITP-Kongress in Wien mit dem Citaro FuelCELL-Hybrid die dritte Generation als Hybridbus mit Speicherbatterie. 2018 wurde der Concept Sprinter F-Cell vorgestellt. Der testweise Betrieb bei der Hamburger Hochbahn seit 2010 wurde nach großen Ambitionen jedoch Anfang 2019 beendet. Grund seien Lieferschwierigkeiten seitens Mercedes und ungelöste Probleme der Lagerung von explosiven Wasserstoffvorräten in Wohngebieten. Neuere Modelle werden als Mercedes-Benz FuelCell Hybridbusse gefertigt.
- Van Hool und UTC-Fuel Cell, ISE Corporation präsentierten 2005 gemeinsam den Van Hool newA330 Fuel Cell. Der Regionalverkehr Köln und die Wuppertaler Stadtwerke haben bei Van Hool 40 Wasserstoff-Busse fest bestellt, die vom Frühjahr 2019 an geliefert werden sollen.
- Für die Stadt Bozen in Südtirol wurden im Jahr 2019 beim polnischen Hersteller Solaris 12 Fahrzeuge vom Typ Urbino 12 hydrogen bestellt. Die Brennstoffzellen für diese Busse liefert Ballard Power Systems.
- Hydrogenics baute auf dem Modell Gulliver 520ESP von Tecnobus (Italien) mehrere Midibusse mit Brennstoffzellen-Antrieb.
- Der Yutong ZK6125FCEVG1 Fuel Cell Bus des chinesischen Busherstellers Yutong erhielt im Sommer 2015 die Marktzulassung für China. Dieser 12-m-Bus ist mit acht 120-l-Tanks ausgerüstet, welche sich im vorderen Teil des Dachs befinden. Der Bus hat eine Reichweite von 300 km. Das Nachtanken dauert nur zehn Minuten. Die Brennstoffzelle verfügt über eine Leistung von 50 kW, der Antriebsmotor hat eine Leistung von 120 kW.
- Toyota entwickelte zusammen mit dem Tochterunternehmen Hino einen Brennstoffzellenbus, welcher seit Dezember 2014 in Japan vermarktet wird. Bei diesem Fahrzeug der Länge 10,5 m wird die gleiche Technik verwendet wie im Toyota Mirai, hat allerdings zwei Brennstoffzellen-Stacks und acht Wasserstofftanks. Diese versorgen jeweils zwei 110 kW (150 PS) starke Elektromotoren mit Energie. Der Bus bietet 26 Sitz- und 50 Stehplätze und wird seit dem 9. Januar 2015 in Toyota City im Linienverkehr eingesetzt.
- CaetanoBus S.A., Portugal lieferte Ende 2021 für die Stadt Wiesbaden 10 Caetano H2.City Gold Solobusse. ⓘ
Im Jahr 2011 waren weltweit über 100 Brennstoffzellenbusse im Einsatz. Die meisten dieser Busse wurden von UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics und Proton Motor hergestellt. Die Busse von UTC haben eine Fahrleistung von über 970.000 km (600.000 Meilen) erreicht. Brennstoffzellenbusse haben einen um 30-141% höheren Kraftstoffverbrauch als Diesel- und Erdgasbusse. Brennstoffzellenbusse sind in Städten auf der ganzen Welt im Einsatz, obwohl ein Projekt in Whistler, British Columbia, 2015 eingestellt wurde. Im Jahr 2022 kündigte die Stadt Montpellier (Frankreich) einen Vertrag über die Beschaffung von 51 Bussen mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb, als sie feststellte, dass "die Betriebskosten für Wasserstoffbusse sechsmal so hoch sind wie die Stromkosten". ⓘ
Zu den Brennstoffzellenbus-Projekten gehören:
- 12 Brennstoffzellenbusse wurden 2007 in der kalifornischen Region Oakland und San Francisco Bay eingesetzt.
- Die Daimler AG hat 2007 mit sechsunddreißig experimentellen Bussen, die von Brennstoffzellen von Ballard Power Systems angetrieben werden, einen erfolgreichen dreijährigen Versuch in elf Städten abgeschlossen.
- Eine Flotte von Thor-Bussen mit Brennstoffzellen von UTC Power wurde 2011 in Kalifornien von der SunLine Transit Agency in Betrieb genommen.
- Der erste Prototyp eines Wasserstoff-Brennstoffzellenbusses in Brasilien wurde 2009 in São Paulo in Betrieb genommen. Der Bus wurde in Caxias do Sul hergestellt, und der Wasserstoffkraftstoff sollte in São Bernardo do Campo durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden. Das Programm mit der Bezeichnung "Ônibus Brasileiro a Hidrogênio" (Brasilianischer Wasserstoffautobus) umfasste drei Busse.
- Im Jahr 2022 wurden in Wien, Österreich, drei Wasserstoff-Brennstoffzellenbusse eingeführt. Die von der Hyundai Motor Company hergestellten Fahrzeuge mit der Bezeichnung Elec-city FCEV wurden im Rahmen des HyBus-Projekts der österreichischen Regierung geliefert. Weitere Fahrzeuge sind für Graz und Salzburg geplant. ⓘ
Gabelstapler
Ein Brennstoffzellen-Gabelstapler (auch Brennstoffzellen-Stapler oder Brennstoffzellen-Gabelstapler genannt) ist ein mit Brennstoffzellen betriebener Gabelstapler, der zum Heben und Transportieren von Materialien eingesetzt wird. Die meisten in Gabelstaplern verwendeten Brennstoffzellen werden von PEM-Brennstoffzellen angetrieben. ⓘ
Im Jahr 2013 wurden in den USA über 4.000 Brennstoffzellen-Gabelstapler für den Materialtransport eingesetzt, von denen nur 500 vom DOE (2012) gefördert wurden. Brennstoffzellenflotten werden von einer Vielzahl von Unternehmen betrieben, darunter Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (bei Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark und Whole Foods) und H-E-B Grocers. In Europa wurden mit Hylift 30 Brennstoffzellenstapler demonstriert und mit HyLIFT-EUROPE auf 200 Einheiten erweitert, mit weiteren Projekten in Frankreich und Österreich. Pike Research stellte 2011 fest, dass brennstoffzellenbetriebene Gabelstapler bis 2020 den größten Anteil an der Nachfrage nach Wasserstoff als Kraftstoff haben werden. ⓘ
Mit PEM-Brennstoffzellen betriebene Gabelstapler bieten gegenüber erdölbetriebenen Gabelstaplern erhebliche Vorteile, da sie keine lokalen Emissionen erzeugen. Brennstoffzellen-Gabelstapler können mit einer einzigen Wasserstofftankfüllung eine ganze 8-Stunden-Schicht lang arbeiten, lassen sich in 3 Minuten auftanken und haben eine Lebensdauer von 8-10 Jahren. Mit Brennstoffzellen betriebene Gabelstapler werden häufig in Kühllagern eingesetzt, da ihre Leistung durch niedrigere Temperaturen nicht beeinträchtigt wird. Bei der Konstruktion werden die BZ-Geräte oft als Drop-in-Ersatz hergestellt. ⓘ
Motorräder und Fahrräder
Im Jahr 2005 stellte das britische Unternehmen Intelligent Energy das erste funktionierende wasserstoffbetriebene Motorrad namens ENV (Emission Neutral Vehicle) her. Der Kraftstoffvorrat des Motorrads reicht aus, um vier Stunden lang zu fahren und in einem städtischen Gebiet 160 km mit einer Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h zurückzulegen. Im Jahr 2004 entwickelte Honda ein Motorrad mit Brennstoffzelle, das den Honda FC Stack nutzte. Es gibt weitere Beispiele für Motorräder und Fahrräder mit Wasserstoff-Brennstoffzellenmotor. Der Suzuki Burgman erhielt in der EU eine Typgenehmigung für das gesamte Fahrzeug. Das taiwanesische Unternehmen APFCT führt im Auftrag des Taiwans Bureau of Energy einen Live-Straßentest mit 80 Brennstoffzellen-Rollern durch, bei dem das Betankungssystem des italienischen Unternehmens Acta SpA zum Einsatz kommt. ⓘ
Flugzeuge
Boeing-Forscher und Industriepartner aus ganz Europa führten im Februar 2008 experimentelle Flugtests mit einem Flugzeug mit Besatzung durch, das nur von einer Brennstoffzelle und leichten Batterien angetrieben wird. Der so genannte Fuel Cell Demonstrator Airplane nutzte ein Hybridsystem aus Protonen-Austausch-Membran (PEM)-Brennstoffzelle und Lithium-Ionen-Batterie, um einen Elektromotor anzutreiben, der mit einem herkömmlichen Propeller gekoppelt war. Im Jahr 2003 wurde das weltweit erste Flugzeug mit Propellerantrieb geflogen, das vollständig von einer Brennstoffzelle angetrieben wurde. Bei der Brennstoffzelle handelte es sich um ein einzigartiges FlatStack-Stack-Design, das die Integration der Brennstoffzelle in die aerodynamischen Oberflächen des Flugzeugs ermöglichte. ⓘ
Es gab bereits mehrere unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) mit Brennstoffzellenantrieb. Ein Horizon-Brennstoffzellen-UAV stellte 2007 den Entfernungsrekord für ein kleines UAV auf. Das Militär ist besonders an dieser Anwendung interessiert, da sie geräuscharm ist, eine geringe Wärmesignatur aufweist und eine große Höhe erreichen kann. Im Jahr 2009 flog der Ion Tiger des Naval Research Laboratory (NRL) mit einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle 23 Stunden und 17 Minuten lang. Boeing schließt derzeit Tests mit dem Phantom Eye ab, einem HALE-Flugzeug (High Altitude Long Endurance), das für Forschungs- und Überwachungsflüge in 20.000 m Höhe bis zu vier Tage am Stück eingesetzt werden soll. Brennstoffzellen werden auch für die Hilfsstromversorgung von Flugzeugen eingesetzt und ersetzen Generatoren mit fossilen Brennstoffen, die bisher zum Anlassen der Triebwerke und zur Stromversorgung an Bord verwendet wurden. Brennstoffzellen können dazu beitragen, dass Flugzeuge weniger CO2 und andere Schadstoffe ausstoßen und weniger Lärm verursachen. ⓘ
Boote
Das erste Brennstoffzellenboot der Welt, HYDRA, verwendet ein AFC-System mit einer Nettoleistung von 6,5 kW. Für jeden verbrauchten Liter Kraftstoff produziert ein durchschnittlicher Außenbordmotor 140 Mal weniger Kohlenwasserstoffe als ein durchschnittliches modernes Auto. Brennstoffzellenmotoren haben einen höheren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren und bieten daher eine größere Reichweite und deutlich geringere Emissionen. Island hat sich verpflichtet, seine riesige Fischereiflotte bis 2015 auf die Nutzung von Brennstoffzellen als Hilfsenergie und schließlich als Hauptstromquelle für seine Boote umzustellen. In Amsterdam wurde vor kurzem das erste Boot mit Brennstoffzellenantrieb vorgestellt, das die Menschen auf den Kanälen der Stadt befördert. ⓘ
U-Boote
Die erste tauchfähige Anwendung von Brennstoffzellen ist das deutsche U-Boot Typ 212. Jeder Typ 212 enthält neun PEM-Brennstoffzellen, die über das ganze Schiff verteilt sind und jeweils zwischen 30 und 50 kW elektrische Leistung liefern. Dadurch kann der Typ 212 länger unter Wasser bleiben und ist schwerer zu entdecken. U-Boote mit Brennstoffzellenantrieb sind außerdem einfacher zu konstruieren, herzustellen und zu warten als U-Boote mit Atomantrieb. ⓘ
Züge
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Im März 2015 stellte die China South Rail Corporation (CSR) in einer Montageanlage in Qingdao die weltweit erste Straßenbahn mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb vor. 83 Meilen Gleise für das neue Fahrzeug wurden in sieben chinesischen Städten gebaut. China plant, in den nächsten fünf Jahren 200 Milliarden Yuan (32 Milliarden US-Dollar) für den Ausbau des Straßenbahnnetzes auf mehr als 1.200 Meilen auszugeben. ⓘ
Im Jahr 2016 stellte Alstom den Coradia iLint vor, einen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebenen Regionalzug. Er wurde für eine Geschwindigkeit von 140 Stundenkilometern und eine Reichweite von 600-800 Kilometern mit einem vollen Wasserstofftank konzipiert. Der Zug wurde 2018 in Deutschland in Betrieb genommen und soll ab 2019 auch in den Niederlanden getestet werden. ⓘ
Der Schweizer Hersteller Stadler Rail unterzeichnete in Kalifornien einen Vertrag über die Lieferung eines Wasserstoff-Brennstoffzellen-Zuges in den USA, den FLIRT H2-Zug, im Jahr 2024 als Teil des Arrow-Rail-Projekts. ⓘ
Lastkraftwagen
Im Jahr 2020 begann Hyundai mit der Herstellung von wasserstoffbetriebenen 34-Tonnen-Lastkraftwagen unter dem Modellnamen XCIENT und lieferte zunächst 10 dieser Fahrzeuge in die Schweiz. Sie können mit einer Tankfüllung 400 Kilometer weit fahren und brauchen 8 bis 20 Minuten zum Tanken. ⓘ
Für 2020 hat Daimler das Flüssigwasserstoffkonzept Mercedes-Benz GenH2 angekündigt, das ab 2023 produziert werden soll. Freiburg betreibt ein Müllfahrzeug mit 200 km Reichweite. ⓘ
Wasserstoff-Infrastruktur
Eberle und Rittmar von Helmolt stellten 2010 fest, dass es noch Herausforderungen gibt, bevor Brennstoffzellenautos mit anderen Technologien konkurrenzfähig werden können, und verweisen auf das Fehlen einer umfassenden Wasserstoffinfrastruktur in den USA: Im Juli 2020 gab es in den USA 43 öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen, davon 41 in Kalifornien. Im Jahr 2013 unterzeichnete Gouverneur Jerry Brown die Gesetzesvorlage AB 8, mit der über einen Zeitraum von zehn Jahren jährlich 20 Millionen Dollar für den Bau von bis zu 100 Tankstellen bereitgestellt werden. Im Jahr 2014 finanzierte die kalifornische Energiekommission 46,6 Millionen Dollar für den Bau von 28 Stationen. ⓘ
Japan erhielt 2014 seine erste kommerzielle Wasserstofftankstelle. Im März 2016 gab es in Japan 80 Wasserstofftankstellen, und die japanische Regierung strebt eine Verdoppelung dieser Zahl auf 160 bis 2020 an. Im Mai 2017 gab es 91 Wasserstofftankstellen in Japan. In Deutschland gab es im Juli 2015 18 öffentliche Wasserstofftankstellen. Die deutsche Regierung hoffte, diese Zahl bis Ende 2016 auf 50 zu erhöhen, aber im Juni 2017 waren nur 30 geöffnet. ⓘ
Codes und Normen
Im Rahmen der globalen technischen Vorschriften der Vereinten Nationen für Radfahrzeuge, insbesondere für die Verwendung von Wasserstoff, gibt es internationale Normen, die Aspekte der Technik und der allgemeinen Integrität, der Leistung, der Sicherheit, des Lebenszyklus von Teilen und verschiedene andere Kategorien definieren. Ein bemerkenswerter Bereich dieser Vorschriften betrifft die Druckwasserstoffspeicher, die in der Regel nach 15 oder weniger Jahren das Ende ihrer qualifizierten Nutzungsdauer erreichen. ⓘ
US-Programme
Im Jahr 2003 schlug US-Präsident George Bush die Hydrogen Fuel Initiative (HFI) vor. Die HFI zielte darauf ab, Wasserstoffbrennstoffzellen und Infrastrukturtechnologien weiterzuentwickeln, um die kommerzielle Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen zu beschleunigen. Bis 2008 hatten die USA 1 Milliarde Dollar zu diesem Projekt beigetragen. Im Jahr 2009 erklärte der damalige US-Energieminister Steven Chu, dass Wasserstofffahrzeuge "in den nächsten 10 bis 20 Jahren nicht praktikabel sein werden". Im Jahr 2012 erklärte Chu jedoch, dass er Brennstoffzellenfahrzeuge für wirtschaftlich realisierbar halte, da die Erdgaspreise gesunken seien und sich die Technologien zur Wasserstoffreformierung verbessert hätten. Im Juni 2013 bewilligte die kalifornische Energiekommission 18,7 Millionen Dollar für Wasserstofftankstellen. Im Jahr 2013 unterzeichnete Gouverneur Brown die Gesetzesvorlage AB 8, mit der über einen Zeitraum von 10 Jahren jährlich 20 Millionen Dollar für bis zu 100 Tankstellen bereitgestellt werden. 2013 kündigte das US-Energieministerium an, bis zu 4 Millionen Dollar für die "weitere Entwicklung fortschrittlicher Wasserstoffspeichersysteme" bereitzustellen. Am 13. Mai 2013 rief das Energieministerium H2USA ins Leben, das sich auf die Förderung der Wasserstoffinfrastruktur in den USA konzentriert. ⓘ
Kosten
Bis 2010 hatten die Fortschritte in der Brennstoffzellentechnologie die Größe, das Gewicht und die Kosten von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen verringert. Im Jahr 2010 schätzte das US-Energieministerium (DOE), dass die Kosten für Automobil-Brennstoffzellen seit 2002 um 80 % gesunken sind und dass solche Brennstoffzellen potenziell für 51 $/kW hergestellt werden könnten, wenn man von Einsparungen bei den Herstellungskosten in großen Stückzahlen ausgeht. Es wurden bereits Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge mit einer Reichweite von mehr als 250 Meilen zwischen zwei Tankvorgängen hergestellt. Sie können in weniger als 5 Minuten aufgetankt werden. Eingesetzte Brennstoffzellenbusse haben einen um 40 % höheren Kraftstoffverbrauch als Dieselbusse. Das Fuel Cell Technologies Program des EERE gibt an, dass Brennstoffzellen im Jahr 2011 einen Wirkungsgrad von 42 bis 53 % bei voller Leistung und eine Lebensdauer von über 75.000 Meilen mit weniger als 10 % Spannungsabfall erreicht haben, doppelt so viel wie 2006. Im Jahr 2012 veröffentlichte Lux Research, Inc. einen Bericht, der zu dem Schluss kam, dass "die Kapitalkosten ... die Akzeptanz bis 2030 auf lediglich 5,9 GW begrenzen werden", was "eine fast unüberwindbare Barriere für die Akzeptanz darstellt, außer in Nischenanwendungen". Die Analyse von Lux kam zu dem Schluss, dass die stationären PEM-Brennstoffzellenanwendungen bis 2030 ein Volumen von 1 Milliarde Dollar erreichen werden, während der Fahrzeugmarkt, einschließlich der Brennstoffzellen-Gabelstapler, ein Volumen von 2 Milliarden Dollar erreichen wird. ⓘ
Auswirkungen auf die Umwelt
Die Umweltauswirkungen von Brennstoffzellenfahrzeugen hängen von der Primärenergie ab, mit der der Wasserstoff erzeugt wurde. Brennstoffzellenfahrzeuge sind nur dann umweltverträglich, wenn der Wasserstoff mit erneuerbarer Energie hergestellt wurde. Ist dies der Fall, sind Brennstoffzellenfahrzeuge sauberer und effizienter als Fahrzeuge mit fossilen Brennstoffen. Sie sind jedoch nicht so effizient wie batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, die viel weniger Energie verbrauchen. Normalerweise verbraucht ein Brennstoffzellenauto 2,4 Mal mehr Energie als ein batteriebetriebenes Elektroauto, da die Elektrolyse und Speicherung von Wasserstoff viel weniger effizient ist als die Verwendung von Strom zum direkten Laden einer Batterie. ⓘ
Im Jahr 2009 verbrauchten Kraftfahrzeuge den größten Teil des in den USA verbrauchten Erdöls und verursachten über 60 % der Kohlenmonoxidemissionen und etwa 20 % der Treibhausgasemissionen in den Vereinigten Staaten. Die Produktion von Wasserstoff für das Hydro-Cracking, das bei der Benzinherstellung verwendet wird, war jedoch neben anderen industriellen Anwendungen für etwa 10 % der flottenweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Im Gegensatz dazu stößt ein mit reinem Wasserstoff betriebenes Fahrzeug nur wenige Schadstoffe aus, da es hauptsächlich Wasser und Wärme produziert, obwohl die Herstellung des Wasserstoffs zu Schadstoffemissionen führen würde, es sei denn, der in der Brennstoffzelle verwendete Wasserstoff würde ausschließlich mit erneuerbaren Energien hergestellt. ⓘ
In einer Well-to-Wheels-Analyse aus dem Jahr 2005 schätzte das DOE, dass Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge, die mit aus Erdgas hergestelltem Wasserstoff betrieben werden, etwa 55 % der CO2-Emissionen pro Kilometer von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verursachen und etwa 25 % weniger Emissionen aufweisen als Hybridfahrzeuge. 2006 stellte Ulf Bossel fest, dass aufgrund des hohen Energieaufwands, der erforderlich ist, um Wasserstoff aus natürlichen Verbindungen (Wasser, Erdgas, Biomasse) zu isolieren, das leichte Gas durch Komprimierung oder Verflüssigung zu verpacken und den Energieträger zum Nutzer zu transportieren, zuzüglich der Energie, die bei der Umwandlung in nutzbare Elektrizität mit Brennstoffzellen verloren geht, etwa 25 % für die praktische Nutzung übrig bleiben". Richard Gilbert, Mitautor von Transport Revolutions: Moving People and Freight without Oil (2010), bemerkt in ähnlicher Weise, dass bei der Herstellung von Wasserstoffgas ein Teil der dabei erzeugten Energie verbraucht wird. Die Energie wird dann durch die Umwandlung des Wasserstoffs in Elektrizität in Brennstoffzellen wieder verbraucht. "'Das bedeutet, dass nur ein Viertel der ursprünglich verfügbaren Energie den Elektromotor erreicht' ... Diese Umwandlungsverluste sind nicht so groß wie beispielsweise beim Aufladen eines Elektrofahrzeugs (EV) wie dem Nissan Leaf oder dem Chevy Volt an einer Steckdose". In einem Bericht des Argonne National Laboratory aus dem Jahr 2010 über die Analyse von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen (Well-to-wheels analysis of hydrogen fuel cell vehicles) heißt es, dass erneuerbare H2-Antriebe wesentlich größere Vorteile bei den Treibhausgasemissionen bieten. Dieses Ergebnis wurde kürzlich bestätigt. In einer Well-to-Wheels-Veröffentlichung des US-DOE aus dem Jahr 2010 wurde davon ausgegangen, dass der Wirkungsgrad des einzigen Schritts der Verdichtung von Wasserstoff auf 43,1 MPa (6.250 psi) an der Tankstelle 94 % beträgt. Eine Studie von Wissenschaftlern der Stanford University und der Technischen Universität München aus dem Jahr 2016, die in der November-Ausgabe der Fachzeitschrift Energy veröffentlicht wurde, kommt zu dem Schluss, dass selbst unter der Annahme einer lokalen Wasserstoffproduktion "die Investition in vollelektrische Batteriefahrzeuge die wirtschaftlichere Wahl zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen ist, vor allem aufgrund ihrer geringeren Kosten und deutlich höheren Energieeffizienz." ⓘ
Kritik an Brennstoffzellenautos
Im Jahr 2008 schrieb Professor Jeremy P. Meyers in der Fachzeitschrift Interface der Electrochemical Society: "Obwohl Brennstoffzellen im Vergleich zu Verbrennungsmotoren effizient sind, sind sie nicht so effizient wie Batterien, was vor allem auf die Ineffizienz der Sauerstoffreduktionsreaktion zurückzuführen ist. ... [Sie sind am sinnvollsten für den netzunabhängigen Betrieb oder wenn der Kraftstoff kontinuierlich bereitgestellt werden kann. Für Anwendungen, die häufige und relativ schnelle Starts erfordern ..., bei denen keine Emissionen erforderlich sind, wie in geschlossenen Räumen wie Lagerhallen, und bei denen Wasserstoff als akzeptabler Reaktant gilt, wird eine [PEM-Brennstoffzelle] eine zunehmend attraktive Wahl [wenn der Batteriewechsel unpraktisch ist]". Die praktischen Kosten von Brennstoffzellen für Autos werden jedoch so lange hoch bleiben, bis die Produktionsmengen Größenvorteile und eine gut entwickelte Versorgungskette berücksichtigen. Bis dahin liegen die Kosten um etwa eine Größenordnung über den Zielen des DOE. ⓘ
Ebenfalls im Jahr 2008 berichtete Wired News, dass "Experten sagen, dass es 40 Jahre oder mehr dauern wird, bis Wasserstoff irgendeinen bedeutenden Einfluss auf den Benzinverbrauch oder die globale Erwärmung hat, und wir können es uns nicht leisten, so lange zu warten. In der Zwischenzeit werden durch Brennstoffzellen Ressourcen von dringenderen Lösungen abgezogen". Die Zeitschrift The Economist zitierte 2008 Robert Zubrin, den Autor von Energy Victory, mit den Worten: "Wasserstoff ist 'so ziemlich der schlechteste mögliche Fahrzeugkraftstoff'". Im Jahr 2019 werden immer noch 98 % des Wasserstoffs durch Dampfreformierung hergestellt, was zu umweltschädlichen Kohlenstoffemissionen führt. Könnte der Wasserstoff hingegen mit erneuerbaren Energien hergestellt werden, "wäre es sicherlich einfacher, diese Energie einfach zum Aufladen der Batterien von reinen Elektro- oder Plug-in-Hybridfahrzeugen zu verwenden." Die Los Angeles Times schrieb 2009: "Wie auch immer man es betrachtet, Wasserstoff ist ein lausiger Weg, um Autos zu bewegen." Die Washington Post fragte im November 2009: "[W]arum sollte man Energie in Form von Wasserstoff speichern und diesen Wasserstoff dann verwenden, um Strom für einen Motor zu erzeugen, wenn elektrische Energie bereits darauf wartet, in ganz Amerika aus den Steckdosen gesaugt und in Autobatterien gespeichert zu werden...? ⓘ
The Motley Fool stellte 2013 fest, dass "es immer noch kostenintensive Hindernisse [für Wasserstoffautos] gibt, die mit dem Transport, der Speicherung und vor allem der Produktion zusammenhängen." Rudolf Krebs von Volkswagen sagte 2013, dass "egal, wie gut man die Autos selbst macht, die Gesetze der Physik ihre Gesamteffizienz behindern. Der effizienteste Weg, Energie in Mobilität umzuwandeln, ist Elektrizität". Er führte weiter aus: "Wasserstoffmobilität macht nur Sinn, wenn man grüne Energie verwendet", aber ... man muss sie zuerst in Wasserstoff umwandeln, "mit niedrigen Wirkungsgraden", wobei "man etwa 40 Prozent der ursprünglichen Energie verliert". Dann muss man den Wasserstoff komprimieren und unter hohem Druck in Tanks speichern, was noch mehr Energie verbraucht. "Und dann muss man den Wasserstoff in einer Brennstoffzelle wieder in Strom umwandeln, was einen weiteren Effizienzverlust bedeutet. Krebs fuhr fort: "Am Ende bleiben von den ursprünglichen 100 Prozent elektrischer Energie nur noch 30 bis 40 Prozent übrig." ⓘ
Im Jahr 2014 berechnete der Elektroauto- und Energie-Zukunftsforscher Julian Cox die Emissionen, die von realen Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen pro gefahrener EPA-Zyklusmeile (von der Quelle bis zum Rad) erzeugt werden, sowie die Zahlen, die von den Testpersonen stammen, die an der langfristigen NREL FCV-Studie des US DOE teilnehmen. Der Bericht enthält offizielle Daten, die die Behauptungen der Vermarkter widerlegen, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen aufgrund der Emissionsintensität der Wasserstofferzeugung aus Erdgas Vorteile gegenüber dem Antriebsstrang gleichwertiger konventioneller Benzin-Hybridfahrzeuge und sogar gewöhnlicher Kleinwagen mit gleichwertiger Antriebsleistung bieten. Der Bericht zeigt die wirtschaftliche Unvermeidbarkeit der fortgesetzten Verwendung von Methan für die Wasserstoffproduktion auf, da Wasserstoff-Brennstoffzellen aufgrund der Umwandlungsverluste von Elektrizität in und aus Wasserstoff im Vergleich zur direkten Verwendung von Elektrizität in einem gewöhnlichen Elektrofahrzeug die Kosten für erneuerbare Energien in die Höhe treiben. Die Analyse steht im Widerspruch zu den Marketingaussagen der Fahrzeughersteller, die für Wasserstoff-Brennstoffzellen werben. Die Analyse kommt zu dem Schluss, dass die öffentliche Politik in Bezug auf Wasserstoff-Brennstoffzellen durch falsche Gleichsetzungen mit sehr großen, sehr alten oder sehr leistungsstarken Benzinfahrzeugen in die Irre geführt wurde, die die Auswahl an Technologien zur Emissionsreduzierung, die den Verbrauchern neben kostengünstigeren und bereits vorhandenen neueren Fahrzeugen zur Verfügung stehen, nicht korrekt wiedergeben. Cox schrieb 2014, dass die Herstellung von Wasserstoff aus Methan "pro Energieeinheit wesentlich kohlenstoffintensiver ist als Kohle. Die Verwechslung von fossilem Wasserstoff aus der hydraulischen Frakturierung von Schiefergestein mit einem ökologisch nachhaltigen Energiepfad droht eine Energiepolitik zu fördern, die die globalen Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels verwässern und möglicherweise zum Scheitern bringen wird, da die Gefahr besteht, dass Investitionen und der Fokus von Fahrzeugtechnologien abgelenkt werden, die wirtschaftlich mit erneuerbaren Energien vereinbar sind." kommentierte der Business Insider im Jahr 2013:
Reiner Wasserstoff kann industriell hergestellt werden, aber das erfordert Energie. Wenn diese Energie nicht aus erneuerbaren Quellen stammt, dann sind Brennstoffzellenautos nicht so sauber, wie sie scheinen. ... Eine weitere Herausforderung ist die fehlende Infrastruktur. Tankstellen müssen in die Fähigkeit investieren, Wasserstofftanks aufzutanken, bevor FCEVs praktisch werden, und es ist unwahrscheinlich, dass viele das tun werden, solange es so wenige Kunden auf der Straße gibt. ... Zum Mangel an Infrastruktur kommen noch die hohen Kosten der Technologie. Brennstoffzellen sind "immer noch sehr, sehr teuer". ⓘ
Im Jahr 2014 schrieb der ehemalige Beamte des Energieministeriums, Joseph Romm, drei Artikel, in denen er feststellte, dass FCVs die folgenden Probleme noch nicht überwunden hätten: hohe Kosten für die Fahrzeuge, hohe Betankungskosten und eine fehlende Infrastruktur für die Kraftstoffversorgung. Er erklärte: "Es bedürfte mehrerer Wunder, um all diese Probleme in den kommenden Jahrzehnten gleichzeitig zu überwinden". Außerdem seien FCVs nicht grün", weil bei der Erdgasförderung und bei der Herstellung von Wasserstoff, der zu 98 % durch Dampfreformierung gewonnen wird, Methan entweicht. Er kam zu dem Schluss, dass erneuerbare Energien nicht wirtschaftlich genutzt werden können, um Wasserstoff für eine FCV-Flotte herzustellen, "weder jetzt noch in Zukunft". Der Analyst von GreenTech Media kam 2014 zu ähnlichen Schlussfolgerungen. Im Jahr 2015 führte Clean Technica einige der Nachteile von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen auf, ebenso wie Car Throttle. Ein anderer Autor von Clean Technica kam zu dem Schluss, dass "Wasserstoff zwar eine Rolle in der Welt der Energiespeicherung (vor allem der saisonalen Speicherung) spielen kann, aber eine Sackgasse ist, wenn es um Mainstream-Fahrzeuge geht." ⓘ
Eine 2017 in Green Car Reports veröffentlichte Analyse ergab, dass die besten Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge "mehr als dreimal so viel Strom pro Meile verbrauchen wie ein Elektrofahrzeug ... mehr Treibhausgasemissionen erzeugen als andere Antriebstechnologien ... [und haben] sehr hohe Kraftstoffkosten. ... In Anbetracht all der Hindernisse und der Anforderungen an die neue Infrastruktur (die schätzungsweise bis zu 400 Milliarden Dollar kosten wird) scheinen Brennstoffzellenfahrzeuge bestenfalls eine Nischentechnologie mit geringen Auswirkungen auf den Ölverbrauch in den USA zu sein. Im Jahr 2017 listete Michael Barnard in Forbes die anhaltenden Nachteile von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen auf und kam zu dem Schluss, dass "um das Jahr 2008 herum klar war, dass Wasserstoff der Batterietechnologie als Energiespeicher für Fahrzeuge unterlegen war und sein würde. [Bis 2025 dürften die letzten Aussteiger ihre Brennstoffzellen-Träume aufgeben". ⓘ
In einem Video von Real Engineering aus dem Jahr 2019 wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff für Autos nicht zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen im Verkehr beiträgt. Die 95 % des Wasserstoffs, die immer noch aus fossilen Brennstoffen hergestellt werden, setzen Kohlendioxid frei, und die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser ist ein energieaufwändiger Prozess. Die Speicherung von Wasserstoff erfordert mehr Energie, entweder um ihn auf den flüssigen Zustand abzukühlen oder um ihn in Tanks unter hohem Druck zu lagern, und die Lieferung des Wasserstoffs zu den Tankstellen erfordert mehr Energie und setzt möglicherweise mehr Kohlenstoff frei. Der Wasserstoff, der benötigt wird, um ein FCV einen Kilometer weit zu bewegen, kostet etwa achtmal so viel wie der Strom, der benötigt wird, um ein BEV die gleiche Strecke zu bewegen. Ebenfalls im Jahr 2019 erklärte Katsushi Inoue, der Präsident von Honda Europe: "Unser Fokus liegt jetzt auf Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Vielleicht werden Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge kommen, aber das ist eine Technologie für die nächste Ära." Bewertungen seit 2020 kommen zu dem Schluss, dass Wasserstofffahrzeuge immer noch nur zu 38 % effizient sind, während batteriebetriebene Elektrofahrzeuge zwischen 80 und 95 % effizient sind. Eine Bewertung von CleanTechnica aus dem Jahr 2021 kam zu dem Schluss, dass Wasserstoffautos weit weniger effizient sind als Elektroautos, dass die überwiegende Mehrheit des produzierten Wasserstoffs umweltschädlicher grauer Wasserstoff ist und dass die Lieferung von Wasserstoff den Aufbau einer riesigen und teuren neuen Infrastruktur erfordern würde, und dass die verbleibenden zwei "Vorteile von Brennstoffzellenfahrzeugen - größere Reichweite und schnelle Betankungszeiten - durch die Verbesserung der Batterie- und Ladetechnologie schnell aufgezehrt werden." ⓘ
Für Brennstoffzellen-Pkw werden inzwischen Drucktanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (350–800 bar) verwendet, da die hiermit erzielbare Speicherdichte ausreicht, um Reichweiten von mehr als 500 km zu realisieren. Die Dichte von Druckgas kommt bei 700 bar schon etwa zu 56 % an die Dichte von flüssigem Wasserstoff heran. ⓘ
Tiefkalter Flüssigwasserstoff (−253 °C, liquid H2) wird nur noch eingesetzt, wenn größere Mengen benötigt werden, z. B. bei Brennstoffzellenbussen. Für die Kompression auf 700 bar sind etwa 12 % der im Wasserstoff gebundenen Energie aufzuwenden. Dies muss als Umwandlungsverlust in die Energiebilanz eingehen. Bei der Verflüssigung sind 28–46 % aufzuwenden. Die Betankung erfolgt ähnlich der Betankung mit Flüssiggas oder Erdgas. Zusätzliche Verluste entstehen, wenn aus dem Fahrzeug oder dem Lagertank an der Tankstelle nicht regelmäßig Wasserstoff entnommen wird. Trotz hochwertiger Dämmung erwärmt sich der Flüssigwasserstoff und gast über Ablassventile aus. ⓘ
Andere Formen der Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen wie z. B. Metallhydridspeicher oder LOHC werden derzeit (2021) aufgrund von niedrigen volumen- oder massenbezogenen Speicherdichten nicht eingesetzt. ⓘ
Es ist möglich, verschiedene energiehaltige Substanzen als Kraftstoff zu nutzen. Diese müssen für die Nutzung in der Brennstoffzelle zuvor in einem Reformer chemisch in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt werden. Wird hierbei Methanol als Brennstoff genutzt, so wird das Brennstoffzellensystem als Reformed Methanol Fuel Cell (RMFC) bezeichnet. Unmittelbar nutzen Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) den flüssigen Treibstoff Methanol, sie weisen jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad auf. ⓘ
Hauptkritikpunkt bei Brennstoffzellen-PKWs ist der deutlich geringere Gesamtwirkungsgrad und damit ein höherer Energieverbrauch gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen. Außerdem bedeuten Wasserstofftankstellen deutlich höhere Anschaffungskosten im Vergleich zu Ladepunkten bei rein batterieelektrischen Fahrzeugen. Hingegen könnte im Schwerlastverkehr die Kombination von Wasserstoff mit Brennstoffzellen wegen der höheren Energiedichte von Wasserstoff gegenüber Fahrzeugen auf reiner Batteriebasis ein deutlicher Vorteil sein, da Antriebsbatterien bereits einen erheblichen Anteil des Fahrzeuggewichtes ausmachen. ⓘ
In einem Interview erklärte Professor Martin Doppelbauer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), je mehr die Elektromobilität sich zu etablieren beginnt, desto stärker gäbe es eine Kampagne für Wasserstoff. Dabei sei die Wasserstoff-Diskussion ein ziemlich deutsches Phänomen. In ganz Italien gäbe es beispielsweise eine einzige Wasserstofftankstelle (Stand Dezember 2019). In Frankreich seien es fünf, Stand Dezember 2019. In Spanien gäbe es zwei und in Portugal keine. Doppelbauer sieht eine Notwendigkeit der Nutzung im Bereich der Netzstabilisierung. Aber im Massenmarkt Pkw mit Millionen von Fahrzeugen sei Wasserstoff ungeeignet. Auch VW-Chef Herbert Diess sprach sich im Jahr 2019 gegen die Brennstoffzellentechnologie aus. Diese sei nicht so gut für die Umwelt, wie behauptet werde. Das Projekt i Hydrogen Next von Konkurrent BMW bezeichnet er als „Unsinn“. 2021 schrieb er, dass Wasserstoff für „Stahl, Chemie, Luftfahrt“ gebraucht werde und deshalb nicht im Auto eingesetzt werden sollte. Wasserstoff sei „viel zu teuer, ineffizient, langsam und schwierig auszurollen und zu transportieren“. Zudem zeige der Markt ohnehin, dass keine Wasserstoffautos absehbar seien. ⓘ
Energiebereitstellung durch Brennstoffzellen
Emissionen
Während der Elektroantrieb bei reinen Elektroautos außer dem Reifenabrollgeräusch praktisch keine Lärmemissionen aufweist, entstehen beim Brennstoffzellenfahrzeug, vor allem durch Lüfter, die die Luft zuführen, und Zusatzaggregate wie Pumpen, geringe zusätzliche Geräusche. Die Betriebsgeräusche der Brennstoffzellenfahrzeuge liegen dabei deutlich unter denen verbrennungsmotorbetriebener Fahrzeuge. Die direkten Abgas-Fahrzeugemissionen bestehen bei reinem Wasserstoffbetrieb vor allem aus Wasserdampf bzw. Wasser. Somit tragen die Fahrzeuge zur Verbesserung der Luftqualität verkehrsreicher Gebiete bei. ⓘ
Vorgänge in der Wasserstoff-Brennstoffzelle
An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, das heißt, ihm werden Elektronen entzogen. Die Protonen durchdringen die Elektrolytmembran und fließen zur Kathode. Die Elektrolytmembran ist nur für die Protonen durchlässig, das heißt, dass die Elektronen „gezwungen“ sind, den äußeren Stromkreis (mit der Pufferbatterie bzw. dem Elektromotor) zu durchlaufen. Es gibt verschiedene Membransysteme für die Brennstoffzelle mit unterschiedlichem Wirkungsgrad und Arbeitstemperaturbereich. An der Kathode wird der mit dem Luftstrom herangeführte Sauerstoff reduziert, das heißt, Elektronen (die vorher dem Wasserstoff entzogen wurden) werden hinzugefügt. Danach treffen die negativ geladenen Sauerstoffionen auf die Protonen und reagieren zu Wasser. Damit wird der Stromkreislauf geschlossen. Gleichzeitig wird Wärme frei, die im Fahrzeug z. B. im Winter zu Heizzwecken genutzt werden kann, aber im Sommer mittels Lüfter abgeführt werden muss. ⓘ
Erhältliche Brennstoffzellen-Fahrzeuge und Konzeptfahrzeuge
Nutzfahrzeuge
LKW
Durch die Vorgaben aus Brüssel (Verordnung (EU) 2019/1242), sind die Lkw- und Nutzfahrzeughersteller gezwungen sich nach alternativen Antriebskonzepten umzusehen. Deshalb investieren Daimler und Volvo gemeinsam in Brennstoffzellenantriebe. Toyota hat bereits einige Modelle gemeinsam mit Kenworth gebaut und entwickelt in Zusammenarbeit mit Hino Jidōsha einen neuen Lkw. Iveco beabsichtigt zusammen mit Nikola Motor Company in Ulm eine Lkw-Produktion zu etablieren. Hyundai testet bereits entsprechende Lkws u. a. in der Schweiz. ⓘ
Sonstige
- Schon 1959 wurde der Allis-Chalmers-Brennstoffzellentraktor vorgestellt und ein Feldtest gezeigt. Er wurde nach mehreren Präsentationen ins Museum gegeben.
- Bei der HHLA im Hamburger Hafen wurde von 2008 bis 2010 ein Gabelstapler von Still (R 60-25) mit Brennstoffzellenantrieb im Rahmen eines Projektes betrieben.
- CNH Global präsentierte auf der Landwirtschaftsausstellung Sima 2009 in Paris den Traktor „NH²“ auf Basis des New Holland-Modells „T6000“. Der Traktor wurde 2011 auf 120 PS gebracht. ⓘ
Flugzeuge
- 2009: Das erste pilotengesteuerte Flugzeug, welches ausschließlich mit Brennstoffzellenantrieb angetrieben wurde, war der Motorsegler Antares DLR-H2. Der erste öffentliche Flug ging vom Hamburger Flughafen Fuhlsbüttel aus und dauerte zehn Minuten.
- 2016: Der Erstflug des viersitzigen Passagierflugzeuges HY4 fand am 29. September 2016 statt. ⓘ