e-mobility

H2-Brennstoffzelle oder Batterie?

Was ist besser, batterieelektrisches Fahrzeug oder Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug? - Zunächst muss festgehalten werden, dass beide Fahrzeuge über einen E-Motor angetrieben werden. Beide Antriebskonzepte gehören damit zur e-mobility auch wenn das einige lautstarke Verfechter der batterieelektrischen Fahrzeuge (Battery Electrical Vehicle - BEV) nicht gerne zugeben wollen. Dieser elektrische Antrieb ist im Vergleich zu einem Verbrennermotor erheblich im Vorteil (Tut uns leid, Freunde der Verbrennung, aber das sind nun mal die unumstößlichen Tatsachen). Bei gleichen Leistungen sind Verbrennermotoren schwerer, haben einen unglaublich schlechten Wirkungsgrad, liefern erhebliche Mengen an Schadstoffen, produzieren Mengen ungenutzter Abwärme, erzeugen deutlich mehr Lärm, ihre Lebensdauer ist erheblich geringer, sie sind reparaturanfälliger, haben viele teure Verschleißteile und bestehen aus ungefähr 40mal so vielen Bauteilen und sind damit in der Herstellung teurer. Mit dieser Bilanz hätte der Verbrennermotor bei einer fiktiven gemeinsamen Markteinführung im Vergleich zum gleichzeitig eingeführten E-Motor keine Chance gehabt. Kein Mensch hätte das Ding gekauft. Der einzige Vorteil liegt im energiehaltigen Kraftstoff Benzin oder Diesel.

Der Unterschied beider e-mobility Fahrzeugkonzepte liegt also lediglich in der Art der Bereitstellung der elektrischen Energie für den E-Motor. Das batterieelektrische Fahrzeug speichert seinen Strom in einer häufig sehr großen und sehr schweren Antriebsbatterie, während das Brennstoffzellenfahrzeug ein bis zwei Wasserstoffdruckspeichertanks besitzt und über eine Brennstoffzelle aus dem Wasserstoff zusammen mit dem Luft-Sauerstoff den benötigten elektrischen Strom, und natürlich auch Wasser, erzeugt.

Aber auch im Wasserstoff-Brennstoffzellen Fahrzeug (Fuel Cell Electrical Vehicle - FCEV) benötigt man eine Batterie. Die Brennstoffzelle hat den Nachteil, dass sie nicht in kurzer Zeit viel Energie liefern kann. Für Anfahrvorgänge und starke Beschleunigungen ist sie nicht geeignet. Dafür benötigt man eine kleine Batterie. Diese wird während der Fahrt, wie die bekannte Starterbatterie in unseren Verbrennerfahrzeugen, aufgeladen. Außerdem wird sie durch Rekuperation, also die kinetische Energie, die beim Bremsen frei und in elektrische Energie umgewandelt wird, aufgeladen. Diese Batterie ist allerdings um etwa den Faktor 30 kleiner als die Antriebsbatterie eines batterieelektrischen Fahrzeugs, ist damit deutlich leichter und benötigt auch erheblich weniger kritische Materialien wie Lithium, Kobalt etc. 

Die Vorteile der batterieelektrischen Fahrzeuge liegen vor allem im hervorragenden Wirkungsgrad der Batterie. Es benötigt keine weiteren den Wirkungsgrad reduzierende Umwandlungsprozesse. Der regenerativ erzeugte Strom kann bei gegebener Ladeinfrastruktur ohne relevante Verluste in der Batterie gespeichert und ohne relevante Verluste auch wieder vom E-Motor abgerufen werden. Nachteilig ist dagegen die beschränkte Speichermenge der Batterie insbesondere im Winter (bis zu 50% Reichweitenverlust), das unglaublich hohe Gewicht, der lange Ladevorgang und die Verwendung erheblicher Mengen an kritischen Materialien wie Lithium und Kobalt. Der Vorteil des Brennstoffzellenfahrzeugs liegt dagegen in seiner größeren Energiespeichermenge, der kurzen Tankzeiten (vergleichbar mit Verbrennerfahrzeugen), des temperaturunabhängigen Betriebs und im geringeren Gewicht. Die Nachteile der Brennstoffzellen-Konzepts liegen in der zweimaligen Umwandlung des Stroms – Strom in Wasserstoff per Elektrolyse und Wasserstoff in Strom per Brennstoffzelle. Dies reduziert den Wirkungsgrad erheblich. 

Wasserstoff hat mit die höchste massenbezogene Energiedichte von allen Energieträgern. Das bedeutet, bezogen auf das Gewicht, kann Wasserstoff sehr viel Energie speichern, deutlich mehr als jede Batterie, Diesel oder Benzin.

Bezüglich der Infrastruktur hat zurzeit das batterieelektrische Fahrzeug einen Vorteil, da die Ladeinfrastruktur im Vergleich zur H2-Tankstellenverbreitung in Deutschland deutlich besser ist.
Man kann vielleicht folgende Abschätzung liefern, die einem die Entscheidung für das eine oder andere Konzept etwas erleichtert: Je größer und schwerer das Fahrzeug und je länger die Strecken (in Bezug auf die Nutzlast)sind, desto mehr ist das Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug im Vorteil. Das bedeutet, für LKW, Busse und größere PKW auf längeren Strecken ist das Fuel Cell Fahrzeug das bessere wenn auch momentan teurere Konzept. Je kleiner und leichter das Fahrzeug und je kürzer die Strecken z.B. im reinen Stadtverkehr, desto mehr das batterieelektrische Fahrzeug.

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Und warum nicht Plug-in Hybrid?

Anhänger des Verbrennungsmotors fragen immer wieder nach dieser Antriebsvariante. Als Übergangskonzept vom reinen Verbrenner in die Elektromobilität war der Hybrid eine sinnvolle Alternative. Er hat zu mehr Akzeptanz und ersten lehrreichen Erfahrungen mit der Elektromobilität geführt. Allerdings waren diese Fahrzeuge aufgrund der geringen Reichweite der installierten Batterie selten rein elektrisch unterwegs. Häufig werden Hybridfahrzeuge im reinen Verbrennerbetrieb genutzt. Die schwere Batterie und der E-Motor werden damit als tote Masse mitbewegt und steigern den Verbrauch des Verbrenners erheblich (ca. 2-3 l/100km Mehrverbrauch). Berüchtigt sind die Dienst- und Geschäftswagen mit hybridem Antrieb, die aufgrund der steuerlichen Förderung gekauft oder geleast werden, aber häufig ausschließlich im Verbrennermodus laufen. Der höhere Verbrauch ist diesen Fahrzeughaltern egal, da sie auch die Kraftstoffkosten steuerlich absetzen können. Wenn dagegen häufig der E-Motor im Einsatz ist, hat mit der Zeit wiederrum der Verbrennermotor ein Problem. Dieser kommt selten oder nie auf die für das System wichtige Betriebstemperatur. Die Verbrennung läuft damit nicht optimal und erzeugt einen höheren Verbrauch und höhere Abgaswerte. Die für den Verbrenner benötigte Starterbatterie wird bei den meisten Hybridkonzepten nicht während des E-Motorbetriebs und auch nicht durch die Antriebsbatterie des E-Motors aufgeladen also auch nicht beim Ladevorgang am Kabel. Die Starterbatterie versagt also häufiger als bei reinen Verbrennerfahrzeugen und muss teuer ausgetauscht werden. Der Stromverbrauch beim E-Fahren ist auch höher, da ja der schwere Verbrennermotor und der Kraftstofftank als tote Masse mit bewegt werden müssen. Das Konzept ist also nicht nachhaltig und keine Lösung für unsere Mobilitätsprobleme.

Grundlagen Wasserstoff

Wasserstoff – Unterschied zwischen Verbrennung und Brennstoffzelle

Wasserstoff kann als Brennstoff in Verbrennungsmotoren oder als Speicherquelle zur Stromerzeugung genutzt werden. Wenn Wasserstoff zusammen mit reinem Sauerstoff (O) verbrannt wird, dann entsteht als Endprodukt Wasserdampf (H2O). Wenn aber das Gemisch aus Luft und Wasserstoff besteht, was bei einem üblichen Verbrennungsmotor der Fall ist, dann bilden sich gerade auch auf Grund der höheren Verbrennungstemperaturen des Wasserstoffs verschiedene Stickoxide (NOx). Das liegt an dem hohen Anteil von Stickstoff (N) in der Luft (78%). Stickoxide sind aber wieder für die Entstehung von Feinstaub und Ozon verantwortlich. CO2 entsteht allerdings nicht bei der Verbrennung von Wasserstoff. Es gab immer wieder vereinzelte Versuche, Wasserstoffverbrennungsmotoren zu etablieren. Diese scheiterten häufig an den Schmierungsproblemen und den hohen Verbrennungstemperaturen, die hochtemperaturfeste Materialien z.B. aus der Luftfahrttriebwerkstechnik verlangen, die sehr teuer sind.
Die Brennstoffzelle trägt ihren Namen zu Unrecht, da dort gar kein Wasserstoff „verbrannt“ wird. Es handelt sich lediglich um eine chemische Umwandlung. Dabei wird Wasserstoff und Sauerstoff (aus der Luft) zu Wasser umgewandelt, der dabei entstehende Strom kann dann z.B. für einen Elektroantrieb genutzt werden. Bei der Umwandlung entsteht je nach Brennstoffzellentyp Wärme, die abgeführt werden muss. Diese Abwärme kann aber auch für andere Zwecke genutzt werden, zum Beispiel im Winter für die Heizung in Fahrzeugen oder bei Brennstoffzellenheizungen in Gebäuden zur Wärmeversorgung. Diese Wärme ist auch in erheblicher Vorteil gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen, die gerade im Winter bis zu 50% Reichweite verlieren, und das schon ohne elektrische Innenraumbeheizung.
Neben Wasserstoff gibt es noch andere Medien (z.B. Methanol, Butan, Erdgas), die in einer Brennstoffzelle zu elektrischem Strom umgewandelt werden können. Dafür muss die Brennstoffzelle aber teilweise anders aufgebaut sein.

Quellen:

https://www.adac.de/rund-ums-fahrzeug/elektromobilitaet/info/elektroauto-reichweite-winter/

Grundlagen Wasserstoff

Speicherungs-möglichkeiten von Wasserstoff

Wasserstoff lässt sich auf mehrere Arten speichern. Zum einen ist das die Speicherung in seinem normalen Zustand bei Raumtemperatur als Gas (Pressurised Storage). Da Wasserstoff aber eine sehr niedrige volumenbezogene Energiedichte hat, benötigt man für die Speicherung relevanter Mengen auf kleinem Raum, also in Tanks, eine Verdichtung des Gases. Für diese Verdichtung müssen ungefähr 12% seiner Energie aufgebraucht werden, abhängig vom Druck. In Fahrzeugen werden üblicherweise 350 bar Druckflaschen bei LKW und Bussen eingesetzt, im PKW-Bereich liegen die Drücke bei zurzeit 700 bar. Die heutigen Druckbehälter (aktuell Typ IV) in Fahrzeugen bestehen aus einem dünnen Kunststoff(Polyamid- oder Polyethylen)-Hohlkörper für die Dichtigkeit, welcher mit Kohlefaser umwickelt wird, um die notwendige Festigkeit zu gewährleisten und dabei noch Gewicht einzusparen. 
Deutlich mehr Wasserstoff pro Volumen kann mit Hilfe der Kryotechnik gespeichert werden. Dazu muss das Gas auf mindestens -253 °C heruntergekühlt werden. Dabei wird Wasserstoff flüssig (Liquid Storage). Die dafür benötigte Energie liegt bei ungefähr 20% der Speichermenge. Eine Kombination aus beiden Verfahren führt zu einem Mischzustand aus flüssigem und gasförmigem Wasserstoff. In diesem Zustand bei „lediglich“ -233°C aber noch höheren Drücken kann man den meisten Wasserstoff pro Volumen speichern (Cryo Compressed Storage). Das Problem der Kryotechnik ist die Wärmeisolierung der Tanks. Durch Kälteverluste an der Oberfläche der Tanks kann es auch bei noch so guter Isolierung zur Aufwärmung der Tanks kommen. Somit wandeln sich die wärmeren Bereiche des flüssigen Wasserstoffs am Innenrand des Behälters wieder in gasförmigen Wasserstoff um. Dieser braucht aber in diesem gasförmigen Zustand deutlich mehr Volumen. Da der in seinen Abmessungen für den flüssigen Wasserstoff dimensionierte Behälter nicht mehr Platz bieten kann, muss dieser gasförmige Anteil des Wasserstoffs über ein Sicherheitsventil aus dem Behälter kontrolliert entlassen werden. Diese boil-off-Rate führt natürlich zu Verlusten. Das war auch der Grund, warum man mit Flüssigwasserstoffbehältern nicht in Tiefgaragen parken durfte.
Weitere Möglichkeiten Wasserstoff zu speichern wären die Bindung in Feststoffen, wie z.B. Metallhydriden, die Bindung an Feststoffen, wie z.B. Metall-organische Sorbents (MOFs) oder die Bindung in Flüssigkeiten (LOHCs). Diese Möglichkeiten sind jedoch noch in der Entwicklung. Das Fraunhofer Institut IFAM hat eine Magnesiumpaste entwickelt, die Wasserstoff speichert. Weitere Untersuchungen stehen noch aus.
Die zurzeit in Fahrzeugen verwendete Speichertechnologie ist die reine Verdichtung des Wasserstoffgases bei üblichen Umgebungstemperaturen. Diese Behälter sind zu 100% dicht.

Quellen:
https://www.fz-juelich.de/de/llec/forschung/wasserstoff/wasserstoffspeicherung-lohc
https://www.zess.fraunhofer.de/de/schwerpunkte/zess_wasserstofftechnologien.html 

Grundlagen Wasserstoff

Wie funktioniert ein H2-Elektrolyseur?

Gerade der viel diskutierte grüne Wasserstoff, also der nachhaltigste Wasserstoff, wird über Elektrolyse aus regenerativem Strom gewonnen. Genauso wie bei der Brennstoffzelle gibt es mehrere Arten von Elektrolyseuren. Die Elektrolyse ist, stark vereinfachend erklärt, die Umkehrung der Brennstoffzelle. Dabei wird Gleichstrom an einer Kathode und Anode angelegt und das im Elektrolyseur befindliche Wasser wird in gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff getrennt.

e-mobility

Wie funktioniert ein E-Fahrzeug mit H2-Brennstoffzelle?

Das Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug (engl. Fuel Cell Eletrical Vehicle – FCEV) ist ein E-Fahrzeug, das seinen Strom für den E-Motor kontinuierlich über eine Brennstoffzelle erzeugt, die mit einem Wasserstofftank verbunden ist. Der Wasserstoff wird in an Tankstellen getankt und bei PKW mit zurzeit 700 bar gasförmig in einem Sicherheitstank gespeichert. Vor der Brennstoffzelle wird der Druck des Wasserstoffgases reduziert, strömt von der einen Seite in die durch eine Elektrolyt-Membran geteilte Brennstoffzelle (davon gibt es mehrere nebeneinander, um die Stromerzeugung zu erhöhen) und auf der anderen Seite der Membran strömt sauerstoffhaltige Luft, die über einen Kompressor vorverdichtet wird, hinein. In der Brennstoffzelle geben die Wasserstoffmoleküle auf der einen Seite der Membran Elektronen (negative Teilchen) an die Anode ab und die verbleibenden Protonen (positiven Teilchen) wandern durch die Membran auf die andere Seite der sauerstoffhaltigen Luft. Dort reagieren die Wasserstoffprotonen mit den Sauerstoffatomen der Luft und es entsteht als „Abfallprodukt“ reines Wasser. Die vom Wasserstoff an die Anode abgegebenen Elektronen fließen zur Kathode auf der anderen Seite. Der dabei entstehende Stromfluss kann unterwegs für den E-Motor genutzt werden.

Grundlagen Wasserstoff

H2-Brennstoffzelle benötigt viel Platin?

Wasserstoff-Brennstoffzellen benötigen in ihrem Katalysator den seltenen und teuren Rohstoff Platin. Das ist allerdings mehr oder weniger auch der einzige kritische Rohstoff, den diese Technologie benötigt. Mit zunehmender Weiterentwicklung ließ sich die benötigte Platinmenge in den letzten Jahren um 90% reduzieren. Damit liegt man zurzeit beim gleichen Platinverbrauch, den wir schon seit langem in unseren Abgaskatalysatoren bei Benzinmotoren haben.

Quellen:

https://www.auto-motor-und-sport.de/tech-zukunft/alternative-antriebe/wasserstoffauto-brennstoffzelle-co2-neutral-batterie-lithium/

Grundlagen Wasserstoff

Wasserstoff – Probleme mit der Dichtigkeit und Material-versprödung?

Wasserstoffdiffusion – Durch seine geringe Molekülgröße diffundiert Wasserstoff durch eine Vielzahl von Materialien. Diese Eigenschaft wird noch durch hohe Temperaturen und Drücke verstärkt. Aus diesem Grund werden die Wasserstoffbehälter innen mit Kunststoff beschichtet. Dies verhindert eine Wasserstoffleckage vollständig, die Behälter sind also zu 100% dicht.
Wasserstoffversprödung – Viele Metalllegierungen in der Technik reagieren mit einer Versprödung des Materials bei Kontakt mit Wasserstoff. Dieses Phänomen ist aus anderen Technikbereichen, bei denen Wasserstoff oder Wasserstoffverbindungen auftreten, hinlänglich bekannt. Unter Versprödung versteht man die Veränderung des Materialverhaltens von vormals elastisch in ein rein sprödes Verhaltens. Damit lassen sich Bewegungen des Materials durch temperaturbedingte Dehnungen oder Schwingungen nicht mehr innerhalb des Materials ausgleichen. Das Material neigt zu Rissbildungen. Die Versprödungsneigung kann verringert werden durch eine richtige Auswahl der Materiallegierung. Eine Erhöhung des Nickelanteils und eine Verringerung des Kohlenstoffanteils helfen hierbei. Innenverkleidungen von Behältern und Rohrleitungen aus Kunststoffen helfen ebenfalls.

Grundlagen Wasserstoff

Wasserstoffversorgung über alte Erdgasleitungen?

Eine neueste Studie der TU Berlin und der Universität Aarhus in Dänemark zeigt, dass zwischen 64 und 69% der europäischen Gasleitungen für eine einfache Umrüstung zu reinen Wasserstoffnetzen geeignet sind. In Falkensee sollen sogar bis zu 90% der Gasleitung H2-ready sein.

Quellen:

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.06.016

Grundlagen erneuerbare Energien

Gewerbesteuerzerlegung – ein Plus für die erneuerbaren Energien

Wenn jemand ein Gewerbe betreibt, etwas produziert und einen Gewinn erwirtschaftet, dann wird meist Gewerbesteuer fällig. Die Gewerbesteuer ist eine Gemeindesteuer. Sie wird erhoben für Aufwendungen einer Gemeinde für das Vorhandensein von Gewerbeanlagen, zum Beispiel für Infrastruktur. Nun kommt es häufig vor, dass eine Firma an mehreren Orten tätig ist. So können die Verwaltung und der Firmensitz an einem Ort sein, der oder die Produktionsstandorte aber anderswo. Dann muss die Gewerbesteuer „zerlegt“, d. h. aufgeteilt werden. Alle Gemeinden, in denen die Firma präsent ist, bekommen einen Anteil an der Gewerbesteuer – in unterschiedlicher Höhe. Normalerweise richtet sich die Aufteilung zu 30 Prozent nach den Arbeitslöhnen und zu 70 Prozent nach den Buchwerten des Sachanlagevermögens am jeweiligen Standort. Das ist so, wenn eine Firma Autozubehörteile, Handwaschbürsten oder sonst etwas produziert. Es gibt Ausnahmen davon, zu denen ist seit 2021 eine neue hinzugekommen: für erneuerbare Energien. 
Windenergie- oder Photovoltaikanlagen erzeugen Strom. Dabei ist es häufig so, dass der Windpark oder die Photovoltaikanlagen irgendwo „auf dem flachen Land“ stehen, die Verwaltung und der Firmensitz aber in einer großen Stadt. Das hat dazu geführt, dass die Standortgemeinden der Wind- oder Solarparks nichts oder nur wenig von der Gewerbesteuer abbekamen, denn in der Regel sind an diesen Standorten keine Mitarbeiter stationiert, deren Löhne einzurechnen wären. Außerdem werden die Anlagen abgeschrieben, d.h. ihre Buchwerte sinken über die Zeit kontinuierlich.
So hatten gerade ländliche Gemeinden oft wenig Interesse an der Ansiedlung von Solar- oder Windparks. Seit dem Jahr 2021 wird die Gewerbesteuer bei Windkraft- und Solaranlagen nun zu 10 Prozent nach den Arbeitslöhnen und zu 90 Prozent nach der installierten Leistung der Anlagen verteilt. Das bewirkt, dass die Gemeinden, in denen die Wind- oder Solaranlagen stehen, mehr von der Gewerbesteuer bekommen, die Gemeinden, in denen der Firmensitz und die Verwaltung sind weniger.
Darin ist ein wichtiger Baustein für die Akzeptanz von erneuerbaren Energien zu sehen, denn die Gemeinden können mit dem Geld Projekte umsetzen, die sie sonst nicht leisten könnten – den neuen Kindergarten bauen, die Ortsmitte verschönern, mehr Personal für das Bürgeramt einstellen…

Da die Firmen ihre Steuererklärungen für 2021 vielleicht gerade erst eingereicht haben, macht sich die neue Regelung erst jetzt für die Kassen der Kommunen bemerkbar, wird aber in Zukunft ihre Wirkung entfalten. Das ist wichtig für den Ausbau erneuerbarer Energien – und damit auch für den Aufbau einer „grünen“ Wasserstoffwirtschaft.

Eine gute Darstellung dazu findet man unter https://www.leka-mv.de/gewerbesteuer/. „LEKA-MV“ ist die Landesenergie- und Klimaschutz-Agentur Mecklenburg-Vorpommern, die Informationen zu diesem Punkt gelten aber bundesweit. Es gibt dort auch eine kleine Broschüre zum Download unter: https://www.leka-mv.de/wp-content/uploads/2022/03/LEKA_Gewerbesteuerzerlegung.pdf .