Noch kann man kein Wasserstoffauto kaufen. Wenn Sie jedoch in Kalifornien leben, können Sie eines leasen. Es trinkt kein Benzin. Es verschmutzt die Luft nicht. Der Auspuff ist nur Dampf. Der mysteriöse Treibstoff ist Wasserstoff. Dies ist das einfachste und am häufigsten vorkommende Element im Universum. Einige Experten gehen davon aus, dass wir alle in 20 bis 30 Jahren diese sparsamen Fahrzeuge fahren werden.
Die Idee ist nicht neu. Die Technologie zur Nutzung von Wasserstoff zur Stromerzeugung reicht bis in die erste Hälfte des 19. Jahrhunderts zurück. Das ist älter als das Auto selbst. Neu ist, ein wasserstoffbetriebenes Auto auf der Straße zu sehen. Aus dem Auspuffrohr kommt Dampf statt übelriechender Gase. Heute gibt es mehrere Wasserstoffautos. Bei den meisten handelt es sich um Konzeptautos. Zu diesen umweltfreundlichen Fahrmaschinen gehört der Chevrolet Equinox. Der BMW 745h ist ein weiteres Beispiel. Der Honda FCX ist derzeit in Kalifornien zum Leasing verfügbar.
Was ein Wasserstoffauto möglich macht, ist eine Brennstoffzelle. Es wandelt Wasserstoff in Strom um. Die einzigen Nebenprodukte sind Wärme und Wasser. Da Wasserstoff umweltfreundlich ist, scheint er der ideale Kraftstoff für das 21. Jahrhundert zu sein. Viele Leute in der Regierung und der Autoindustrie sind von seinem Potenzial begeistert. Wasserstoffautos haben das Potenzial, kraftstoffeffizient zu sein. Sie wecken die Hoffnung auf umweltfreundliches und umweltfreundliches Fahren.
„Wenn Sie nicht gerade in ganz bestimmten Teilen des Landes leben und Ihre Taschen mit Bargeld gefüllt sind, sollten Sie nicht damit rechnen, dass in den nächsten zehn Jahren ein Wasserstoffauto in Ihrer Einfahrt steht.“
Es gibt noch viele Probleme, die überwunden werden müssen. Bevor Wasserstoff zum Kraftstoff der Wahl wird, müssen Fragen beantwortet werden. Es muss einen großen Unterschied in unserer derzeitigen Nutzung fossiler Brennstoffe bewirken. Woher bekommen wir zum Beispiel den Wasserstoff? Wie teuer wird die Anschaffung dieser sparsamen Autos sein? Finden Sie eine Wasserstofftankstelle, an der Sie Ihren Tank auffüllen können? Und was vielleicht am wichtigsten ist: Ist Wasserstoff als Kraftstoff wirklich so umweltfreundlich, wie es scheint?
Wir werden uns auf den folgenden Seiten mit diesen Fragen befassen. Aber wir können Ihnen jetzt eine schnelle Antwort geben. Sofern Sie nicht gerade in ganz bestimmten Teilen des Landes leben und über reichlich Bargeld verfügen, sollten Sie nicht damit rechnen, dass in den nächsten zehn Jahren ein Wasserstoffauto in Ihrer Einfahrt steht.
Wasserstoff-Brennstoffzellen
Sir William Robert Grove hat nicht nur ein Gerät erfunden. Er hat die Physik umgekehrt. Im Jahr 1839 nutzte der walisische Wissenschaftler die Elektrolyse – den Prozess der Nutzung von Elektrizität zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff – und wandelte sie um. Er erzeugte Strom und Wasser aus Wasserstoff. Er nannte es eine Gasvoltaikbatterie. Wir nennen es eine Wasserstoff-Brennstoffzelle.
Jahrzehnte später verfeinerte Francis Bacon die Technologie. Diese Erfindung ist das Herzstück des modernen Wasserstofffahrzeugs.
Von Raumkapseln zu Stadtstraßen
General Electric baute Anfang der 1960er Jahre das erste praktische System. Es trieb orbitale Raumkapseln an. In den 1990er Jahren wurden Stadtbusse mit Brennstoffzellen betrieben. Die Machbarkeit war keine Vermutung. Es wurde bewiesen.
Stellen Sie sich eine Brennstoffzelle als eine Batterie mit einem Ego-Problem vor. Eine Batterie speichert den Treibstoff im Inneren. Eine Brennstoffzelle muss nachgefüllt werden. Sein Treibstoff ist Wasserstoff. Es ist das einfachste Element. Ein Elektron. Ein Proton.
Die Zelle erzeugt Strom, indem sie Protonen Elektronen entzieht. Diese Elektronen fließen als reiner Strom. Die ionisierten Wasserstoffatome treffen auf Sauerstoff. Sie bilden Wasser. Wärme ist das andere Nebenprodukt. Dieses Wasser tritt normalerweise als Dampf aus.
Keine Abgasemissionen. Du fährst, du atmest Dampf aus.
Die Mechanik von PEM
Autos verwenden einen bestimmten Zelltyp. Die Polymeraustauschmembran-Brennstoffzelle. Es ist leicht. Es ist klein.
Es verfügt über zwei Elektroden. Eine negativ geladene Anode. Eine positiv geladene Kathode. Ein Katalysator. Und eine Membran.
Wasserstoff tritt als H2-Moleküle ein. Zwei aneinander gefesselte Wasserstoffatome. Der Katalysator an der Anode löst die Bindung. Es entstehen Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen. Die Ionen passieren die Membran. Die Elektronen können das nicht. Sie müssen herumgehen.
Dieser Umweg ist die Macht. Sie nutzen diesen Fluss, um Ihre Arbeit zu erledigen.
An der Kathode tritt Sauerstoff ein. Dort vereinigen sich Protonen und Elektronen wieder. Sie verbinden sich mit Sauerstoff. Wasser bildet sich. Das meiste davon wird zu Abgasen.
Die Zellen sind flach. Dünn. Sie stapeln sich. Mehr Zellen im Stapel bedeuten eine höhere Spannung. Einfache Mathematik.
Die Freedom Fuel Initiative
Viele gingen davon aus, dass kraftstoffeffiziente Fahrzeuge wie wasserstoffbetriebene Autos die Antwort auf den Energiebedarf des 21. Jahrhunderts seien. Im Jahr 2003 hat Präsident George W. Bush diesen Glauben zum Ausdruck gebracht. Er kündigte eine Freedom Fuel Initiative im Wert von 1,2 Milliarden US-Dollar an.
Das Ziel? Unterstützen Sie die Entwicklung von Brennstoffzellen.
Es gibt zwei Hauptvorteile gegenüber fossilen Brennstoffen. Erstens ist das Öl nicht erschöpft. Wir bewahren vorhandene Vorräte. Wir reduzieren die Abhängigkeit von ausländischem Öl.
Zweitens sinkt die Schadstoffbelastung auf Null. Die einzigen Nebenprodukte sind Wärme und Wasser. Kohlenstoffemissionen von Autos stehen im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung. Brennstoffzellen tragen nicht zu diesem Haufen bei.
Auf der nächsten Seite schauen wir uns die Produktion an. Wie diese Autos gebaut werden. Und noch wichtiger: Woher kommt der Wasserstoff?
Die Herstellung eines Wasserstoffautos ist kein Hexenwerk. Es unterscheidet sich kaum vom Bau eines Standardfahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Der Antriebsstrang und die elektrische Architektur sind natürlich betroffen. Ein Brennstoffzellenstapel erzeugt Strom, anstatt Gas zu verbrennen. Das bedeutet, dass der Antriebsstrang mehr DNA mit einem batterieelektrischen Fahrzeug teilt als mit einer herkömmlichen Limousine.
Der eigentliche Engpass sind nicht die Fließbänder. Es ist der Treibstoff selbst.
Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Es macht etwa 90 Prozent aller Atome aus. Man könnte meinen, es wäre trivial, es zu extrahieren. Denken Sie noch einmal darüber nach. Es ist auch das leichteste Element, das es gibt. Jeglicher freier Wasserstoff auf der Erdoberfläche bleibt nicht bestehen. Es schwebt in den Weltraum. Was auf dem Planeten übrig bleibt, ist verschlossen. Am häufigsten in Wassermolekülen (H2O). Wasser bedeckt die Oberfläche dieses Planeten. Vieles davon.
Wie spalten wir diese H2O-Moleküle? Oder suchen wir woanders nach einer Quelle?
Die Elektrolysemethode
Der einfachste Weg geht über 150 Jahre auf Sir William Grove zurück. Elektrolyse. Leitet man elektrischen Strom durch Wasser, zerfallen die H2O-Moleküle. Der Prozess spiegelt eine Brennstoffzelle in umgekehrter Reihenfolge wider. Es verwendet eine Anode und eine Kathode, die typischerweise aus inerten Metallen bestehen.
Wenn die Strömung auf das Wasser trifft:
– Wasserstoff sammelt sich an der Kathode.
– An der Anode sammelt sich Sauerstoff.
Es ist langsam. Aber es skaliert. Sie können dies auf industrieller Ebene tun. Es ist sauber, wenn der Strom sauber ist.
Die Abkürzung für Erdgas
Es gibt einen anderen Weg. Erdgas. Es ist voller Kohlenwasserstoffe. Durch die Dampfreformierung wird dem Gas Wasserstoff entzogen und der Kohlenstoff zurückgelassen. Dies ist derzeit die vorherrschende Methode zur großtechnischen Wasserstoffproduktion. Es wird wahrscheinlich die erste Methode sein, mit der die erste Welle von Brennstoffzellenfahrzeugen angetrieben wird.
Hier ist der Haken. Die Dampfreformierung basiert auf fossilen Brennstoffen. Wenn das Ziel darin besteht, die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu stoppen, ist die Verwendung von Erdgas zur Herstellung von Wasserstoff ironisch. Es ist wohl die schlechteste mögliche Quelle für einen „grünen“ Kraftstoff.
Garagengroße Anlagen und wasserbetriebene Autos
Manche Experten träumen von Miniatur-Wasserstoffanlagen. Die in Ihre Garage passen. Sie müssten keine Tankstelle aufsuchen. Sie würden einfach zu Hause tanken.
Das äußerste Ende dieser Idee besteht darin, die Elektrolyse im Auto selbst durchzuführen. Ein Auto, das mit Wasser fährt. Es klingt wie Science-Fiction. Aber es braucht Kraft. Irgendwo muss der Strom für die Elektrolyse herkommen. Eine Batterie. Ein wasserbetriebenes Auto müsste also immer noch regelmäßig aufgeladen werden. Es ist kein Perpetuum Mobile. Es geht lediglich darum, die Energiequelle von einer Tankstellenpumpe zu einer Steckdose zu verlegen.
Der Weg in die Zukunft
Sind diese umweltfreundlichen Fahrmaschinen die Zukunft? Viele hoffen es. Doch der Weg zu einer wasserstoffbetriebenen Welt ist mit potenziellen Hindernissen gespickt. Produktionskosten. Infrastrukturlücken. Effizienzverluste.
Als nächstes werden wir uns diese Rückschläge ansehen.
Rückschläge bei Wasserstoffautos
Den Hype hört man immer noch. Wasserstoff-Brennstoffzellen werden oft als der heilige Gral des sauberen Transportwesens bezeichnet. Es klingt sauber. Es klingt effizient. Es klingt nach Zukunft. Aber die Realität ist chaotischer. Es wird noch Jahrzehnte dauern, bis diese Fahrzeuge die Straßen dominieren. Die Hürden sind nicht nur technischer Natur. Sie sind wirtschaftlich, logistisch und, ehrlich gesagt, etwas peinlich für die Befürworter der Technologie.
Wir können die Rückschläge in drei Bereiche aufteilen. Das erste ist Geld. Vieles davon. Das zweite ist die Physik der Speicherung eines Gases, das sich weigert, an Ort und Stelle zu bleiben. Und das dritte ist die unbequeme Wahrheit darüber, woher dieser Wasserstoff tatsächlich kommt.
Der Infrastruktur-Albtraum und der Preis
Reden wir über Dollar. Wenn Sie heute ein Wasserstofffahrzeug kaufen würden, hätten Sie keinen Platz, wo Sie Kraftstoff hineintanken könnten.
Tankstelleninfrastruktur ist praktisch nicht vorhanden. Kalifornien ist die Ausnahme. Gouverneur Arnold Schwarzenegger hat sich damals stark dafür eingesetzt, daher finden Sie dort Stationen. Anderswo? Versuchen Sie, einen Spender zu finden. Es ist wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen.
Der Aufbau dieses Netzwerks ist nicht billig. Pessimistische Schätzungen beziffern die Kosten einer landesweiten Infrastruktur auf 500 Milliarden US-Dollar. Und das ist kein Wochenendprojekt. Es könnte vier Jahrzehnte dauern, bis es gelingt.
Dann ist da noch das Auto selbst.
Brennstoffzellen nutzen Platin als Katalysator. Platin ist teuer. Sehr teuer. Ein einzelnes Fahrzeug kostet mehr als 100.000 US-Dollar. Einige Schätzungen gehen sogar noch höher. Deshalb kaufen Sie sie nicht. Sie leasen sie. Und nur in ausgewählten Märkten. Der Durchschnittskäufer kann sich das nicht leisten.
Forscher sind auf der Suche nach günstigeren Katalysatoren. Wir wissen, dass sie in Laboren existieren. Niemand weiß, wann sie die Massenproduktion erreichen werden. Bis dahin bleibt der Preis ein Hindernis.
Das Problem der Speicherphysik
Wasserstoff ist ein Gas. Es dehnt sich aus. Es möchte jeden verfügbaren Kubikzentimeter füllen. Es in einen Tank für ein Auto zu komprimieren, ist ein technisches Problem.
Aber es gibt ein thermisches Problem, das die meisten Menschen übersehen. Wenn Wasserstoff in einem Tank eines geparkten Autos sitzt, erwärmt er sich. Das Gas dehnt sich aus. Der Druck baut sich auf. Der Tank muss überschüssigen Wasserstoff ablassen, um ein Platzen zu verhindern.
Das Auto ein paar Tage stehen lassen? Möglicherweise ist der Tank leer. Der gesamte Treibstoff entwich, weil die physikalische Wärmeausdehnung ihn zum Entweichen zwang. Das ist nicht nur ineffizient. Es stellt ein Sicherheitsrisiko dar.
Wasserstoff ist leicht entzündlich. Erinnern Sie sich an die Hindenburg-Katastrophe in den 1930er Jahren? Bei dieser Explosion handelte es sich wahrscheinlich um einen Wasserstoffbrand. Es ist eine berechtigte Angst.
Es gibt jedoch einen Silberstreif am Horizont. Wasserstoffbrände brennen kühler als Benzinbrände. Es ist weniger wahrscheinlich, dass sie Sekundärexplosionen auslösen. Und weil Wasserstoff leichter als Luft ist, steigt er auf. Wenn es entweicht, schwimmt es schnell davon. Es sammelt sich nicht wie Benzin am Boden. Das Risiko einer bodennahen Explosion ist also geringer. Doch die Gefahr eines Lecks bleibt eine ständige technische Herausforderung.
Das Umweltverschmutzungsparadoxon
Hier ist der Clou. Ist Wasserstoff wirklich umweltfreundlich?
Das Endrohr sagt ja. Die einzigen Emissionen einer Brennstoffzelle sind Wärme und Wasser. Sauber. Rein. Schön.
Aber schauen Sie sich die Quelle an. Der Wasserstoff muss irgendwo hergestellt werden.
Der meiste Wasserstoff stammt aus Erdgas. Bei diesem Prozess, der Dampf-Methan-Reformierung genannt wird, wird Kohlendioxid freigesetzt. Wir nutzen einen fossilen Brennstoff, um einen „sauberen“ Kraftstoff herzustellen. Es macht den Zweck zunichte.
Dann gibt es Elektrolyse. Spaltung von Wassermolekülen mittels Elektrizität. Wenn dieser Strom aus einem Kohlekraftwerk stammt, verlagert man lediglich die Umweltverschmutzung vom Auto auf das Stromnetz. Sie beseitigen es nicht. Du verschiebst es einfach.
Die Lebenszyklusemissionen sind wichtig. Wenn die Energie zur Herstellung des Kraftstoffs schmutzig ist, ist der Kraftstoff schmutzig.
Die Hybrid-Alternative
Optimisten sagen, wir werden diese Probleme lösen. Sie sagen, die Infrastruktur wird kommen. Die Kosten werden sinken. Der Speicher stabilisiert sich.
Aber die Zeitspanne ist lang. Jahrzehnte, nicht Jahre.
In der Zwischenzeit haben wir bessere Möglichkeiten für sofortige Effizienz. Hybrid-Elektrofahrzeuge sind jetzt da. Sie funktionieren. Sie sind erschwinglich. Sie können sie noch heute kaufen.
Der Toyota Prius. Der Ford Fusion Hybrid. Diese Autos erfordern keine neue Infrastruktur. Sie sind nicht auf seltene Metalle wie Platin zu unerschwinglichen Preisen angewiesen. Sie geben aufgrund der Wärmeausdehnung keinen Kraftstoff in die Atmosphäre ab.
Hybride sind vorerst die pragmatische Wahl. Wasserstoff könnte noch in ferner Zukunft das Ziel sein. Doch der Weg dorthin ist durch Physik, Politik und reine Ökonomie versperrt.
Wir warten weiterhin auf die Wasserstoffdämmerung. Es könnte kommen. Doch zuerst geht die Sonne woanders auf.
