Wirkungsgrad Brennstoffzellenautos versus Elektroautos mit Lithium-Ionen-Batterie

Wasserstoff-Brennstoffzellenautos im Vergleich zu Elektroautos mit einer Lithium-Ionen-Batterie – welche Technologie ist effizienter?

Wasserstoffautos sind seit Jahren ein polarisierendes Thema. Im Kern handelt es sich bei einem Wasserstoffauto um ein Elektrofahrzeug mit einer kleinen Batterie, die kontinuierlich von einer Wasserstoffbrennstoffzelle aufgeladen wird. Die Brennstoffzelle wandelt dabei die chemische Energie, gebunden in Wasserstoff und Sauerstoff, um in elektrische Energie. Das einzige Nebenprodukt dieses Prozesses ist Wasser. Das macht das Fahrzeug im Wesentlichen zu einem Elektrofahrzeug, das seinen Strom von einer anderen Energiequelle erhält.

Spezifische Energie

Die spezifische Energie von Wasserstoff – oder die Energiemenge, die in einem gegebenen Gewicht enthalten ist – ist viel höher als die von Lithium-Ionen-Batterien. Ein Kilogramm Wasserstoff kann 235 Mal mehr Energie speichern als ein Kilogramm Lithium-Ionen-Batterien.

Erzeugung von Wasserstoff diese Technologien gibt es

Produktionsoption 1 – Dampfreformierung

Die Dampfreformierung ist das zurzeit bedeutendste Großindustrielle Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern und Wasser. Durch Dampfreformierung wird heutzutage die Mehrheit des verwendeten Wasserstoffs erzeugt. Für die Dampfreformierung wird eine beträchtliche Wärmemenge benötigt, um den Wasserstoffs aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern (wie Erdgas) und Wasser zu gewinnen. Bei der Erzeugung von Wasserstoff durch Dampfreformierung fallen als Nebenprodukt neben Wasserdampf auch Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) an.

Selbst wenn das Auto später keine Emissionen erzeugt, sind diese bereits bei der Wasserstoff-Erzeugung entstanden. In ähnlicher Weise nutzen batterieelektrische Fahrzeuge Strom aus dem Stromnetz, das immer noch weitgehend auf Basis fossiler Brennstoffe beruht. Hinzu kommt, durch die Dampfreformierung enthält der entstehende Wasserstoff weniger Energie als der verwendete Basisstoff – das Erdgas.

Batterieelektrische Autos sind deutlich umweltfreundlicher als Wasserstoffautos, die Wasserstoff aus der Dampfreformierung verwenden.

Produktionsoption 2 – Elektrolyse

Bei der Elektrolyse, werden der im Wasser enthaltene Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe von Strom getrennt. Dies kann in großem Maßstab mit erneuerbarem Strom als Input erfolgen. Die Elektrolyse hat das Potenzial, einer Lösung für die emissionsfreie Produktion von Wasserstoff sein. Das Problem ist allerdings, dass die Elektrolyse zu einem höheren Energieverlust führt als im Vergleich zur Dampfreformierung. Die Elektrolyse hat einen Wirkungsgrad von ca. 70%.

Produktionsoption 3 – Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse.

Die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse macht umweltfreundliche Elektrolyseanlagen möglich, dieses Verfahren ist allerdings ziemlich teuer. Sie ermöglicht die Extraktion von Wasserstoff mithilfe einer Protonenaustauschmembran, eine hauchdünne Folie die nur Protonen durchlässt und Wasserstoff und Sauerstoff voneinander trennt Das Verfahren hat derzeit einen Wirkungsgrad von etwa 80% und ist damit wesentlich effizienter als die herkömmliche Elektrolyse. Wissenschaftler, die an der PEM-Elektrolyse arbeiten, glauben, dass dieses Verfahren zukünftig einen Wirkungsgrad von 86% erreichen kann.

Wasserstoff Speicherung

Auf Basis der Erneuerbaren Energien könnte überschüssige Energie in Form von Wasserstoff emissionsfrei gespeichert werden, insbesondere angesichts der relativ niedrigen Kosten für die Speicherung von Wasserstoff und dem geringeren Volumen das zur Speicherung benötigt wird, im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien, wäre dies von Vorteil. Der Markt bewegt sich allerdings nicht in Richtung Wasserstoff – vielmehr sehen wir immer größere Lithium-Ionen-Batterieanlagen, wie z.B. Teslas Flaggschiff-Installation mit einer 129 MWh großen Speicherkapazitäten in Südaustralien. Leider ist Wasserstoff äußerst ineffizient in der Speicherung, er ist schwieriger zu komprimieren als jedes andere Gas mit Ausnahme von Helium.

Flüssigwasserstoffspeicherung

Die Komprimierung von Wasserstoff in eine Flüssigkeit durch Herabkühlung auf -250 ° C führt unter Verwendung heutiger Technologien zu einem Effizienzverlust von 40%. Der Grund hierfür ist, dass für das Herabkühlen eine enorme Menge an Energie aufgebracht werden muss.

Druckwasserstoffspeicherung

Eine weitere Methode der Einlagerung von Wasserstoff ist die Druckwasserstoffspeicherung, hierbei wird der Wasserstoff in Tanks komprimiert. Bei der Kompression auf 700 bar beträgt der Energieaufwand ca. 12 % des Energiegehalts des Wasserstoffs.

Energieerzeugung durch Wasserstoff

Die Stromerzeugung mit der Brennstoffzelle unter Verwendung von reinem Wasserstoff hat aktuell einen Wirkungsgrad von 60%. Das Elektroauto wird an der DC-Haushaltssteckdose mit Wechselstrom geladen, dabei wandelt das On-Board-Ladegerät des Fahrzeugs den Wechselstrom in Gleichstrom um, mit einem Wirkungsgrad von ca. 90%. Zusätzlich verliert eine Batterie an Ladung im Laufe der Zeit was zu einem Gesamtwirkungsgrad von 75% führt, gemessen von der Wand bis schließlich zu den Rädern.

Betrachtet man die beste Brennstoffzellen-Technologie heute im Vergleich zu dem derzeitigen Stand der Batterieelektrischen-Technologie, ist die Effizienz von Brennstoffzellen-Fahrzeugen in etwa die Hälfte eines Batterieelektrischen-Fahrzeuges.

Unter Voraussetzung, dass hierbei die besten Technologien bei der Erzeugung von Elektrizität, Elektrolyse, Kompression, Brennstoffzelle und Bordelektrik im Fahrzeug verwendet werden. Zukünftig gibt es Sicherlich die Möglichkeiten, diesen Prozess weiter zu verbessern, um eine höhere Effizienz und niedrigere Kosten zu erzielen. In ähnlicher Weise entwickeln sich batteriebetriebene Elektrofahrzeuge ständig weiter. Der Wirkungsgrad und die Emissionen können mit der Solarerzeugung vor Ort, besseren Motoren, besseren Batterien, besseren Wechselrichtern und besseren Ladegeräten weiter optimiert werden.

 

 

 

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