AUTO PRAXISTEST UND GEBRAUCHTEhttps://aiomag.de/warum-ist-wasserstoff ... fluss-3684Wasserstoff: Herstellung, Nutzung, Vorteile und Nachteilevon Dirk Kunde – 14. Februar 2020
Hohe Reichweite, schnelles Auftanken und keine Emissionen bei der Herstellung von Wasserstoff: An sich spricht alles für die Brennstoffzelle. Woran hakt es?
Warum ist Wasserstoff noch nicht richtig im Fluss?
Der Anfang von allem: Aus Wasser wird bei der Spaltung Sauerstoff und gasförmiger Wasserstoff. Foto: CC0: Unsplash/Samuel Scrimshaw
Das erfahren Sie gleich:
Was Wasserstoff ist und wie es bisher gewonnen wird
Wie Forscher es mithilfe von Sonnenlicht oder Meerwasser herstellen
Warum sich Wasserstoff noch nicht durchgesetzt hat
Wie große Unternehmensallianzen der Brennstoffzelle zum Durchbruch verhelfen wollen
Warum nicht nur die Automobilindustrie von der Brennstoffzelle profitieren könnte
Auf den ersten Blick erinnert der hohe Turm in der Mitte an einen Wachturm. Aber wir sind hier nicht etwa auf einem Militärgelände, sondern in einer Forschungsanlage für Wasserstoff. Und rings um das hohe Metallgerüst stehen auch keine Baracken, sondern Spiegel. Sie alle sind auf dieses eine Gerüst ausgerichtet – und zwar genau auf einen bestimmten Punkt daran. Wie in einem Brennglas bündeln sie die Sonnenstrahlen auf diesen Punkt.
Audi h‑tron
Aus diesem Auspuff kommt nur Wasser
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audi.de/DAT-Hinweis
Willkommen im Hydrosol Plant Almeria im Süden Spaniens. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) betreibt die Anlage zusammen mit griechischen, niederländischen und spanischen Partnern. Seit Ende November 2017 wird hier Wasserstoff erzeugt – und zwar direkt mit Hilfe der von den Spiegeln gebündelten Sonnenenergie.
Bei 1400 Grad Celsius im Reaktor werden Sauerstoffmoleküle freigesetzt. Im zweiten Schritt passiert zwischen 800 und 1000 Grad die eigentliche Wasserspaltung. Aus H2O wird Sauerstoff (O) und gasförmiger Wasserstoff (H2). Dieser Wasserstoff könnte zum Beispiel dafür genutzt werden, Fahrzeuge mit Brennstoffzelle anzutreiben.
Sonnenlicht erzeugt Wasserstoff
Voll im Fokus: Im Hydrosol Plant Almeria bündeln Spiegel die Sonnenenergie und erzeugen eine Hitze von 1400 Grad Celsius. Foto: DLR
Spiegel bündeln das Sonnenlicht
Auf diesen Punkt konzentriert sich alles: Die Spiegel werfen das Sonnenlicht auf einen Turm. Foto: DLR/Ernsting
Sonnenlicht erzeugt Wasserstoff
Spiegel bündeln das Sonnenlicht
Was sind die Vorteile und Nachteile von Wasserstoff?
Die Vorteile von Wasserstoff
Neben Umweltaspekten spricht auch der Zeitaufwand beim Tanken für die Brennstoffzelle. Anders als bei batterieelektrischen Fahrzeugen dauert das Befüllen des Tanks nur wenige Minuten. Die Behälter sind auf Reichweiten bis zu 500 Kilometer ausgelegt. Viele der Bedenken, die Autobesitzer bei der Elektromobilität haben, könnte die Brennstoffzelle ausräumen.
Es stimmt einfach alles, doch bislang ist das Angebot an Brennstoffzellenautos gering, die Auswahl beschränkt sich auf lediglich drei Modelle in Deutschland. Somit spricht die Zulassungsstatistik des Kraftfahrtbundesamt eine eindeutige Sprache: Zum Jahresbeginn 2017 waren etwas mehr als 300 Wasserstoff-Autos mit Brennstoffzellen-Antrieb in Deutschland zugelassen. Bei Elektroautos sind es 34.000 Zulassungen.
Auch der Umweltbonus, den die Bundesregierung für den Neuerwerb eines E-Fahrzeugs vergibt, lässt Rückschlüsse auf die Akzeptanz von Autos mit Brennstoffzelle zu: Zum 31. August 2018 gab es über den gesamten Förderungszeitraum hinweg bislang nur 18 Anträge für Brennstoffzellenfahrzeuge.
Die Nachteile von Wasserstoff
Die aktuelle Generation der Brennstoffzelle nutzt Platin in der Katalysatorenschicht. Das Edelmetall regt die chemische Reaktion an. Platin ist teuer, darum forscht man an Alternativen. Hinzu kommt der Energieaufwand bei der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse.
Während von 100 Kilowattstunden Strom rund 70 Prozent in einem batterieelektrischen Auto genutzt werden können, sind es im Brennstoffzellen-Auto, je nach Untersuchung, lediglich 20 bis 25 Prozent. Der gasförmige Wasserstoff wird für den Transport entweder unter Druck gesetzt (200 bis 700 bar) oder verflüssigt. Flüssiger Wasserstoff hat 99,9 Prozent weniger Volumen als das Gas.
Entscheidender Nachteil: Flüssig wird Wasserstoff erst bei minus 253 Grad Celsius. Die Tiefkühlung benötigt viel Energie, deutlich mehr als die Kompression. Solang es keine Pipelines zu den Tankstellen gibt, erfolgt der Transport von den Produktionsstätten mit klassischen Diesel-Lkw.
Windräder auf Feld
Hier fängt sauberer Strom an: Windenergie muss nicht sofort direkt verwendet werden, sondern lässt sich auch zur Wasserstoffproduktion nutzen. Foto: CC0: Unsplash/ Daria Nepriakhina
Den Nachteil in der Energiebilanz könnten Wasserstoff-Hersteller durch den Einsatz von Strom aus regenerativen Quellen ausgleichen. Statt überschüssigen Wind- und Sonnenstrom ans Ausland abzugeben, könnte damit Wasserstoff produziert werden. Das Gas lässt sich in Tanks als auch im Erdgasnetz für die spätere Nutzung speichern. Die Technik ist als Power-to-Gas bekannt.
Noch zu schwache Infrastruktur
Ein weiteres Problem, das die Wasserstoff-Lobby noch zu lösen hat: die noch sehr überschaubare Ladeinfrastruktur von Wasserstofftankstellen in Deutschland. Wie sich der Übersichtskarte von H2 Mobility entnehmen lässt, gibt es derzeit lediglich knapp 60 Wasserstofftankstellen in ganz Deutschland. Weitere 34 sind demnach zwar in Planung, aber eben noch nicht in Betrieb. Vor allem im Osten ist die Abdeckung, abgesehen von Berlin, de facto nicht vorhanden.
Für ganz Europa liegt die Anzahl bei aktuell 98 Ladestationen, allerdings sind darin auch die 60 H2-Tankstellen in Deutschland enthalten. Wer mit seinem Wasserstoffauto in den Urlaub fahren will, sollte sich also vorher sehr genau überlegen, wohin – und ob es dort und auf dem Weg dorthin überhaupt die Möglichkeit gibt zu tanken.
Zu wenige Wasserstoff-Autos
Nicht nur reine Elektroautos kämpfen aktuell noch mit einer aus Verbrauchersicht zu geringen Auswahl an verschiedenen Modellen. Im Bereich der Wasserstoffautos wird die Auswahl noch übersichtlicher: Lediglich drei Modelle stehen derzeit in Deutschland zur Verfügung.
Wie wird Wasserstoff hergestellt?
Wasserstoff-Erzeugung mit Elektrolyse
Wasserstoff (chemisches Symbol H) ist praktisch überall und unbegrenzt verfügbar: Kein anderes Element kommt im Universum häufiger vor – auf der Erde allerdings nur in gebundener Form. Ein Beispiel dafür ist Wasser, das aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht.
In großtechnischen Anlagen wird bislang die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt: Elektrischer Strom spaltet Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. In der Brennstoffzelle im Auto läuft diese atomare Reaktion rückwärts ab. Wasserstoff kommt mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft in Verbindung.
Jetzt wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Elektrizität umgewandelt, die den Elektromotor antreibt. Eine Lithium-Ionen-Batterie speichert Bremsenergie (Rekuperation) und unterstützt damit den Motor in Beschleunigungsphasen. Aus dem Auspuff von Brennstoffzellen-Autos entweicht lediglich Wasser in Form von Wasserdampf.
Gerade im Verkehrssektor können Wasserstoffantriebe erheblich zum Klimaschutz beitragen.
Prof. Karsten Lemmer, DLR-Vorstand für Energie und Verkehr
Mit der Anlage in Spanien wollen die Forscher beweisen, dass Wasserstoff die Energiequelle der Zukunft ist, unter anderem für den Betrieb von Elektroautos – aber beispielsweise auch für Züge mit Wasserstoff-Brennstoffzelle.
Aber: Die Technologie befindet sich noch in der Entwicklung, pro Woche entstehen im Testbetrieb bisher erst rund drei Kilogramm Wasserstoff – das reicht nicht mal für eine komplette Tankfüllung eines modernen Autos mit Brennstoffzelle, wie zum Beispiel den in Serie produzierten Toyota Mirai. Bis zu einer industriellen Produktion mit Sonnenlicht in großen Mengen dürften noch zehn Jahre vergehen.
Wasserstoff-Herstellung mit Ökostrom in Deutschland
Eine Herstellung von Wasserstoff in großen Mengen ist auf deutschem Boden nicht nur denkbar, sondern soll schon bald beginnen. Der Stromnetzanbieter Amprion und der Gasleitungsbetreiber Open Grid Europe (OGE) starten dafür eine Kooperation – wie das Handelsblatt berichtet. Gemeinsam wollen sie eine Anlage im System Power-to-Gas bauen. Dabei entsteht durch Elektrolyse Wasserstoff.
Die Herstellung soll weitestgehend klimaneutral erfolgen – durch die Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen. Als Standort haben sich die Unternehmen das Emsland ausgesucht. Genauer soll die Anlage nahe der Stadt Lingen stehen. Aktuell befinden sich Amprion und OGE noch in Gesprächen mit Stadt und Land. Geplant ist eine elektrische Leistung von 100 Megawatt (MW). Das Wasserstoff-Werk soll ein erster Schritt hin zur Gigawatt-Herstellung im Jahr 2030 sein.
Noch steht dem Vorhaben allerdings die Bundesregierung im Weg. Amperion und OGE wollen eine Infrastruktur aufbauen, die alle Marktteilnehmer nutzen können. Die Bundesnetzagentur und das Bundeswirtschaftsministerium glauben jedoch nicht, dass eine Wasserstoff-Anlage zum Aufgabenbereich der Unternehmen gehört und halten sich deshalb mit einer Freigabe zurück.
Das Meer als Wasserstoff-Quelle
Eine schier unerschöpfliche Quelle für Wasserstoff fanden jetzt Forscher der Uni Stanford: Sie erschufen die wertvolle Ressource aus Meerwasser. Im Labor funktioniert der Prozess theoretisch – problematisch ist bisher jedoch die Korrosion der Wasserfilter durch das salzige Wasser. Mit demineralisiertem Wasser würde das Problem nicht auftreten – das muss jedoch zuvor mechanisch gefiltert werden.
Die Lösung könnten eine schützende Nickel-Eisenhydroxid- und Nickelsulfat-Schicht im Filter gemeinsam mit einem Nickel-Schaum-Kern sein, die das System vor den Mineralien im Wasser schützen. Tests zeigten, dass sich die Haltbarkeit so von zwölf Stunden auf über 1000 Stunden erhöhen ließ. Ob und wie Wasser aus dem Meer künftig bei der Produktion von Wasserstoff zum Einsatz kommt, ist bisher unklar. Klar ist jedoch, dass ein solches System ein enormer Sprung für erneuerbare Energien darstellen würde.
Klärschlamm zur Herstellung von Wasserstoff
Der Ortsteil Adlershof in Berlin könnte einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von Wasserstoff als Treibstoff leisten. Im Technologiepark vor Ort sitzt das Unternehmen Graforce. Das hat sich auf die Erzeugung von Wasserstoff spezialisiert. Das Ziel der Firma ist es, den Energieträger ressourcenschonend und mit hohem Wirkungsgrad herzustellen.
Als Grundstoff dient dafür Klärschlamm. Den presst Graforce zusammen und lässt das austretende Wasser durch ein hochfrequentes Plasmafeld aus Wind- sowie Sonnenenergie laufen. Dort trennen sich Wasser und Stickstoffverbindungen und sortieren sich neu. Am Ende kommt dabei gereinigtes Wasser und Wasserstoff heraus.
Aus dem Faulturm kommt Schlamm. Der wird zusammengepresst, und im Presswasser ist sehr viel Ammonium drin. Das ist für uns eine chemische Energie, die wir nehmen, um noch mehr Wasserstoff zu produzieren.
Dr. Jens Hanke, Gründer von Graforce, gegenüber rbb
Der Wasserstoff ließe sich etwa zum Betanken von Elektroautos nutzen, doch Graforce vermischt ihn lieber mit Biogas und lässt somit E-Gas entstehen. Das versorgt Erdgasfahrzeuge und die Industrie mit einem grüneren Brennstoff.
Speicherung von Wasserstoff in Aktivkohle
Was aktuell noch kein großes Problem sein mag, kann sich schnell zu einem entwickeln: Die Speicherung von Wasserstoff. Die Lagerung in Druckbehältern geht immer mit einem gewissen Risiko einher. Bei einer Flüssiggasspeicherung ist hingegen der Energieaufwand sehr hoch.
Forscherinnen der Universität Hohenheim in Stuttgart kamen auf die Idee, für die Lagerung von Wasserstoff Aktivkohle aus Bambus zu nutzen. Die Speicherung erfolgt darin in Gasform. Statt 300 bar Druck, wie in einer Gasflasche üblich, braucht es dafür nur rund ein bar. Das macht Aktivkohle weniger gefährlich.
Ein weiterer Vorteil: 20 Gramm Aktivkohle speichern satte 60 Gramm Wasserstoff – also das dreifache ihres Eigengewichts. Damit das funktioniert, sind allerdings Umgebungstemperaturen von mindestens minus 196 Grad notwendig. Genau dieser Punkt ist aktuell noch das große Problem.
Bereit für den großflächigen Einsatz als Wasserstoff-Speicher ist die Aktivkohle aber ohnehin noch nicht. Noch immer steckt die Universität Hohenheim mitten in der Forschung. In Zukunft sollen weitere Materialien als Basis für die Erzeugung von Aktivkohle dienen. Vielleicht gelingt den Wissenschaftlerinnen damit der Durchbruch für eine optimierte Lagerung von Wasserstoff.
Wie funktioniert Wasserstoff im Auto?
Bei Toyota in Japan ist man sich bereits seit längerer Zeit einig, dass den mit Wasserstoff betriebenen Autos die Zukunft gehört. Lange Zeit wehrte sich der Konzern deshalb gegen batterielektrische Fahrzeuge. Viel ändert sich daran auch mit der zunehmenden Elektrifizierung anderer Marken wohl nicht. Toyota will sich weiterhin auf Wasserstoffautos konzentrieren. Das sagte Konzernsprecher Hisashi Nakai kürzlich der "Welt am Sonntag".
Gleichzeitig merkte er jedoch auch an, dass im Sinne des Geschäfts und des Klimaschutzes beide Technologien wichtig seien. Ähnlich denkt wohl auch Audi. Die Ingolstädter planen zusätzlich zur mit dem e-tron startenden Reihe an Elektroautos auch ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle. Das sagte der Vorstandsvorsitzende Brian Schot. Audi wolle 2021 mit einem durch Wasserstoff betriebenen Auto fertig sein. "Am Ende des Tages reichen die Batterien nicht aus, wenn man den ganzen Weg gehen will, braucht man die Brennstoffzelle", so Schot.
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@DLR_de
Emissionsfrei und leise, außerdem schneller als das Auto unterwegs - Eine @helmholtz_de-geförderte DLR-Ausgründung erforscht die #Brennstoffzelle fürs #Lastenrad: Das Fuel Cell Power Pack 🚲🔋
https://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.a ... lery/31292 …
Relaunch - Erklärung
dlr.de
rp.
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@ToyotaMotorCorp
Japan H2 Mobility LLC (JHyM), new company established by 11 companies to accelerate deployment of hydrogen stations across Japan. We will keep striving toward a future #hydrogen society.
http://toyota.eng.mg/4673e Zu dem Artikel - Bilder und Video https://aiomag.de/warum-ist-wasserstoff ... fluss-3684 
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