Wie Wasserstoffautos funktionieren

Besucher schauen sich den Honda FCX Clarity auf der Auto China 2008 in Peking am 20. April 2008 an. AP Photo / Oded Balilty

Das Auto der Zukunft ist heute hier. Natürlich können Sie noch keinen kaufen. Aber wenn Sie in Kalifornien leben, können Sie einen mieten. Es wird kein Benzin verwendet und die Luft wird nicht verschmutzt. Tatsächlich erzeugt es Dampf anstelle von Abgas. Also, was ist der mysteriöse Treibstoff? Wasserstoff - das einfachste und am häufigsten vorkommende Element im Universum. Und einige Leute denken, dass wir in 20 bis 30 Jahren alle diese wasserstoffbetriebenen, kraftstoffsparenden Fahrzeuge fahren werden.

Obwohl wasserstoffbetriebene Autos eine Science-Fiction-Qualität haben, ist die Idee nicht wirklich neu. Tatsächlich gibt es die Technologie zur Nutzung von Wasserstoff zur Stromerzeugung seit der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts - das ist länger als bei Autos. Neu ist, dass Sie möglicherweise tatsächlich ein wasserstoffbetriebenes Auto auf der Straße sehen, bei dem anstelle von übelriechenden Gasen Dampf aus dem Auspuff austritt. Derzeit gibt es mehrere Wasserstoffautos, von denen die meisten jedoch Konzeptautos sind. Zu diesen umweltfreundlichen Fahrmaschinen gehören der Chevrolet Equinox, der BMW 745h und der Honda FCX, der derzeit in Kalifornien gemietet werden kann.

Was ein Wasserstoffauto ermöglicht, ist ein Gerät namens a Brennstoffzelle, das Wasserstoff in Elektrizität umwandelt und nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte abgibt. Wasserstoff scheint, da er umweltfreundlich ist, der ideale Kraftstoff für das 21. Jahrhundert zu sein. Viele Leute in der Regierung und in der Autoindustrie sind begeistert von ihrem Potenzial. Wasserstoffautos haben das Potenzial, sparsam zu sein und bieten die Hoffnung auf umweltfreundliches, umweltfreundliches Fahren. Es gibt jedoch noch viele Probleme, die überwunden werden müssen, und Fragen, die beantwortet werden müssen, bevor Wasserstoff zum Brennstoff der Wahl wird, damit genügend Menschen bei der derzeitigen Verwendung fossiler Brennstoffe einen großen Unterschied machen können. Woher bekommen wir zum Beispiel den Wasserstoff? Wie teuer wird der Kauf dieser sparsamen Autos sein? Finden Sie eine Wasserstofftankstelle, an der Sie Ihren Tank auffüllen können? Und vielleicht am wichtigsten ist, dass Wasserstoff als Kraftstoff wirklich so umweltfreundlich ist, wie es scheint?

Wir werden uns diese Fragen auf den folgenden Seiten ansehen, aber wir können Ihnen jetzt eine kurze Antwort geben: Wenn Sie nicht zufällig in ganz bestimmten Teilen des Landes leben und Taschen mit Bargeld ausgekleidet haben, erwarten Sie kein Wasserstoffauto in Ihrer Einfahrt innerhalb des nächsten Jahrzehnts.

Inhalt

1. Wasserstoff-Brennstoffzellen
2. Wasserstoffautoproduktion
3. Wasserstoff-Auto-Rückschläge

Ein mit Wasserstoffbrennstoffzellen betriebener Bus verlässt das Connecticut Convention Center in Hartford, Connecticut, für eine Demonstrationsfahrt. AP Foto / Bob Kind

1839 übernahm der walisische Wissenschaftler Sir William Robert Grove den bekannten elektrochemischen Prozess der Elektrolyse, bei dem aus Wasser Wasserstoff aus Wasser erzeugt wird, und kehrte ihn um, indem er aus Wasserstoff Strom und Wasser erzeugte. Er nannte seine Erfindung eine Gas-Voltaik-Batterie, aber heute kennen wir sie als Wasserstoff-Brennstoffzelle. Viel später, Mitte des 20. Jahrhunderts, wurde die Technologie vom Erfinder Francis Bacon weiterentwickelt. Die Technologie, die diese beiden Erfinder entwickelt haben, ist für den Betrieb eines Wasserstoffautos von wesentlicher Bedeutung.

Das erste praktische Brennstoffzellensystem wurde in den frühen 1960er Jahren von General Electric für den Einsatz in Orbitalraumkapseln entwickelt. Und dann, in den 1990er Jahren, tauchten Brennstoffzellen in Stadtbussen auf. Wir wissen also, dass es möglich ist, Fahrzeuge mit Brennstoffzellen anzutreiben. Sie können sich eine Brennstoffzelle als eine Art Batterie vorstellen, mit der Ausnahme, dass eine Brennstoffzelle nachgefüllt werden muss, während eine Batterie ihren Brennstoff in sich behält. Der Brennstoff für eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist, wie der Name schon sagt, Wasserstoff. Wie Sie sich vielleicht aus dem Chemieunterricht der High School erinnern, ist Wasserstoff das einfachste aller Elemente. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem einzelnen Elektron und einem einzelnen Proton. Die Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität, indem sie die Elektronen von den Protonen entfernt und die Elektronen verwendet, um einen reinen Strom von Elektrizität zu erzeugen. Die ionisierten Wasserstoffatome verbinden sich dann mit Sauerstoff zu Wasser. Das andere Nebenprodukt dieses Prozesses ist Wärme, daher nimmt dieses Wasser im Allgemeinen die Form von Dampf an. Wie ist das für umweltfreundliches Fahren?

Der in Autos verwendete Brennstoffzellentyp ist die Brennstoffzelle aus Polymeraustauschmembran (oder PEM). PEM-Brennstoffzellen haben den Vorteil, dass sie leicht und klein sind. Sie bestehen aus zwei Elektroden (einer negativ geladenen Anode und einer positiv geladenen Kathode), einem Katalysator und einer Membran. Wasserstoff wird an der Anode in Form von H2-Molekülen in die Brennstoffzelle gedrückt, von denen jedes zwei Wasserstoffatome enthält. Ein Katalysator an der Anode zerlegt die Moleküle in Wasserstoffionen (die Protonen) und einen Stromfluss (die Elektronen). Die Ionen passieren die Membran, aber die Elektrizität muss herumlaufen. Währenddessen kann es für die Arbeit genutzt werden. So wie Wasserstoff an der Anode in die Brennstoffzelle gedrückt wird, wird Sauerstoff an der Kathode eingedrückt. Die Protonen und Elektronen vereinigen sich an der Kathode wieder und verbinden sich mit dem Sauerstoff zu Wasser, von dem die meisten zum Abgas der Brennstoffzelle werden. Brennstoffzellen sind flach und dünn, hauptsächlich damit sie gestapelt werden können. Je mehr Brennstoffzellen sich im Stapel befinden, desto höher ist die Spannung des Stroms, den der Stapel erzeugt.

Viele Menschen glauben, dass kraftstoffsparende Fahrzeuge wie wasserstoffbetriebene Autos entscheidend für den Energiebedarf des 21. Jahrhunderts sein werden. Im Jahr 2003 kündigte Präsident George W. Bush eine Freedom Fuel Initiative in Höhe von 1,2 Milliarden US-Dollar an, um die Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie zu unterstützen. Brennstoffzellen haben gegenüber fossilen Brennstoffen zwei wesentliche Vorteile. Erstens erschöpfen sie nicht die begrenzte Ölversorgung der Welt, was uns hilft, die vorhandenen Vorräte zu erhalten, und sie könnten auch unsere Abhängigkeit von ausländischem Öl verringern. Zweitens ist das einzige Nebenprodukt beim Betrieb einer Brennstoffzelle Wärme und Wasser, was bedeutet, dass Brennstoffzellen keine Umweltverschmutzung verursachen. Dies ist in einer Zeit von entscheidender Bedeutung, in der angenommen wird, dass die Kohlenstoffemissionen von Autos die globale Erwärmung fördern.

Auf der nächsten Seite sehen wir uns an, wie Wasserstoffautos und Brennstoffzellen hergestellt werden. Und was vielleicht noch wichtiger ist, wir werden uns ansehen, woher der Wasserstoff selbst kommt.

Auf der Erde steht viel Wasserstoff in Form von Wasser zur Verfügung. Es kann sich jedoch als ziemlich schwierig erweisen, es zu trennen, zu sammeln und zu lagern. AP Foto / NASA

Wie bauen Hersteller tatsächlich kraftstoffsparende Fahrzeuge wie Brennstoffzellenautos? Nun, die Produktion von Wasserstoffautos unterscheidet sich nicht wesentlich von der Produktion typischer Autos. Natürlich werden zum Beispiel der Antriebsstrang und die elektrischen Systeme etwas Einzigartiges sein, weil eine Brennstoffzelle Elektrizität erzeugt. Daher haben ein wasserstoffbetriebenes Auto und ein Elektroauto in dieser Hinsicht viel gemeinsam. Eine vielleicht wichtigere Frage ist, wie der Wasserstoff selbst erzeugt wird. Angesichts der Tatsache, dass Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element im Universum ist und ungefähr 90 Prozent der existierenden Atome ausmacht, würde man denken, dass dies kein Problem wäre. Nun, denk nochmal nach. Wasserstoff ist auch das leichteste Element im Universum und jeder nicht enthaltene Wasserstoff auf der Erdoberfläche wird sofort in den Weltraum abfließen. Was Wasserstoff auf diesem Planeten verbleibt, ist mit anderen Elementen in molekularer Form verbunden, am häufigsten in Wassermolekülen (H2O). Und es gibt zufällig viel H2O auf der Erdoberfläche.

Aber wie trennen wir die Wasserstoffmoleküle im Wasser von den Sauerstoffmolekülen? Und wenn wir kein Wasser als Wasserstoffquelle verwenden, wo sonst können wir Wasserstoff bekommen?

Der einfachste Weg, Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen, ist der, den Sir William Grove vor mehr als 150 Jahren kannte: die Elektrolyse. Wenn Sie elektrischen Strom durch Wasser leiten, werden die H2O-Moleküle abgebaut. Ähnlich wie beim Brennstoffzellenbetrieb werden bei diesem Verfahren eine Anode und eine Kathode verwendet, die üblicherweise aus inerten Metallen bestehen. Wenn ein elektrischer Strom an das Wasser angelegt wird, bildet sich Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode. Obwohl dieser Prozess langsam ist, kann er in großem Maßstab durchgeführt werden.

Eine alternative Quelle für Wasserstoff ist Erdgas, das aus natürlich vorkommenden Kohlenwasserstoffen besteht. Ein als Dampfreformierung bezeichneter Prozess kann verwendet werden, um den Wasserstoff im Gas vom Kohlenstoff zu trennen. Gegenwärtig ist dies das gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff im industriellen Maßstab und wahrscheinlich das erste Verfahren zur Herstellung des Wasserstoffs für Brennstoffzellenfahrzeuge. Leider werden bei diesem Prozess fossile Brennstoffe - das Erdgas - verwendet. Wenn also beim Bau von Autos, die mit Wasserstoff betrieben werden, die Erschöpfung der fossilen Brennstoffreserven vermieden werden soll, wäre Erdgas die schlechteste mögliche Quelle für diesen Brennstoff.

Einige Experten haben vorgeschlagen, dass es möglich sein könnte, Miniatur-Wasserstoffanlagen zu bauen, die in die Garage einer durchschnittlichen Person passen, so dass es nicht einmal notwendig ist, zur örtlichen Tankstelle zu fahren, um den Wasserstofftank des Autos aufzufüllen. Die extremste Form dieser Idee war der Vorschlag, dass die Elektrolyse im Auto selbst durchgeführt werden könnte, was die erstaunliche Idee eines Autos ermöglichen würde, das auf Wasser fährt! Die Energie für die Elektrolyse muss jedoch von einer Batterie stammen, sodass ein wasserbetriebenes Auto regelmäßig aufgeladen werden muss.

Sind umweltfreundliche Fahrmaschinen wie Fahrzeuge mit Brennstoffzellen wirklich die Autos der Zukunft? Viele Menschen hoffen es, aber es gibt mehrere potenzielle Hindernisse auf dem Weg in eine Welt, in der sich Menschen in Autos fortbewegen, die mit Wasserstoff betrieben werden. Wir werden uns diese auf der nächsten Seite ansehen.

Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge von Daimler, Volkswagen und BMW fahren auf einer New Yorker Autobahn. Die Autos waren Teil einer 31-Städte-Hydrogen Road Tour, zu der auch wasserstoffbetriebene Fahrzeuge von GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan und Toyota gehören. AP Foto / Richard Drew

Viele Menschen glauben, dass Wasserstoffbrennstoffzellen die wichtigste alternative Brennstofftechnologie sind, die derzeit entwickelt wird. Es ist jedoch nicht ohne Probleme, und es kann Jahrzehnte dauern, bis die Brennstoffzellentechnologie weit verbreitet ist. Wir können die Probleme mit Wasserstoff grob in drei Kategorien einteilen: die Kosten für die Entwicklung der Technologie, Schwierigkeiten und Gefahren bei der Speicherung von Wasserstoff und die Möglichkeit, dass diese "umweltfreundliche Technologie" doch nicht so umweltfreundlich ist. Hier sind einige der Rückschläge von Wasserstoffautos, mit denen wir in naher Zukunft rechnen müssen.

Die Kosten für die Entwicklung der Wasserstofftechnologie sind hoch. Wir müssen nicht nur die Brennstoffzellen und die Autos entwerfen und entwickeln, sondern auch eine Infrastruktur entwickeln, um diese kraftstoffsparenden Fahrzeuge zu unterstützen. Stellen Sie sich vor, Sie besäßen derzeit ein Wasserstoffauto. Wohin würdest du gehen, um deinen Tank zu füllen? Angenommen, Sie haben keine Wasserstoffproduktionsanlage in Ihrer Garage, benötigen Sie eine Wasserstofftankstelle, und der einzige Ort, an dem derzeit eine signifikante Anzahl solcher Stationen existiert, ist der Bundesstaat Kalifornien, in dem Gouverneur Arnold Schwarzenegger tätig ist engagiert sich für eine Wasserstoffzukunft. Einige der pessimistischeren Schätzungen haben die Kosten für den Bau einer Infrastruktur veranschlagt, die es einer beträchtlichen Anzahl von Wasserstoffautos ermöglicht, bis zu 500 Milliarden US-Dollar zu erreichen - und die Zeit für die Herstellung der Infrastruktur bis zu vier Jahrzehnten!

Auch die Kosten für die Autos sind hoch. Mit Platin als am weitesten verbreitetem Katalysator in den Brennstoffzellen liegt der Preis für ein einzelnes Brennstoffzellenfahrzeug derzeit bei über 100.000 USD und möglicherweise sogar erheblich höher, weshalb die einzigen Wasserstoffautos, die Ihnen derzeit zur Verfügung stehen, zur Vermietung angeboten werden , nicht zu verkaufen. Nur wenige Menschen sind in der Lage, sich ein so teures Auto zu leisten. Es werden andere Katalysatoren entwickelt, die wahrscheinlich billiger als Platin sind, aber niemand weiß, wann sie für den großtechnischen Einsatz verfügbar sein werden.

Das Speicherproblem ist auch ein heikles. Wasserstoff ist ein Gas und breitet sich gerne aus. Wenn Sie es in ein Auto stecken, müssen Sie es auf eine angemessene Größe drücken, und das ist nicht einfach. Außerdem wird Wasserstoff warm, während er im Tank eines geparkten Autos sitzt, wodurch sich das Gas ausdehnt. Dies bedeutet, dass die Tanks den Wasserstoff regelmäßig aus dem Auto ablassen müssen. Lassen Sie ein Wasserstoffauto länger als ein paar Tage stehen und der gesamte Kraftstoff ist weg. Wasserstoff ist auch leicht entflammbar - die spektakuläre Explosion der lenkbaren Hindenburg in den 1930er Jahren wird von einigen als Ergebnis eines Wasserstoffbrandes angesehen. Wenn der Wasserstoff aus dem Tank austritt, kann er gefährlich sein . Glücklicherweise sind Wasserstoffbrände nicht so heiß wie Benzinbrände und es ist weniger wahrscheinlich, dass sie Sekundärbrände auslösen. Und weil Wasserstoff steigt, schwimmt der meiste entweichende Wasserstoff weg, bevor er tatsächlich Schaden anrichten kann.

Und ist Wasserstoff wirklich umweltfreundlich? Eine Brennstoffzelle erzeugt nur Wärme und Wasser als Abgas, aber die Prozesse zur Erzeugung des Wasserstoffs sind nicht unbedingt so sauber. Die Elektrolyse verbraucht Strom und dieser Strom wird häufig aus Anlagen stammen, die Kohle verbrennen, eine stark verschmutzende Quelle. Und wenn Wasserstoff aus Erdgas gewonnen wird, entstehen Kohlenstoffemissionen. Genau das versuchen wir zu vermeiden, indem wir zunächst Wasserstoff verwenden.

Viele Leute denken, dass wir diese Hindernisse irgendwann überwinden werden, aber es wird schwierig. Andere glauben, dass unsere beste Wahl für Kraftstoffeffizienz und umweltfreundliches Fahren in naher Zukunft nicht in Wasserstoff liegt, sondern in Hybrid-Elektrofahrzeugen wie dem Toyota Prius, dem Ford Fusion Hybrid und anderen ähnlichen Hybridautos. Dennoch ist es möglich, dass Sie in den nächsten Jahrzehnten möglicherweise ein Wasserstoff-Brennstoffzellenauto besitzen.

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Quellen

• Barras, Colin. "Platinfreie Brennstoffzelle verspricht billigen Ökostrom." Neuer Wissenschaftler. 15. Dezember 2008. (21. April 2009) http://www.newscientist.com/article/dn16275-platinumfree-fuel-cell-promises-cheap- green-power.html
• Berger, Michael. "Die Nanotechnologie könnte das schmutzige kleine Geheimnis des Wasserstoffautos aufräumen." Nanowerk. 19. Juli 2007. (21. April 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
• ScienceDaily. "Wasserstoffautos? Prototyp eines Wasserstoffspeichertanks behält eine verlängerte thermische Ausdauer bei." 10. Juni 2008. (21. April 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
• ScienceDaily. "Mit Wasserstoff betriebene Autos sind nicht der beste Weg, um Umweltverschmutzung, Treibhausgase und Ölabhängigkeit zu verringern." 18. Juli 2003. (21. April 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
• Squatriglia, Chuck. "Wasserstoffautos sind da. Jetzt brauchen wir nur noch eine Tankinfrastruktur." Verdrahtet. 12. März 2008. (21. April 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
• Squatriglia, Chuck. "Wir fahren das Chevrolet Equinox Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug." Verdrahtet. 11. März 2008. (21. April 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
• Wrigglesworth, Phil. "Das Auto der ewigen Zukunft." Der Ökonom. 4. September 2008. (21. April 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229