Wie viel Energie für 1 kg Wasserstoff?
Wie viel Energie für 1 kg Wasserstoff?

Wie viel Energie für 1 kg Wasserstoff?

Weniger fahren mit Wasserstoff-Brennstoffzellen

Obwohl Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge (FCEVs) seit den 1960er Jahren auf dem Markt sind, haben sie sich kürzlich als potenzielle Lösung zur Dekarbonisierung des Schwerverkehrs herausgestellt. Nikola Motors gab bekannt, dass es 1 Milliarde US-Dollar an Finanzmitteln für seine Wasserstofffahrzeugtechnologie aufgebracht und einige bedeutende neue Partner hinzugefügt hat, darunter CNHI und Bosch.

Anfang dieses Jahres startete das Unternehmen außerdem einen gewagten Plan für 700 Tankstellen im ganzen Land und sicherte sich eine Partnerschaft mit 800 Fahrzeugen mit Anheuser-Busch, um zur Dekarbonisierung seiner Frachtflotte beizutragen. Was macht FCEVs zu einer guten Wahl für die Dekarbonisierung des Schwerverkehrs? Lassen Sie uns die Ähnlichkeiten, Vorteile und Herausforderungen von FCEVs im Vergleich zu herkömmlichen Lkw mit Verbrennungsmotor untersuchen.

Es ist das Gleiche, nur besser

Einer der Vorteile von FCEVs besteht darin, dass Wasserstoff eine Betankungsinfrastruktur nutzt, die der von konventionellen Lkw ähnelt. Dies bedeutet, dass FCEVs an bestehenden Autohöfen im ganzen Land betankt werden könnten, und das Betankungserlebnis wäre ähnlich.

Ein Auto kann in weniger als 15 Minuten mit Wasserstoff betankt werden, und das Betanken eines FCEV ist identisch mit dem Betanken eines Diesel-Lkw; Wasserstoffgas wird mit einer Zapfsäule in den Fahrzeugtank gepumpt, und die Düse ähnelt einer herkömmlichen Dieselpumpe.

Ein weiterer Vorteil ist die Energiedichte von Wasserstoff. Diesel hat eine Energiedichte von 45,5 Megajoule pro Kilogramm (MJ/kg), etwas weniger als Benzin, das eine Energiedichte von 45,8 MJ/kg hat. Dagegen hat Wasserstoff eine Energiedichte von etwa 120 MJ/kg, fast dreimal so viel wie Diesel oder Benzin. In elektrischer Hinsicht entspricht die Energiedichte von Wasserstoff 33,6 kWh nutzbarer Energie pro kg, gegenüber Diesel, der nur etwa 12–14 kWh pro kg enthält.

Das bedeutet wirklich, dass 1 kg Wasserstoff, der in einer Brennstoffzelle zum Antrieb eines Elektromotors verwendet wird, ungefähr die gleiche Energie enthält wie eine Gallone Diesel. In Anbetracht dessen behauptet Nikola, dass seine Fahrzeuge zwischen 12 und 15 mpg-Äquivalent erreichen können, weit über dem nationalen Durchschnitt für einen Diesel-Lkw, der bei etwa 6,4 mpg liegt.

Elektroantriebe sind zudem effizienter als Verbrennungsmotoren. Bei einem Verbrennungsmotor werden etwa 50 % der erzeugten Energie in Wärme umgewandelt; Elektroantriebe verlieren jedoch nur 10 % ihrer Leistung durch Wärme. Dieser Wirkungsgradunterschied zeigt, wie viel Verbraucher bei weniger effizienten Verbrennungsmotoren verlieren.

Der Preis ist ein weiteres attraktives Merkmal von Wasserstoff. Die Dieselpreise bewegen sich derzeit in der Nähe von 3,00 $ pro Gallone, und angesichts der jüngsten Einschränkung der saudi-arabischen Ölproduktion ist es vernünftig, weitere Preiserhöhungen für Diesel zu erwarten.

Aber an der Wasserstofffront deutet eine aktuelle Analyse von Bloomberg New Energy Finance darauf hin, dass der Produktionspreis für Wasserstoff pro Kilo in etwa einem Jahrzehnt nur noch 1,40 US-Dollar pro Kilogramm betragen könnte.

Beim Schwertransport kommt es auf das Gewicht an. FCEVs bieten das gleiche hohe Drehmoment wie batterieelektrische Fahrzeuge, jedoch bei geringerem Gewicht. Ein Beispiel ist der geschätzte Gewichtsunterschied zwischen dem batterieelektrischen Lion 8 und der Wasserstoff-Brennstoffzelle Nikola One; Der Lion 8 verfügt über einen 480-kWh-Akku mit einer Reichweite von 250 Meilen, was etwa 2–5 Tonnen entspricht.

Ein Nikola One mit einer Reichweite von etwa 500 bis 750 Meilen hat schätzungsweise einen 250-kWh-Akku, der wahrscheinlich etwa 2,5 bis 3 Tonnen wiegen würde.

In Anbetracht dieser Faktoren gibt es einen klaren Weg für Wasserstoff, ein kohlenstoffarmer, kostengünstiger und leichter alternativer Kraftstoff für schwere Lkw zu werden. FCEV-Lkw sind jedoch nicht ohne Herausforderungen.

Es ist nicht einfach, grün zu sein

Auch wenn Wasserstoffgas farb- und geruchlos ist, brauchen wir grünen Wasserstoff und viel davon, um die Dekarbonisierung des Schwerverkehrs zu unterstützen. Grüner Wasserstoff, auch erneuerbarer Wasserstoff genannt, wird ausschließlich aus erneuerbarer Energie hergestellt, typischerweise durch Elektrolyse.

Die Elektrolyse von Wasser nutzt Strom, um Wasser in gasförmigen Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu trennen und elektrische Energie in chemische Energie umzuwandeln. Es gibt noch Fragen, wie schnell die Produktion von grünem Wasserstoff skaliert werden kann; die Fertigungskapazitäten für Elektrolyseure werden erst deutlich hochgefahren.

Die größten Herausforderungen bei Wasserstoff sind Transport und Speicherung. Wasserstoff fällt gasförmig an und muss unter Druck gespeichert oder direkt verflüssigt werden. Beide Prozesse erfordern zusätzliche Energie, die aus erneuerbaren Quellen stammen kann oder nicht.

Neue Methoden verwenden chemische Bindungen (typischerweise als flüssige organische Wasserstoffträger [LOHCs] bezeichnet) oder Ammoniak, um Wasserstoff in einem stabilen Zustand zu transportieren. Diese Verfahren kommen ohne Druck oder kryogene Verflüssigung aus und benötigen daher weniger Energie für den Transport und die Speicherung des Wasserstoffs. Die Technologie befindet sich jedoch noch in einem relativ frühen Entwicklungsstadium und ist noch nicht bereit für eine groß angelegte Einführung.

Eine weitere Lösung für Transport- und Lagerungsherausforderungen bestand darin, sich auf eine lokalisierte Produktion zu konzentrieren. Nikola hat sich mit Nel und Bosch zusammengetan, um ein Netzwerk lokaler Wasserstoffproduktionsstationen bereitzustellen, die erneuerbare Energiequellen und Elektrolyseure nutzen und so die Logistikkette der konventionellen Diesel- und Benzinversorgung unterbrechen.

In Zukunft könnten wir möglicherweise auch die Erdgasinfrastruktur zum Transport von Wasserstoff nutzen, wodurch der Bedarf an erheblicher Infrastrukturentwicklung verringert wird. Dies könnte auch eine Möglichkeit bieten, Wasserstoff aus zentralen Produktionszentren statt aus lokalen Bauten bereitzustellen.

Ein weiterer Nachteil von Wasserstoff ist die Reichweite. Laut Nikola beträgt der Inhalt eines Brennstoffzellen-Lkw je nach Ladung und Gelände 500 bis 750 Meilen; Toyota Kenworth FCEV-Lkw haben eine Reichweite von etwa 300 Meilen.

Dies verblasst im Vergleich zu Diesel-Lkw, die ohne Nachtanken über 1.000 Meilen fahren können. Da die Fahrer jedoch auf 500 Meilen pro Tag begrenzt sind, kann dieser Faktor die Standardpraxis nicht wesentlich stören.

Wie bald ist jetzt?

Auch wenn es Herausforderungen gibt, die Zeit für Wasserstoff ist jetzt, und hier ist der Grund:

Wir sehen einen erhöhten regulatorischen Druck und die Nachfrage der Industrie. Die Europäische Union hat sich verpflichtet, Benzin- und Dieselfahrzeuge bis 2030 abzuschaffen. Gleichzeitig schaffen Standards für saubere Kraftstoffe und damit verbundene Investitionen in Kalifornien und Kanada die politische Grundlage für Veränderungen.

Hyundai plant, bis 2030 jährlich bis zu 700.000 FCEVs zu produzieren, und Japan strebt bis 2030 800.000 FCEVs an. Und da die Technologiekosten voraussichtlich in mehreren Märkten mit Diesel-Lkw ausgeglichen werden, gibt es eine erhebliche Dynamik und Investitionen in Wasserstoff.

Je mehr Projekte zunehmend Brennstoffzellentechnologien einsetzen, desto mehr Potenzial für Kostensenkung und Investition. Chinas Zusage, bis 2030 1 Million Brennstoffzellenfahrzeuge auf die Straße zu bringen (wobei 7,6 Milliarden US-Dollar in den Schwerlastverkehr investiert wurden), bietet ein enormes Potenzial für bedeutende Fortschritte bei der Effizienz und den Kostenpunkten von Brennstoffzellenfahrzeugen.

Wasserstoff hat schon früher falsche Anfänge erlebt, aber diese kohlenstoffarme Alternative wird von einigen der weltweit größten Unternehmen in mehreren Sektoren vorangetrieben.

Toyota Kenworth kann auf eine lange Erfolgsgeschichte bei der Entwicklung von Lastwagen mit Brennstoffzellentechnologie zurückblicken. Im Jahr 2019 wurden 10 T680 hinzugefügt, die im Hafen von Los Angeles und in ganz Südkalifornien eingesetzt werden sollen. Shell hat kürzlich stark in große Wasserstoff-Elektrolyseure investiert, die eine kohlenstofffreie Option für die Wasserstoffproduktion bieten.

Anfang dieses Monats erwarb Cummins einen marktführenden Hersteller von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen, Hydrogenics, für 290 Millionen US-Dollar. Dies sind alles Signale für das ernsthafte Engagement von Branchenführern, in den Wasserstoff- und Brennstoffzellenbereich vorzudringen.

Das Rocky Mountain Institute (RMI) arbeitet daran, die Möglichkeiten für grünen Wasserstoff zu identifizieren, um die Dekarbonisierung in Sektoren zu beschleunigen, die um Fortschritte kämpfen. Wir beginnen erst jetzt zu erkennen, welche Rolle und Position diese Technologie bei der Dekarbonisierung des Frachtsektors einnehmen kann.

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