Wasserstoffautos sind unterwegs, aber sind sie eigentlich eine gute Idee? Tramin/iStock
Wasserstofffahrzeuge sind wohl das nächste „große“ Ding im nachhaltigen Transportwesen.viel Aufmerksamkeit in der Presse in letzter Zeit. Aber was genau sind sie und wie funktionieren sie?
Sind sie eine potenzielle Wunderwaffe zur Lösung steigender globaler Temperaturen? Oder sind sie eine potenzielle Umweltkatastrophe, die darauf wartet, passiert zu werden?
Finden wir es heraus.
Wie funktionieren Wasserstoffautos?
Wasserstoffautos oder Wasserstoff fElektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle FCEVs, sind im Grunde eine Variante eines Elektrofahrzeugs. Andere Arten von Wasserstoffmotoren werden genannt Fahrzeuge mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor HICEV, aber hier konzentrieren wir uns auf ersteres.
Im Gegensatz zu Elektrofahrzeugen werden anstelle von Batterien zur Bereitstellung der für das Fahrzeug erforderlichen Energie spezielle Brennstoffzellen verwendet, die aus einer Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehen.
Der Wasserstoff wird in speziellen Tanks an Bord des Fahrzeugs gespeichert, während der Sauerstoff aus der Atmosphäre bezogen und in die Brennstoffzelle eingespeist werden kann, ähnlich wie bei belüfteten Verbrennungsmotoren.
Diese beiden Elemente reagieren in der Brennstoffzelle, um den für den Betrieb des Fahrzeugs erforderlichen „Saft“ bereitzustellen. Im Gegensatz zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen produzieren Wasserstoff-Brennstoffzellen jedoch Wasser als Nebenprodukt, das aus dem Fahrzeug emittiert werden muss.
Obwohl dies wie eine relativ moderne Erfindung klingen mag, sind wasserstoffbetriebene Motoren nichts Neues. Vor mehr als zweihundert Jahren, ein französischer Erfinder, François Isaac de Rivaz, gelang es, einen primitiven wasserstoffbetriebenen Motor zu entwickeln, der mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben und durch einen elektrischen Funken gezündet wird.
Als De Rivaz-Motor bezeichnet, war er in der Tat eine Form eines frühen Verbrennungsmotors, der Wasserstoff als Kraftstoffquelle verwendete. Der Motor wurde später zu einem Arbeitsmodell verfeinert, das tatsächlich einen Antrieb für ein einfaches Fahrzeug namens Charette liefern konntevon Rivaz.
Moderne Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge hingegen liefern Strom durch eine chemische Reaktion und nicht durch Verbrennung – Antriebssysteme, die um die Brennstoffzelle herum aufgebaut sind, haben keine beweglichen Teile, ähnlich wie andere Elektrofahrzeuge.
Im Betrieb erschöpft sich der Wasserstoff-Kraftstoff mit der Zeit und muss daher von Zeit zu Zeit nachgefüllt werden. Da der Wasserstoff in der Regel in Tanks gespeichert wird, kann er auf bemerkenswert ähnliche Weise wie Benzin, Flüssiggas,oder Dieselmotoren und dauert etwa gleich lange.
Wenn all dies interessant klingt, wird es Sie freuen zu hören, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge derzeit im Handel erhältlich sind, wie der Hyundai NEXO, aber dazu später mehr.
Die heute zum Verkauf stehenden Wasserstoff-Brennstoffzellenautos sind äußerst glaubwürdig und – in vielerlei Hinsicht – bemerkenswert, weil sie so gewöhnlich aussehen, darin sitzen und fahren.
Allerdings muss beachtet werden, dass die meisten Hersteller von wasserstoffbetriebenen Autos zugeben, dass sie derzeit nur für eine kleine Kundennische wirklich rentabel sind. Dies hat verschiedene Gründe, vor allem aber, ob steuerliche Anreize angeboten werden undob dafür die notwendige Betankungsinfrastruktur vorhanden ist.
Wie Sie sich vorstellen können, die Technologie entwickelt sich schnell mit immer mehr Unternehmen, die ihre Forschungs- und Entwicklungsbudgets darauf verwenden, sie billiger und effizienter zu machen. Ähnlich wie bei den anfänglichen Problemen mit Elektrofahrzeugen ist der Aufbau eines Netzes von Tankstellen ein vorrangiges Ziel für Privatunternehmen und Regierungen gleichermaßen.
Einige Experten gehen sogar so weit zu prognostizieren, dass batterieelektrische Autos nur eine kurzfristige Lösung für die Bedürfnisse des umweltfreundlichen Transports bieten werden und dass Autos mit Wasserstoff-Brennstoffzellen tatsächlich die längerfristige Lösung sein werden.
Wasserstoff-Brennstoffzellen, nicht nur die derzeit in der Entwicklung befindlichen zum Antrieb von Autos, werden hauptsächlich als potenzielle Lösung für viele unserer Energieanforderungen angesehen, vom Ersatz für herkömmliche Gaskesselheizungen zur potenziellen Bereitstellung Schub für Flugzeuge der Zukunft.
Sind Wasserstoffautos besser als Elektroautos?
Da der einzige wirkliche Unterschied Zwischen den beiden liegt die Stromquelle für die Stromversorgung der Fahrzeugsysteme. Sie werden nicht überrascht sein zu hören, dass die Wahl eines von beiden ein Kompromiss oder Kompromiss ist.
Wir haben die Hauptvorteile dieses Fahrzeugtyps oben angesprochen, aber es ist wahrscheinlich konstruktiv, sich die relativen Nachteile anzusehen.
Wie wir oben angesprochen haben, ist das Hauptproblem bei Wasserstoff-Brennstoffzellenautos die fehlende Infrastruktur zum Auftanken. Dies ist ein schwerwiegendes Handicap; wenn Sie die Wasserstofftanks auf einer langen Fahrt nicht auffüllen können, werden Sie es bald seingestrandet.
Dies ist ein sehr viel geringeres Problem für Elektrofahrzeuge, die eine Explosion der Ladestationsinfrastruktur auf der ganzen Welt erlebt haben. Glücklicherweise sind viele Experten auf diesem Gebiet zuversichtlich, dass Wasserstofftankstellen problemlos skaliert werden können, also ist es nur eines geht darum, genügend Kunden zu haben, um dies wirtschaftlich rentabel zu machen.
Ein weiteres Problem bei Wasserstoffautos sind derzeit ihre relativen Kosten. Da sie ziemlich neu auf dem Markt sind, ist der Preis der derzeit verfügbaren Einheiten relativ hoch. Dies galt auch für frühe Elektrofahrzeuge, daher sollten die Kosten auch so seinEs ist zu erwarten, dass sie für Verbraucher mit genügend Zeit und Entwicklung erheblich sinken werden.
Da Tankstellen auch weltweit relativ selten sind, sind die Kosten pro Aufladung derzeit auch deutlich höher als bei Elektrofahrzeugen. Um Ihnen eine Vorstellung zu geben, Wasserstoffkraftstoff ist ungefähr Vierfache Kosten für das Aufladen eines Elektroautos in den USA. Aber auch das wird sich voraussichtlich ändern, und die Kosten für Wasserstoff-Brennstoffzellen sind in den letzten Jahren bereits um mehr als 80 Prozent gesunken.
Zum Beispiel im Vereinigten Königreich sind die neuesten Kosten, die wir finden konnten, zwischen $12 und $18 £10 und £15 pro kg. Das Befüllen des 6,33-kg-Tanks eines Hyundai NEXO mit einer Reichweite von etwa 414 Meilen sollte also zwischen 79 und 120 US-Dollar 63 bis 95 Pfund kostender durchschnittliche Tank lag Mitte März 2022 bei etwa 114 $ 90 £. Einige Unternehmen behaupten, dass sie diese Kosten erheblich senken können, insbesondere durch die Verwendung erneuerbarer Energiequellen zur Isolierung und Veredelung des Wasserstoffs.
Bei Elektroautos hingegen ist das relative Ladungs-Reichweiten-Verhältnis im Vergleich zu Wasserstoffautos ungünstiger. Dies variiert natürlich je nach Marke und Modell des Elektrofahrzeugs, im AllgemeinenSie müssen häufiger anhalten und die Batterie Ihres Elektrofahrzeugs aufladen, als ein Wasserstoffauto vergleichbarer Leistung und Größe zu betanken.
Die Verbreitung von Hochleistungsladestationen, die ein schnelleres Aufladen ermöglichen, nimmt zu, aber sie können auch teurer sein. Um Ihnen ein Beispiel zu geben, in Deutschland wo Ladestationen pro Kilowattstunde abrechnen, wird mit hoher Leistung geladenLadestationen sind pro Kilowattstunde tendenziell zehn Euro teurer als "herkömmliche" Ladestationen.
Die tatsächlichen Kosten für das Aufladen können auch zwischen den Ländern variieren. In Frankreich liegen die Kosten bei etwa 2,42 $ für 100 Kilometer basierend auf durchschnittlich 15 kWh pro 100 Kilometer, während die gleiche Entfernung in Großbritannien 3 Euro kosten würde.
Diese Probleme sowie Reichweitenängste können durch die Verwendung eines Hybrid-Elektro-/Verbrennungsmotorsystems gemildert werden, bei dem das herkömmliche Motorsystem als Backup oder Unterstützung für die Batterie fungieren kann.
Was sind einige Hauptunterschiede zwischen Elektrofahrzeugen und Wasserstoffautos?
Es ist alles sehr interessant, aber wie schneiden sie bei einigen Schlüsselthemen ab? Schauen wir uns das an.
Abgesehen von den Unterschieden bei Reichweite und Betankungsinfrastruktur weisen Elektro- und Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge einige andere signifikante Unterschiede auf.
Einer der wichtigsten ist die Sicherheit. Da Wasserstoff ein hochentzündlicher Brennstoff ist denken Sie an das Luftschiff Hindenberg, sollte die Idee, mit einem vollen Tank herumzufahren, besser sicher sein.
Zum Glück haben moderne technologische Fortschritte auf diesem Gebiet viele potenzielle Gefahren der Technologie beseitigt. Zum Beispiel Toyota und sein „Mirai“ verwendet ein patentiertes Design, um Probleme zu vermeiden, sollte das Auto in einen Unfall verwickelt sein.
Zu diesen Innovationen gehört ein spezielles Ventil, das den Wasserstoffbrennstoff absperrt und das Gas im Falle eines Lecks in die Atmosphäre ablässt. Da Wasserstoff viel leichter als Luft ist, kann er schnell diffundieren. Solange sich das Fahrzeug im Freien befindet und nicht irgendwo abgeschlossen wie eine Tiefgarage.
Offensichtlich haben Elektrofahrzeuge diese Art von Problem nicht, aber sie sind nicht immun gegen ihre eigenen inhärenten Sicherheitsbedenken. Dies liegt hauptsächlich an ihren Lithium-Ionen-Batterien, die überhitzen oder überladen können und dies auch tun.
Dies kann zu Bränden führen, i Entzünden der Batterien, die sehr heiß brennen können. Sollte dies passieren, sind die Brände auch schwierig zu löschen, da der Brennstoff für das Feuer nicht wie bei Wasserstoff abgelassen wird. Während viele Hersteller von Elektrofahrzeugen hart daran gearbeitet haben, eine zuverlässige Ausfallsicherung zu findenFür solche Dinge wird es auch ein potenzielles Problem mit Lithium-Ionen- oder anderen chemischen Batterien sein.
Ein weiterer Vergleich ist ihr relativer CO2-Gehalt2 Emissionen. Während keine der Technologien während des Betriebs Kohlendioxid freisetzt, muss jedes Fahrzeug und alle seine Komponenten aus Materialien wie Metall und Kunststoff hergestellt werden. Große Teile der Lieferketten für diese Materialien werden irgendwann fossile Brennstoffe verwenden.
Lithium-Ionen-Batterien sind zum Beispiel unglaublich energieintensiv in der Herstellung, erfordern aber auch die Extraktion, Verarbeitung usw. einiger extrem giftiger Materialien. Aber das ist noch nicht das Ende der Geschichte.
Diese Batterien müssen auch regelmäßig aufgeladen werden. Dies wird in vielen Fällen von Kohle- und Gaskraftwerken bereitgestellt, die an das Netz angeschlossen sind. Dies wird sich jedoch verbessern, wenn mehr Strom aus alternativen Kraftstoffen erzeugt wird.
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind auch nicht viel besser. Dazu kommen noch Energiekosten Herstellung des Wasserstoffbrennstoffs auch.
Natürlich können die Umweltauswirkungen der Lieferketten beider Technologien durch die Integration erneuerbarer Energiequellen erheblich verbessert werden obwohl auch das nicht ohne Umweltkosten.
Schließlich und für potenzielle Verbraucher am wichtigsten sind die Kosten der Technologie. Elektrofahrzeuge können in der Anschaffung sehr teuer sein, insbesondere höherwertige Modelle wie einige Teslas, obwohl der Preis für viele Elektrofahrzeuge jetzt mit dem neuer Verbrennungsmotoren vergleichbar ist. Es können auch andere Betriebskosten für Batteriewartung oder -miete und natürlich die Kosten für das Aufladen anfallen. Obwohl die Betriebskosten für Elektrofahrzeuge fast immer viel niedriger sind als für Verbrennungsmotoren.
Wasserstofffahrzeuge sind jedoch in der Regel viel teurer als Elektrofahrzeuge. Außerdem gibt es im Gegensatz zu Elektrofahrzeugen keine „Budget“-Optionen auf dem Markt. Um Ihnen eine Vorstellung zu geben, der Preis für ein neues Wasserstofffahrzeug ist vergleichbar mitdie eines Elektrofahrzeugs der Spitzenklasse. Aber die Preise werden immer vernünftiger. Toyota Miria zum Beispiel beginnt bei knapp 50.000 $.
Außerdem können die Kosten für das Auftanken viel höher sein als eine volle EV-Ladung.
Was sind die Umweltauswirkungen von Wasserstoffautos?
Wir haben bereits einige der wichtigsten potenziellen Umweltauswirkungen von Wasserstoffautos angesprochen, aber eine der wichtigsten wird selten, wenn überhaupt jemals diskutiert.
Dies ist, dass ihre "einzige" Emission Wasserdampf ist.
Aber wie kann Wasser als potenzieller Umweltschadstoff betrachtet werden? Ohne es schließlich, Leben wäre auf diesem Planeten nicht möglichan erster Stelle?
Nun, wie sich herausstellt, ist flüssiges Wasser ein fantastisches und notwendiges Gut für jeden lebenstragenden Planeten, aber in seiner gasförmigen Form kann es ein viel stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid.
Da sich die meisten Diskussionen über "grüne" Technologien um ihr Potenzial drehen, menschliche Treibhausgasemissionen zu reduzieren, ist zweifellos die potenzielle Zugabe einer großen Menge eines wirksameren Gewächshaus in die Atmosphäre sollte wohl zuerst überlegt werden?
Lassen Sie uns erklären, warum.
Ist Wasserdampf schlimmer als CO2 für die globale Erwärmung?
Wie sich herausstellt, Wasserdampf ist nicht nur sehr stark als Treibhausgas, ist aber auch das bedeutendste Treibhausgas der Welt. Es ist für etwa die Hälfte des Treibhauseffekts des Planeten verantwortlich und ist teilweise der Grund, warum die Erde Wärme speichern und das Leben auf diesem Planeten, wie wir ihn kennen, unterstützen kann.
Es ist im Wesentlichen kritisch.
Ganz ohne Treibhausgase wäre die Oberflächentemperatur der Erde irgendwo in der Größenordnung von 59 Grad Fahrenheit 33 Grad Celsius kälter. Das würde den größten Teil der Erdoberfläche in kurzer Zeit in ein gefrorenes Ödland verwandeln.
In Bezug auf die Wasserquelle in der Atmosphäre stammen irgendwo in der Region von 90% aus dem Verdunstung von Wasser aus Gewässern. Der Großteil des verbleibenden Wasserdampfs wird durch Mechanismen wie Pflanzentranspiration usw. freigesetzt.
Wasserdampf ist entscheidend für das Leben auf dem Planeten. Seine Anwesenheit in der Luft ist normalerweise vorübergehend, da er als Teil des Wassers unweigerlich in Form von Niederschlag an die Oberfläche zurückkehrt. wichtiger Wasserkreislauf.
Da es sich um ein Treibhausgas handelt, besteht eine positive Beziehung zwischen dem Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre und der globalen Durchschnittstemperatur.
"Daten von Satelliten, Wetterballons und Bodenmessungen bestätigen, dass die Menge an atmosphärischem Wasserdampf mit zunehmender Klimaerwärmung zunimmt," erklärt die NASA . Da die globalen Temperaturen seit Ende des 18. Jahrhunderts um etwa 1,1 Grad Celsius gestiegen sind, hat auch der Wasserdampf jedes Jahrzehnt um etwa 1-2 % zugenommen.
Aber Korrelation bedeutet nicht unbedingt Kausalität.
Soweit wir feststellen können, scheint die Zunahme des Wasserdampfs in der Atmosphäre steigenden Temperaturen zu folgen oder zu folgen, nicht umgekehrt. Wenn dies zutrifft, würde dies bedeuten, dass wärmere Luft eine größere Kapazität hat, mehr Wasserdampf zu "halten".
Wie Kohlendioxid lösen steigende Wasserdampfwerte eine positive Rückkopplung aus, die die Temperaturen weiter ansteigen lässt und die Freisetzung von mehr Wasserdampf ermöglicht. Dies ist hauptsächlich auf die höheren Temperaturen zurückzuführen, die die Verdunstungsrate von Wasser aus Gewässern weltweit erhöhen. Aber je höherDurchschnittstemperaturen der Atmosphäre, insbesondere in höheren Lagen, verringern die Wahrscheinlichkeit, dass Wasser ausfällt und an die Oberfläche zurückfällt.
Das klingt ziemlich besorgniserregend, aber denken Sie daran, dass sich Wasserdampf sehr von anderen häufiger genannten Treibhausgasen unterscheidet. Dies liegt daran, dass es sich um einen bestimmten Typ handelt. als kondensierbar bezeichnet. Mit anderen Worten, im Gegensatz zu nicht kondensierbaren Stoffen Kohlendioxid, Methan usw. kann es leicht den Zustand von Gas zu Flüssigkeit und wieder zurück ändern.
Mit anderen Worten, um eine Analogie zu verwenden, Wasserdampf ist wie ein Verstärker für ein Soundsystem. Er kann die Lautstärke Temperatur für das Erdklima nicht alleine erhöhen. Das erfordert eine Lautstärkeregelung, die in dieser Analogie ansteigen würdeKohlendioxid, Methan usw.
Also, fragen Sie sich vielleicht, ist es sinnvoll, der Atmosphäre durch Wasserstoffautos künstlich mehr Wasserdampf zuzuführen? Würden wir nicht einfach ein Problem CO austauschen?2 mit einem anderen, möglicherweise schlechteren H20?
Die Antwort darauf ist komplex, aber natürlich würde man das Pferd vor den Karren setzen. Man kann keinen Wasserdampf in die Atmosphäre „pumpen“ sofern nicht auch die Temperaturen steigen.
Das Wasser in der Luft befindet sich im Gleichgewicht, bis mehr Energie verfügbar ist, um mehr Wasser zu "tragen". Dies wird als Sättigungspunkt bezeichnet.
Um Ihnen eine Vorstellung vom „Sättigungspunkt“ für Wasserdampf zu geben, einer Luftmasse mit einer Temperatur von 30 Grad Fahrenheit -1,11 Grad Celsius hat eine Wasserdampfkapazität von 3,368 Gramm Wasser pro kg Luft k/kg. Angenommen, Sie erhöhen die Temperatur auf 60 Grad Fahrenheit 15,56 Grad Celsius. In diesem Fall gilt:Der Luftkörper hat eine Kapazität von 10,699 g/kg und bei 90 Grad Fahrenheit 32 Grad Celsius beträgt die Kapazität 30,052 g/kg.
Sofern also Wasserstoffautos im Betrieb nicht auch überschüssige Wärme abgeben, ist es unwahrscheinlich, dass der Wasserdampf, den sie ausstoßen, eine potenzielle Umweltkatastrophe darstellt, die auf uns wartet.
Und das, potenzielle Wasserstoffköpfe, ist dein Los für heute.
Wasserstoff-Brennstoffzellen und wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren entwickeln sich rasant und schlagen bereits Wellen in verschiedenen Branchen. Da sie effizienter werden und mehr Interesse wecken, ist es wahrscheinlich eine sichere Wette, dass sie in der Zukunft genauso verbreitet sein werden wie Elektrofahrzeugenicht allzu ferner Zukunft.
Es gibt einige technische Hindernisse zu überwinden wie die Kosten für die Herstellung des Kraftstoffs und die Bereitstellung der Betankungsinfrastruktur. Solange jedoch eine Nachfrage nach dieser Technologie besteht, werden diese Probleme schnell behoben.
Ein Übergang zu dieser Technologie erfordert jedoch eine sorgfältige Planung, um die Emissionen nicht kondensierbarer Treibhausgase vor der Masseneinführung zu reduzieren. Andernfalls werden wir das Problem verschärfen, für dessen Lösung sie entwickelt wurden.