Hintergrund: Wie Wasserstoffautos funktionieren und wann sie auf den Straßen erscheinen



    In Spanien, wo ich jetzt lebe, gibt es ziemlich viele Elektrofahrzeuge - ich treffe sie fast jeden Tag, sowohl auf der Straße als auch an Ladestationen. Und jedes Jahr gibt es mehr und mehr Elektroautos (natürlich nicht nur in Spanien). Es gibt jedoch eine Alternative: mit Wasserstoff betriebene Autos, die auch die Natur nicht verschmutzen, da ihre Abgase aus Wasser bestehen. Das Thema der heutigen Referenz sind Wasserstoffmaschinen, das Prinzip ihrer Funktionsweise und ihre Perspektiven.

    Wann erschienen die ersten Wasserstoffautos?


    Erfand 1806 den wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor François Isaac de Rivaz. Er erhielt Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser. Der Kolbenmotor, den der Erfinder geschaffen hat, heißt De Rivaz-Motor.



    Die Zündung war funkenfrei, der Motor hatte ein Pleuel-Kolben-System. Nun, der Zylinder wurde durch die Detonation eines Gemisches aus Wasserstoff und Sauerstoff mit einem elektrischen Funken angetrieben - es musste manuell erzeugt werden, sobald der Kolben abgesenkt wurde. Zwei Jahre später baute derselbe Erfinder ein selbstfahrendes Gerät mit einem Wasserstoffmotor.

    Der mehr oder weniger verbreitete Wasserstoff für den Betrieb von Automotoren setzte jedoch erst viele Jahre später ein. Im Jahr 1941 wurden in belagerten Leningrad GAZ-AA-Automotoren von Ingenieur-Leutnant B. I. Shelish modifiziert. Die Motoren steuerten die Winde der Sperrballons (sie waren mit Wasserstoff gefüllt und es gab viele Gasreserven in Leningrad), aber es handelte sich um Automotoren. Darüber hinaus wurden mehrere hundert Motoren in Autos modifiziert.

    Seit den 1980er Jahren haben mehrere Länder, darunter die USA, Japan, Deutschland, die UdSSR und Kanada, die experimentelle Produktion von Wasserstoffautos, Wasserstoffgasgemischen und Gemischen von Wasserstoff mit Erdgas aufgenommen.

    1982 die Quantenraffinerie und die RAF-Raffinerieentwickelten den weltweit ersten experimentellen Wasserstoff-Kleinbus „Kvant-RAF“ mit einem Kombikraftwerk auf Basis einer 2 kW Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle und einer 5 kWh Nickel-Zink-Batterie.

    Im Laufe der Jahre wurden solche Autos in verschiedenen Ländern entwickelt, meist als Experiment. Nachdem das Konzept eines umweltfreundlichen Autos populär wurde, interessierten sich große Unternehmen wie Toyota für Wasserstoffautos. Ab den 2000er Jahren begannen die Automobilhersteller, Konzepte für Nutzfahrzeuge zu entwickeln.

    Woher bekommt man Wasserstoff?


    Wasserstoff kann durch verschiedene Methoden erhalten werden:

    • Dampfumwandlung von Methan und Erdgas;
    • Kohlevergasung;
    • Elektrolyse von Wasser;
    • Pyrolyse;
    • Biotechnologie.

    Die wirtschaftlichste Art, Wasserstoff zu produzieren, wird heute als Dampfumwandlung angesehen. Dies nennt man die Herstellung von Wasserstoff aus leichten Kohlenwasserstoffen (Methan, Propan-Butan-Fraktion) mittels Dampfreformierung. Reformieren ist der Prozess der katalytischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf. Wasserdampf wird mit Methan bei hoher Temperatur (700–1000 ° C) und hohem Druck unter Verwendung eines Katalysators gemischt.

    Bei der Dampfumwandlung ist die Erzeugung von Wasserstoff billiger als bei allen anderen Methoden, einschließlich der Elektrolyse.

    Die harmloseste Methode zur Erzeugung von Wasserstoff ist die Elektrolyse - die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser unter Verwendung von elektrischem Strom. Die Reinheit der Wasserstoffausbeute liegt nahe bei 100%. Abgesehen von der Verschmutzung des Stroms sind solche Anlagen nahezu umweltfreundlich, da im Betrieb nur Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt werden.

    Ein weiterer umweltfreundlicher Weg zur Herstellung von Wasserstoff ist ein Biomasse-Reaktor.


    Die

    Wasserstoffquelle kann sowohl in einer großen Fabrik als auch in einem relativ kleinen Unternehmen hergestellt werden. Je größer die Produktion ist, desto niedriger sind die Gaskosten. Im ersten Fall steigen jedoch die Kosten für die Lieferung von Wasserstoff an die Tankstellen.

    Wie funktioniert das Kraftstoffsystem und welche Möglichkeiten gibt es?


    Es ist am besten, das Funktionsprinzip eines solchen Systems am Beispiel von Serien-Wasserstoffautos Toyota Mirai zu betrachten. Grundlage ist eine Brennstoffzelle, ein elektrochemisches System, das Wasserstoff- und Sauerstoffpartikel in Wasser umwandelt. In einem solchen Element befindet sich eine protonenleitende Polymermembran, die Anode und Kathode trennt. In der Regel handelt es sich dabei um Kohlenstoffplatten mit einem Trägerkatalysator.

    Auf dem Anodenkatalysator verliert molekularer Wasserstoff Elektronen, Kationen werden durch die Membran zur Kathode geleitet und Elektronen werden an den externen Kreislauf übertragen. Am Kathodenkatalysator verbinden sich Sauerstoffmoleküle mit dem Elektron und dem Proton, um Wasser zu bilden. Dampf oder Flüssigkeit ist das einzige Reaktionsprodukt.


    Der Vorteil von Brennstoffzellen auf Basis von Protonenaustauschmembranen liegt in ihrer hohen spezifischen Leistung und relativ niedrigen Betriebstemperatur. Sie heizen sich schnell auf und produzieren fast unmittelbar nach dem Start Energie.

    Mirai verwendet Brennstoffzellen mit einer hohen spezifischen Leistung pro Volumeneinheit (3,2 kW / l) und einer maximalen Leistung von 124 kW. Der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom wird bei gleichzeitigem Spannungsanstieg auf 650 V in Wechselstrom umgewandelt. Der Lithium-Ionen-Batterie wird Strom zugeführt. Für die Bewegung verbraucht die Maschine die darin gespeicherte Energie.

    Der Wasserstoff in der Mirai-Brennstoffzelle stammt aus Hochdruckzylindern (ca. 700 atm). Die Steuereinheit im Auto steuert den Betrieb der Brennstoffzelle und das Laden / Entladen der Batterie.

    Laut Toyota werden bis zu 750 Gramm Wasserstoff pro 100 km Mirai-Strecke benötigt. Mirai-Besitzer sagen etwa ein Kilogramm Wasserstoff pro 100 Kilometer .

    Sind solche Autos gefährlich? Warum?


    Da Wasserstoff ein brennbares Gas ist, muss es sorgfältig transportiert und gelagert werden. Wir brauchen hochempfindliche Gasanalysatoren, die im Falle eines Lecks ein Signal geben können. Zwar ist Wasserstoff ein sehr flüchtiges Gas (es ist das leichteste chemische Element), und wenn es in die Atmosphäre gelangt, steigt Wasserstoff schnell an.

    Es brennt sehr schnell. Das Luftschiff "Hindenburg" brannte nur 32 Sekunden. Aufgrund der Vergänglichkeit des Feuers starben nicht alle Passagiere, 62 von 97 Personen, die sich in der Gondel des Luftschiffs befanden, überlebten.



    Wenn es jedoch viele Wasserstoffautos geben wird, sind neue Verkehrssicherheitsmaßnahmen erforderlich. Auch ICE-Fahrzeuge sind gefährlich - bei einem Unfall und einer Panne im Tank tropft Benzin oder Diesel auf die Straße und kann sich entzünden. Wenn ein Wasserstofftank kaputt ist,Gas wird sehr schnell verschwinden . Wenn jedoch eine Quelle offener Flammen oder Funken in der Nähe ist, kann sich Wasserstoff entzünden.



    Mirai und andere Wasserstoffautos verwenden sehr starke Wasserstofftanks. Toyota hat seine Panzer kugelsicher gemacht, ihre Wände aus Hochleistungsfaser halten Schüssen von großkalibrigen Waffen stand. Für Tests stellte das Unternehmen Scharfschützen ein, und nur eine Kugel des Kalibers 0,50 konnte in den Panzer eindringen, nachdem sie ihn an derselben Stelle doppelt getroffen hatte.

    Wenn Sie Sicherheitsmaßnahmen beachten, sind Wasserstoffautos nicht gefährlicher als Autos mit Verbrennungsmotoren.

    Wie ist die Lebensdauer der Brennstoffzellen?


    Bisher sind solche Informationen nur für Mirai. Toyota sagt, dass eine Zelle für 250.000 km garantiert ist. Wenn sich dann die Leistung der Zelle verschlechtert, kann sie in einem Servicecenter ausgetauscht werden.

    Welche Firmen produzieren bereits oder werden Wasserstoffautos produzieren?


    Wasserstoffautos werden von Honda, Toyota, Mercedes-Benz und Hyundai entwickelt - diese Unternehmen haben bereits fertige Fahrzeuge. Andere zeigen bisher nur Konzepte (allerdings Arbeiter) oder einfach wunderschön gerenderte Bilder. Unter den ersteren befinden sich Audi und Ford, und die letzteren sind BMW (um ehrlich zu sein, hat BMW 2007 eine Reihe von 100 experimentellen Wasserstoffmodellen herausgebracht, die ein Experiment geblieben sind) und Lexus.

    Bisher wurden nur Toyota Mirai und Honda Clarity in die Serie aufgenommen. Sie können in den USA und in Europa gekauft werden.

    Wie viel kostet das?


    Momentan sind Wasserstoffautos etwas teurer als herkömmliche Autos. Wenn Sie also in Europa mit einer Länge von 480 km unterwegs sind, betragen die Kraftstoffkosten für den Besitzer eines normalen Autos ungefähr 45 USD, aber der Besitzer von Mirai zahlt ungefähr 57 USD. Und das trotz der Tatsache, dass die Regierung einiger Länder die Produktion von Wasserstoff für Autos subventioniert. Die Kosten für 1 kg Wasserstoff betragen durchschnittlich 11,45 USD.

    Warum sind Wasserstoffautos besser als Elektroautos?


    Eigentlich ist die Frage nicht ganz richtig. Fakt ist, dass sowohl ein Wasserstoffauto mit Brennstoffzelle als auch ein „sauberes“ Elektroauto Elektroautos sind. Nur in einem Fall wird das Auto mit Wasserstoff betrieben, im zweiten Fall mit Strom.

    Vergleicht man die Kosten der meisten Elektrofahrzeuge mit denen von Toyota Mirai, so sind sie vergleichbar, das sind mehrere Zehntausend US-Dollar. Die Kosten für den Hyundai ix35 Fuel Cell liegen bei 53.000 USD, für den Toyota Mirai bei 57.000 USD und für den Honda Clarity bei 59.000 USD. Die Kosten für Tesla-Elektroautos beginnen bei 45.000 USD (die Grundausstattung mit einem Preis von 35.000 USD ist nur noch vorbestellbar). Elektroautos von BMW kosten etwa 50.000 USD.

    Wasserstoffautos füllen sich schnell - das Aufladen dauert im Gegensatz zu Elektroautos nur 3-5 Minuten, wobei das Aufladen zwischen einer halben und mehreren Stunden dauert.

    Der Hauptvorteil des Wasserstofftransports besteht darin, dass die Brennstoffzellen viele Jahre halten und praktisch keine Wartung erfordern. Wenn Sie ein „sauberes“ Elektroauto mit einer riesigen Batterie nehmen, beträgt die Lebensdauer nur 1 bis 1,5 Tausend Zyklen, dh 3-5 Jahre. Darüber hinaus funktioniert das Wasserstoffauto bei Kälte (einschließlich Aufziehen) problemlos, aber die Batterie eines Elektrofahrzeugs verliert ihre Ladung.

    Was sind die Perspektiven für Wasserstoffautos und wann können sie auf der Straße gesehen werden?


    Wasserstoffautos fahren bereits auf den Straßen Europas und der USA (in anderen Regionen kann es vereinzelt Exemplare geben). Aber es gibt nicht viele von ihnen - mehrere Tausend, die man nicht als Massenadoption bezeichnen kann.

    Das Problem, das jetzt die Verbreitung von Wasserstofffahrzeugen verhindert, ist der Mangel an Infrastruktur (vor wenigen Jahren war ein ähnliches Problem für Elektrofahrzeuge relevant). Wir brauchen spezialisierte Fabriken für die Herstellung von Wasserstoff, Transportsysteme für Wasserstoff und Betankung.


    Wasserstofftankstellen 2019 ( Quelle )

    Darüber hinaus ist Wasserstoff ziemlich teuer. Wenn also Elektroautos gekauft werden, um insbesondere Kraftstoff zu sparen, ist dies bei einer Wasserstoffmaschine keine Option. Mit dem massiven Aufkommen von Fabriken, in denen Wasserstoff für Autos produziert wird, und der Serviceinfrastruktur ist zu erwarten, dass eine viel größere Anzahl von Wasserstofffahrzeugen auf öffentliche Straßen fährt.

    Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass dies überhaupt passiert oder nicht - es ist noch nicht klar. Autohersteller wie Toyota fördern aktiv ihre Autos und die Vorteile von Wasserstoff im Verkehrssektor. Aber die Konkurrenz ist zu groß, sowohl bei gewöhnlichen Autos mit Verbrennungsmotoren als auch bei Elektrofahrzeugen.

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