- Ecrit par la classe 6C5 en Sciences et Techniques - Publié le 19 avril 2022
Auf Verbrenner folgen Batterie und Wasserstoff betriebene Fahrzeuge Lorem Ipsum
Einleitung. Wir haben uns mit den möglichen Autos unserer Zukunft beschäftigt. Das Thema schien uns wichtig, da aufgrund des Klimawandels eine Veränderung nötig ist. Die Mobilität der Zukunft ist eine Herausforderung der wir uns als Gesellschaft stellen müssen.
Am Anfang haben wir uns hauptsächlich auf das reine E-Auto konzentriert, das von der Gesellschaft oft als große Hoffnung angesehen wird. Als wir jedoch nach Alternativen gesucht haben, sind wir auf das Wasserstoffauto gestoßen.
Dabei haben wir uns mehrere Fragen gestellt. Wo liegen die Unterschiede zwischen diesen beiden Antriebsarten und welche wird sich durchsetzen? Welchen Herausforderungen müssen wir uns bei einem Umstieg von Verbrennern auf rein Batterie und Wasserstoff betriebene Fahrzeuge stellen? Nicht nur in Bezug auf die Wirtschaft und das soziale Leben, sondern auch betreffend unsere Umwelt. Wie ökologisch sind Wasserstoff- und E-Fahrzeuge wirklich? Wie kann man die Gesellschaft auf die Verabschiedung des Verbrenners vorbereiten? Diesen Fragen und mehr haben wir versucht nachzugehen.
Verbrenner. Von allen Antriebsarten wird der Verbrenner derzeit weltweit am meisten genutzt. Das Problem des Verbrenners ist, dass zum Antrieb des Motors fossile Brennstoffe (z.B. Diesel oder Benzin) benötigt werden und diese der Umwelt schaden.
Benzin und Diesel können beispielsweise aus Erdöl gewonnen werden, welches über Jahrmillionen aus den Abbauprodukten von toten organischen Lebensformen (z.B. Pflanzen, Tieren, Plankton usw.) entstanden ist. [1] Doch der Ölbestand scheint begrenzt.
Der Weg vom Erdöl zu Benzin oder Diesel kann aufwendig sein. Es müssen Löcher in den Erdboden gebohrt werden um das Erdöl herauszupumpen. Um den Vorgang zu beschleunigen wird Wasser injiziert, damit das Öl durch ein Rohr nach oben steigen kann (siehe Abb. 1 [2]). In der Erdöl-Raffinerie wird das Öl anschließend zu Benzin oder Diesel verarbeitet.
Der gesamte CO2 Ausstoß (für den Transport und die Raffinierung) wird bei der Herstellung von Benzin und Diesel jeweils auf um die 3 kg/L [3] geschätzt. Hinzukommt, dass der Wirkungsgrad eines Verbrenners (von der Energiequelle bis zu seinem Antrieb) nur bei ungefähr 20 % liegt. Grund genug sich mit der Frage zu beschäftigen, welche Alternativen sich bieten.
E-Auto. Als großer Vorteil von reinen E-Autos wird vermarktet, dass diese Antriebsart einen Wirkungsgrad von 64 % [4] hat und vor Ort keine Treibhausgase ausstößt. Zudem sollen Elektromotoren eine höhere Lebensdauer als Verbrennungsmotoren haben. [5] Die Kernfrage ist jedoch: « Sind E-Autos wirklich umweltfreundlich und nachhaltig? ».
Wissenschaftler haben z.B. berechnet, dass ein VW E-Golf erst nach 53.000 km eine bessere Klimabilanz haben soll als das gleiche Modell mit Benzinmotor. Allgemein gilt zu berücksichtigen, dass der Strommix, sprich die Zusammensetzung verschiedener Energiequellen zur Stromproduktion eine zentrale Rolle bei der Klimabilanz spielt. Der Strommix ist nicht zwingend nachhaltig. In Ländern wie Deutschland oder Polen, wo derzeit der Kohleanteil an der Stromproduktion hoch ist, können sich E-Autos, Berechnungen zufolge, erst nach 100.000 km als nachhaltig erweisen [5].
Die Batterieherstellung hat ebenfalls einen Einfluss auf die Nachhaltigkeit von E-Autos. Einerseits müssen die derzeit serienmäßig verbauten Batterien nach etwa 1.500 bis 2.500 Ladezylken ausgetauscht werden, da sie ab 70 % ihrer ursprünglichen Kapazität nicht mehr leistungsfähig genug sind [5].
Andererseits werden Rohstoffe wie z.B. Lithium, Graphit und Kobalt benötigt, deren Vorkommen endlich ist. Zudem bedarf der Abbau dieser Stoffe eine hohe Energiemenge und die Umwelt wird stark beschädigt. Um Lithium abzubauen, werden bspw. giftige Chemikalien benutzt, welche die Gewässer und somit potentielles Trinkwasser verschmutzen. [5]
Neben Umwelt und Nachhaltigkeit stellt sich bei der Elektromobilität auch oft die Frage der geeigneten Infrastruktur: vom Stromnetz bis hin zur Anzahl der Ladestationen. Ein Einblick in die Datenbank des „European Alternative Fuels Observatory“ zeigt, dass die Anzahl an öffentlichen Ladestationen in Luxemburg seit 2014 im Aufwärtstrend ist. Zwischen 2019 und 2020 hat sich die Anzahl sogar geschätzt verdoppelt (Abb.2 [6]).
H2. Wasserstoff (H2) betriebene Fahrzeuge werden derzeit oft als Konkurrent für Batterie betriebene Fahrzeuge angesehen. Dabei sollte man sich vor Augen führen, dass beide Antriebe sich durch einen Elektromotor auszeichnen und somit Elektrofahrzeuge sind. Neben einer Brennstoffzelle samt Wasserstofftank, die den elektrischen Strom zum Antrieb des Elektromotors erzeugt, hat ein Wasserstoffauto ebenfalls eine kleine Batterie die als Zwischenspeicher für elektrische Energie dienen soll. Diese Batterie speichert bspw. Energie beim Bremsvorgang, kann aber auch die Brennstoffzelle beim starken Beschleunigen des Autos unterstützen [7]. Im Vergleich zum Batterie-Elektroauto hat ein Brennstoffzellen betriebenes Auto jedoch nur eine geschätzte Energieeffizienz von 27 %. Ein Vergleich zu den bisher diskutieren Antrieben ist in Abb. 3 dargestellt. [4]
Für Wasserstoffautos wird geworben indem auf eine kürzere Tankdauer im Vergleich zur Ladedauer bei E-Autos verwiesen wird. Die Tankdauer ist vergleichbar mit der eines Verbrenners. Hinzukommt, dass global gesehen, Wasserstoffautos derzeit eine höhere Reichweite als reine E-Autos haben. [4] Dies liegt unter anderem an der höheren Energiedichte von Wasserstoff gegenüber einer Li-Ion-Batterie, jedoch auch gegenüber Benzin und Diesel. Wenn auch Wasserstoff das leichteste chemische Element ist, so kann 1 kg Wasserstoff rund dreimal so viel Energie speichern wie 1 kg Benzin, oder Diesel, und rund 210 mal so viel Energie wie eine Batterie [1]. Dies ist auch der Grund warum mit großer Wahrscheinlichkeit im Bereich Logistik zunehmend auf Wasserstoff gesetzt werden wird. Gasförmiger Wasserstoff hat allerdings eine sehr geringe Masse. Um größere Mengen an Wasserstoff-Gas in einem begrenzten Volumen speichern zu können, muss man das H2-Gas in Tanks verdichten. [1] Beispiele für Logistik, wo Wasserstoff Anwendung finden könnte sind der Gütertransport und der Schwertransport. Laut einer kürzlich veröffentlichten Studie (Januar 2022) [8] könnte Wasserstoff in Zukunft im Flugverkehr eine zentrale Rolle einnehmen: 60 % aller Flüge weltweit könnten auf Wasserstoff umgestellt werden, um somit die CO2 Emissionen durch die Luftfahrt einzudämmen.
Ähnlich wie bei der Stromproduktion für E-Fahrzeuge ist und wird auch in Zukunft die Art und Weise der Wasserstoff Produktion von zentraler Bedeutung sein. Idealerweise sollte mit grünem Wasserstoff getankt werden. Das heißt es sollte elektrischer Strom aus klimafreundlicher Produktion genutzt werden, um über den Weg der Elektrolyse aus Wasser (H2O) Wasserstoff (H2) zu gewinnen. Windenergie, Fotovoltaik und Wasserkraft wären möglich Energiequellen für die Stromproduktion.
Zu guter Letzt stellt sich auch bei Wasserstofffahrzeugen die Frage der notwendigen Infrastruktur. Stand heute soll es um die 136 H2-Tankstellen [9] in der EU geben. In Luxemburg derzeit noch keine einzige. Die erste H2-Tankstelle soll jedoch 2022 in Bettemburg eröffnet werden. [10]
Fazit. Die Frage, welche der beiden Antriebsarten sich schlussendlich durchsetzen wird, lässt sich nicht eindeutig beantworten. Dies liegt daran, dass der Vergleich zwischen Batterie und Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen aufgrund ihrer Vor- und Nachteile ziemlich vielschichtig ist. Expertenmeinungen zufolge handelt es sich nicht um eine Entscheidungsfrage. Dies unterstreicht auch der Luxemburger Forscher Dr. Ing. Félix Urbain. Der Material- und Wirtschaftswissenschaftler hat uns in einem Gespräch erklärt, dass es sinnvoll wäre in Zukunft auf die Batterie und auf Wasserstoff zu setzen. Das Wasserstoffauto ist für den Schwerlastverkehr besser geeignet als rein elektrische Fahrzeuge. Im Personenverkehr scheint sich die Batterie bereits durchgesetzt zu haben. Eine Alternative zu diesen beiden Antriebssystemen, um unsere Gesellschaft auf den Umstieg vorzubereiten und die Leute an diese Systeme heranzuführen, sind Hybridfahrzeuge. Hybridfahrzeuge sind momentan eine gute Alternative, weil man die Menschen so an die elektrischen Autos heranführen kann. Auch wenn Hybridfahrzeuge aufgrund ihrer Masse energetisch gesehen wenig Sinn machen, geben sie den Leuten die Möglichkeit einen Kompromiss einzugehen. Man kann weiterhin von den Vorteilen eines Verbrenners profitieren (wie z.B. die kurze Tankdauer und die große Reichweite). Gleichzeitig hat man auch die Möglichkeit die Energie über eine Batterie zu beziehen. Dies erscheint z.B. im Stadtverkehr bei moderater Geschwindigkeit sinnvoll.
Die Autos werden in Zukunft sicherlich nicht verschwinden, sondern sich weiterentwickeln. Es wird höchste Zeit den Verbrenner zu verabschieden und auf bessere Alternativen setzen.
Quellen:
[1]: Felix Urbain, Clean Fuels – Eine Einführung in alternative und nachhaltige Brennstoffe für den Transport von morgen, 2020, S. 8, 39
[4]: Hartmut Netz, „Brennstoffzelle oder Batterie?“, November 2021, bild der Wissenschaft, S. 78 – 85
[5]: Cédric Reichel „Eine Wette auf die Zukunft zur Nachhaltigkeit von E-Autobatterien“, März 2020, brennpunkt, S. 21 – 24
[6]: https://www.eafo.eu/alternative-fuels/electricity/charging-infra-stats
[7]: Christian Wüst, Der Anti-Tesla“, August 2020, DER SPIEGEL Nr.35, S.98 – 100
[8]: J. Mukhopadhaya and D. Rutherford, Performance analysis of evolutionary hydrogen-powered aircraft, 2022, ICCT
[9]: https://www.eafo.eu/alternative-fuels/hydrogen/filling-stations-stats#
[10] : Pit Scholtes, Das etwas andere Elektroauto, November 2021, reporter.lu