Batterie- vs. Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge

Batterie- vs. Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge

Es wird zwar behauptet, dass die Konzentration auf Batterien oder Brennstoffzellen der einzige Weg ist, um einen Massenmarkt zu erreichen, aber die Trends in der Industrie zeigen immer deutlicher, dass batteriebetriebene und wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge in Kombination am leistungsfähigsten sind, wobei beide für unterschiedliche Anwendungen besonders nützlich sind.

Kurzer Überblick über Batterien und Wasserstoff-Brennstoffzellen in Personen- und Nutzfahrzeugen
  Batterien Wasserstoff-Brennstoffzellen
Personenkraftwagen Smart-Phone-Modell – tagsüber frei nutzbar und nachts eingesteckt Noch nicht durchführbar – fehlende Infrastruktur; hohe Kosten für H 2
Nutzfahrzeuge Am nützlichsten für Lieferfahrzeuge in der Stadt – kurze Reichweiten und häufige Stopps In der frühen Einführungsphase – wird wahrscheinlich in der Zukunft bei der Modellierung aktueller Fahrzeuge weit verbreitet sein

Batteriebetriebene Fahrzeuge

Der Nissan LEAF, der Chevrolet Bolt und Tesla sind allesamt batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs), die mindestens eine wiederaufladbare Batterie enthalten. Zum Aufladen können BEVs an eine normale Haushaltssteckdose angeschlossen werden, um mit einer Geschwindigkeit von ~2-5 Meilen pro Minute zu laden, oder an eine öffentliche Schnellladesteckdose, um mit einer Geschwindigkeit von ~25 Meilen pro Minute zu laden. Obwohl schnellere Lademethoden in Arbeit sind, bedeutet dies derzeit, dass BEVs, die zu Hause aufgeladen werden, mindestens 20 Minuten laden müssen, um 100 Meilen weit zu kommen. Da die meisten Autofahrer daran gewöhnt sind, in etwa 5 Minuten 300 Meilen weit zu fahren, kann dies etwas gewöhnungsbedürftig sein.

Aber für Menschen, die jeden Tag am selben Ort beginnen und enden, funktioniert es recht gut. Denken Sie an einen Pendler, der etwa 12.000 Meilen pro Jahr fährt, also etwa 33 Meilen pro Tag – er kann sein Fahrzeug problemlos über Nacht aufladen, so wie man ein Handy auflädt. BEVs sind auch eine praktikable Option für den kommerziellen Einsatz, z. B. im öffentlichen Nahverkehr und bei Lieferfahrzeugen, die eine geringere Kilometerleistung haben und häufig anhalten, da die Batterien den variablen Energiebedarf effizient verwalten können.

Herausforderungen in der Batterietechnologie

BEVs werden vor allem durch das Gewicht der Batterien selbst begrenzt. Während eine Verdopplung oder Verdreifachung der Benzinmenge (oder der Leistung einer Brennstoffzelle) die Reichweite verdoppelt bzw. verdreifacht, führt eine Erhöhung der Anzahl der Batterien schnell zu einem abnehmenden Ertrag. Große und/oder zusätzliche Batterien können auch für Nutzfahrzeuge mit maximal zulässigem Achsgewicht problematisch sein. Derzeit wird an leichteren, energieeffizienteren Batterien geforscht.

Es wird auch nach Lösungen für die langen Ladezeiten gesucht. Ein interessanter Forschungsbereich ist das induktive Laden, bei dem weniger Batterien benötigt werden, weil sie während des Betriebs des Fahrzeugs aufgeladen werden können.

Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge

Während BEVs wahrscheinlich keine gute Option für einen Roadtrip sind, sind es die weniger verbreiteten Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs). FCEVs sind wesentlich besser für den Schwerlastverkehr geeignet, sei es für Langstreckenfahrten oder für Fahrzeuge mit schweren Lasten.

Zum einen haben Brennstoffzellen eine viel höhere Energiedichte als Batterien, so dass der Wasserstofftank viel kompakter und leichter sein kann als die entsprechenden voll aufgeladenen Batterien es wären. (Zur Veranschaulichung: eine 60 Pfund schwere Bleibatterie speichert etwa 80 Ah Strom, während ein 20 Pfund schwerer Propantank mit einer 30 Pfund schweren Brennstoffzelle etwa 3400 Ah Strom erzeugt). FCEVs sind außerdem in der Lage, in nur wenigen Minuten aufzutanken, ähnlich wie ein benzin- oder dieselbetriebenes Fahrzeug.

Herausforderungen in der Brennstoffzellentechnologie

Brennstoffzellen sind immer noch wesentlich teurer als Batterien oder Benzin – derzeit etwa 3,5 Mal so teuer wie das teuerste Benzin in den USA. Außerdem gibt es derzeit weniger Infrastruktur für FCEVs.

Einige dieser Kostenprobleme werden sich durch Größenvorteile lösen lassen, da Wasserstoff in der Herstellung und Verteilung billiger wird. Die Verfügbarkeit von Lithium und Platin für die Brennstoffzellen ist jedoch begrenzt, und es sind Recyclingverfahren für Brennstoffzellen erforderlich, damit sie eine wirklich grüne Lösung darstellen.

Entscheiden sich die Hersteller von Personenkraftwagen für BEVs oder FCEVs?

Im Jahr 2020 analysierten Horvath & Partners die Effizienz von BEVs und FCEVs und verglichen die für den Antrieb verbrauchte Energiemenge mit der als Wärme verlorenen Menge. Sie zeigten, dass BEVs einen Wirkungsgrad von 70-80 % haben, während FCEVs nur einen Wirkungsgrad von 25-35 % haben.

Es gibt Fahrzeughersteller auf beiden Seiten der Debatte zwischen BEVs und FCEVs. Alle Tesla-Fahrzeuge sind BEVs. Volkswagen entwickelt in erster Linie BEVs, setzt aber auch FCEVs für den Schwerlastverkehr, die Luftfahrt und die Schifffahrt ein. Und Honda, Hyundai und Toyota bewegen sich alle in Richtung FCEVs, da sie in der Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie vielversprechend sind.

Derzeit ist Kalifornien der einzige Bundesstaat, der über die nötige Infrastruktur für FCEVs verfügt – daher haben dort mehrere neue Entwicklungen stattgefunden. Im Jahr 2015 führte Toyota den Mirai, ein Familien-FCEV, in Kalifornien ein. Im Jahr 2018 verkaufte oder verleaste Honda 624 Clarity Fuel Cell Fahrzeuge und arbeitete mit Toyota und einer Tochtergesellschaft von Shell Oil zusammen, um Wasserstofftankstellen in Kalifornien zu errichten. Das FCEV von Hyundai hat eine größere Reichweite als jedes derzeit auf dem Markt befindliche BEV, und das Unternehmen sieht den Nordosten der USA als nächsten Markt für eine Expansion an.

Sind das wirklich grüne Lösungen?

Sowohl Batterie- als auch Brennstoffzellenfahrzeuge stoßen deutlich weniger Kohlenstoff in die Luft aus als herkömmliche Verbrennungsmotoren, aber sie sind keine perfekten Lösungen.

Batterien erfordern den Abbau von Kobalt, Lithium, Nickel und Kupfer, was eine Gefahr für die Sicherheit der Arbeiter und die Umwelt darstellt. Das Recycling von Batterien würde den Umfang des erforderlichen Abbaus begrenzen, erzeugt aber selbst große Mengen an Kohlendioxid (wenn auch deutlich weniger als unsere derzeitigen Verbrennungsmotoren).

Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge sind zwar insgesamt umweltfreundlicher, aber sowohl BEVs als auch FCEVs sind nur so grün wie die Energie, mit der sie betrieben werden. Einige BEVs werden mit Strom aus Wind- oder Sonnenenergie betrieben, andere wiederum sind nach wie vor auf Kohle angewiesen. Und der meiste Wasserstoff, der für FCEVs verwendet wird, wird immer noch aus Erdgas hergestellt. Damit eine dieser Lösungen wirklich grün ist, muss der Strom, mit dem sie betrieben werden, auf saubere, kohlenstoffneutrale Weise erzeugt werden.

Ein Denkanstoß: Opfern wir den kurzfristigen Umweltschutz?

In den meisten Teilen der Welt gibt es nur eine begrenzte Infrastruktur, um die Einführung von BEVs und FCEVs in großem Maßstab zu unterstützen – und der Aufbau dieser Infrastruktur wird wahrscheinlich keine kohlenstoffneutrale Anstrengung sein. Daher sollte man sich kurzfristig darauf konzentrieren, die Effizienz von Verbrennungsmotoren zu steigern, die die große Mehrheit der Verbraucher noch immer kauft und fährt, bis sie unweigerlich auslaufen.

Beide Technologien können bei emissionsfreien Fahrzeugen eine Rolle spielen

Brennstoffzellen erzeugen Energie, die in Batterien gespeichert und kontrolliert abgegeben werden kann, so dass sich diese Technologien gut für die Zusammenarbeit in allen Arten von Fahrzeugen eignen.

Die größte verbleibende Herausforderung ist der Aufbau der Infrastruktur zur Unterstützung einer oder beider Technologien, damit sie in großem Maßstab eingesetzt werden können. Beide werden derzeit in bestimmten Nischen eingesetzt, wobei batteriebetriebene Personenkraftwagen teuer sind, aber Marktanteile gewinnen, und Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge an Zugkraft gewinnen: zum Beispiel Gabelstapler, die in Lagerhäusern und Vertriebszentren (einschließlich denen von Amazon und Walmart) an Standorten im ganzen Land eingesetzt werden.