Energie
Wasserstofffahrzeuge könnten die Zukunft des Transports darstellen – Gibt es Grund zur Sorge um die Sicherheit?
Wasserstofffahrzeuge oder wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge haben sich seit 2015 als Phänomen herausgebildet. Obwohl es noch zu früh ist, die Zukunft von Wasserstofffahrzeugen vorherzusagen, lässt sich nicht leugnen, dass das Interesse an ihnen spürbar, aber schwankend ist.
Zwischen 2022 und 2023 verzeichnete die Anzahl der wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen‑Elektrofahrzeuge einen Rückgang von 20.704 auf 14.451. Ein jährlicher Rückgang reicht nicht aus, um einen Trend im Verbraucherinteresse an Wasserstofffahrzeugen zu etablieren. Es gibt jedoch Diskussionen auf beiden Seiten. Während ein Wasserstofffahrzeug viele Vorteile bietet, gibt es auch zahlreiche Diskussionen darüber, wie sicher ein Wasserstofffahrzeug ist. In den folgenden Abschnitten werden wir beide Aspekte von Wasserstofffahrzeugen betrachten.
Die Einzigartigkeit von Wasserstofffahrzeugen
Obwohl sie ein Elektrofahrzeug sind, benötigen Wasserstofffahrzeuge keine eingebauten Batterien. Sie besitzen ein eigenes Kraftwerk an Bord, das den Wasserstoff aus dem Tank in Strom umwandeln kann. Wasserstoffautos fahren mit null lokalen Emissionen.
Der bislang größte Vorteil ist jedoch die kurze Betankungszeit. Im Gegensatz zu anderen Elektrofahrzeugen ist das Laden von Wasserstofffahrzeugen nicht von Modell und Infrastruktur abhängig. Es verfügt über eine lange Batteriekapazität, und seine Reichweite ist nicht von der Außentemperatur abhängig, wodurch eine Verschlechterung bei Kälte ausgeschlossen wird.
Wasserstoff ist zudem ein hocheffizienter Weg, erneuerbare Energie zu speichern und zu transportieren, und seine Nutzung trägt langfristig zur Kostensenkung bei.
Während die Vorteile für alle erkennbar sind, weisen einige Studien auch auf das Risiko‑ und Schadenspotenzial hin. Wir werden heute speziell einen Fall betrachten, in dem ein Team der TU Graz das Risiko‑ und Schadenspotenzial von Wasserstofffahrzeugen in Tunneln analysiert hat. Die Studie hat zudem einige Empfehlungen ausgesprochen.
Das Risiko‑ und Schadenspotenzial von Wasserstofffahrzeugen: Wie Risiken minimiert werden können
Im Rahmen seines HyTRA‑Projekts hat die Technische Universität Graz mehrere Aspekte untersucht, die riskant sein könnten. Die Studie bewertete mögliche Vorfallsarten, Gefahren für Personen und die Tunnelstruktur und empfahl Maßnahmen, die zur Minimierung dieser Risiken ergriffen werden könnten.
Während die Forscher festgestellt haben, dass die Wahrscheinlichkeit von Unfällen mit wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen in einem Tunnel gering ist, stellt die hohe Energiedichte von Wasserstoff und sein erheblicher Lagerdruck ein signifikantes Risiko für umfangreiche Schäden dar.
Die Speicherung von Wasserstoff in Autotanks bei einem Druck von 700 bar kann zu einer schnellen Freisetzung großer Energiemengen führen. Wird er entzündet, kann Wasserstoff bei Temperaturen über 2000 Grad Celsius verbrennen. Hersteller konstruieren die Tanks robust und gut gegen mechanische Einwirkungen geschützt; jedoch reichen sie bei Situationen wie Heckaufprall mit großen Lastwagen nicht aus.
Im Großen und Ganzen gibt es drei Gefahrenszenarien, die als Ergebnis einer solchen Kollision auftreten können.
Im ersten Fall könnte das thermische Druckentlastungsventil (TPRD) aktiviert werden, wenn der Druck durch einen thermischen Aufprall steigt, und Wasserstoff in einem kontrollierten Strahl aus dem Tank freisetzen. Dieser Mechanismus hilft, den Druck auf einem sicheren Niveau zu halten und ein Platzen des Tanks zu verhindern. Dennoch kann dies gefährlich sein, wenn der freigesetzte Wasserstoff mit Luft vermischt und entzündet wird. Die Gefahrenzone würde jedoch begrenzt bleiben.
Dieses Szenario verschlimmert sich, wenn das thermische Druckentlastungsventil versagt, was zu einer Explosion des Tanks führen kann. Die resultierende Druckwelle könnte sich über den gesamten Kanal ausbreiten. Das Todesrisiko erstreckt sich bis zu etwa 30 Meter, während die Wahrscheinlichkeit schwerer innerer Verletzungen bis zu 300 Meter reicht. Weiter entfernt besteht weiterhin das Risiko von geplatzten Trommelfellen.
Im dritten Szenario, dem unwahrscheinlichsten, wird Wasserstoff zunächst ohne Zündung freigesetzt. Als leichtestes Element im Periodensystem steigt das Gas auf und sammelt sich als Wolke unter der Tunneldecke. Befindet sich eine Zündquelle, wie heiße Lampen oder ein elektrischer Impuls, kann dies eine Explosion der Wasserstoffwolke auslösen und eine erhebliche Druckwelle erzeugen.
Die Ermittler des Risikoszenarios schlugen eine Reihe von Minderungsstrategien vor. Das Team empfahl die Einführung strengerer Geschwindigkeitsbegrenzungen, die über Abschnittskontrollen überwacht werden. Außerdem rieten sie zu präzisen Abstandskontrollstrategien, unterstützt durch ein robustes Signalisierungssystem, das Fahrer warnt, wenn sie zu dicht folgen.
Bei der Diskussion über die Risiken und das Schadenspotenzial von Wasserstofffahrzeugen vergaß das TU‑Graz‑Team nicht, den Kontext zu erwähnen, in dem sie operieren, und wie ihr Risiko‑ und Schadenspotenzial gemessen wird.
„Moderne Wasserstofftanks sind so sicher gebaut, dass vieles schiefgehen muss, damit Wasserstoff entweicht.“
– Daniel Fruhwirt, Institut für Thermodynamik und nachhaltige Antriebssysteme an der TU Graz
Der Vorstoß zu Wasserstofffahrzeugen
Forscher prognostizieren in den kommenden Jahren einen deutlichen Anstieg der Akzeptanz von Wasserstofffahrzeugen. Branchenforscher und Analysten schätzen, dass die weltweit im Einsatz befindliche Zahl der Wasserstofffahrzeuge bis 2027 eine Million überschreiten wird, gegenüber etwas über 60.000 im Jahr 2022, was einem Anstieg von mehr als 1.500 % entspricht. Der Verbrauchermarkt wird voraussichtlich das führende Segment im Bereich der Wasserstofffahrzeuge sein und bis 2027 mehr als 60 % ausmachen.
Es gibt staatliche Initiativen, die Brennstoffzellenfahrzeuge fördern. Zum Beispiel hat das Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, eine Einheit des Department of Energy, 2013 H2USA ins Leben gerufen. In ihrer offiziellen Erklärung sagten die Regierungsbehörden Folgendes über H2USA’s mission:
„Die Mission von H2USA ist es, die Einführung und weitverbreitete Akzeptanz von Brennstoffzellen‑Elektrofahrzeugen in ganz Amerika zu fördern. Mitglieder sind Bundesbehörden, der Fachverband für Brennstoffzellen, Automobilhersteller, Wasserstofflieferanten, Brennstoffzellenentwickler, nationale Labore und weitere Interessengruppen. Die Zusammenarbeit bietet den Vereinigten Staaten eine Plattform, die den öffentlich‑privaten Kooperationen in anderen Ländern, die sich auf Wasserstoff konzentrieren, ähnlich ist, insbesondere Deutschland, Japan und das Vereinigte Königreich.“
Berichten zufolge hat H2USA inzwischen mehr als 30 Teilnehmer.
Abgesehen von staatlichen Initiativen gibt es zahlreiche Forschungsprojekte zur Leistungssteigerung, die das Interesse und Vertrauen potenzieller Verbraucher für Wasserstoff‑Brennstoffzellenfahrzeuge stärken.
Zum Beispiel entwickelte eine kürzlich von einem Forscherteam der Harvard University und der Incheon National University durchgeführte Studie einen Ansatz zum Bau von Brennstoffzellen, die sowohl in Bezug auf Haltbarkeit als auch Lebensdauer hohe Werte erzielen. Die Studie konzentrierte sich auf die Entwicklung einer Kategorie von ermüdungsbeständigen Elektrolytmembranen, die aus einem durchdringenden Netzwerk von Nafion und Perfluorpolyether (PFPE) bestehen. Das Team stellte eine leichte Leistungsverschlechterung der Brennstoffzelle fest, dafür jedoch eine „erstaunliche Verbesserung in Haltbarkeit/Langlebigkeit“.
Eine weitere spannende Entwicklung, die insbesondere für die Hersteller ermutigend ist, ist die Einführung spezialisierter Enzyme in erschöpfte Ölbohrungen. Diese Enzyme zersetzen verbleibende Kohlenwasserstoffe in verschiedene Bestandteile, darunter Wasserstoff. Dieser Fortschritt könnte dazu führen, dass unzählige erschöpfte und aufgegebene Ölbohrungen weltweit zu Quellen eines nachhaltigeren Kraftstoffs aus ihrer Tiefe werden – Wasserstoff.
Der Vorstoß zu Wasserstofffahrzeugen entspricht der Vision, künftig nachhaltigere Transportalternativen zu schaffen, die möglicherweise sogar nachhaltiger sind als Elektrofahrzeuge (EVs). Das liegt daran, dass EVs die Nachhaltigkeit nicht vollständig erreichen; ihr Emissionspotenzial hängt davon ab, wie der Strom erzeugt wird.
Viele Unternehmen entwickeln Lösungen für Wasserstofffahrzeuge und gehen davon aus, dass Regierungen und Verkehrsbehörden künftig vermehrt Wasserstofffahrzeuge gegenüber EVs bevorzugen werden. In den folgenden Abschnitten diskutieren wir einige dieser Unternehmen.
#1. Ultium-Plattform und HYDROTEC‑Brennstoffzellen‑Power‑Cubes von General Motors
Die GM Hydrotec Brennstoffzellentechnologie behauptet, eine erschwingliche Brennstoffzellen‑Energielösung für Land-, Luft‑ und Marineanwendungen zu sein. Im Jahr 2021 kündigten die Wabtec Corporation (NYSE: WAB) und General Motors (NYSE: GM) eine Zusammenarbeit an, um die Ultium‑Batterietechnologie von GM und die HYDROTEC‑Wasserstoff‑Brennstoffzellensysteme für Wabtec‑Lokomotiven zu entwickeln und zu kommerzialisieren.
Während er über den Mehrwert sprach, den GMs Lösungen für Wabtec bringen würden, sagte der CEO und Präsident von Wabtec, Rafael Santana, Folgendes:
„Unsere FLXdrive‑Lokomotive, die weltweit erste zu 100 % batteriebetriebene Lokomotive, hat ihr Potenzial bewiesen, die CO₂‑Emissionen um bis zu 30 % zu senken, wenn sie mit 6 MWh betrieben wird. Aber wir können hier nicht stoppen. Durch die Zusammenarbeit mit GM an der Ultium‑Batterie und den HYDROTEC‑Wasserstoff‑Brennstoffzellentechnologien können wir den Weg der Eisenbahnindustrie zur Dekarbonisierung und zu emissionsfreien Lokomotiven beschleunigen, indem wir diese beiden wichtigen Antriebstechnologien nutzen.“
GMs Hydrotec‑Lösung bietet kompakte und leicht verpackbare Brennstoffzellen‑Power‑Cubes für ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich Lokomotiven. Ultium ist die Batterietechnologie, die die Flexibilität, Effizienz, Leistung und Zuverlässigkeit liefert, die Schienen benötigen.
Im Jahr 2021 ging General Motors zudem eine Zusammenarbeit mit Liebherr‑Aerospace ein, um ein Demonstrationssystem zur Wasserstoff‑Brennstoffzellen‑Stromerzeugung für Flugzeuge zu entwickeln. Im nächsten Jahr beschloss GM, mit seiner Hydrotec‑Lösung über den Fahrzeug‑ und Automobilbereich hinauszugehen.
Das Unternehmen kündigte seine Pläne an, mehrere HYDROTEC‑basierte Stromgeneratoren zu entwickeln, die von GMs Generation‑2‑HYDROTEC‑Brennstoffzellen‑Power‑Cubes angetrieben werden. Dazu gehören:
- Ein mobiler Stromgenerator (MPG), der Schnellladefähigkeiten für Elektrofahrzeuge bietet, ohne permanente Ladestationen zu installieren.
- Das EMPOWER‑Schnellladegerät, das Einzelhandels‑Tankstellen ermöglicht, erschwingliches DC‑Schnellladen hinzuzufügen, ohne das Netz zu erweitern.
- Ein palettiertes MPG, das still und effizient Militärlager und -einrichtungen mit Strom versorgt.
(GM )
Für das Geschäftsjahr 2023, meldete GM einen Umsatz von 171,8 Milliarden US‑Dollar, wobei das den Aktionären zugeordnete Nettoergebnis über 10 Milliarden US‑Dollar lag und das bereinigte EBIT 12 Milliarden US‑Dollar betrug.
#2. Cellcentric: Eine 50:50‑Zusammenarbeit zwischen Daimler und Volvo
Cellcentric, ein 50:50 Joint Venture zwischen der Volvo Group und der Daimler Truck AG, hat das Ziel, ein führender globaler Hersteller von Brennstoffzellen zu werden, um der Welt zu helfen, das Ziel einer neutralen und nachhaltigen Mobilität bis 2050 zu erreichen.
Im Mai 2024 kündigte Cellcentric sein NextGen‑Brennstoffzellensystem an, eine für Langstrecken‑Lkw in Europa und Nordamerika maßgeschneiderte Lösung. Das System ist eine hochintegrierte, kompakte und leichtgewichtige Einzelsystem‑Lösung, die bei Spitzenleistung mehr als 350 kW liefern kann.
Laut den Schätzungen von Cellcentric wird die Lösung voraussichtlich einen Kraftstoffverbrauch von 20 % im Vergleich zur BZA150‑Generation einsparen. Das NextGen‑System weist zudem eine um 30 % höhere Leistungsdichte im Vergleich zur aktuellen Generation sowie eine um 40 % reduzierte Abwärme bei Spitzenlast auf, dank seines ausgeklügelten Systemdesigns und optimaler Leistung. Die Lösung reduziert zudem den Kühlbedarf und verbessert die Produktzuverlässigkeit.
Für das Gesamtjahr 2023, steigerte Volvo seinen Nettoumsatz um fast 80 Mrd. SEK auf 553 Mrd. SEK und das bereinigte Betriebsergebnis auf 77,6 Mrd. SEK (50,5), mit einer bereinigten operativen Marge von 14,0 % (10,7). Der Umsatz der Daimler Group stieg um 10 % auf ein Rekordniveau von 55,9 Mrd. € im Jahr 2023.
Die Zukunft von Wasserstoff‑Brennstoffzellenfahrzeugen
Insgesamt sieht die Zukunft von Wasserstofffahrzeugen vielversprechend aus, da ein wachsender globaler Bedarf an nachhaltigen Transportlösungen besteht. Um jedoch effizienter und sicherer zu werden, müssen Hersteller und Technologieforscher an allen Aspekten eines wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen‑Elektroautos arbeiten, einschließlich des Zellstapels, des Kraftstoffnachfüllsystems, des Tanks, des Controllers und des Thermalsystems.
Diese Fahrzeuge bieten mehrere Vorteile, darunter sofortiges Drehmoment und gleichmäßige, konstante Leistungsmerkmale, geringe Wartungsanforderungen, schnelle Betankung, null Emissionen und mehr. Allerdings müssen die Hersteller die Kosten weiter reduzieren.
Der Erwerb eines Brennstoffzellenautos kann teurer sein als vergleichbare konventionelle Fahrzeuge. In entwickelten Volkswirtschaften stehen jedoch mehrere Anreize zur Verfügung, wie zum Beispiel ein Rabatt von 4.500 $ (7.500 $ für einkommensberechtigte Käufer) vom California Clean Vehicle Rebate Project und weitere. Während diese Anreize die Akzeptanz und Sichtbarkeit kurzfristig steigern würden, wird der langfristige Erfolg nur von den gebotenen Sicherheits- und Leistungsstandards getrieben werden.
