Sind Wasserstoff-Brennstoffzellen die Zukunft der Elektrofahrzeuge?

Die Einführung batterieelektrischer Fahrzeuge (BEVs) in Nordamerika scheint ins Stocken geraten zu sein. Mit schlechte Wiederverkaufswerte, teure Reparaturkostenund schwächelnde Infrastruktur, der Umsatz hat sich verlangsamt – deutlich. Es kam sogar zu einer Umkehrung der Entscheidung großer Vermieter wie Hertz, die sich dazu entschieden haben entlädt einen großen Teil der Elektrofahrzeuge in seiner Flotte, Rückkehr zu ihren Gegenstücken mit Verbrennungsmotoren (ICE).

Auch wenn dies der Fall sein mag, wäre es verrückt zu glauben, dass der Übergang von etwas so Allgegenwärtigem wie dem ICE nahtlos vonstatten gehen würde. Es würde immer Rückschläge geben und es würden immer berechtigte Fragen zu den Vorzügen von Elektrofahrzeugen aufkommen.

Unterm Strich ist die Umstellung auf Elektrofahrzeuge nicht nur ein Wunsch einiger weniger, sondern eine Notwendigkeit vieler im Kampf gegen den Klimawandel. Doch wenn die aktuelle Generation von Elektrofahrzeugen dieser Aufgabe nicht gewachsen ist, welche anderen Optionen bleiben uns dann? Viele sehen die Antwort in einer Lösung, über die schon seit Jahren nachgedacht wird und die in jüngster Zeit entscheidende Fortschritte erzielt hat: Wasserstoff-Elektrofahrzeuge (HEVs).

Verbesserung der Haltbarkeit von Wasserstoff-Brennstoffzellen

Im aktuellen YouTube Studie¹hat ein gemeinsames Forschungsteam aus Wissenschaftlern der Harvard- und Incheon-Nationaluniversitäten einen neuen Ansatz für den Bau von Wasserstoff-Brennstoffzellen beschrieben, der sowohl zu einer verbesserten Haltbarkeit als auch zu einer längeren Lebensdauer führen würde.

Genauer gesagt wurde in der Studie die Entwicklung eines „Kategorie ermüdungsbeständiger Elektrolytmembranen, bestehend aus einem sich gegenseitig durchdringenden Netzwerk aus Nafion und Perfluorpolyether (PFPE).“ Es wurde festgestellt, dass die typische Ermüdung, die sich in Form von Spannungsbrüchen äußert, die bei regelmäßiger Nutzung von Brennstoffzellen auftreten, erheblich verringert werden kann.

Durch die Einbindung des Materials in Elektrolytmembranen innerhalb einer Brennstoffzelle zeigte die Studie, dass es die … erhöhte „…Ermüdungsschwelle um 175 % und verlängert die Lebensdauer der Brennstoffzelle um das 1.7-fache. Darüber hinaus weist die unmodifizierte Nafion-Membran eine Lebensdauer von auf 242 Stunden, wohingegen die Verbundmembran eine Lebensdauer von 410 Stunden hatte.“

Das Team stellte zwar fest, dass die Einführung dieses Materials die Leistung der Brennstoffzellen leicht beeinträchtigte, doch die deutliche Verbesserung der Haltbarkeit/Langlebigkeit ist eindeutig ein lohnender Kompromiss. Wenn Wasserstoff-Brennstoffzellen künftig ihre Batteriepack-Pendants im Elektrofahrzeugsektor ersetzen sollen, sind solche Fortschritte unabdingbar. Allerdings darf man nicht vergessen, dass sich nicht immer die beste Technologie durchsetzt. Der First-Mover-Vorteil ist real, und batteriebetriebene Elektrofahrzeuge liegen trotz des jüngsten Markteinbruchs klar vorne.

Was sind Wasserstoff-Elektrofahrzeuge (HEVs)?

Ein Elektrofahrzeug ist ein Fahrzeug, das auf elektrisch angetriebenen Motoren basiert und nicht auf einem Motor, der durch die Verbrennung von Kraftstoff angetrieben wird. Derzeit verwendet die überwiegende Mehrheit der Elektrofahrzeuge schwere Batteriepakete, um den Strom zu speichern und für den Antrieb dieser Motoren bereitzustellen. Wie bereits erwähnt, gibt es einen anderen Ansatz für Elektrofahrzeuge, der offenbar an Bedeutung gewinnt: Wasserstoff-Brennstoffzellen.

Bei Wasserstoff-Elektrofahrzeugen (HEVs), manchmal auch Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) genannt, wird der für den Antrieb der Motoren erforderliche Strom durch eine elektrochemische Reaktion bereitgestellt, bei der Wasserstoff, der entweder als Flüssigkeit oder als komprimiertes Gas gespeichert ist, in Protonen gespalten wird und Elektronen. Der gesamte Prozess funktioniert wie folgt:

1. In einem Hochdrucktank gespeicherter Wasserstoff wird bei Bedarf an eine Brennstoffzelle abgegeben.
2. Der in die Brennstoffzelle eingebrachte Wasserstoff wird in Protonen und Elektronen gespalten.
3. Mithilfe von Elektronen werden Motoren angetrieben, die wiederum Räder antreiben.
4. Protonen verbinden sich mit Sauerstoff in der Luft und erzeugen zwei Nebenprodukte: Wärme und Wasserdampf.

Interessanterweise nutzen einige wenige Hybrid-HEVs einen kleineren Batteriesatz, um verlorene Energie durch regeneratives Bremsen zu nutzen und so das Beste aus beiden Welten zu vereinen.

Was ist der Reiz von Wasserstoff?

Die Anziehungskraft von HEVs ist vielfältig, aber beträchtlich, auch wenn dies auch bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen der Fall ist. Auch wenn batteriebetriebene Varianten derzeit den Markt dominieren, gelten sie keineswegs als die beste Lösung. Tatsächlich deutet jeder der folgenden Faktoren darauf hin, dass HEVs in irgendeiner Weise überlegen sind.

Erzeugung und Speicherung: Batteriepakete bestehen typischerweise aus Materialien, die bei großen, invasiven Bergbaubetrieben gesammelt werden, die verheerende Auswirkungen auf die Erde haben und die Annahme untergraben, dass ihre Verwendung gut für die Umwelt ist. Wasserstoff hingegen kann möglicherweise durch nachhaltige Elektrolyse gewonnen werden natürlich vorkommende Reserven.

Darüber hinaus kann Wasserstoff leicht zu einer Flüssigkeit komprimiert und in großen Mengen problemlos transportiert werden. Ab dem Zeitpunkt der Erstellung sind keine Übertragungsleitungen erforderlich, was den Prozess flexibler macht.

Eigenschaften: Aus Leistungssicht gibt es keinen großen Unterschied zwischen HEVs und BEVs. Beide Fahrzeugtypen verwenden Motoren, um ihre Antriebsräder anzutreiben, was bedeutet, dass beide vom sofortigen Drehmoment und der sofortigen Leistung profitieren, die für diese Technologie typisch sind.

Emissionen: Im Hinblick auf die Emissionen ist Wasserstoff wohl besser. Obwohl es sich technisch gesehen um einen sekundären Emittenten handelt, kommt es dabei nur zu Wasserdampf, der aus dem Endrohr austritt. Mittlerweile haben BEVs überhaupt keine Emissionen. Was Wasserstoff auszeichnet, liegt im Herstellungsprozess, da die Herstellung der Batteriepakete, auf die es verzichtet, aufwändigen Bergbau erfordert und dabei die Erde schädigt.

Tanken: Das Auftanken ist einer der größten Anreize für Wasserstoff, da es sich um einen Faktor handelt, mit dem Endverbraucher regelmäßig aus erster Hand zu tun haben. Während BEVs in der Regel lange Ladezeiten und eine spezielle Infrastruktur erfordern, können HEVs genauso schnell tanken wie ein normales Benzin-/Dieselfahrzeug.

Reichweite: Obwohl sich die Batterietechnologie verbessert, ist ein riesiges Batteriepaket erforderlich, damit ein BEV die gleiche Reichweite wie herkömmliche Verbrennungsmotoren erreichen kann. Dies führt zu längeren Ladezeiten, einem größeren ökologischen Fußabdruck und gewichtsbedingten Effizienzverlusten. Wasserstoff hingegen weist Reichweitenwerte auf, die in der Regel denen von Verbrennungsmotoren ebenbürtig sind, sodass die Reichweitenangst gänzlich entfällt.

Kaltes Klima: Ein Teil der Reichweitenangst, die BEV-Besitzer plagt, ist auf die Region zurückzuführen. Nur wenige Orte verfügen über ideale klimatische Bedingungen für ein BEV, was für viele Kunden zu einer drastisch reduzierten Reichweite führt. Obwohl Wasserstoff bei kaltem Wetter etwas an Reichweite einbüßt, ist dies bei weitem nicht so dramatisch, was ihn für viele zu einer attraktiveren Option macht.

Wie Sie sehen, gibt es verschiedene kritische Bereiche, in denen HEVs ihre Batteriepack-Varianten übertreffen können. Der Punkt, an dem sie hinterherhinken, ist die Komplexität, die Notwendigkeit der Nachrüstung bestehender Tankstelleninfrastruktur und die mögliche Einführung von Festkörperbatterien.

Branchenakteure entwickeln Wasserstofflösungen

Die Elektrofahrzeugbranche erlebt derzeit zwar einige Hürden, doch klar ist: Sie sind die Zukunft des Transports. Weniger klar ist jedoch, welche Form Elektrofahrzeuge annehmen werden. Werden sie batteriebetrieben sein? Oder werden sie auf Wasserstoff-Brennstoffzellen basieren? Die folgenden beiden Unternehmen setzen auf Letzteres und haben bereits mit der Planung für eine solche Zukunft begonnen.

*Die unten angegebenen Zahlen waren zum Zeitpunkt der Erstellung korrekt und können sich ändern. Jeder potenzielle Investor sollte die Kennzahlen überprüfen*

1. Toyota

Als weltgrößter Automobilhersteller dürfte es keine Überraschung sein, dass Toyota sich in den Bereich der Hybridelektrofahrzeuge (HEVs) wagt. Interessanterweise entwickelt das Unternehmen zwar aktiv Festkörperbatterielösungen, lehnt die heutigen batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge jedoch ab. Stattdessen hat Toyota erklärt, dass man von einer besseren Zukunft mit HEVs und sogar Wasserstoff-Verbrennungsmotoren ausgeht.

Toyota begann 1992 mit der Entwicklung der HEV-Technologie und brachte daraufhin den „Mirai“ auf den Markt – eine Limousine, die in nur 5 Minuten betankt werden kann, eine Reichweite von 650 km hat und keinerlei Schadstoffemissionen verursacht.

2. Steckdose

(PLUG )

Plug Power Inc. wurde 1997 gegründet und hat seinen Hauptsitz in Latham, New York, und bleibt ein wichtiger Akteur bei der Weiterentwicklung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie. Bemerkenswert ist, dass sich Plug Power nicht nur auf Autos und Lastwagen konzentriert; Das Unternehmen entwickelt und fertigt solche Systeme für kleinere Anlagen, die Elektromotoren nutzen.

In den letzten Jahren hat Plug Power seinen Fokus über Brennstoffzellen für den Materialtransport hinaus erweitert und beginnt, breitere Märkte anzusprechen. Dazu gehören stationäre Stromversorgungssysteme, Lieferfahrzeugflotten und sogar potenzielle Anwendungen in der Luftfahrt. Strategische Akquisitionen des Unternehmens, wie die von United Hydrogen und Giner ELX, haben seine Position in der Wasserstoffwirtschaft weiter gestärkt, indem sie seine Kapazitäten in den Bereichen Wasserstofferzeugung, -verflüssigung und -verteilung erweitert haben.

Schlusswort

Da batteriebetriebene Elektrofahrzeuge ins Stocken geraten, wird der Fokus stärker auf mögliche Alternativen gelegt. Derzeit stehen Wasserstofflösungen an erster Stelle, und obwohl man die Technologie auf den ersten Blick leicht abtun kann, bedenken Sie, dass nicht nur Toyota auf Wasserstoff drängt. Es bestehen bereits Partnerschaften und die Entwicklung von Wasserstofflösungen mit Unternehmen wie Honda, GM, Hyundai und anderen.

Da der Zugang zu nachhaltig gewonnenem Wasserstoff täglich zunimmt, könnte die Zukunft von Elektrofahrzeugen etwas anders aussehen, als viele glauben.

Zitierte Studien:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, DY, Lee, WY, Choi, W., Kim, DJ, Lee, SH, Jeong, SK, Park, JH, Park, S., & Kim, JY (2024). Ermüdungsbeständige Elektrolytmembranen für langlebige Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen. Fortgeschrittene Materialien, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}