Sind Wasserstoff‑Brennstoffzellen die Zukunft der Elektrofahrzeuge?

Die Einführung von batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) in Nordamerika scheint auf ein Hindernis gestoßen zu sein. Mit schlechten Wiederverkaufswerten, teuren Reparaturkosten und einer zurückbleibenden Infrastruktur haben die Verkäufe deutlich nachgelassen. Es gab sogar Entscheidungsumkehrungen großer Mietwagenunternehmen wie Hertz, die beschlossen haben, einen großen Teil ihrer EV‑Flotte abzubauen und zu ihren Verbrennungsmotor‑Fahrzeugen (ICE) zurückzukehren.

Auch wenn das der Fall sein mag, wäre es verrückt zu denken, dass der Übergang von etwas so Allgegenwärtigem wie dem ICE reibungslos erfolgen könnte. Es würde immer Rückschläge geben, und es würden stets berechtigte Fragen zu den Vorzügen von EVs gestellt werden.

The bottom line is that the shift toward EVs isn’t just a desire by the few; it is a need by the many in the fight against climate change. However, if the current generation of EVs isn’t up to the task, what other options do we have? For many, the answer is one that has been mulled over for many years now and has recently seen critical advancements – Hydrogen Electric Vehicles (HEVs).

Verbesserung der Haltbarkeit von Wasserstoff‑Brennstoffzellen

In einer kürzlich veröffentlichten Studie¹ beschrieb ein gemeinsames Forschungsteam aus Wissenschaftlern der Harvard- und der Incheon National University einen neuen Ansatz zum Bau von Wasserstoff‑Brennstoffzellen, der sowohl die Haltbarkeit als auch die Lebensdauer verbessern würde.

Genauer gesagt beobachtete die Studie die Entwicklung einer „Kategorie von ermüdungsbeständigen Elektrolytmembranen, bestehend aus einem interpenetrierenden Netzwerk aus Nafion und Perfluorpolyether (PFPE)“. Bei Anwendung wurde festgestellt, dass die übliche Ermüdung, die sich als Spannungsrisse während des regulären Betriebs von Brennstoffzellen äußert, stark reduziert werden kann.

Durch die Integration des Materials in die Elektrolytmembranen einer Brennstoffzelle zeigte die Studie, dass es die „…Ermüdungsschwelle um 175 % erhöht und die Lebensdauer der Brennstoffzelle um das 1,7‑fache verlängert. Zusätzlich weist die unbehandelte Nafion‑Membran eine Lebensdauer von 242 Stunden auf, während die Verbundmembran eine Lebensdauer von 410 Stunden zeigte.“

Obwohl das Team feststellte, dass die Einführung dieses Materials die Leistung der Brennstoffzellen leicht verschlechtert, ist die erstaunliche Verbesserung in Haltbarkeit/Langlebigkeit eindeutig ein lohnenswerter Kompromiss. Wenn Wasserstoff‑Brennstoffzellen künftig ihre batteriebasierten Gegenstücke im EV‑Sektor ersetzen sollen, müssen solche Fortschritte erzielt werden. Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass die beste Technologie nicht immer die Oberhand gewinnt. Der Vorteil des Erstanbieters ist real, und batteriebetriebene EVs führen eindeutig, trotz eines jüngsten Marktrückgangs.

Was sind Wasserstoff‑Elektrofahrzeuge (HEVs)?

Ein Elektrofahrzeug ist eines, das von Elektromotoren angetrieben wird, die Strom nutzen, anstatt von einem Motor, der durch Verbrennung von Kraftstoff betrieben wird. Derzeit nutzt die überwältigende Mehrheit der Elektrofahrzeuge schwere Batteriepacks, um den Strom zu speichern und an die Motoren zu liefern. Wie bereits erwähnt, gibt es einen anderen Ansatz für EVs, der an Fahrt zu gewinnen scheint – Wasserstoff‑Brennstoffzellen.

In Wasserstoff‑Elektrofahrzeugen (HEVs), manchmal auch Brennstoffzellen‑Elektrofahrzeuge (FCEVs) genannt, wird der zur Stromversorgung der Motoren benötigte Strom durch eine elektrochemische Reaktion bereitgestellt, bei der Wasserstoff, gespeichert als Flüssigkeit oder komprimiertes Gas, in Protonen und Elektronen gespalten wird. Der gesamte Prozess funktioniert wie folgt:

1. Wasserstoff, der in einem Hochdrucktank gespeichert ist, wird bei Bedarf an eine Brennstoffzelle abgegeben.
2. Wasserstoff, der in die Brennstoffzelle eingeführt wird, wird in Protonen und Elektronen gespalten.
3. Elektronen werden genutzt, um die Motoren zu betreiben, die dann die Räder antreiben.
4. Protonen verbinden sich mit Sauerstoff aus der Luft und erzeugen zwei Nebenprodukte: Wärme und Wasserdampf.

Interessanterweise nutzen einige wenige hybride HEVs einen kleineren Batteriepacks, um durch regeneratives Bremsen verlorene Energie zurückzugewinnen, und kombinieren so das Beste aus beiden Welten.

Was macht Wasserstoff attraktiv?

Erzeugung und Speicherung: Batteriepacks bestehen typischerweise aus Materialien, die durch große, invasive Bergbauoperationen gewonnen werden und der Erde erheblichen Schaden zufügen, was die Annahme untergräbt, dass ihre Nutzung umweltfreundlich ist. Wasserstoff hingegen kann durch Verfahren wie nachhaltige Elektrolyse gewonnen werden und möglicherweise natürlich vorkommende Reserven besitzen.

Darüber hinaus kann Wasserstoff leicht zu einer Flüssigkeit komprimiert und in großen Mengen problemlos transportiert werden. Er benötigt keine Leitungen vom Erzeugungsort, was den Prozess flexibler macht.

Leistung: Aus Leistungssicht gibt es keinen großen Unterschied zwischen HEVs und BEVs. Beide Fahrzeugtypen nutzen Motoren, um ihre Antriebsräder zu bewegen, sodass beide von dem sofortigen Drehmoment und der Leistung profitieren, die mit der Technologie verbunden sind.

Emissionen: In Bezug auf Emissionen ist Wasserstoff zweifellos besser. Während er technisch ein sekundärer Emittent ist, besteht dies lediglich aus Wasserdampf, der aus dem Auspuff kommt. Im Gegensatz dazu haben BEVs überhaupt keine Emissionen. Wasserstoff unterscheidet sich vor allem im Herstellungsprozess, da die Batteriepacks, die er ersetzt, umfangreichen Bergbau erfordern, der die Erde schädigt.

Betankung: Die Betankung ist einer der größten Vorteile von Wasserstoff, da Endnutzer damit regelmäßig konfrontiert werden. Während BEVs typischerweise lange Ladezeiten und spezielle Infrastruktur benötigen, können HEVs so schnell betankt werden wie ein herkömmliches Benzin‑/Dieselfahrzeug.

Reichweite: Obwohl die Batterietechnologie Fortschritte macht, erfordert ein BEV, um dieselbe Reichweite wie ein herkömmlicher Verbrennungsmotor zu erreichen, einen riesigen Batteriepacks. Das führt zu längeren Ladezeiten, einem größeren ökologischen Fußabdruck und Effizienzverlusten durch das Gewicht. Wasserstoff hingegen bietet Reichweiten, die typischerweise mit denen von ICE vergleichbar sind, wodurch Reichweitenangst vollständig entfällt.

Kalte Klimazonen: Ein Teil der Reichweitenangst, die BEV‑Besitzer plagt, hängt von der Region ab. Nur wenige Orte bieten ideale Klimabedingungen für ein BEV, was bei vielen Kunden zu einer stark verringerten Reichweite führt. Während Wasserstoff bei Kälte etwas Reichweite verliert, ist dies bei weitem nicht so dramatisch, was ihn für viele zu einer attraktiveren Option macht.

Wie Sie sehen können, gibt es verschiedene kritische Bereiche, in denen HEVs ihre batteriebasierten Varianten übertreffen können. Wo sie jedoch zurückfallen, ist die Komplexität, der Bedarf an Nachrüstung der bestehenden Betankungsinfrastruktur und das mögliche Aufkommen von Festkörperbatterien.

Branchenakteure, die Wasserstofflösungen entwickeln

Die EV‑Industrie erlebt derzeit einige Stolpersteine, aber es bleibt klar, dass sie die Zukunft des Transports darstellen. Unklar ist jedoch, welche Form EVs annehmen werden. Werden sie batteriebetrieben sein? Oder werden sie auf Wasserstoff‑Brennstoffzellen setzen? Das folgende Unternehmen‑Paar setzt auf Letzteres und hat bereits mit der Planung einer solchen Zukunft begonnen.

*Die nachstehenden Zahlen waren zum Zeitpunkt der Erstellung korrekt und können sich ändern. Potenzielle Investoren sollten die Kennzahlen überprüfen*

1. Toyota

Als der weltweit größte Automobilhersteller ist es nicht überraschend, dass Toyota in den Bereich der HEVs vorgedrungen ist. Interessanterweise, während das Unternehmen aktiv Festkörperbatterielösungen entwickelt, hat Toyota die heutigen Batterie‑EVs zurückgewiesen. Stattdessen hat Toyota deutlich gemacht, dass es an eine hellere Zukunft mit HEVs und sogar Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren glaubt.

Bemerkenswert ist, dass Toyota bereits 1992 mit der Entwicklung von HEV‑Technologie begann, was zur Einführung des ‘Mirai’ führte – einer Limousine, die eine 5‑minütige Betankung, 650 km Reichweite und null schädliche Emissionen bietet.

2. Plug Power

(PLUG )

Plug Power Inc., 1997 gegründet und mit Sitz in Latham, New York, bleibt ein wichtiger Akteur bei der Weiterentwicklung der Wasserstoff‑Brennstoffzellentechnologie. Bemerkenswert ist, dass sich Plug Power nicht ausschließlich auf Autos und Lastwagen konzentriert; das Unternehmen entwirft und fertigt solche Systeme für kleinere Installationen, die Elektromotoren nutzen.

In den letzten Jahren hat Plug Power seinen Fokus über Brennstoffzellen für den Materialumschlag hinaus erweitert und beginnt, breitere Märkte anzuvisieren. Dazu gehören stationäre Energiesysteme, Flotten von Lieferfahrzeugen und sogar potenzielle Anwendungen in der Luftfahrt. Die strategischen Übernahmen des Unternehmens, wie United Hydrogen und Giner ELX, haben seine Position in der Wasserstoffwirtschaft weiter gestärkt, indem sie seine Fähigkeiten in der Wasserstofferzeugung, -verflüssigung und -verteilung verbessert haben.

Abschließendes Wort

Da batteriebetriebene EVs ins Stocken geraten, wird verstärkt auf mögliche Alternativen gesetzt. Derzeit stehen Wasserstofflösungen an vorderster Front, und obwohl es leicht fällt, die Technologie auf den ersten Blick abzutun, sollte man nicht vergessen, dass nicht nur Toyota für Wasserstoff eintritt. Partnerschaften und Entwicklungen von Wasserstofflösungen mit Unternehmen wie Honda, GM, Hyundai und anderen existieren bereits.

Mit dem täglichen wachsenden Zugang zu nachhaltig gewonnenem Wasserstoff könnte die Zukunft der EVs etwas anders aussehen, als viele vermuten.

Studienreferenzen:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, D. Y., Lee, W. Y., Choi, W., Kim, D. J., Lee, S. H., Jeong, S. K., Park, J. H., Park, S., & Kim, J. Y. (2024). Ermüdungsbeständige Elektrolytmembranen für langlebige Polymer‑Elektrolyt‑Membran‑Brennstoffzellen. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}