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Q & A zu Wasserstoff
1. Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff stellt 75% der Gesamtmasse unseres Sonnensystems und ist das häufigste chemische Element im Universum. Zugleich ist Wasserstoff, bestehend aus einem Proton und einem Elektron, das Element mit der geringsten Atommasse. Meist tritt Wasserstoff in Form des zweiatomigen Moleküls «H 2 » auf.
Auf der Erde ist Wasserstoff deutlich seltener – und in der Natur üblicherweise nicht in reiner Form, sondern nur gebunden, also als Bestandteil grössere Moleküle, vorhanden. Die bekannteste und häufigste Wasserstoffverbindung ist das Wasser, weshalb Wasserstoff auch ein Bestandteil aller lebenden Organismen ist. Aber auch fast alle organischen Verbindungen sowie viele Mineralien enthalten Wasserstoff.
In reiner Form und unter normalen Druck- und Temperaturverhältnissen ist Wasserstoff ein farb- sowie geschmacks- und geruchsloses Gas.
Ein Kilogramm Wasserstoffgas hat ein Volumen von 11 Kubikmetern, ein Liter flüssiger Wasserstoff wiegt aber lediglich 70,8 Gramm – und beinhaltet rund dreimal mehr Energie als ein Kilogramm Diesel oder Benzin.
Reiner Wasserstoff muss unter hohem Druck oder flüssig transportiert werden. Letzteres bedingt extrem tiefe Temperaturen, da Wasserstoff erst bei - 253° Celsius zu einer Flüssigkeit kondensiert und erst bei - 259 °C kristallisiert. Zum Vergleich: Die tiefste Temperatur im Universum liegt bei - 273° C.
Wasserstoff kann wahlweise bei Drücken bis zu 800 bar in Druckbehältern aus kohlefaserverstärktem Kunststoff oder – in flüssiger Form – in vakuumisolierten Behältern gelagert und transportiert werden.
2. Wie wird Wasserstoff hergestellt?
Weltweit werden jährlich rund 50 Millionen Tonnen Wasserstoff hergestellt, vor allem für Industrieprozesse. Für ökologische Zwecke wie Wasserstoffautos wird nur ein verschwindend kleiner Bruchteil verwendet.
Üblicherweise wird Wasserstoff aus fossilen Energieträgern hergestellt, vor allem durch Dampfreformierung von Erdgas/Naphta, durch die partielle Oxidation von Schweröl oder durch Benzinreformierung und Kohlevergasung. Entsprechend ist industriell produzierter Wasserstoff keineswegs CO 2 -neutral.
Eine weitere Herstellungsmethode ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser mithilfe von Strom in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Allerdings werden aktuell nur rund 2% der gesamten Wasserstoffproduktion mithilfe der Wasser-Elektrolyse bewerkstelligt. Der Strom stammt dabei meist aus nicht erneuerbaren Energiequellen, weshalb auch der so produzierte Wasserstoff nicht CO 2 -neutral ist.
CO 2 -neutraler Wasserstoff entsteht, wenn die Elektrolyse mit nachhaltig produziertem Strom (Wasser-, Wind- oder Solarenergie) durchgeführt wird.
3. Was ist eine Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, in welcher sozusagen der Umkehrprozess der Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse stattfindet. In zahleichen sogenannten «Stacks» der Brennstoffzelle reagiert reiner Wasserstoff langsam und kontrolliert mit Luftsauerstoff zu Wasser. Bei dieser «kalten Verbrennung» (kalt = ohne Flamme) entsteht ein elektrischer Gleichstrom und etwas Wärme.
Im Gegenteil zur «normalen» Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgas- Reaktion) in einem Motor wird viel weniger Energie in Form nicht nutzbarer Wärme freigesetzt, weshalb die Brennstoffzelle einen viel höheren Wirkungsgrad besitzt. Zudem entstehen in der Brennstoffzelle auch keine Stickoxyde.
4. Wie funktioniert ein Wasserstoffauto, und welche Vorteile bietet es?
Ein Wasserstoffauto ist ein Elektroauto, das elektrische Energie nicht in Akkus speichert, sondern mithilfe einer Brennstoffzelle im Fahrzeug selbst erzeugt. Es verfügt über einen Tank, in dem gasförmiger Wasserstoff unter sehr hohem Druck (Standard für PKW: 700 bar) gespeichert wird und welcher innerhalb weniger Minuten einfach und sicher betankt werden kann. Ein Wasserstoffautor hat in der Regel eine Reichweite von 400 bis 700 Kilometern, vergleichbar mit Fahrzeugen mit klassischem Verbrennungsmotor.
Zentrale Vorteile des Wasserstoffautos
- Klimaneutralität (kein CO 2 -Ausstoss, auch nicht bei der Akkuherstellung)
- Emissionsfreiheit (es entstehen nur Wasserdampf und etwas Wärme)
- Hohe Reichweite (400 bis 700 km)
- Betankungszeit vergleichbar kurz wie bei Benzin-, Diesel- oder Erdgas-Autos (deutlich schneller als das Laden von Akkus)
- Geringeres Gewicht, da keine Akkus verbaut werden müssen
- Sehr leise (wie jedes Elektroauto)
- Funktioniert auch bei Nutzfahrzeugen, die hohe lasten ziehen und/oder transportieren können müssen
- Ressourcensicherheit (Wasser gibt es auch in der Schweiz)
- Wertschöpfung zur Gewinnung des Kraftstoffes erfolgt in der Schweiz (und nicht in einem Staat mit Erdölvorkommen)
5. Gibt es schon Wasserstoffautos?
Fast alle grossen Automobilhersteller bieten entweder bereits ein Wasserstofffahrzeug an (allen voran Toyota, Hyundai, Honda, Mercedes) oder haben Projekte mit einem sehr hohen Entwicklungsstand in Bearbeitung (BMW, Audi, etc.). Das grösste Hindernis für eine Verbreitung der Technologie ist bislang das fehlende Wasserstoff-Tankstellennetz.
6. Sind Wasserstoffautos alltagsfähig?
Wasserstoffautos sind heute alltagsfähig. Die Brennstoffzellen sind technisch ausgereift, sehr langlebig, belastungsfähig und können auch im Winter (bis - 30 °C) problemlos betrieben werden. Seit dem ersten Wasserstoffauto, dem Allis Chalmer D-12 aus dem Jahr 1959, hat die Entwicklung riesige Fortschritte gemacht. So ist der Toyota Mirai laut diversen Fahr- und Testberichten genauso angenehm und bequem zu fahren wie ein konventionelles Auto oder ein Elektroauto mit Akkuspeicher.
7. Man spricht seit gut 20 Jahren von der Wasserstoffrevolution. Warum soll diese gerade jetzt erfolgen?
Es gab immer wieder Anläufe, die Technologie salonfähig zu machen. Aus folgenden Gründen ist die Zeit jetzt reif für den Erfolg des Wasserstoffautos:
- Immer restriktivere CO 2 -Grenzwerte im Mobilitätsbereich sowie Fahrverbote und «low emission zones» in den Innenstädten zwingen die Autohersteller zu neuen Technologien. Batteriebetriebene Elektroautos haben ihre Berechtigung, aber Wasserstoffautos bieten zusätzliche Vorteile puncto Reichweite und Betankungszeit.
- Wasserstoff ist nicht nur aufgrund der Nachfrage im Mobilitätsmarkt gefragt. Auch die Stromkonzerne stehen bezüglich erneuerbarer und stark fluktuierender Energiequellen vor Herausforderungen – und sehen die Lösung im Wasserstoff.
- Technisch sind die Möglichkeiten endlich wirklich massentauglich – sowohl hinsichtlich der Wasser-Elektrolyse, als auch bezüglich der alltagstauglichen Stabilität und Belastbarkeit der Brennstoffzellen)
- Wirtschaftlich handelt es sich bei den Wasserstofflösungen nicht mehr um Lösungen in einem Forschungslabor. Die Unternehmen haben festgestellt, dass es um eine zukunftsträchtige Technologie geht, die auch wirtschaftlich attraktiv und massentauglich ist
- Puncto Sicherheitsbedenken gibt es heute keine Fragezeichen mehr
- «Last but not least»: Es geschieht, weil wir es tun.
8. Was ist der Unterschied zwischen Wasserstoff und Benzin/Diesel?
Benzin und Diesel sind fossile Brennstoffe, die CO 2 -Emissionen (und andere Schadstoffe) verursachen und das Klima negativ beeinträchtigen. Wasserstoff kann auf vollständig erneuerbarer Basis hergestellt und verwendet werden und zudem als Speichermedium für fluktuierende Energiequellen dienen.
Es gibt überdies Techniken, mit den synthetisches, erneuerbares Methan (vergleichbar mit Erdgas) und sogar synthetischer Diesel hergestellt werden können. Allerdings ist immer wieder die Verfügbarkeit des CO 2 für die Synthese und somit die hohen Kosten (mindestens Faktor 3 bis 4) problematisch. Bis solche Produkte massentauglich sein werden, wird es noch sehr lange dauern. Solche Treibstoffe könnten dann für Flugzeuge eingesetzt werden, da sich reiner Wasserstoff für Flugzeugantriebe nicht eignet.
9. Was kostet der Wasserstoff? Wie teuer ist das Wasserstoffauto im Vergleich zu einem normalen Auto?
Die Kosten von erneuerbarem Wasserstoff lassen sich mit den Kosten von fossilen Treibstoffen wie Diesel/Benzin vergleichen, sofern der Wasserstoff steuerbefreit bleibt. Es ist davon auszugehen, dass sich der Wasserstoffantrieb zusätzlich verbilligen wird, sobald sich höhere Stückzahlen einstellen und weitere Effizienz- und Technologievorschritte erfolgen. Für die Entwicklung der Erdölpreise können indes keine Aussagen gemacht werden, da diese sehr oft durch politische Rahmenbedingungen verzerrt werden.
Aktuell rechnen die Hersteller für ein Mittelklasseauto mit Wasserstoffantrieb mit einem Verbrauch von rund 1 kg Wasserstoff pro 100 km. Die Tanks können 5 bis 7 kg Wasserstoff speichern.
10. Ist ein Elektroauto mit Brennstoffzelle besser als eines mit Batterien?
Wasserstoff hat gegenüber Akkuspeichern folgende Vorteile:
- Höhere Nutzlasten im Schwerverkehr möglich
- Höhere Reichweite
- Keine Entladung
- Schnelles Betanken möglich
- Recyclierbarkeit und Schonung natürlicher Ressourcen
- Vereinbarkeit mit bestehenden Stromnetzen
- Einsatzfähig auch für Haushalte, die keine Parkgarage oder/und Stromsäulen haben
- Wertschöpfung in der Wasserstoffkette verbleibt mehrheitlich in der Schweiz
11. Sind Wasserstoffautos gefährlich?
Grundsätzlich ist natürlich immer die nötige Vorsicht geboten, wenn Energiespeicher mit einer für die Mobilität unverzichtbaren hohen Energiedichte gehandhabt werden. Dennoch gilt: Wasserstoffautos sind genauso sicher wie Elektroautos mit Akkuspeichern.
Bei zahlreichen Unfall-/Crashtests schnitten Wasserstofffahrzeuge nicht schlechter ab als konventionelle Fahrzeuge. Auch die Wissenschaft bestätigt, dass das Sicherheitsrisiko von Wasserstoffautos nicht höher ist als das von Benzin-/Diesel- /Erdgas- oder batteriebetriebenen Elektroautos.
Reiner Wasserstoff kann ohne Sauerstoffzufuhr weder brennen noch explodieren. Sogenanntes «Knallgas» entsteht erst, wenn ein Wasserstoff-/Sauerstoffgemisch mit mindestens 4 % Sauerstoffanteil entsteht. Aufgrund seiner enormen Leichtflüchtigkeit entweicht Wasserstoff aber im Fall eines Lecks im Tank so schnell in die Atmosphäre, dass ein solches Gemisch in der Regel gar nicht erst entstehen kann.
Im Gegensatz zu Erdgas ist Wasserstoff zudem viel leichter als Luft. Er kann sich daher nicht in Bodennähe (wie Erdgas) sammeln, unter das Fahrzeug «fliessen» und dieses entzünden.
Wasserstoff wird mit erheblich höherem Druck gespeichert als beispielsweise Erdgas (200 Bar bei Erdgas versus 350-700 Bar bei Wasserstoff). Die Industrie beherrscht den Umgang mit solch hohen Druckzuständen aber seit Jahrzehnten.
12. Können Wasserstoffautos recycelt werden?
Die Recyclingquote eines Wasserstoffautos ist höher oder mindestens gleich hoch wie diejenige eines konventionellen Fahrzeugs.
13. Werden aus Wasserstoff nicht auch Bomben gefertigt?
Der Begriff «Wasserstoffbombe» ist verwirrend. Eine solche Bombe ist eine Kernfusionswaffe, bei der ein Atomsprengsatz (Fissionssprengsatz) dazu dient, die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu verschmelzen. Ein mit Wasserstoff gefüllter Tank eines Wasserstoffautos ist in keinster Weise mit einer Wasserstoffbombe vergleichbar.
14. Die Hindenburg- Katastrophe wurde doch auch durch Wasserstoff hervorgerufen, oder?
Die Hindenburg-Katastrophe vom 6. Mai 1937 ist bis heute nicht vollständig aufgeklärt. Die Fachleute sind sich allerdings einig, dass der Wasserstoff nicht der Auslöser des Unfalls war. Dieser wurde durch andere Auslöser wie z.B. die Beschichtung auf dem Schiffsköper ausgelöst. Der reine Wasserstoff war nicht für das Ausbrechen des Feuers verantwortlich.
Grundsätzlich ist zu sagen, dass sich die Aufbereitung, die Speicherung und der Transport des Wasserstoffs in modernen BZ Autos wesentlich von der Art unterscheidet, mit welcher Wasserstoff beim LZ 129 Hindenburg behandelt wurde. Der Umgang mit Wasserstoff wird seit Jahrzehnten von der Industrie beherrscht.