Ein Wasserstofffahrzeug ist ein Fahrzeug, das Wasserstoff als seinen an Bord befindlichen Kraftstoff für die Antriebskraft verwendet. Wasserstofffahrzeuge umfassen Wasserstoff-betriebene Weltraumraketen sowie Automobile und andere Transportfahrzeuge. Die Kraftwerke solcher Fahrzeuge wandeln die chemische Energie von Wasserstoff in mechanische Energie um, entweder durch Verbrennung von Wasserstoff in einem Verbrennungsmotor oder durch Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle, um Elektromotoren zu betreiben. Die weit verbreitete Verwendung von Wasserstoff zur Förderung des Transports ist ein Schlüsselelement einer vorgeschlagenen Wasserstoffwirtschaft.

Ab 2016 sind in ausgewählten Märkten 3 Wasserstoffautos öffentlich verfügbar: der Toyota Mirai, der Hyundai ix35 FCEV und der Honda Clarity. Mehrere andere Unternehmen arbeiten an der Entwicklung von Wasserstoffautos. Ab 2014 werden 95% des Wasserstoffs aus Erdgas gewonnen. Es kann mit erneuerbaren Quellen hergestellt werden, aber das ist ein teurer Prozess. Integrierte Wind-zu-Wasserstoff-Anlagen (Power-to-Gas-Anlagen), die Wasserelektrolyse nutzen, erforschen Technologien, um die Kosten niedrig genug und die Mengen groß genug zu machen, um mit der Wasserstoffproduktion mit Erdgas konkurrieren zu können. Die Nachteile der Wasserstoffnutzung sind eine hohe CO2-Emissionsintensität, wenn sie aus Erdgas erzeugt werden, Kapitalkostenbelastung, geringer Energiegehalt pro Volumeneinheit, Produktion und Verdichtung von Wasserstoff und die großen Investitionen in die Infrastruktur, die zum Antrieb von Fahrzeugen erforderlich wären.

Energieträger Wasserstoff

Kraftstoff und Abgase
Der als Brennstoff verwendete Wasserstoff ist keine Primärenergie, sondern muss analog zur Stromerzeugung aus Primärenergie erzeugt werden. Zu seiner Produktion wird Energie benötigt. Dies wird bei der chemischen Reaktion in einer Wasserstoff-Verbrennungskraftmaschine oder in der Brennstoffzelle teilweise wieder gelöst. Aufgrund seiner geringen Dichte enthält Wasserstoffgas mehr Energie pro Gewichtseinheit pro Masseeinheit als jeder andere chemische Kraftstoff. Die Energiedichte ist jedoch volumenmäßig sehr gering. Daher muss Wasserstoff als Brennstoff entweder hochkomprimiert (bis etwa 700 bar) oder verflüssigt sein (-253 ° C). Beides ist mit zusätzlichem Energieeinsatz verbunden.

Die Abgase einer Brennstoffzelle bestehen aus reinem Wasserdampf.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff in Kombination mit Luft (in einer Gasturbine) enthalten die Abgase zusätzlich Stickoxide, die bei den hohen Temperaturen in der Brennkammer aus dem Luftstickstoff entstehen. Bei hohem Luftüberschuss (λ »1) werden weniger Stickoxide erzeugt, aber dann sinkt auch der Wirkungsgrad. In Kolbenmotoren finden sich weiterhin Spuren von CO und CH im Abgas. Sie kommen vom Schmieröl zwischen der Zylinderwand und dem Kolben und von der Kurbelgehäuseentlüftung.

Wasserstoffproduktion
Die Hauptprozesse für die Wasserstoffproduktion sind

Die thermochemische Umwandlung von Kohlenstoff-Energiequellen (meist fossile Brennstoffe) bei Temperaturen von 300-1000 ° C. Der älteste Prozess dieser Art ist die Dampfreformierung mit einem Marktanteil von über 90%. Bei diesem Verfahren wurde das Stadtgas (Synthesegas) früher aus Kohle und Wasserdampf hergestellt, die ca. 60% Wasserstoff. Durch weitere Prozessschritte kann nahezu der gesamte Energiegehalt der Energiequelle an Wasserstoff gebunden werden. Nachteilig ist hier das entstehende klimaschädliche Gas CO 2. Es gibt auch Technologien, um aus Biomasse CO2-neutral zu machen. Ein erstes kommerzielles Werk, der Blaue Turm Herten, wurde wegen Insolvenz der Solar Millennium AG nicht fertig gestellt.
Wasserstoff ist ein Nebenprodukt einer Reihe von chemischen Prozessen (z. B. Chlor-Alkali-Elektrolyse). Die Mengen sind beträchtlich, werden aber meistens wiederverwendet. Der Wasserstoff, der als Nebenprodukt allein in der Region Köln produziert wird, reicht aus, um 40.000 Autos (Stand 2010) dauerhaft zu betreiben.
Noch vergleichsweise selten wird Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser erzeugt. Wirkungsgrade von 70-80% werden erreicht. Derzeit gibt es Projekte, bei denen der Elektrolyseur direkt von Windkraftanlagen versorgt wird. Windturbinen sind jetzt an windigen Tagen mit geringem Strombedarf abgeschaltet; stattdessen könnten sie dann für die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden. Das Problem ist neben der notwendigen Energiemenge die Bereitstellung des benötigten Wassers: Um die gesamte Betankung am Flughafen Frankfurt mit Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser zu versorgen, wäre die Leistung von 25 Großkraftwerken erforderlich. Gleichzeitig würde sich der Wasserverbrauch in Frankfurt verdoppeln. “
Versuche, Wasserstoff in einem Wasserstoffbioreaktor mit Algen über eine Variante der Photosynthese zu produzieren, befinden sich derzeit noch in der Forschung.

Wasserstoffspeicherung
Die technischen Probleme bei der Speicherung von Wasserstoff gelten heute als gelöst. Verfahren wie die Speicherung und Lagerung von unter Druck stehendem und flüssigem Wasserstoff in Metallhydriden werden kommerziell verwendet. Darüber hinaus gibt es weitere Methoden wie die Lagerung in Nanoröhren oder als chemische Verbindung (N-Ethylcarbazol), die sich noch in der Entwicklungsphase oder in der Grundlagenforschung befinden.

Wasserstoff-Station
Voraussetzung für die Verbreitung von Wasserstoffantrieben ist die Produktion der Versorgungsinfrastruktur. Um ein flächendeckendes Netz in Deutschland zu erreichen, sind rund 1000 Wasserstofftankstellen erforderlich.

Weltweit gibt es ca. 274 Wasserstofftankstellen (Stand Mai 2017). In Deutschland gibt es etwa 30, von denen nur 7 öffentlich betrieben werden. In Zusammenarbeit mit der Linde AG wird der Daimler-Konzern weitere 20 Wasserstofftankstellen errichten, um zunächst die durchgängigen Verbindungen auf den Nord-Süd- und Ost-West-Achsen sicherzustellen. → Siehe auch: Wasserstoffautobahn

Eine Wasserstofftankstelle kostet etwa 1 bis 1,5 Millionen Euro.

Fahrzeuge
Autos, Busse, Gabelstapler, Züge, PHB-Fahrräder, Kanalboote, Lastenräder, Golfwagen, Motorräder, Rollstühle, Schiffe, Flugzeuge, U-Boote und Raketen können bereits in verschiedenen Formen mit Wasserstoff betrieben werden. Die NASA benutzte Wasserstoff, um Space Shuttle ins Weltall zu bringen. Ein funktionierendes Spielzeugmodellauto fährt mit Solarenergie und nutzt eine regenerative Brennstoffzelle, um Energie in Form von Wasserstoff und Sauerstoffgas zu speichern. Es kann dann den Brennstoff zurück in Wasser umwandeln, um die Sonnenenergie freizusetzen. Seit dem Aufkommen des Hydraulic Fracturing besteht das Hauptproblem für Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge in der Verwirrung der Verbraucher und der öffentlichen Politik hinsichtlich der Einführung von erdgasbetriebenen Wasserstofffahrzeugen mit hohen versteckten Emissionen zum Nachteil umweltfreundlicher Transporte.

Ein Landgeschwindigkeitsrekord für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug von 286.476 Meilen pro Stunde (461,038 km / h) wurde von der Buckeye Bullet 2 der Ohio State University festgelegt, die eine „Flying-Mile“ -Geschwindigkeit von 280,007 Meilen pro Stunde (450,628 km / h) erreichte. h) in den Bonneville Salt Flats im August 2008. Ein Rekord von 207,297 Meilen pro Stunde (333,612 km / h) wurde von einem Prototyp Ford Fusion Hydrogen 999 Fuel Cell Rennwagen in den Bonneville Salt Flats, im August 2007, mit einem großen komprimierter Sauerstofftank, um die Leistung zu erhöhen.

Automobile
Ab 2016 sind in ausgewählten Märkten 3 Wasserstoffautos öffentlich verfügbar: der Toyota Mirai, der Hyundai ix35 FCEV und der Honda Clarity.

Toyota hat Ende 2014 in Japan sein erstes Brennstoffzellenauto (FCV), den Mirai, in Betrieb genommen und im Jahr 2015 mit dem Verkauf in Kalifornien, vor allem im Raum Los Angeles, begonnen. Das Fahrzeug hat eine Reichweite von 502 km dauert etwa fünf Minuten, um seinen Wasserstofftank wieder aufzufüllen. Der anfängliche Verkaufspreis in Japan betrug ungefähr 7 Millionen Yen (69.000 $). Der frühere Präsident des Europäischen Parlaments, Pat Cox, schätzte, dass Toyota anfangs bei jedem verkauften Mirai etwa 100.000 US-Dollar verlieren würde. Viele Automobilunternehmen haben Demonstrationsmodelle in begrenzter Anzahl eingeführt (siehe Liste der Brennstoffzellenfahrzeuge und Liste der Fahrzeuge mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor). Ein Nachteil von Wasserstoff im Vergleich zu anderen Automobilkraftstoffen ist seine geringe Dichte.

Im Jahr 2013 kündigte BMW Leasing-Wasserstoff-Technologie von Toyota, und eine Gruppe von Ford Motor Company, Daimler AG und Nissan eine Zusammenarbeit auf Wasserstoff-Technologie-Entwicklung gegründet. Bis 2017 hatte Daimler jedoch die Entwicklung von Wasserstofffahrzeugen aufgegeben, und die meisten Automobilhersteller, die Wasserstoffautos entwickelten, hatten ihren Fokus auf batterieelektrische Fahrzeuge verlagert.

Busse
Brennstoffzellenbusse (im Gegensatz zu mit Wasserstoff betriebenen Bussen) werden von verschiedenen Herstellern an verschiedenen Standorten getestet, zum Beispiel bei Ursus Lublin. Der Fuel Cell Bus Club ist eine globale Testreihe für Brennstoffzellen-Bus-Tests.

Straßenbahnen und Züge
Im März 2015 stellte die China South Rail Corporation (CSR) in einer Montageanlage in Qingdao die weltweit erste mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle vor. Der Chefingenieur der CSR-Tochter CSR Sifang Co Ltd., Liang Jianying, sagte, dass das Unternehmen untersucht, wie die laufenden Kosten der Straßenbahn gesenkt werden können. Die Schienen für das neue Fahrzeug wurden in sieben chinesischen Städten gebaut. China plant, bis 2020 200 Milliarden Yuan (32 Milliarden US-Dollar) auszugeben, um die Straßenbahnschienen auf mehr als 1200 Meilen zu erhöhen.

In Norddeutschland wurden 2018 die ersten brennstoffbetriebenen Coradia iLint-Züge in Betrieb genommen; Überschüssige Energie wird in Lithium-Ionen-Batterien gespeichert.

Fahrräder
Im Jahr 2007 enthüllte Pearl Hydrogen Power Sources aus Shanghai, China, auf der 9. China International Exhibition on Gas Technology, Equipment und Applications ein Wasserstofffahrrad.

Militärfahrzeuge
General Motors ‚Militärabteilung, GM Defence, konzentriert sich auf Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge. Sein SURUS (Silent Utility Rover Universeller Aufbau) ist eine flexible elektrische Plattform für Brennstoffzellen mit autonomen Funktionen. Seit April 2017 testet die US-Army den kommerziellen Chevrolet Colorado ZH2 auf ihren US-Stützpunkten, um die Durchführbarkeit von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen in militärischen taktischen Einsatzgebieten zu ermitteln.

Motorräder und Roller
ENV entwickelt elektrische Motorräder, die von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle angetrieben werden, einschließlich Crosscage und Biplane. Andere Hersteller wie Vectrix arbeiten an Wasserstoff-Scootern. Schließlich werden Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektro-Hybrid-Roller wie der Suzuki Burgman-Brennstoffzellen-Roller hergestellt. und der FHybrid. Der Burgman erhielt in der EU die Genehmigung für den Typ „ganzer Fahrzeugtyp“. Die taiwanesische Firma APFC führte einen Test auf der Straße mit 80 Brennstoffzellen-Scootern für Taiwans Bureau of Energy durch.

Quads und Traktoren
Der H-Due von Autostudi Srl ist ein wasserstoffbetriebener Quad, der 1-3 Passagiere transportieren kann. Ein Konzept für einen wasserstoffbetriebenen Traktor wurde vorgeschlagen.

Flugzeuge
Unternehmen wie Boeing, Lange Aviation und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt verfolgen Wasserstoff als Treibstoff für bemannte und unbemannte Flugzeuge. Im Februar 2008 testete Boeing einen bemannten Flug eines kleinen Flugzeugs, das von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle angetrieben wurde. Unbemannte Wasserstoff-Flugzeuge wurden ebenfalls getestet. Für große Passagierflugzeuge berichtete die „The Times“, dass „Boeing sagte, dass es unwahrscheinlich ist, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen die Triebwerke großer Passagierflugzeuge antreiben, sondern dass sie als Reserve- oder Hilfstriebwerke an Bord verwendet werden könnten.“

Im Juli 2010 stellte Boeing sein wasserstoffbetriebenes Phantom Eye UAV vor, das von zwei Ford-Verbrennungsmotoren angetrieben wird, die auf Wasserstoff umgerüstet wurden.

In Großbritannien wurde vorgeschlagen, die Reaktionsmotoren A2 zu verwenden, um die thermodynamischen Eigenschaften von flüssigem Wasserstoff zu nutzen, um einen Flug mit sehr hoher Geschwindigkeit und langer Distanz (antipodisch) durch Verbrennen in einem vorgekühlten Strahltriebwerk zu erreichen.

Gabelstapler
Ein HICE-Gabelstapler oder HICE-Gabelstapler ist ein mit Wasserstoff betriebener Industriestapler mit Verbrennungsmotor, der zum Heben und Transportieren von Material verwendet wird. Der erste HICE-Stapler auf Basis des Linde X39 Diesel wurde am 27. Mai 2008 auf einer Messe in Hannover vorgestellt. Er nutzte einen 2,0 Liter, 43 kW (58 PS) starken Diesel-Verbrennungsmotor, der auf Wasserstoff als Kraftstoff umgerüstet wurde Verwendung eines Kompressors und Direkteinspritzung.

Ein Brennstoffzellen-Gabelstapler (auch als Brennstoffzellen-Gabelstapler bezeichnet) ist ein mit Brennstoffzellen betriebener industrieller Gabelstapler. Im Jahr 2013 wurden in den USA über 4.000 Brennstoffzellen-Gabelstapler im Materialtransport eingesetzt. Der weltweite Markt wurde für 2014-2016 auf 1 Million Brennstoffzellenfahrzeuge pro Jahr geschätzt. Flotten werden von Unternehmen auf der ganzen Welt betrieben. Pike Research stellte 2011 fest, dass mit Brennstoffzellen betriebene Gabelstapler bis zum Jahr 2020 der größte Treiber für die Nachfrage nach Wasserstoff sein werden.

Die meisten Unternehmen in Europa und den USA verwenden keine erdölbetriebenen Gabelstapler, da diese Fahrzeuge in Innenräumen arbeiten, wo Emissionen kontrolliert werden müssen, und stattdessen elektrische Gabelstapler verwenden. Gabelstapler mit Brennstoffzellenantrieb können Vorteile gegenüber batteriebetriebenen Gabelstaplern bieten, da sie in 3 Minuten betankt werden können. Sie können in Kühlhäusern verwendet werden, da ihre Leistung nicht durch niedrigere Temperaturen beeinträchtigt wird. Die Brennstoffzelleneinheiten sind oft als Drop-In-Ersatz ausgelegt.

Raketen
Viele große Raketen verwenden flüssigen Wasserstoff als Brennstoff, mit flüssigem Sauerstoff als Oxidationsmittel (LH2 / LOX). Ein Vorteil von Wasserstoffraketenbrennstoff ist die hohe effektive Abgasgeschwindigkeit im Vergleich zu Kerosin / LOX- oder UDMH / NTO-Motoren. Gemäß der Tsiolkovsky-Raketengleichung verbraucht eine Rakete mit höherer Ausströmgeschwindigkeit weniger Treibstoff zum Beschleunigen. Auch die Energiedichte von Wasserstoff ist größer als bei jedem anderen Kraftstoff. LH2 / LOX liefert auch die größte Effizienz in Bezug auf die Menge an verbrauchtem Treibstoff eines bekannten Raketentreibmittels.

Ein Nachteil von LH2 / LOX-Motoren ist die niedrige Dichte und die niedrige Temperatur von flüssigem Wasserstoff, was bedeutet, dass größere und isolierte und somit schwerere Kraftstofftanks benötigt werden. Dies erhöht die strukturelle Masse der Rakete, die ihr Delta-V signifikant reduziert. Ein weiterer Nachteil ist die schlechte Lagerfähigkeit von LH2 / LOX-betriebenen Raketen: Aufgrund des konstanten Wasserstoffverdampfens muss die Rakete kurz vor dem Start betankt werden, wodurch kryogene Motoren für ICBMs und andere Raketenanwendungen mit kurzen Startvorbereitungen ungeeignet werden .

Insgesamt unterscheidet sich das Delta-v einer Wasserstoffstufe typischerweise nicht sehr von dem einer dichtgefüllten Stufe, aber das Gewicht einer Wasserstoffstufe ist viel geringer, was es für obere Stufen besonders effektiv macht, da sie von den niedrigeren getragen werden Phasen. Auf den ersten Stufen können dichte Fueled-Raketen in Studien aufgrund der kleineren Fahrzeuggröße und des geringeren Luftwiderstands einen kleinen Vorteil aufweisen.

LH2 / LOX wurden auch im Space Shuttle verwendet, um die Brennstoffzellen zu betreiben, die die elektrischen Systeme versorgen. Das Nebenprodukt der Brennstoffzelle ist Wasser, das zum Trinken und für andere Anwendungen verwendet wird, die Wasser im Weltraum benötigen.

LKW
Im Jahr 2016 stellte die Nikola Motor Company einen mit Wasserstoff betriebenen schweren Lastwagen der Klasse 8 vor, der von einer 320 kWh EV-Batterie angetrieben wird. Nikola plant zwei Versionen des wasserstoffbetriebenen Lastwagens, die lange Strecke Nikola One und das Tagfahrhaus Nikola Two. United Parcel Service begann 2017 mit der Erprobung eines wasserstoffbetriebenen Lieferwagens. US-Hybrid, Toyota und Kenworth haben ebenfalls angekündigt, Klasse-8-Wasserstoff-Brennstoffzellen-LKWs zu testen.

Verbrennungsfahrzeug
Wasserstoff-Verbrennungsmotor-Autos unterscheiden sich von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Autos. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor ist eine leicht modifizierte Version des traditionellen Benzin-Verbrennungsmotor-Autos. Diese Wasserstoffmotoren verbrennen Benzin in der gleichen Weise wie Benzinmotoren; Der Hauptunterschied ist das Abgasprodukt. Die Benzinverbrennung führt zu Kohlendioxid und Wasserdampf, während das einzige Abgasprodukt der Wasserstoffverbrennung Wasserdampf ist.

1807 entwarf Francois Isaac de Rivaz den ersten mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotor. Im Jahr 1965 konvertierte Roger Billings, damals ein Gymnasiast, ein Model A, um mit Wasserstoff zu fahren. 1970 patentierte Paul Dieges eine Modifikation an Verbrennungsmotoren, die es einem benzinbetriebenen Motor ermöglichte, mit Wasserstoff US 3844262 zu laufen.

Mazda hat Wankelmotoren entwickelt, die Wasserstoff verbrennen. Der Vorteil der Verwendung eines Verbrennungsmotors, wie Wankel- und Kolbenmotoren, sind die geringeren Kosten für das Umrüsten für die Produktion.

Auf Basis von umgebauten Diesel-Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung wurden HICE-Stapler demonstriert.

Brennstoffzelle

Brennstoffzellenkosten
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind relativ teuer in der Herstellung, da ihre Designs seltene Substanzen wie Platin als Katalysator erfordern. 2014 sagte Toyota, dass es seinen Toyota Mirai in Japan für weniger als 70.000 US-Dollar im Jahr 2015 einführen würde. Der ehemalige Präsident des Europäischen Parlaments, Pat Cox, schätzt dies Toyota wird anfangs auf jedem verkauften Mirai ungefähr $ 100.000 verlieren.

Gefrierbedingungen
Die Probleme in frühen Brennstoffzellen-Designs bei niedrigen Temperaturen bezüglich Reichweite und Kaltstart-Fähigkeiten wurden angesprochen, so dass sie „nicht mehr als Show-Stopper angesehen werden können“. Nutzer sagten 2014, dass ihre Brennstoffzellenfahrzeuge bei Temperaturen unter Null sogar dann einwandfrei funktionieren, wenn die Heizgeräte strahlen, ohne die Reichweite wesentlich zu verringern. Studien mit Neutronenradiographie am nicht unterstützten Kaltstart zeigen Eisbildung in der Kathode, drei Stufen im Kaltstart und Nafion Ionenleitfähigkeit. Ein Parameter, definiert als Coulomb der Ladung, wurde ebenfalls definiert, um die Kaltstartfähigkeit zu messen.

Lebensdauer
Die Lebensdauer von Brennstoffzellen ist vergleichbar mit der anderer Fahrzeuge. Die PEM-Lebensdauer beträgt 7.300 Stunden unter Radfahrbedingungen.

Wasserstoff
Wasserstoff kommt nicht wie fossile Brennstoffe als Energiequelle zum Einsatz, sondern wird zunächst wie eine Batterie produziert und dann als Träger gespeichert. Ein vorgeschlagener Vorteil des großflächigen Einsatzes von Wasserstofffahrzeugen ist, dass es zu geringeren Emissionen von Treibhausgasen und Ozonvorläufern führen könnte. Ab 2014 werden jedoch 95% des Wasserstoffs aus Methan hergestellt. Es kann mit erneuerbaren Quellen hergestellt werden, aber das ist ein teurer Prozess. Integrierte Wind-zu-Wasserstoff-Anlagen (Power-to-Gas-Anlagen), die Elektrolyse von Wasser nutzen, erforschen Technologien, um die Kosten niedrig genug und die Mengen groß genug zu halten, um mit traditionellen Energiequellen konkurrieren zu können.

Laut Ford Motor Company „werden FCVs mit Wasserstoff betrieben, der mit diesem Verfahren aus Erdgas reformiert wird, und bieten somit keine signifikanten Umweltvorteile auf Basis von“ Well-to-Wheels „(aufgrund von Treibhausgasemissionen aus dem Erdgasreformierungsprozess).“ Während Methoden der Wasserstoffproduktion, die keinen fossilen Brennstoff verwenden, nachhaltiger wären, stellen erneuerbare Energien derzeit nur einen kleinen Prozentsatz der erzeugten Energie dar, und Strom aus erneuerbaren Quellen kann in Elektrofahrzeugen und für Nicht-Fahrzeug-Anwendungen verwendet werden.

Die Herausforderungen bei der Nutzung von Wasserstoff in Fahrzeugen sind Produktion, Lagerung, Transport und Vertrieb. Der Well-to-Wheel-Wirkungsgrad für Wasserstoff beträgt weniger als 25%. Neuere Analysen bestätigen dies.

Produktion
Der molekulare Wasserstoff, der als Bordbrennstoff für Wasserstofffahrzeuge benötigt wird, kann durch viele thermochemische Verfahren unter Verwendung von Erdgas, Kohle (durch ein Verfahren, bekannt als Kohlevergasung), Flüssiggas, Biomasse (Biomassevergasung) durch ein Verfahren, das Thermolyse genannt wird, erhalten werden als ein mikrobielles Abfallprodukt, das Biowasserstoff oder biologische Wasserstoffproduktion genannt wird. 95% des Wasserstoffs werden mit Erdgas erzeugt und 85% des produzierten Wasserstoffs werden zur Entfernung von Schwefel aus Benzin verwendet. Wasserstoff kann auch aus Wasser durch Elektrolyse bei Arbeitseffizienzen im Bereich von 50-60% für die kleineren Elektrolyseure und ungefähr 65-70% für die größeren Anlagen hergestellt werden. Wasserstoff kann auch durch chemische Reduktion mit chemischen Hydriden oder Aluminium hergestellt werden. Gegenwärtige Technologien zur Herstellung von Wasserstoff verwenden Energie in verschiedenen Formen, die insgesamt zwischen 25 und 50 Prozent des höheren Heizwerts des Wasserstoffbrennstoffs ausmachen, die verwendet werden, um den Wasserstoff durch Pipeline oder LKW zu erzeugen, zu komprimieren oder zu verflüssigen und zu übertragen.

Zu den ökologischen Folgen der Erzeugung von Wasserstoff aus fossilen Energieressourcen gehört auch der Ausstoß von Treibhausgasen, eine Folge, die sich auch aus der Reformierung von Methanol zu Wasserstoff an Bord ergeben würde. Analysen, die die Umweltfolgen der Wasserstoffproduktion und -nutzung in Brennstoffzellenfahrzeugen mit der Raffination von Erdöl und Verbrennung in konventionellen Automobilmotoren vergleichen, sind sich nicht einig, ob eine Netto-Reduktion von Ozon und Treibhausgasen resultieren würde. Die Erzeugung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen würde solche Emissionen nicht erzeugen, aber die Produktion erneuerbarer Energien müsste ausgeweitet werden, um Wasserstoff für einen wesentlichen Teil des Transportbedarfs zu produzieren. Ab 2016 wurden 14,9 Prozent des US-Stroms aus erneuerbaren Quellen erzeugt. In einigen Ländern werden erneuerbare Energiequellen in größerem Umfang für die Erzeugung von Energie und Wasserstoff genutzt. Zum Beispiel nutzt Island Geothermie, um Wasserstoff zu produzieren, und Dänemark nutzt Wind.

Lager
Komprimierter Wasserstoff in Wasserstofftanks bei 350 bar (5.000 psi) und 700 bar (10.000 psi) wird für Wasserstofftanksysteme in Fahrzeugen verwendet, basierend auf der Kohlenstoff-Verbundstoff-Technologie vom Typ IV.

Wasserstoff hat eine sehr niedrige volumetrische Energiedichte bei Umgebungsbedingungen, die etwa einem Drittel von Methan entspricht. Selbst wenn der Brennstoff als flüssiger Wasserstoff in einem kryogenen Tank oder in einem komprimierten Wasserstoffspeichertank gespeichert wird, ist die volumetrische Energiedichte (Megajoule pro Liter) im Vergleich zu der von Benzin klein. Wasserstoff hat eine dreimal höhere spezifische Energie im Vergleich zu Benzin (143 MJ / kg gegenüber 46,9 MJ / kg). Im Jahr 2011 fanden Wissenschaftler des Los Alamos National Laboratory und der University of Alabama in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium eine einstufige Methode zur Wiederaufladung von Ammoniak-Boran, einer Wasserstoffspeicherverbindung. Im Jahr 2018 betrieben Forscher bei CSIRO in Australien einen Toyota Mirai und Hyundai Nexo mit Wasserstoff, der durch eine Membrantechnologie von Ammoniak getrennt wurde. Ammoniak ist leichter in Tankwagen zu transportieren als reiner Wasserstoff.

Infrastruktur
Die Wasserstoffinfrastruktur besteht aus mit Wasserstoff ausgerüsteten Tankstellen, die über komprimierte Wasserstofftankwagen, Flüssigwasserstofftankwagen oder dedizierte Vor-Ort-Produktion mit Wasserstoff versorgt werden, sowie einige industrielle Wasserstoff-Pipeline-Transporte. Die Verteilung von Wasserstoff für Fahrzeuge in den gesamten USA würde neue Wasserstoffstationen erfordern, die in den USA zwischen 20 Milliarden Dollar kosten würden (4,6 Milliarden in der EU). und eine halbe Billion Dollar in den USA.

Ab 2018 gab es in den USA 40 öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen, die meisten davon in Kalifornien (verglichen mit 19.000 elektrischen Ladestationen). Bis 2017 gab es 91 Wasserstofftankstellen in Japan.

Codes und Standards
Wasserstoffcodes und -standards sowie Codes und technische Standards für Wasserstoffsicherheit und die Speicherung von Wasserstoff wurden als ein institutionelles Hindernis für den Einsatz von Wasserstofftechnologien und die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft identifiziert. Um die Kommerzialisierung von Wasserstoff in Verbraucherprodukten zu ermöglichen, müssen neue Kodizes und Standards von Bund, Ländern und Kommunen entwickelt und verabschiedet werden.

Sicherheit
Mit Wasserstoff betriebene Autos sind nicht gefährlicher als Benzin- oder Gasfahrzeuge. Wasserstoff ist aufgrund seiner geringen Dichte ein sehr flüchtiges Gas. Es verdunstet im Freien sehr schnell. Sorgen Sie für ausreichende Belüftung in geschlossenen Räumen, da es über einen weiten Bereich von 4-75 Vol.% Entflammbar ist (Benzin: 0,6-8 Vol.%). Sauerstoff / Wasserstoff-Gemische, die weniger als 10,5 Vol .-% Wasserstoff enthalten, sind schwerer als Luft und sinken auf den Boden. Die Entmischung findet nicht direkt statt, so dass die Zündfähigkeit aufrechterhalten wird, bis sie die Grenze von 4 Vol .-% unterschreitet. Beim Umgang mit Wasserstoff müssen Sicherheitsvorschriften und Lüftungssysteme dieses Verhalten berücksichtigen.

Benzin ist eine Flüssigkeit, die langsam verdampft. Die brennbaren Benzindämpfe sind schwerer als Luft und bleiben länger am Boden und die Zeit, in der sie sich entzünden können, ist länger.

Wenn Wasserstoff in geschlossenen Räumen freigesetzt wird, besteht ein erhöhtes Explosionsrisiko, z. B. in Garagen oder Tunneln. Hier ist für eine erhöhte Belüftung und ggf. zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen zu sorgen.

Die Detonationsgrenze von Wasserstoff liegt bei einer Konzentration von 18%. Benzin explodiert viel früher bereits bei einer Konzentration von 1,1%. Damit überhaupt eine Explosion oder ein Brand auftreten kann, muss in beiden Fällen zuerst ein entstandenes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet werden. Im Fall von Wasserstoff erfordert dies eine niedrigere Energie von 0,02 mJ als Benzin (Benzin: 0,24 mJ), aber in der Praxis spielt es keine Rolle, da selbst die Energie eines elektrischen Funkens ausreicht, um Benzindämpfe zu entzünden.

Benzin hat eine wesentlich niedrigere Entzündungstemperatur (220-280 ° C) als Wasserstoff (585 ° C), wodurch es leichter wird, sich auf heißen Oberflächen wie dem Abgaskrümmer oder dem Katalysator zu entzünden.

Nach der Zündung verbrennt Wasserstoff mit einer höheren Verbrennungsrate als Benzin. Die Flamme bewegt sich mit einem kleinen Durchmesser steil nach oben, wenn sich das Leck an der Oberseite des Tanks befindet.

Eine Wasserstoffflamme hat weniger Wärmestrahlung als eine Benzinflamme. Neben einer Wasserstoffflamme ist es daher weniger heiß als neben einer Benzinflamme – der Vorteil ist, dass benachbarte Gegenstände wie z. B. Autositze sind nicht so leicht in Brand geraten. Auch Menschen, die in der Nähe der Flamme sind, sind weniger anfällig für Verbrennungen. Die Wasserstoffflamme ist jedoch kaum sichtbar. Daher besteht die Gefahr einer unfreiwilligen Beteiligung.

Die heute verwendeten Druckbehälter halten (im Gegensatz zu Benzintanks) selbst schwere Unfälle unbeschadet. Wasserstofffahrzeuge mit Druckbehältern können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen abgestellt werden. Es gibt keine gesetzliche Bestimmung, die dies einschränkt. Im Gegensatz dazu dürfen Fahrzeuge mit flüssigem Wasserstoff nicht in geschlossenen Räumen gelagert werden, da durch das Ausgasen explosive Gasansammlungen entstehen können.

Das Hauptproblem bei der Wasserstoffspeicherung ist Lecks. Wasserstofftanks und Rohrleitungen müssen aufgrund der z. Als Erdgas oder Propan / Butan können kleinere Moleküldurchmesser viel besser abgedichtet werden. Einige Materialien sind ungeeignet, weil sie für Wasserstoff durchlässig sind. Leckagen führen nicht nur zu hohen Transportverlusten, sondern auch zu einem Sicherheitsrisiko, wenn sich Gas ansammelt und ein Wasserstoff-Luft-Gemisch bildet. Deshalb bestehen Wasserstofftanks und -rohre aus speziellen Kunststoffen, die eine Diffusion weitgehend verhindern. Solche Systeme müssen vom TÜV abgenommen sein. Vorteilhaft ist, dass Wasserstoff aufgrund seiner geringen Dichte nach oben entweicht und sich im Gegensatz zu Benzindämpfen, Propan oder Butan nicht in Senken sammelt.

Vergleich mit anderen Arten von Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff
Wasserstofffahrzeuge konkurrieren mit verschiedenen vorgeschlagenen Alternativen zur modernen fossil betriebenen Fahrzeuginfrastruktur.

Plug-in-Hybride
Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge oder PHEVs sind Hybridfahrzeuge, die in das Stromnetz eingesteckt werden können und einen Elektromotor sowie einen Verbrennungsmotor enthalten. Das PHEV-Konzept ergänzt Standard-Hybrid-Elektrofahrzeuge mit der Fähigkeit, ihre Batterien von einer externen Quelle aufzuladen, was eine erhöhte Nutzung der Elektromotoren des Fahrzeugs ermöglicht und gleichzeitig die Abhängigkeit von Verbrennungsmotoren verringert. Die für die Erhebung von PHEVs erforderliche Infrastruktur ist bereits vorhanden, und die Stromübertragung vom Stromnetz zum Auto ist zu 93% effizient. Dies ist jedoch nicht der einzige Energieverlust bei der Übertragung von Energie vom Netz auf die Räder. Die AC / DC-Umwandlung muss von der Wechselstromversorgung des Netzes zum DC des PHEV erfolgen. Dies ist ungefähr 98% effizient. Die Batterie muss dann geladen werden. Ab 2007 war die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie zwischen 80-90% effizient beim Laden / Entladen. Die Batterie muss gekühlt werden; Die GM Volt Batterie hat 4 Kühler und zwei Radiatoren. Ab dem Jahr 2009 „beträgt die Gesamtwirtschaftlichkeit, mit der ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug erneuerbare Elektrizität nutzen kann, ungefähr 20% (obwohl diese Zahl auf 25% oder etwas höher steigen könnte, wenn mehrere technologische Durchbrüche erforderlich sind Die Effizienz des Ladens einer Bordbatterie und das anschließende Entladen zum Betrieb eines Elektromotors in einem PHEV oder EV ist jedoch 80% (und könnte in Zukunft höher sein) – viermal effizienter als die derzeitigen Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge. “ Ein Artikel von 2006 in Scientific American argumentierte, dass PHEVs anstelle von Wasserstofffahrzeugen in der Automobilindustrie Standard werden würden. Eine Studie von Dezember 2009 an der UC Davis ergab, dass PHEVs im Laufe ihres Lebens weniger Kohlenstoff emittieren als aktuelle Fahrzeuge, während Wasserstoffautos mehr CO2 emittieren als Benzinfahrzeuge.

Erdgas
Auf Verbrennungsmotoren basierende Erdgas- (CNG), HCNG- oder LNG-Fahrzeuge (Erdgasfahrzeuge oder NGVs) verwenden Methan (Erdgas oder Biogas) direkt als Brennstoffquelle. Erdgas hat eine höhere Energiedichte als Wasserstoffgas. Erdgasfahrzeuge, die Biogas verwenden, sind nahezu CO2-neutral. Im Gegensatz zu Wasserstofffahrzeugen sind CNG-Fahrzeuge seit vielen Jahren verfügbar, und es gibt eine ausreichende Infrastruktur, um sowohl kommerzielle als auch häusliche Tankstellen bereitzustellen. Weltweit gab es bis Ende 2011 14,8 Millionen Erdgasfahrzeuge. Die andere Verwendung für Erdgas ist die Dampfreformierung, die die übliche Art ist, Wasserstoffgas für den Einsatz in Elektroautos mit Brennstoffzellen zu produzieren.

Vollelektrische Fahrzeuge
In einem Artikel aus dem Technology Review von 2008 heißt es: „Elektroautos und Plug-in-Hybridautos haben einen enormen Vorteil gegenüber Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen bei der Nutzung von kohlenstoffarmer Elektrizität. Dies liegt an der inhärenten Ineffizienz des gesamten Wasserstofftankprozesses den Wasserstoff mit dieser Elektrizität erzeugen, um dieses diffuse Gas über weite Entfernungen zu transportieren, den Wasserstoff im Auto zu bekommen und ihn dann durch eine Brennstoffzelle zu leiten – alles um den Wasserstoff wieder in Elektrizität umzuwandeln, um denselben exakten elektrischen Motor anzutreiben. Ich werde in einem Elektroauto finden. “ Thermodynamisch verringert jeder zusätzliche Schritt im Umwandlungsprozess die Gesamteffizienz des Prozesses.