Mit Wasserstoff-Brennstoffzellen weniger verbrauchen – RMI

Mit Wasserstoff-Brennstoffzellen weniger verbrauchen

Ursprünglich veröffentlicht auf ACT news.

Obwohl es Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) bereits seit den 1960er Jahren gibt, haben sie sich in letzter Zeit als potenzielle Lösung zur Dekarbonisierung des Schwerlastverkehrs erwiesen. Nikola Motors hat gerade bekannt gegeben, dass es für seine Wasserstofffahrzeugtechnologie eine Finanzierung in Höhe von 1 Mrd. USD erhalten hat und einige wichtige neue Partner wie CNHI und Bosch hinzugewonnen hat. Anfang dieses Jahres hat das Unternehmen außerdem einen kühnen Fahrplan für 700 Tankstellen im ganzen Land vorgestellt und eine Partnerschaft mit Anheuser-Busch über 800 Fahrzeuge geschlossen, um die Dekarbonisierung seiner Frachtflotte zu unterstützen. Was macht FCEVs zu einer guten Wahl für die Dekarbonisierung des Schwerlastverkehrs? Untersuchen wir die Ähnlichkeiten, Vorteile und Herausforderungen von FCEVs im Vergleich zu herkömmlichen Lkw mit Verbrennungsmotor.

Es ist das Gleiche, nur besser

Einer der Vorteile von FCEVs ist, dass Wasserstoff eine Betankungsinfrastruktur verwendet, die der von herkömmlichen Lkw ähnelt. Das bedeutet, dass FCEVs an bestehenden Tankstellen im ganzen Land aufgetankt werden können und der Tankvorgang ähnlich abläuft. Ein Lkw kann in weniger als 15 Minuten mit Wasserstoff betankt werden, und das Betanken eines FCEV ist ähnlich wie bei einem Diesel-Lkw; Wasserstoffgas wird mit einer Gaspumpe und einer Zapfpistole in den Fahrzeugtank gepumpt, die einer herkömmlichen Dieselpumpe ähneln.

Ein weiterer Vorteil ist die Energiedichte von Wasserstoff. Diesel hat eine Energiedichte von 45,5 Megajoule pro Kilogramm (MJ/kg), etwas weniger als Benzin, das eine Energiedichte von 45,8 MJ/kg hat. Im Gegensatz dazu hat Wasserstoff eine Energiedichte von etwa 120 MJ/kg, fast dreimal so viel wie Diesel oder Benzin. In elektrischer Hinsicht entspricht die Energiedichte von Wasserstoff 33,6 kWh nutzbarer Energie pro kg, während Diesel nur etwa 12-14 kWh pro kg enthält. Das bedeutet, dass 1 kg Wasserstoff, der in einer Brennstoffzelle zum Antrieb eines Elektromotors verwendet wird, ungefähr die gleiche Energie enthält wie eine Gallone Diesel. In Anbetracht dessen behauptet Nikola, dass seine Fahrzeuge zwischen 12 und 15 mpg-Äquivalent erreichen können, was weit über dem nationalen Durchschnitt für einen Diesel-LKW liegt, der etwa 6,4 mpg beträgt.

Elektrische Antriebsstränge sind auch effizienter als Verbrennungsmotoren. Während bei einem Verbrennungsmotor etwa 50 % der erzeugten Energie in Wärme umgewandelt werden, gehen bei einem Elektroantrieb nur 10 % der Energie als Wärme verloren. Dieser Effizienzunterschied zeigt, wie viel die Verbraucher mit weniger effizienten Verbrennungsmotoren verlieren.

Der Preis ist ein weiteres attraktives Merkmal von Wasserstoff. Die Dieselpreise bewegen sich derzeit in der Nähe von 3,00 $ pro Gallone, und angesichts der jüngsten Drosselung der saudi-arabischen Ölproduktion ist mit weiteren Preissteigerungen für Diesel zu rechnen. Eine aktuelle Analyse von Bloomberg New Energy Finance legt jedoch nahe, dass der Produktionspreis pro Kilogramm Wasserstoff in etwa zehn Jahren bei 1,40 Dollar liegen könnte.

Wenn es um Schwertransporte geht, spielt das Gewicht eine Rolle. FCEVs bieten das gleiche hohe Drehmoment wie batterieelektrische Fahrzeuge, aber bei geringerem Gewicht. Ein Beispiel ist der geschätzte Gewichtsunterschied zwischen dem batterieelektrischen Lion 8 und dem Nikola One mit Wasserstoff-Brennstoffzelle; der Lion 8 hat ein 480-kWh-Batteriepaket mit einer Reichweite von 250 Meilen, was etwa 2-5 Tonnen entspricht. Ein Nikola One mit einer Reichweite von etwa 500-750 Meilen hat schätzungsweise ein 250-kWh-Batteriepaket, das etwa 2,5-3 Tonnen wiegen würde.

Unter Berücksichtigung dieser Faktoren gibt es einen klaren Weg für Wasserstoff als kohlenstoffarmen, kostengünstigen und leichten alternativen Kraftstoff für schwere Lastwagen. Allerdings sind FCEV-LKWs nicht ohne Herausforderungen.

Es ist nicht einfach, grün zu sein

Auch wenn Wasserstoffgas weder Farbe noch Geruch hat, werden wir für die Dekarbonisierung des Schwerlastverkehrs grünen Wasserstoff brauchen, und zwar eine Menge davon. Grüner Wasserstoff, auch erneuerbarer Wasserstoff genannt, ist Wasserstoff, der ausschließlich mit erneuerbarer Energie hergestellt wird, in der Regel durch den Prozess der Elektrolyse. Bei der Elektrolyse von Wasser wird Strom verwendet, um Wasser in gasförmigen Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu zerlegen, wobei elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird. Es stellt sich immer noch die Frage, wie schnell die Produktion von grünem Wasserstoff skaliert werden kann; die Produktionskapazität für Elektrolyseure beginnt gerade erst, deutlich anzusteigen.

Die größten Herausforderungen bei Wasserstoff sind der Transport und die Speicherung. Wasserstoff wird in gasförmiger Form erzeugt und muss unter Druck gelagert oder direkt verflüssigt werden. Beide Verfahren erfordern zusätzliche Energie, die aus erneuerbaren Quellen stammen kann oder auch nicht. Es gibt neue Methoden, die chemische Bindungen (typischerweise als flüssige organische Wasserstoffträger bezeichnet) oder Ammoniak verwenden, um Wasserstoff in einem stabilen Zustand zu transportieren. Diese Methoden erfordern keinen Druck oder eine kryogene Verflüssigung und benötigen daher weniger Energie für den Transport und die Speicherung des Wasserstoffs. Die Technologie befindet sich jedoch noch in einem relativ frühen Entwicklungsstadium und ist noch nicht reif für den Einsatz in großem Maßstab.

Eine weitere Lösung für die Herausforderungen bei Transport und Speicherung besteht in der Konzentration auf die lokale Produktion. Nikola hat sich mit Nel und Bosch zusammengetan, um ein Netz lokaler Wasserstoffproduktionsstationen aufzubauen, die erneuerbare Energiequellen und Elektrolyseure nutzen und so die Logistikkette der herkömmlichen Diesel- und Benzinversorgung umgehen. In Zukunft könnten wir auch die Erdgasinfrastruktur für den Transport von Wasserstoff nutzen, wodurch sich die Notwendigkeit des Ausbaus großer Infrastrukturen verringert. Dies könnte auch eine Möglichkeit bieten, Wasserstoff von zentralen Produktionszentren aus bereitzustellen, anstatt ihn lokal zu erzeugen.

Ein weiterer Nachteil von Wasserstoff ist die Reichweite. Laut Nikola beträgt die Reichweite eines Brennstoffzellen-LKWs 500-750 Meilen, je nach Beladung und Terrain; Toyota Kenworth FCEV-LKWs haben eine Reichweite von etwa 300 Meilen. Im Vergleich zu Diesel-Lkw, die weit über 1.000 Meilen ohne Nachtanken zurücklegen können, ist das ein Klacks. Da die Fahrer jedoch nur 500 Meilen pro Tag zurücklegen können, dürfte dieser Faktor keine nennenswerte Störung der üblichen Praxis verursachen.

Wie bald ist jetzt?

Auch wenn es Herausforderungen gibt, ist die Zeit für Wasserstoff jetzt gekommen, und hier ist der Grund dafür:

Wir sehen einen zunehmenden Druck durch die Regulierungsbehörden und die Nachfrage der Industrie. Die Europäische Union hat sich verpflichtet, Benzin- und Dieselfahrzeuge bis 2030 abzuschaffen. Gleichzeitig schaffen die Normen für saubere Kraftstoffe und die damit verbundenen Investitionen in Kalifornien und Kanada die politische Grundlage für einen Wandel. Hyundai plant die Produktion von bis zu 700.000 FCEVs pro Jahr bis 2030, und Japan strebt 800.000 FCEVs bis 2030 an. Und angesichts von Technologiekosten, die in einigen Märkten voraussichtlich die Gewinnschwelle von Diesel-Lkw erreichen werden, gibt es eine erhebliche Dynamik und Investitionen in Wasserstoff.

Je mehr Projekte zunehmend Brennstoffzellentechnologien nutzen, desto mehr Potenzial für Kostensenkungen und Investitionen in die Technologie. Die Zusage Chinas, bis 2030 1 Million Brennstoffzellenfahrzeuge auf die Straße zu bringen (wobei 7,6 Milliarden Dollar in den Schwerlastverkehr investiert werden), bietet ein enormes Potenzial für erhebliche Fortschritte bei der Effizienz und den Kosten von Brennstoffzellenfahrzeugen.

Wasserstoff hat schon einige Fehlschläge erlebt, aber diese kohlenstoffarme Alternative wird von einigen der größten Unternehmen der Welt in verschiedenen Sektoren gefördert. Toyota Kenworth entwickelt seit langem Lkw mit Brennstoffzellentechnologie und hat 2019 10 T680 in Betrieb genommen, die im Hafen von Los Angeles und in ganz Südkalifornien eingesetzt werden. Shell hat kürzlich stark in groß angelegte Wasserstoff-Elektrolyseure investiert, die eine kohlenstofffreie Option für die Wasserstoffproduktion bieten. Anfang dieses Monats erwarb Cummins das marktführende Elektrolyseur- und Brennstoffzellen-Herstellungsunternehmen Hydrogenics für 290 Millionen Dollar. Dies sind alles Signale für ein ernsthaftes Engagement von Branchenführern im Bereich Wasserstoff und Brennstoffzellen.

Das Rocky Mountain Institute (RMI) arbeitet daran, die Möglichkeiten von grünem Wasserstoff zur Beschleunigung der Dekarbonisierung in Sektoren zu ermitteln, die bisher nur schwer vorankamen, und wir beginnen erst jetzt zu erkennen, welche Rolle und Position diese Technologie bei der Dekarbonisierung des Güterverkehrssektors einnehmen kann. Wir hoffen, dass Sie am 8. Oktober gemeinsam mit dem RMI und dem North American Council for Freight Efficiency (NACFE) an einer Podiumsdiskussion über Wasserstoff im Güterverkehr teilnehmen werden.