Alles über Wasserstoff-LKWs: Die Zukunft des nachhaltigen Verkehrs

Da Wasserstoff sowohl unerschöpflich als auch umweltfreundlich ist, spielt er eine wichtige Rolle beim Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft — oder im Fall von erneuerbarem Wasserstoff sogar zu einer emissionsfreien Wirtschaft. Aber kann dieses energieführende Gas explodieren? Welche Risiken birgt die Verwendung von Wasserstoff und welche Lösungen gibt es, um diese Risiken im Transportbereich zu begrenzen?

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Wasserstoff: Eine kurze Erinnerung an die Grundlagen

Mit seiner einfachen Atomstruktur ist Wasserstoff das leichteste Atom im Periodensystem von Mendeleev. Es ist das am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum. H2 oder Diwasserstoff, bestehend aus zwei Wasserstoffatomen, ist nicht nur farb- und geruchlos, sondern auch ein hochenergetisches Molekül. Bei der Verbrennung von 1 Kilogramm H2 wird etwa dreimal mehr Energie freigesetzt als bei der gleichen Masse an Erdölbrennstoff.

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Die Eigenschaften von Wasserstoff verstehen, um seine sichere Verwendung zu gewährleisten

Wie bei jedem Kraftstoff besteht bei Wasserstoff bei Kontakt mit Luft und einem Funken oder einer Wärmequelle die Gefahr einer Entzündung oder Explosion. Seine extreme Leichtigkeit — er ist 14-mal leichter als Luft — und seine Diffusionsgeschwindigkeit haben den Nachteil, dass er durch den kleinsten Spalt entweichen kann, aber auch den Vorteil, dass er sich schnell in die Atmosphäre auflöst, wodurch die Brandgefahr in offenen Bereichen begrenzt wird.

Aufgrund seiner geringen Atomgröße kann Wasserstoff in das Metall diffundieren und das Kristallgitter verändern, was zur Versprödung metallischer Materialien führt, das sogenannte Phänomen der Wasserstoffversprödung. Daher ist es wichtig, geeignete Materialien für die Konstruktion sicherer Wasserstoffsysteme auszuwählen.

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Wasserstofffahrzeuge: Innovativ konzipiert, um Sicherheit zu gewährleisten

Das Interesse an kohlenstoffarmen Energien hat die Hersteller dazu veranlasst, Systeme zu entwickeln, mit denen Wasserstoff in absoluter Sicherheit produziert, transportiert, gespeichert und verwendet werden kann. So ist beispielsweise bei Wasserstofftanks in Fahrzeugen alles darauf ausgelegt, Gaslecks zu vermeiden oder zu kontrollieren und das Zündrisiko im Falle eines Unfalls zu verringern:

• Hochbelastbare Abdichtung: Eine Polymerauskleidung, die von einer dicken Schicht hochfester Verbundwerkstoffe umgeben ist, dichtet den Kraftstofftank ab und hält Stößen von 5.000 Joule stand.
• Vollständig kontrolliertes System: Die Fahrzeuge sind mit strategisch platzierten Sensoren ausgestattet, um das System auf Undichtigkeiten zu überprüfen, und einem Leistungsschalter, der den Gasfluss unterbricht, falls ein Leck entdeckt wird.
• Brandschutzmaßnahmen: Ventile ermöglichen eine sichere Evakuierung des Wasserstoffs aus dem Fahrzeug und verhindern so einen Überdruck im Tank.

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Eine Reihe von Tests zur Gewährleistung der Sicherheit von Wasserstofffahrzeugen

Wasserstoffsysteme unterliegen strengen Sicherheitsstandards, weshalb sie einer ganzen Reihe von Tests unterzogen werden müssen, um ihre Beständigkeit gegen extreme Temperaturen, Chemikalien, Stürze, Stöße usw. zu überprüfen. Sie werden sogar ballistischen Tests unterzogen, um ihre Widerstandsfähigkeit gegen extrem starke Stöße zu testen.

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Um die Tanks von sauberen, emissionsfreien Fahrzeugen wie Autos, Gabelstaplern, Traktoren, Bussen, Lastwagen, Müllfahrzeugen, Booten, Zügen usw. zu füllen, müssen die Tankstellen mit Wasserstoff versorgt werden, der aufbereitet, komprimiert und von einer Produktionsstätte angeliefert wird.

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Tanken von Wasserstoff, so einfach und schnell wie das Tanken von Benzin

Lassen Sie uns zunächst hervorheben, was sich nicht ändert! Das Betanken eines Mirai-Neuwagens an einer Wasserstofftankstelle ist genauso einfach wie das Betanken eines herkömmlichen Autos mit Verbrennungsmotor. Nur die Betankungseinheit ist wirklich anders - Wasserstoff wird in Kilogramm statt in Litern abgefüllt, aber alles andere ist ähnlich. Pumpe, Zapfpistole, Terminal-Tastatur und Informationsbildschirm sind geblieben, und vor allem die Ladezeit ist nicht anders - in weniger als fünf Minuten ist der Tank voll, und der Mirai kann wieder rund 650 Kilometer weit fahren.

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Blick hinter die Kulissen einer Wasserstofftankstelle

Bevor eine Wasserstofftankstelle Treibstoff ausgeben kann, muss sie mehrere Prozesse durchlaufen:

• Zunächst muss der Wasserstoff in Flaschenregalen, Tanks oder Schlauchanhängern gelagert werden,
  
• Er muss komprimiert werden (auf 500 bar bei Fahrzeugen, die mit 350-bar-Wasserstoff betrieben werden, und auf 900 bar bei Fahrzeugen, die mit 700-bar-Wasserstoff betrieben werden, was vom Fahrzeugtyp abhängt),
  
• Anschließend muss er in so genannten Puffertanks gespeichert werden.
  
• Vor der Verteilung muss der Wasserstoff mit Hilfe eines Wärmetauschers und einer Kälteanlage (nur bei 700-bar-Tankstellen) abgekühlt werden.
  
• Erst dann kann der Wasserstoff über den Schlauch und die Zapfpistole der Zapfsäule in einen Tank gefüllt werden.
  

Die Infrastruktur der Wasserstofftankstellen wird oberirdisch errichtet und ist einfach zu installieren, zu reparieren und aufzurüsten.

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Wer installiert Wasserstofftankstellen?

Neben Entwicklern und Betreibern von Tankstellen - die ihr Angebot diversifizieren und saubere Mobilität mit Wasserstoff fördern - können auch Kommunen, Unternehmen, Hersteller oder Betreiber von Fahrzeug-/Busflotten eigene Wasserstofftankstellen zur Betankung ihrer Flotte installieren. Einige dieser privaten Betreiber öffnen ihre Tankstellen auch für die Öffentlichkeit.

In einigen Gebieten wurden Ökosysteme eingerichtet, um gemeinsam Stationen zu entwickeln, die den Bedürfnissen aller lokalen Nutzer gerecht werden.

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Was bieten die derzeitigen Wasserstofftankstellen?

Das Angebot einer Wasserstofftankstelle kann anhand einiger weniger Hauptkriterien definiert werden:

• Druck: 350 bar und/oder 700 bar (oder 35 und/oder 70 MPa). Einige Wasserstofftankstellen liefern nur 350 bar, andere nur 700 bar, wieder andere beides.
  
• Speicherkapazität: Diese reicht von einigen Kilos - für die Versorgung einer kleinen Kleinwagenflotte - bis zu mehreren Tonnen Wasserstoff pro Tag für die Betankung von Lastwagen, Booten, Flugzeugen, Zügen usw.
  
• Durchflussmenge: Die Betankungszeit hängt von der Durchflussrate der Tankstelle, dem Fahrzeug und dem Betankungsprotokoll des Fahrzeugs ab.
  

Ein Zeichen dafür, dass der Sektor bereits ausgereift ist, ist die Tatsache, dass es eine Norm für Wasserstofftankstellen gibt - die Norm SAE J2601 legt das Protokoll und die Verfahrensgrenzen für die Versorgung von leichten Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen mit Wasserstoff fest.

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Wo gibt es die ersten Wasserstofftankstellen?

Frankreich, das in seinem Wasserstoffplan die Einrichtung von mehr als 100 Wasserstofftankstellen bis 2023 vorsieht, muss sein Netz beschleunigen, damit Privatpersonen und Gewerbetreibende ihre Fahrzeuge innerhalb eines Zeitrahmens betanken können, der mit den Plänen der Fahrzeughersteller und Kraftstofflieferanten übereinstimmt.

Siehe die gemeinsame Karte der Stationen‍

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Was passiert unter der Motorhaube eines Wasserstofffahrzeugs? Auch wenn viele Menschen den Begriff "Wasserstoffmotor" verwenden, handelt es sich bei Wasserstofffahrzeugen in Wirklichkeit um Elektromotoren, die mit Wasserstoff betrieben werden. Wasserstoff-Lkw, -Pkw, -Zugmaschinen usw. sind in der Tat Elektrofahrzeuge, genauer gesagt Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV).

Im Gegensatz zum "herkömmlichen" Elektrofahrzeug (das eigentlich als Batterie-Elektrofahrzeug (BEV) bezeichnet werden sollte) - dessen Strom während des Aufladens in der Batterie gespeichert wird - erzeugt das "Wasserstoff-Elektrofahrzeug" seinen eigenen Strom mit Hilfe einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.

Um ein Wasserstofffahrzeug zu nutzen, muss der Benutzer den Wasserstofftank auffüllen, anstatt die Batterie aufzuladen.

Es gibt zwei Arten von Wasserstoffantriebstechniken:

• Das FCEV: ein Elektrofahrzeug mit einem von einer Brennstoffzelle angetriebenen Elektromotor - die meisten heute erhältlichen Wasserstofffahrzeuge verwenden diese Technologie,
  
• Der ICE: Ein Fahrzeug mit einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor. Diese Technologie, die noch nicht auf dem Markt ist, befindet sich in der Forschungs- und Entwicklungsphase und interessiert Hersteller wie Toyota, Porche und MAN. Bei dieser Art von Motor würde ein Großteil des Betriebssystems des derzeitigen Motors beibehalten und es wären nur minimale Anpassungen an den Fahrzeugen erforderlich.
  
  

Wodurch wird die Leistung eines Wasserstoffmotors bestimmt?

Bei FCEVs gibt es mehrere Konstruktionsparameter, die die Leistung eines Fahrzeugs bestimmen:

• Batteriekapazität (in kWh)
  
• Leistung der Brennstoffzelle (in kW)
  
• Wasserstoffspeicherkapazität (in kg)
  
• Gesamtmotorleistung in (kW)
  

Je nach Einsatzzweck des Fahrzeugs konzipieren die Hersteller verschiedene Konfigurationen dieser vier Elemente.

Gasförmiger oder flüssiger Wasserstoff?

Dies sind die beiden Arten der Wasserstoffspeicherung, die je nach Einsatzzweck des Fahrzeugs ihre Vor- und Nachteile haben. Mit flüssigem Wasserstoff können Sie viermal mehr Wasserstoff speichern, aber die Verflüssigung von Wasserstoff führt aufgrund des zusätzlichen Verflüssigungsvorgangs zu einer geringeren Energieausbeute. Außerdem muss er, sobald er im Auto ist, sehr schnell verbraucht werden, bevor er wieder zu Gas wird und sich ausdehnt. Das bedeutet, dass es entweder verbraucht oder evakuiert werden muss ... und verloren ist!

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Wie genau funktioniert eine Brennstoffzelle?

Es gibt mehrere Arten von Brennstoffzellen, die Brennstoff in Energie umwandeln. Die gebräuchlichste ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle, die Wasserstoff (den Brennstoff) durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in Strom (die Energie) umwandelt.
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Dieser Prozess, der sofort abläuft, treibt den Elektromotor an, wobei nur Wasser freigesetzt wird.

Technisch gesehen nutzt die Brennstoffzelle eine "Redox"-Reaktion zur Stromerzeugung. Sie besteht aus zwei Elektroden: einer oxidierenden Anode (die Elektronen abgibt) und einer reduzierenden Kathode (die Elektronen auffängt), die durch einen Elektrolyten getrennt sind, der die Ionen direkt von einer Elektrode zur anderen leitet und die Elektronen blockiert, so dass sie durch den externen Kreislauf der Batterie fließen müssen.

Der Tank versorgt die Anode kontinuierlich mit Wasserstoff, während die Kathode Sauerstoff (aus der Luft) aufnimmt.

Durch die Anode wird der Brennstoff oxidiert und setzt Elektronen frei, die durch den ionengeladenen Elektrolyten (der die beiden Elektroden trennt) gezwungen werden, durch einen externen Stromkreis zu fließen. Dieser externe Stromkreis liefert somit einen kontinuierlichen elektrischen Strom, der den Motor antreibt.

Nach der Wiedervereinigung in der Kathode rekombinieren die Ionen und Elektronen mit Sauerstoff. Diese Kombination bewirkt eine Reduktion, bei der - zusätzlich zum elektrischen Strom - Wärme und reiner Wasserdampf entstehen, der in Form von Gas durch ein kleines Rohr unter dem Fahrzeug entweicht, entweder während der Fahrt oder durch Drücken eines Knopfes am Ende der Fahrt.

• Der Tank versorgt die Anode kontinuierlich mit Wasserstoff, während die Kathode mit Sauerstoff (aus der Luft) versorgt wird.
  
• Durch die Anode wird der Kraftstoff oxidiert und setzt Elektronen frei, die durch den ionengeladenen Elektrolyten (der die beiden Elektroden trennt) in einen externen Stromkreis geleitet werden. Dieser externe Stromkreis liefert somit einen kontinuierlichen elektrischen Strom, der den Motor antreibt.
  
• Nach der Wiedervereinigung in der Kathode rekombinieren die Ionen und Elektronen mit Sauerstoff. Diese Kombination führt zu einer Reduktion, bei der - zusätzlich zum elektrischen Strom - Wärme und reiner Wasserdampf entstehen, der in Form von Gas durch ein kleines Rohr unter dem Fahrzeug entweicht, entweder während der Fahrt oder durch Drücken eines Knopfes am Ende der Fahrt.
  

Der Betrieb eines Wasserstoffmotors emittiert also nur reines Wasser und ist völlig sauber, vorausgesetzt, es wird ein völlig sauberer Wasserstoffkraftstoff verwendet.

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