Autos mit Wasserstoff fahren: Ein Blick auf Indiens National Hydrogen Mission

Indien hat eine National Hydrogen Mission angekündigt, die einen Fahrplan für die Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle erstellen wird. Die Initiative hat das Potenzial, den Verkehr zu verändern.

Toyotas überarbeitetes Wasserstoff-Brennstoffzellenauto Mirai, das die Technik unter der Haube zeigt, wird bei seiner Einführungsveranstaltung in Tokio im Dezember 2020 ausgestellt. (Foto: Reuters)

Indien ist traditionell ein langsamer Vorreiter bei Frontier-Elektrofahrzeug-(EV)-Technologien und hat einen ungewöhnlich frühen Einstieg in das Rennen um die Erschließung des Energiepotenzials des am häufigsten vorkommenden Elements im Universum, Wasserstoff, gemacht. Weniger als vier Monate nachdem das Energieministerium der Vereinigten Staaten eine Investition von bis zu 100 Millionen US-Dollar in die Wasserstoffproduktion und die Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellentechnologien angekündigt hat, hat Indien eine nationale Wasserstoffmission angekündigt.

Dem Vorschlag im Haushaltsplan wird in den nächsten Monaten ein Missionsentwurf folgen – ein Fahrplan für die Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle mit besonderem Schwerpunkt auf grünem Wasserstoff, der Indiens wachsende erneuerbare Kapazitäten mit der Wasserstoffwirtschaft verzahnt, teilten Regierungsvertreter mit .

Und während die vorgeschlagenen Endverbrauchssektoren Stahl und Chemie umfassen, ist die wichtigste Industrie, die Wasserstoff transformieren kann, der Verkehr – der ein Drittel aller Treibhausgasemissionen beisteuert und in dem Wasserstoff als direkter Ersatz für fossile Brennstoffe angesehen wird, mit Vorteile gegenüber herkömmlichen Elektrofahrzeugen.

Eine Handvoll mobilitätsgebundener Pilotprojekte sind bereits im Gange.

Im Oktober hat Delhi in einem sechsmonatigen Pilotprojekt als erste indische Stadt Busse betrieben, die mit Wasserstoff-verdichtetem komprimiertem Erdgas (H-CNG) betrieben werden. Die Busse werden mit einer neuen, von Indian Oil Corp patentierten Technologie zur Herstellung von H-CNG – 18 Prozent Wasserstoff in CNG – direkt aus Erdgas betrieben, ohne auf konventionelle Beimischungen zurückzugreifen.

Power Major NTPC Ltd betreibt ein Pilotprojekt zum Betrieb von 10 Elektrobussen und Brennstoffzellen-Elektroautos auf Wasserstoffbrennstoffzellenbasis in Leh und Delhi und erwägt die Errichtung einer Produktionsanlage für grünen Wasserstoff in Andhra Pradesh.

Das IOC plant auch, in seinem Forschungs- und Entwicklungszentrum in Faridabad eine eigene Einheit zur Herstellung von Wasserstoff für den Betrieb von Bussen einzurichten.

Als unterstützenden Regulierungsrahmen hat das Ministerium für Straßenverkehr und Autobahnen Ende letzten Jahres eine Notifizierung herausgegeben, in der Änderungen an den Central Motor Vehicles Rules, 1989, vorgeschlagen wurden, um Sicherheitsbewertungsstandards für Fahrzeuge auf Wasserstoff-Brennstoffzellenbasis aufzunehmen.

Warum Wasserstoff – und seine Arten

Das Potenzial von Wasserstoff als sauberer Kraftstoff hat eine fast 150-jährige Geschichte. Im Jahr 1874 entwarf der Science-Fiction-Autor Jules Verne in The Mysterious Island eine vorausschauende Vision – von einer Welt, in der eines Tages Wasser als Brennstoff verwendet wird, dass Wasserstoff und Sauerstoff, aus denen es besteht, einzeln oder zusammen verwendet, eine unerschöpfliche Quelle von Hitze und Licht, deren Intensität Kohle nicht vermag.

1937 flog das deutsche Passagierluftschiff LZ129 Hindenburg mit Wasserstofftreibstoff über den Atlantik, explodierte jedoch beim Andocken an der Naval Air Station Lakehurst in New Jersey und tötete 36 Menschen. In den späten 1960er Jahren halfen Wasserstoff-Brennstoffzellen, die Apollo-Missionen der NASA zum Mond zu betreiben.

Nach den Ölpreisschocks der 1970er Jahre wurde ernsthaft über die Möglichkeit nachgedacht, fossile Brennstoffe durch Wasserstoff zu ersetzen. Drei Autohersteller – Honda und Toyota aus Japan und Hyundai aus Südkorea – haben sich seitdem entschieden in Richtung Kommerzialisierung der Technologie bewegt, wenn auch in begrenztem Umfang.

Das häufigste Element in der Natur kommt nicht frei vor. Wasserstoff existiert nur in Kombination mit anderen Elementen und muss aus natürlich vorkommenden Verbindungen wie Wasser (das ist eine Kombination aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom) extrahiert werden. Obwohl Wasserstoff ein sauberes Molekül ist, ist seine Gewinnung energieintensiv.

Die Quellen und Prozesse, durch die Wasserstoff gewonnen wird, sind nach Farbfeldern kategorisiert. Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen wird grauer Wasserstoff genannt; dies macht den Großteil des heute produzierten Wasserstoffs aus. Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen mit Möglichkeiten zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung erzeugt wird, wird blauer Wasserstoff genannt; Wasserstoff, der vollständig aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wird, wird grüner Wasserstoff genannt. Im letzten Prozess wird Strom aus erneuerbaren Energien genutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten.

Der Fall für grünen Wasserstoff

Grüner Wasserstoff hat spezifische Vorteile. Erstens ist es ein sauber verbrennendes Molekül, das eine Reihe von Sektoren dekarbonisieren kann, darunter Eisen und Stahl, Chemie und Transport. Zweitens: Erneuerbare Energie, die nicht gespeichert oder vom Netz genutzt werden kann, kann zur Erzeugung von Wasserstoff kanalisiert werden.

Dies ist das Ziel der Wasserstoff-Energie-Mission der Regierung, die 2021-22 ins Leben gerufen werden soll. Indiens Stromnetz basiert hauptsächlich auf Kohle und wird dies auch weiterhin sein, wodurch die zusätzlichen Vorteile eines groß angelegten EV-Anschubs zunichte gemacht werden – da Kohle verbrannt werden muss, um den Strom zu erzeugen, der diese Fahrzeuge antreibt. In mehreren Ländern, die sich für einen EV-Push entschieden haben, wird ein Großteil des Stroms aus erneuerbaren Energien erzeugt – in Norwegen beispielsweise zu 99 Prozent aus Wasserkraft. Experten glauben, dass Wasserstofffahrzeuge im Fernverkehr und in anderen schwer zu elektrifizierenden Sektoren wie der Schifffahrt und dem Langstreckenflugverkehr besonders effektiv sein können. Der Einsatz schwerer Batterien in diesen Anwendungen wäre kontraproduktiv, insbesondere für Länder wie Indien, in denen das Stromnetz überwiegend mit Kohle betrieben wird.

Wie Wasserstoffbrennstoffzellen funktionieren

Vor allem Südkorea und Japan konzentrieren sich auf die Umstellung ihrer Automobilmärkte auf Wasserstoff und das Potenzial der Brennstoffzelle. Was ist eine Brennstoffzelle?

Wasserstoff ist ein Energieträger, kein Energieträger. Wasserstoff als Brennstoff muss von einem sogenannten Brennstoffzellenstapel in Strom umgewandelt werden, bevor er zum Antrieb eines Autos oder Lastwagens verwendet werden kann. Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie mit Hilfe von Oxidationsmitteln durch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion in elektrische Energie um. Fahrzeuge auf Brennstoffzellenbasis kombinieren am häufigsten Wasserstoff und Sauerstoff, um Strom zu erzeugen, der den Elektromotor an Bord antreibt. Da Brennstoffzellenfahrzeuge Strom zum Fahren verwenden, gelten sie als Elektrofahrzeuge.

In jeder einzelnen Brennstoffzelle wird Wasserstoff aus einem Drucktank an Bord entnommen und mit einem Katalysator, meist aus Platin, zur Reaktion gebracht. Wenn der Wasserstoff durch den Katalysator strömt, werden ihm seine Elektronen entzogen, die gezwungen sind, sich entlang eines äußeren Stromkreises zu bewegen, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Dieser Strom wird vom Elektromotor verwendet, um das Fahrzeug anzutreiben, wobei das einzige Nebenprodukt Wasserdampf ist.

Autos mit Wasserstoff-Brennstoffzellen haben einen CO2-Fußabdruck von nahezu null. Wasserstoff ist etwa zwei- bis dreimal so effizient wie die Verbrennung von Benzin, weil eine elektrochemische Reaktion viel effizienter ist als eine Verbrennung.

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FCEVs und andere EVs

Elektrofahrzeuge (EVs) werden in der Regel in vier große Kategorien eingeteilt:

* Herkömmliche Hybridelektrofahrzeuge oder HEVs wie Toyota Camry kombinieren ein konventionelles Verbrennungsmotorsystem mit einem elektrischen Antriebssystem, was zu einem Hybridfahrzeugantriebsstrang führt, der den Kraftstoffverbrauch erheblich senkt. Die Bordbatterie eines konventionellen Hybrids wird geladen, wenn der Verbrennungsmotor den Antriebsstrang antreibt.

* Plug-in-Hybridfahrzeuge oder PHEVs wie der Chevrolet Volt haben ebenfalls einen Hybridantriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor und elektrische Energie als Antriebskraft verwendet, unterstützt durch wiederaufladbare Batterien, die an eine Stromquelle angeschlossen werden können.

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* Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge oder BEVs wie Nissan Leaf oder Tesla Model S haben keinen Verbrennungsmotor oder Kraftstofftank und werden mit einem vollelektrischen Antriebsstrang betrieben, der mit wiederaufladbaren Batterien betrieben wird.

* Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge oder FCEVs wie Toyotas Mirai, Hondas Clarity und Hyundais Nexo verwenden Wasserstoffgas, um einen bordeigenen Elektromotor anzutreiben. FCEVs kombinieren Wasserstoff und Sauerstoff, um Strom zu erzeugen, der den Motor antreibt. Da sie vollständig mit Strom betrieben werden, gelten FCEVs als Elektrofahrzeuge, aber im Gegensatz zu BEVs sind ihre Reichweite und Betankungsvorgänge mit herkömmlichen Pkw und Lkw vergleichbar.

Der Hauptunterschied zwischen einem BEV und einem Wasserstoff-FCEV besteht darin, dass letzteres eine Betankungszeit von nur fünf Minuten ermöglicht, verglichen mit einer 30-45-minütigen Aufladung eines BEV. Außerdem erhalten die Verbraucher eine etwa fünfmal bessere Energiespeicherung pro Volumen- und Gewichtseinheit, was viel Platz für andere Dinge schafft und dem Fahrer gleichzeitig ermöglicht, weiter zu fahren.

Das Problem der kritischen Masse

Trotz ihres Versprechens muss die Wasserstofftechnologie noch skaliert werden. Tesla-Chef Elon Musk hat die Brennstoffzellentechnologie als irrsinnig dumm bezeichnet.

Ende 2020 waren weltweit weniger als 25.000 Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge unterwegs; zum Vergleich: die Zahl der Elektroautos lag bei 8 Millionen.

Ein großes Hindernis für die Einführung von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen war das Fehlen einer Tankstelleninfrastruktur – Brennstoffzellenautos tanken auf ähnliche Weise wie konventionelle Autos, können aber nicht dieselbe Tankstelle nutzen. Weltweit sind heute weniger als 500 Wasserstofftankstellen in Betrieb, hauptsächlich in Europa, gefolgt von Japan und Südkorea. Es gibt einige in Nordamerika.

Sicherheit wird als ein Anliegen gesehen. Wasserstoff wird unter Druck gesetzt und in einem Kryotank gespeichert, von dort wird er einer Niederdruckzelle zugeführt und einer elektrochemischen Reaktion unterzogen, um Strom zu erzeugen. Hyundai und Toyota sagen, dass die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Wasserstofftanks denen von Standard-CNG-Motoren ähnlich sind.

Die Hochskalierung der Technologie und das Erreichen einer kritischen Masse bleibt die große Herausforderung. Mehr Fahrzeuge auf der Straße und mehr unterstützende Infrastruktur können die Kosten senken. Indiens geplante Mission wird als ein Schritt in diese Richtung angesehen.

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