Wasserstoff und Brennstoffzellen

Wasserstoff in der Mobilität

Ein wichtiges Element der Energie- und Umwelt-politik in den meisten Ländern der Europä-ischen Union ist die Reduzierung der Emissionen von Treibhausgasen, im wesentlichen sind dies Kohlen-dioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O).

Autofahren mit Wasserstoff

Von Gerfried Jungmeier*

Möglichkeiten zur Reduktion ergeben sich im Energiebereich durch die Steigerung der Effizienz der Energieumwandlung sowie durch den Einsatz erneuerbarer Energieträger aus Wasserkraft, Biomasse, Sonnenstrahlung und Windkraft anstelle fossiler Energieträger.
Da die Treibhausgasemissionen insbesondere aus dem Verkehrssektor in den letzten Jahren sehr stark zugenommen haben, werden alternative Kraftstoffe wie z.B. Wasserstoff, Biodiesel, Bioethanol und neue Antriebsysteme mit Brennstoffzellen erforscht und getestet.

Lebenszyklusanalyse

Basierend auf einer Lebenszyklusanalyse werden die Treibhausgasemissionen von zukünftigen Personenkraftwagen mit alternativen Kraftstoffen und mit Niedertemperatur-Brennstoffzellensystemen ermittelt, die mit zukünftigen Dieselfahrzeugen mit Verbrennungsmotor verglichen werden (Abbildung 1). In der Lebenszyklusanalyse werden alle treibhausgasrelevanten Prozesse und Anlagen erfasst, die für die Bereitstellung einer Transportdienstleistung notwendig sind, von der Rohstoffentnahme aus der Umwelt über die Errichtung der Anlagen bis zur Rückführung von Stoffen und Energie an die Umwelt. Es werden die Treibhausgasemissionen (CO₂, CH₄ und N₂O) in Gramm CO₂-Äquivalent pro gefahrenen Fahrzeugkilometer [g CO₂-äq/PKW-km] ermittelt, wobei folgende Äquivalenzfaktoren verwendet werden:

1 CO₂=1 CO₂-äq
1 CH₄ = 23 CO₂-äq
1 N₂O = 296 CO₂-äq

Die folgenden Fahrzeuge und Kraftstoffkombinationen für zukünftige österreichische Verhältnisse etwa im Jahr 2020 werden untersucht:

• Fahrzeuge mit Verbrennungskraftmotor: Biodiesel aus Raps, Bioethanol aus Zuckerrübe und Sägerestholz
• Fahrzeuge mit Brennstoffzellen: Biomethanol aus Sägerestholz, Wasserstoff aus Sägerestholz, Windkraft und Erdgas.

Biodiesel wird durch Veresterung von Rapsöl erzeugt. Bioethanol wird durch die alkoholische Gärung von Zuckerrüben und Zellstoff aus Sägerestholz gemacht. Wasserstoff aus Biomasse wird durch die Vergasung von Holz und Aufbereitung des Holzgases hergestellt. Wasserstoff aus elektrischer Energie aus Windkraft entsteht durch Elektrolyse von Wasser. Die Produktion von Wasserstoff aus Erdgas erfolgt durch Dampfreformierung. Biomethanol wird durch Vergasung und anschließender Methanolsynthese von Biomasse erzeugt. Der Einsatz von Wasserstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen ist flüssig und gasförmig möglich.
Sämtliche betrachteten Systeme mit Brennstoffzelle und Wasserstoff sind Systeme, die erst zur technischen Marktreife entwickelt werden müssen, daher sind Annahmen bezüglich eines für den zukünftigen kommerziellen Einsatz tauglichen Standes der Technik erforderlich, die naturgemäß mit gewissen Unsicherheiten verbunden sind.

Abbildung 1: Kohlenstoff- und Energieflüsse der Transportsysteme für den Vergleich der Treibhausgasemissionen, aufbauend auf Arbeiten der Bioenergy Task 38 der Internationalen Energieagentur

Treibhausgasemissionen

In Abbildung 2 ist der Vergleich der Treibhausgasemissionen von zukünftigen Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffe im Vergleich zu Diesel dargestellt. Alle zukünftigen Fahrzeuge, die mit alternativen Kraftstoffen aus erneuerbarer Energie betrieben werden, haben deutlich geringere Treibhausgasemissionen (minus 60 bis 80%) im Vergleich zu einem zukünftigen Diesel-Fahrzeug, wobei Bioethanol mit Verbrennungsmotor und Biomethanol mit Brennstoffzelle aus Sägerestholz besonders geringe Treibhausgasemissionen aufweisen.
Brennstoffzellenfahrzeuge mit Wasserstoff aus erneuerbarer Energie haben etwa 60% weniger Treibhausgasemissionen als ein zukünftiges Diesel-Fahrzeug. Brennstoffzellenfahrzeuge mit Wasserstoff aus Erdgas haben um 40 bis 70% mehr Treibhausgasemissionen als ein zukünftiges Dieselfahrzeug. Aufgrund der zusätzlich notwendigen Energie zur Verflüssigung von gasförmigen Wasserstoff, hat flüssiger Wasserstoff höhere Treibhausgasemissionen als gasförmiger Wasserstoff.

Schlussfolgerungen

Insgesamt lässt sich feststellen, dass alle alternativen Kraftstoffe aus erneuerbarer Energie zu einer deutlichen Reduktion von Treibausgasemissionen beitragen können, der Sekundärenergieträger Wasserstoff und das Brennstoffzellenfahrzeug können diese Reduktion zukünftig weiter unterstützen. Kraftstoffe aus fossilen Energieträgern haben trotz weiterer technischer Entwicklung deutlich höhere Treibhausgasemissionen, wobei die Erzeugung von Wasserstoff aus Erdgas für den Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen aus Sicht der Treibhausgas-Emissionen nicht günstig ist. Die Erzeugung von Wasserstoff und Biomethanol aus erneuerbaren Energieträgern für den Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen ist aus Sicht der Treibhausgasemissionen empfehlenswert.

Abbildung 2: Vergleich der Treibhausgasemissionen von zukünftigen Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffe im Vergleich zu Diesel

Hinweis
Mit Unterstützung des Zukunftsfonds Steiermark wird gerade das Projekt "Nachhaltig unterwegs im Jahr 2020 - Eine Steirische Initiative für Treibstoffe" bearbeitet, das sich mit diesem Themenbereich beschäftigt. Nähere Infos hierzu beim Autor.

Literatur
Die Ergebnisse wurden der Studie: "Treibhausgas-Emissionen und Kosten von Transportsystemen - Vergleich von biogenen mit fossilen Treibstoffen" (Jungmeier et al. 2003, JOANNEUM RESEARCH) entnommen.

*) Dipl.-Ing. Dr. Gerfried Jungmeier ist seit 1993 Mitarbeiter am Institut für Energieforschung der JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, gerfried.jungmeier@joanneum.at, www.joanneum.at. [^]