Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird die Anwendung von Wasserstoff im deutschen Straßenverkehr im Vordergrund stehen. Ausgangspunkt dafür ist im Verlauf der Arbeit immer der Wasserstoffantrieb per Brennstoffzelle. Die Methodik dieser Arbeit basiert auf der Auswertung aktueller Literatur und der Analyse des technischen Entwicklungsstandes.
Dabei werden drei verschiedene Fahrzeugtypen genauer betrachtet: Pkw, Busse und Lkw. Jeder der drei Kraftfahrzeugtypen kann einen erheblichen Beitrag leisten, um die CO2-Emissionen im Straßenverkehr zu reduzieren – Pkw aufgrund ihrer hohen Anzahl, Busse insbesondere im öffentlichen Personennahverkehr in urbanen Gebieten und Lkw, weil sie den größten Kraftstoffverbrauch haben. Trotzdem stehen sie vor unterschiedlichen Hürden und weisen unterschiedliche Reifestadien in ihrer Entwicklung auf.
Neben der Unterscheidung dieser drei Fahrzeugtypen richtet sich das Hauptaugenmerk in dieser Arbeit auf die Chancen und Herausforderungen des Wasserstoffantriebs in Deutschland. Aktuell treiben sowohl die Automobilindustrie als auch diverse politische Institutionen die Etablierung im Markt stark voran. Dies bringt entsprechende Herausforderungen mit sich, aber die Chancen auf der anderen Seite sind so groß, dass es sich lohnt, sie zu überwinden.
Wasserstoff als Energieträger der Zukunft ist aktuell ein Thema, dem weltweit viel Aufmerksamkeit geschenkt wird, was vor allem an zwei Gründen liegt. Zum einen ist dies durch den Klimawandel und die entsprechenden Klimaziele, die von der Politik gesetzt wurden, bedingt. Sie treiben den Ausbau von Alternativen zu fossilen Energieträgern stark voran. Das Ziel, die Kohlendioxid(CO2)-Emissionen insbesondere im Energie-, Industrie- und Verkehrssektor signifikant zu reduzieren, birgt gleichzeitig die Forderung und Notwendigkeit, schnellstmöglich klimaneutrale Technologien im Markt zu etablieren. Zum anderen verlassen wir uns bei den fossilen Energieträgern bisher zu stark auf immer knapper werdende Rohstoffe. Diese zunehmende Verknappung bringt steigende Preise mit sich, bis die Quellen irgendwann komplett versiegen.
Zu den größten Chancen gehört ohne Zweifel, dass der Wasserstoffantrieb an sich keinerlei CO2 ausstößt. Dem steht jedoch gegenüber, dass Wasserstoffantriebe nur dann als emissionsfrei betrachtet werden können, wenn auch die vorherige Herstellung des Wasserstoffs mit regenerativen Energien betrieben wurde. Hierbei spricht man von grünem Wasserstoff.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Der Wasserstoffantrieb
2.1. Die Besonderheit von Wasserstoff als Treibstoff
2.1.1. Der Energieträger Wasserstoff
2.1.2. Physikalische und chemische Eigenschaften von Wasserstoff
2.1.3. Herstellung von Wasserstoff
2.2. Die Brennstoffzelle als Energiewandler
2.2.1. Das Brennstoffzellensystem im Betrieb mit Wasserstoff
2.2.2. Kenngrößen und Wirkungsgrade von Brennstoffzellen
2.2.3. Lebensdauer von Brennstoffzellen im Vergleich
2.2.4. Vergleich der H2-Brennstoffzelle mit anderen Antriebsformen
2.2.4.1. Vergleich mit Verbrennungsmotoren
2.2.4.2. Vergleich mit batteriebetriebenen Elektromotoren
3. Wasserstoffantrieb in Kraftfahrzeugen
3.1. Wasserstoffantrieb für Pkw – Potenzial & Umsetzung
3.2. Wasserstoffantrieb für Busse – Potential & Umsetzung
3.3. Wasserstoffantrieb für Lkw – Potential & Umsetzung
4. Chancen und Herausforderungen des Wasserstoff-antriebs in Deutschland
4.1. Chancen von Wasserstoff als Antriebsform
4.1.1. Ökologische Chancen von Wasserstoff
4.1.1.1. Grüner Wasserstoff aus regenerativer Energie
4.1.1.2. CO2 Emission von Wasserstoff in der Herstellung
4.1.1.3. CO2 Emission von Wasserstoffantrieben im Straßenverkehr
4.1.1.4. Rohstoffverfügbarkeit von Wasserstoff
4.1.2. Ökonomische Chancen von grünem Wasserstoff
4.1.2.1. Förderungen von Wasserstofftechnologien durch den Staat
4.1.2.2. Sinkende Kosten in der Herstellung von Wasserstoffantrieben
4.1.2.3. Sinkende Kosten in der Herstellung von Wasserstoff
4.2. Herausforderungen der Implementierung von Wasserstoff
4.2.1. Speicherung und Transport von Wasserstoff
4.2.1.1. Wasserstoff im Gasförmigen Zustand
4.2.1.2. Wasserstoff im kalten flüssigen Zustand
4.2.1.3. Wasserstoff in chemischen oder physikalischen Verbindungen
4.2.2. Sicherheit und Handhabung von Wasserstoff
4.2.3. Tankstellennetz für Wasserstoff
4.2.4. Meinung von Bevölkerung und Politik
5. Fazit
Zielsetzung & Themenschwerpunkte
Die vorliegende Arbeit untersucht die Potenziale und Herausforderungen von Wasserstoffantrieben in Deutschland im Kontext des Straßenverkehrs. Dabei steht vor allem die Anwendung per Brennstoffzelle für Pkw, Busse und Lkw im Fokus, um aufzuzeigen, wie diese Technologie einen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten kann.
- Technische Grundlagen von Wasserstoff und Brennstoffzellen.
- Vergleich zwischen Wasserstoffantrieben, Verbrennungsmotoren und batteriebetriebenen E-Fahrzeugen.
- Analyse der Chancen (ökologisch und ökonomisch) und Herausforderungen (Infrastruktur, Sicherheit, Kosten).
- Betrachtung spezifischer Anwendungsfelder für Pkw, Busse und Lkw.
- Bewertung politischer Förderstrategien und gesellschaftlicher Akzeptanz.
Auszug aus dem Buch
2.2.1. Das Brennstoffzellensystem im Betrieb mit Wasserstoff
Bereits im Jahre 1838 hat Christian Friedrich Schönbeck das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle entdeckt. Jedoch nahm die Weiterentwicklung der Brennstoffzelle für den stationären und mobilen Gebrauch erst in den letzten Jahrzehnten wieder Fahrt auf. Die Brennstoffzelle bietet relativ hohe Wirkungsgrade bei der Umwandlung von chemisch gebundener Energie in elektrische Energie. Sie erzeugt mit Wasserstoff als Treibstoff keine CO2- und Lärmemissionen und arbeitet im Vergleich zu Verbrennungsmotoren ohne bewegliche Bauteile, was die Komplexität und die Anzahl der Verschleißteile verringert. (vgl. Eichlseder & Klell, 2012: 219)
Die Brennstoffzelle selbst dient der reinen Energieumwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische und Wärmeenergie. Hierbei handelt es ich um den Umkehrprozess der Elektrolyse. (vgl. Rudolph & Wagner, 2008: 265)
Bei der Herstellung von Wasserstoff wird Wasser mittels Elektrolyse unter Gleichstrom in die Grundstoffe Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. In der Brennstoffzelle kann dieser Prozess umgekehrt werden und durch die Rekombination von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) wird wiederrum Wasser, Abwärme und Strom erzeugt. (vgl. Adolf et al., 2017: 48)
Da mit einer einzelnen Brennstoffzelle nur geringe Spannungen um 1 Volt erreicht werden können, werden mehrere Brennstoffzellen für mobile und technische Anwendungen gestapelt. Hierfür werden mehrere Einzelzellen in einer Serienschaltung zu Zellstapeln (Stacks) verbunden. Somit können die Stacks mit einer kompakten und platzsparenden Bauweise höhere Spannungen bereitstellen. (vgl. Eichlseder & Klell, 2012: 226)
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung führt in die Relevanz von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft ein, begründet durch Klimaziele und die Verknappung fossiler Rohstoffe, und definiert das Ziel der Arbeit sowie die untersuchten Fahrzeugtypen.
2. Der Wasserstoffantrieb: Das Kapitel bietet einen technischen Überblick zu den Eigenschaften von Wasserstoff, dessen Herstellung sowie dem Funktionsprinzip und den Kenngrößen von Brennstoffzellen.
3. Wasserstoffantrieb in Kraftfahrzeugen: Hier wird der aktuelle Stand und das Zukunftspotenzial des Wasserstoffantriebs für Pkw, Busse und Lkw analysiert, wobei technische Reife und Marktprognosen gegenübergestellt werden.
4. Chancen und Herausforderungen des Wasserstoff-antriebs in Deutschland: Dieser Abschnitt beleuchtet detailliert sowohl die ökologischen und ökonomischen Chancen als auch die Hürden bei Speicher, Transport, Sicherheit und Infrastruktur sowie die Meinung von Bevölkerung und Politik.
5. Fazit: Das Fazit fasst zusammen, dass die Wasserstofftechnologie technisch reif, aber auf politische Unterstützung und Markthochlauf angewiesen ist, um einen signifikanten Beitrag zur CO2-Reduktion leisten zu können.
Schlüsselwörter
Wasserstoff, Brennstoffzelle, Pkw, Bus, Lkw, Energiewende, Grüne Energie, Elektrolyse, CO2-Reduktion, Wasserstoffinfrastruktur, Mobilität, Nachhaltigkeit, Markthochlauf, Klimaziele, Systemintegration
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Bachelor-Thesis untersucht das Potenzial und die Hürden von Wasserstoffantrieben im deutschen Straßenverkehr als Alternative zu fossilen Brennstoffen.
Welche zentralen Themenfelder behandelt die Arbeit?
Die zentralen Schwerpunkte sind die technische Funktionsweise von Wasserstoff-Brennstoffzellen, die ökologischen und ökonomischen Chancen der Technologie sowie die bestehenden Barrieren in der Infrastruktur und Politik.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, den Beitrag von Wasserstoffantrieben zur Dekarbonisierung des deutschen Verkehrssektors zu bewerten, indem Potenziale und Umsetzungsstrategien für verschiedene Fahrzeugklassen analysiert werden.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Die Arbeit basiert auf der systematischen Auswertung aktueller Fachliteratur und der Analyse des technischen Entwicklungsstandes von Wasserstofftechnologien.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technischen Grundlagen des Wasserstoffantriebs, eine detaillierte Betrachtung spezifischer Nutzfahrzeuggruppen und eine umfassende Untersuchung der Chancen und Herausforderungen, inklusive der Förderstrategien und Akzeptanz.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die zentralen Begriffe sind Wasserstoff, Brennstoffzellentechnologie, Dekarbonisierung, Mobilitätswende, Wasserstoff-Infrastruktur und umweltfreundliche Antriebssysteme.
Warum spielt der Wasserstoffantrieb für Lkw derzeit eine besondere Rolle?
Da Batterie-Systeme bei Schwerlasttransporten aufgrund des Gewichts und der Reichweite oft an ihre Grenzen stoßen, gilt die Brennstoffzelle hier als besonders aussichtsreiche Alternative zur Erreichung der Klimaziele.
Welche Rolle spielt die Politik bei der Markteinführung von Wasserstofftankstellen?
Die Politik fungiert als wichtiger Förderer und Koordinator, um durch Investitionen und Strategiepapiere (wie das Nationale Innovationsprogramm) ein flächendeckendes Tankstellennetz zu etablieren und die Markteinführung unabhängig von kurzfristigen Zulassungszahlen zu beschleunigen.
- Quote paper
- Fatih Duran (Author), 2021, Wasserstoffantriebe für Pkw, Lkw und Busse. Chancen und Herausforderungen in Deutschland, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1328775
