Drivstoffcellekjøretøy

Honda FCX Clarity , bygget rundt 100 biler fra 2007 til 2015

Toyota Mirai , verdens første drivstoffcellekjøretøy med høyt volum (rundt 10.000 biler siden slutten av 2014)

Hyundai Nexo (siden 2018)

Den RG Nathalie benytter metanol for å lagre energi

Drivstoffcellebuss: Toyota FCHV-BUS på Expo 2005

iLint fra Alstom på InnoTrans 2016

Hydrogen drivstoffcellefly HY4 (2016)

Brenselcellebiler er transportmidler i hvilken elektrisk energi som genereres fra den energibærere hydrogen , lavmolekylære alkoholer ( metanol , etanol ) eller ammoniakk ved en brenselscelle og omdannes direkte til bevegelse med elektrisk drift eller midlertidig lagret i en driv batteri . På den ene siden muliggjør det elektriske lagringsområdet rekreasjon, og på den andre siden avlaster det drivstoffcellen ved lastendringer. Strukturen på stasjonen tilsvarer altså en seriell hybridstasjon . Internasjonalt er forkortelsen FC (E) V for drivstoffcellebil (elektrisk) vanlig.

Denne typen kjøretøy er ikke lenger bare ansett som eksperimentell i biler, men er produsert i små serier til tross for begrensninger i driften. Begrensninger skyldes det fortsatt tynne nettverket av hydrogenfyllestasjoner . I 2021 var det 91 offentlig tilgjengelige hydrogenfyllestasjoner i Tyskland (ca. 0,5% av hele tankstasjonsnettet i Tyskland). Sammenlignet med konvensjonelle batteridrevne elbiler , er påfyllingsprosessen mye raskere, sammenlignbar med et kjøretøy med forbrenningsmotor.

Energiforsyning gjennom brenselceller

I følge en rapport fra 2011 kan en brenselcelle konvertere kjemisk bundet energi direkte til elektrisk energi med en effektivitet på opptil 60%. Den elektriske energien som oppnås på denne måten lagres i trekkbatterier , som også lagrer bremseenergi som gjenvinnes ved gjenoppretting . Den elektriske energien konverteres tilbake til kinetisk energi via elektriske motorer . Bensincellen lader opp drivbatteriet under drift og fungerer dermed som en " rekkeviddeutvidelse " for å øke rekkevidden til et kjøretøy med en elektrisk stasjon . På grunn av den ekstra energiomdannelsen er effektiviteten til drivstoffcellekjøretøyet lavere enn et elektrisk batteri med batteri. Mens elektriske kjøretøyer med batterier kan oppnå virkningsgrader på opptil 70-80% i henhold til antagelser fra 2014, er det rundt 40-50% for drivstoffcellekjøretøyer tank-til-hjul ; i tillegg er det ytterligere tap i produksjonen av hydrogen ( se nedenfor ).

I motsetning til dette er CO ₂ -balansen for fremstilling av brenselcellesystemet gunstigere . Mens produksjonen av batteriet til en e-bil med et stort 75 kWh batteri og en rekkevidde på 500 km med dagens energiblanding og toppmoderne produserer rundt 7 tonn CO ₂ , produserer et drivstoffcellekjøretøy med samme rekkevidde rundt 3,3 tonn, blir ikke utslippene for bygging av hydrogeninfrastrukturen tatt i betraktning. I den totale balansen, som tar hensyn til både produksjonsinnsatsen og driftsfasen, har et drivstoffcellekjøretøy en dårligere CO ₂ -balanse enn et sammenlignbart batterikjøretøy på grunn av sin lavere effektivitet og dermed betydelig høyere energiforbruk . Dette gjelder både den nåværende og en ren regenerativ elektrisitetsmiks.

Utslipp

Mens den elektriske driften i rent elektriske biler avgir praktisk talt ingen støy bortsett fra dekkets rullestøy, er det lite støy i drivstoffcellekjøretøyer, hovedsakelig på grunn av vifter som tilfører luft og tilleggsenheter som pumper. Driftsstøyen til drivstoffcellekjøretøyer er betydelig lavere enn kjøretøyer som drives av forbrenningsmotorer. Ved ren hydrogendrift består direkte avgassutslipp fra kjøretøyet hovedsakelig av vanndamp eller vann. Kjøretøyene bidrar dermed til å forbedre luftkvaliteten i trafikkrike områder.

Prosesser i brenselcellen

Ved anoden oksyderes hydrogen , det vil si at det trekkes tilbake elektroner . De protoner trenge gjennom elektrolyttmembran og strømme til katoden . Elektrolyttmembranen er bare permeabel for protonene, noe som betyr at elektronene blir "tvunget" til å passere gjennom den eksterne kretsen (med reservebatteriet eller den elektriske motoren). Det finnes forskjellige membransystemer for brenselcellen med forskjellig effektivitet og arbeidstemperaturområde. Ved katoden reduseres oksygenet som transporteres ned av luftstrømmen, det vil si at elektroner (som tidligere ble fjernet fra hydrogenet) tilsettes. Da møter de negativt ladede oksygenionene protonene og reagerer for å danne vann. Dette fullfører kretsen. Samtidig frigjøres varme som z. B. kan brukes til oppvarmingsformål om vinteren, men må fjernes ved hjelp av en vifte om sommeren.

Drivstoff og tank

Visning i Mercedes-Benz F-Cell

Tryktanker laget av karbonfiberarmert plast (350-800 bar) brukes nå til drivstoffcellebiler , siden lagringstettheten som kan oppnås med dette er tilstrekkelig til å oppnå rekkevidder på mer enn 500 km. Ved 700 bar kommer tettheten av komprimert gass nærmere 56% av tettheten av flytende hydrogen.

Kryogen flytende hydrogen (-253 ° C, flytende H ₂ ) benyttes kun når større mengder er nødvendig, f.eks B. i drivstoffcellebusser . For komprimering til 700 bar må rundt 12% av energien bundet i hydrogenet brukes. Dette må inngå i energibalansen som et konverteringstap . For kondensering skal 28-46% brukes. Bensintanking ligner påfylling med flytende petroleumsgass eller naturgass . Ytterligere tap oppstår hvis hydrogen ikke regelmessig tas fra kjøretøyet eller lagringstanken på tankstasjonen. Til tross for høykvalitetsisolasjonen varmes det flytende hydrogen opp og gasser ut via avløpsventiler.

Andre former for lagring av hydrogen i kjøretøyer som metallhydridlagring eller LOHC brukes for tiden (2021) ikke på grunn av lavt volum eller masserelaterte lagringstettheter.

Det er mulig å bruke forskjellige energiholdige stoffer som drivstoff. For bruk i brenselcellen må disse først omdannes kjemisk til gassformig hydrogen i en reformator . Hvis metanol brukes som drivstoff, kalles brenselcellesystemet Reformed Methanol Fuel Cell (RMFC). Direkte metanolbrenselceller (DMFC) bruker metanol med flytende drivstoff direkte, men de har lav effektivitet.

Hydrogenproduksjon og energikjede

Sammenligning av effektiviteten til et hydrogen og en elektrisk drivenhet

Hydrogengass er ikke en energiressurs som kull , olje eller naturgass . Hydrogen (H) består av et proton og et elektron . Det er et fargeløst, smakløst, luktfritt, giftfritt gassmolekyl som består av to atomer (H ₂ ). I naturen finnes det praktisk talt ikke i fri form. Det er der utelukkende i bundet form, f.eks. B. som vann (H ₂ O), i hydrokarboner - også i petroleum, naturgass, kull og biomasse - eller i andre organiske forbindelser. Hydrogen frigjøres ved hjelp av energi. Fram til 2012 ble det nesten utelukkende hentet fra fossile brensler .

Produksjonen av hydrogen fra fossile kilder skaper imidlertid CO ₂ og forskjellige forurensninger som biprodukter. For formålene med klimabeskyttelse målet, er hydrogen fullt mulig, uten CO ₂ - utslipp fremstilling. Den mer klimavennlige varianten er å produsere hydrogen gjennom elektrolyse av vann med grønn elektrisitet eller som biohydrogen fra fornybare råvarer. Elektrolyse er nedbrytningen av en kjemisk forbindelse under påvirkning av elektrisk energi. Hydrogen er et karbonfritt drivstoff og kan dermed bidra til å redusere CO ₂ . Imidlertid kan dette potensialet for hydrogen bare utnyttes hvis elektrisiteten kommer fra fornybare energikilder . Elektrisiteten som kreves for elektrolyse kan fås fra energikilder som sol , vind og vann , men denne typen hydrogenproduksjon er foreløpig ikke økonomisk levedyktig. Over 90% av hydrogenet som er i bruk genereres derfor ved dampreformering fra fossile kilder ved bruk av den konvensjonelle energimiksen .

Hvis det nødvendige hydrogenet skulle produseres av elektrisitet ved elektrolyse , ville den totale effektiviteten til drivstoffcellekjøretøyer være mindre enn 30%, mens det ville være minst 65% for batteri-elektriske kjøretøyer. Dette betyr at drivstoffcellekjøretøyer som drives med regenerativ elektrolysehydrogen bruker mindre primærenergi enn konvensjonelle kjøretøyer med forbrenningsmotorer, men de bruker også mer enn dobbelt så mye som batterielektriske kjøretøyer. En gjennomgang i 2013 viste at forbruket av hydrogenbiler er rundt 130% høyere enn for elektriske biler.

I tillegg vil en hydrogeninfrastruktur være fornuftig som et energilagringsmedium, som kan tjene som et supplement til de kontinuerlig produserte fornybare energiene.

historie

Bilprodusenter jobbet allerede intensivt med drivstoffcellebiler allerede i 1995. Med Necar II (New Electric Car) presenterte Daimler-Benz et forskningsbil. Flere prototyper fulgte.

Departementet for miljø, naturvern og transport i delstaten Baden-Württemberg erklærte i 2011 at de ønsket å støtte utvidelsen av en hydrogeninfrastruktur for fremtidsrettet energibruk og bærekraftig mobilitet.

Bilprodusentene Toyota , Nissan og Honda har siden redusert produksjonskostnadene for hydrogendrevne biler betydelig og planlegger å innføre storproduksjon i Japan fra 2015 i forbindelse med bygging av 100 hydrogenfyllestasjoner i de japanske storbyregionene. Toyota presenterte verdens første produksjonsbil med drivstoffcelledrift 25. juni 2014 under navnet FCV i Tokyo. På slutten av 2017 produserte Toyota rundt 3000 drivstoffcellebiler i året.

Daimler ønsket å starte serieproduksjon av hydrogenbiler senest i 2015. For å demonstrere egnetheten til hverdagsbruk av hydrogendrevet, gjennomførte Mercedes-Benz en omgåelse av verden med flere B-klasse drivstoffcellekjøretøyer. De nødvendige tanksystemene for å komprimere hydrogenet som ble tilført av Linde AG til 700 bar ble båret som mobile enheter. I 2013 uttalte Daimler at, i motsetning til den opprinnelige planen, ville serieproduksjon av drivstoffcellekjøretøyer ikke begynne før 2017, ettersom en konkurransedyktig pris for kjøretøyene for øyeblikket ikke kan realiseres. Andre bilprodusenter utsetter også gang på gang starten på serieproduksjonen.

Imidlertid er etableringen av en infrastruktur for hydrogenproduksjon , hydrogenlagring og drivstoff fortsatt åpen. I tillegg til den forurensningsfrie driften av kjøretøyet ( tank-til-hjul ), som med den rent batteridrevne elbilen , må generering av nødvendig hydrogen ( well-to-tank ) også vurderes under økologiske aspekter . Hydrogen produseres for tiden (2012) hovedsakelig ved dampreformering ved hjelp av fossile primærenergier, primært naturgass. H2 Mobility Initiative (Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell og Total) planlegger et nettverk på 400 stasjoner innen utgangen av 2023 .

Outlook

Fra juni 2021 stoler flertallet av alle bilprodusenter over hele verden på batterielektriske konsepter, mens bare to produsenter (Toyota og Hyundai) for tiden også tilbyr drivstoffcellebiler. Honda avviklet sin FCX Clarity uten erstatning i midten av 2021. Opel planlegger å tilby Vivaro-e Hydrogen fra høsten 2021 . Etter flere utsettelser planlegger BMW en liten serie av BMW X5 innen utgangen av 2022 , men med Toyota-teknologi. Masseproduksjon har ennå ikke vært på dagsorden.

I mai 2021 er det 91 hydrogenfyllestasjoner i Tyskland; Ifølge det føderale transportdepartementet skal tallet stige til 130 innen utgangen av 2021. Rundt 1000 bensinstasjoner kreves for et omfattende nettverk. I februar 2020 var det 177 klargjorte hydrogenfyllestasjoner over hele Europa.

Siden brenselcellekjøretøyer er underlagt reglene i den tyske loven om elektromobilitet , kan det søkes om en E-lisensplate for å skille dem fra andre kjøretøy siden oktober 2015, og kjøretøyene kan bruke rabatten på elektriske stasjoner som er spesifisert der.

Derimot har en rekke produsenter som VW, Mercedes-Benz, Nissan og Ford offisielt avsluttet sine brenselcelleplaner, mens andre produsenter som General Motors og Volvo de facto også har gitt opp utviklingen av drivstoffcellekjøretøyer.

kritikk

Hovedpoenget med kritikk med drivstoffcellebiler er den betydelig lavere samlede effektiviteten og dermed høyere energiforbruk sammenlignet med batterielektriske biler. I tillegg betyr hydrogenfyllestasjoner betydelig høyere anskaffelseskostnader sammenlignet med ladepunkter i rent batterielektriske kjøretøy. I motsetning til dette, kan kombinasjonen av hydrogen med brenselceller i tung trafikk være en klar fordel på grunn av den høyere energitettheten av hydrogen sammenlignet med kjøretøyer basert bare på batterier, siden drivbatterier allerede utgjør en betydelig andel av kjøretøyets vekt.

I et intervju forklarte professor Martin Doppelbauer fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) at jo mer elektromobilitet begynner å etablere seg, jo sterkere vil det være en kampanje for hydrogen. Hydrogendiskusjonen er et ganske tysk fenomen. For eksempel ville det være en enkelt hydrogenfyllestasjon i hele Italia (per desember 2019). I Frankrike er det fem fra desember 2019. I Spania er det to og i Portugal ingen. Doppelbauer ser et behov for bruk innen nettstabilisering. Men i massemarkedet for biler med millioner av biler er hydrogen uegnet. VW-sjef Herbert Diess uttalte seg også mot brenselcelle-teknologi i 2019. Dette er ikke så bra for miljøet som det hevdes. Han beskriver i Hydrogen Next- prosjektet av konkurrent BMW som "tull". I 2021 skrev han at hydrogen var nødvendig for "stål, kjemi, luftfart" og derfor ikke skulle brukes i biler. Hydrogen er "[mye] for dyrt, ineffektivt, sakte og vanskelig å rulle ut og transportere". I tillegg viser markedet uansett at ingen hydrogenbiler er forutsigbare.

Tilgjengelige drivstoffcellekjøretøyer og konseptbiler

Passasjerbiler

Honda viste FCX Clarity 2007, en drivstoffcellebil klar for serieproduksjon. De første eksemplene ble leid ut til utvalgte kunder i California.

3. juni 2008 ble den første Toyota FCHV-adv godkjent for bruk i Japan. 1. september 2008 leide det japanske miljødepartementet de første Toyota FCHV-adv prototypene for kommersiell testing.

Den Hyundai ix35 FCEV er produsert i små serier siden 2013 og levert til kunder, det ble erstattet av Nexo i 2018 .

I 2014 presenterte Toyota "FCV", som har blitt produsert siden høsten 2015 under navnet Toyota Mirai . De første testkjøringene fant sted i Tyskland i november 2015. En tank med drivstoff er nok i opptil 500 kilometer i rundt 90 km / t. Bensintanking tar 5 til 15 minutter.

For mer informasjon, se listen over drivstoffcellebiler i serieproduksjon .

Honda FCX

Noen produsenter har allerede presentert flere generasjoner eller flere forskjellige konseptbiler:

kommersielle kjøretøy

busser

• Daimlerchrysler utviklet en stasjon for Sprinter , samt NEBUS ( O 405 N2 med brenselcelle) i 1997 , den Mercedes-Benz Citaro BZ i 2002 og presentert den tredje generasjon av hybridbuss med lagring batteri på UITP kongressen i Wien i 2009 med Citaro FuelCELL-Hybrid . Concept Sprinter F-Cell ble presentert i 2018 . Prøveoperasjonen på Hamburger Hochbahn siden 2010 ble avsluttet i begynnelsen av 2019 etter store ambisjoner. Årsakene er leveringsvansker fra Mercedes side og uløste problemer med lagring av eksplosive hydrogenlagre i boligområder. Nyere modeller er produsert som Mercedes-Benz FuelCell hybridbusser .
• Van Hool og UTC-Fuel Cell , ISE Corporation presenterte i fellesskap Van Hool nye A330 Fuel Cell i 2005 . Den regionale trafikken i Köln og Wuppertaler Stadtwerke har bestilt 40 hydrogenbusser fra Van Hool, som skal leveres fra våren 2019.
• I 2019 ble 12 Urbino 12 hydrogenbiler bestilt fra den polske produsenten Solaris til byen Bolzano i Sør-Tirol . Ballard Power Systems leverer drivstoffcellene til disse bussene .
• Hydrogenics bygde flere midibusser med drivstoffcellestasjoner på Gulliver 520ESP fra Tecnobus (Italia) .
• Yutong ZK6125FCEVG1 Fuel Cell Bus fra den kinesiske bussprodusenten Yutong fikk markedsgodkjenning for Kina sommeren 2015. Denne 12 m bussen er utstyrt med åtte 120 l tanker, som ligger i den fremre delen av taket. Bussen har en rekkevidde på 300 km. Bensintanking tar bare ti minutter. Bensincellen har en effekt på 50 kW, drivmotoren har en effekt på 120 kW.
• Toyota utviklet en bensincellebuss sammen med datterselskapet Hino , som har blitt markedsført i Japan siden desember 2014. Dette 10,5 m lange kjøretøyet bruker samme teknologi som Toyota Mirai , men har to drivstoffcellebunker og åtte hydrogentanker. Disse forsyner hver to 110 kW (150 PS) elektriske motorer med energi. Bussen har 26 seter og 50 ståplasser og har vært i rutetjeneste i Toyota City siden 9. januar 2015 .

Lastebiler

Hyundai Xcient drivstoffcelle

På grunn av spesifikasjonene fra Brussel: ( forordning (EU) 2019/1242 ), er produsenter av lastebiler og kommersielle kjøretøy tvunget til å lete etter alternative drivkonsepter . Derfor investerer Daimler og Volvo i fellesskap i drivstoffcellestasjoner. Toyota har allerede bygget noen modeller sammen med Kenworth og utvikler en ny lastebil i samarbeid med Hino Jidōsha . Iveco har til hensikt å etablere et lastebilproduksjonsanlegg i Ulm sammen med Nikola Motor Company . Hyundai tester allerede blant annet tilsvarende lastebiler. i Sveits .

Andre

• Allerede i 1959 ble Allis-Chalmers drivstoffcelle traktor presentert, og det ble vist en feltprøve. Det ble gitt til museet etter flere presentasjoner.
• På HHLA i Hamburg havn ble en gaffeltruck fra Still (R 60-25) med drivstoffcelledrift operert som en del av et prosjekt fra 2008 til 2010 .
• CNH Global presenterte traktoren "NH²" basert på New Holland "T6000" -modellen på Sima 2009 landbruksutstilling i Paris . Traktoren ble brakt til 120 hk i 2011.

Jernbanevogner

Skip / båter

Hydrogenfyllestasjonen for Alsterdampfer Alsterwasser

• Verdens første drivstoffcelleskip med passasjergodkjenning var Hydra . Den ble bygget i 2000 av Christian Machens og hadde et alkalisk brenselcellesystem (AFC).
• Passasjerskip: Hamburg passasjerskip Alsterwasser , Zemships- prosjektet . Se også → H2Yacht
• Ubåt: Ubåtklasse 212 A , ubåtklasse 214 , DeepC
• Ro-ro-skip : Undine , brenselcelleenhet WFC20 fra Wärtsilä som hjelpedrift (20 kW) med metanolinnsats
• Forskningsskipet Solgenia drives også av en brenselcelle.
• Den norske Viking Lady er et forsyningsskip som ble utstyrt med en brenselcelle i tillegg til sitt dieselelektriske fremdriftssystem i 2009 .
• Nemo H2 kanalbåt i Amsterdam

I 2011 ble den økonomiske bruken av brenselceller for å skaffe energi i skip satt spørsmålstegn ved i noen tilfeller.

Fly

• 2009: Det første pilotstyrte flyet som ble drevet utelukkende av drivstoffcellefremdrift, var Antares DLR-H2 motorglider. Den første offentlige flyvningen startet fra Fuhlsbüttel lufthavn i Hamburg og varte i ti minutter.
• 2016: Den første flyvningen med fire-seters passasjerfly HY4 fant sted 29. september 2016.

Se også

• Polymerelektrolyttbrenselcelle
• Reformert metanol drivstoffcelle

litteratur

• Helmut Eichlseder, Manfred Klell: Hydrogen i kjøretøyteknologi: generering, lagring, applikasjon. 2. utgave, Vieweg + Teubner, 2010, ISBN 3-8348-1027-4 .
• GL publiserer brenselcelleundersøkelse. I: Schiff & Hafen, Heft 11/2010, s. 58, Seehafen-Verlag, Hamburg 2010, ISSN  0938-1643 ( Germanischer Lloyd undersøker bruken av brenselceller i havgående skip)
• Drivstoffcellestasjon bevist i praksis. I: Schiff & Hafen Heft 3/2011, s. 46–48, Seehafen-Verlag, Hamburg 2011, ISSN  0938-1643
• Nora Luttmer: Drivstoffceller - snart! I: Deutsche Seeschifffahrt Heft 01/2011, s. 48–49, Association of German Shipowners , Hamburg 2011, ISSN  0948-9002 .

weblenker

Wiktionary: Fuel cell vehicle  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• Hydrogenfyllestasjoner i Tyskland
• Gjeldende liste over drivstoffcellekjøretøyer (på Internett)
• Gjeldende liste over drivstoffcellekjøretøyer (PDF-fil; 894 kB; 25. september 2019 ikke tilgjengelig)
• Oversikt over nåværende drivstoffcellekjøretøyer
• Ny infrastruktur for fremtidsrettede gaffeltrucker (maschinenmarkt.vogel.de 19. september 2008)
• NH2 hydrogen traktor
• Nåværende markedsoversikt over drivstoffcellekjøretøyer (FCEV) tilgjengelig på det tyske markedet fra og med 2019

Individuelle bevis