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Donnerstag, 1. Mai 2014

Energiespeicher Wasserstoff oder Lithium, was ist der bessere Speicher?

Wasserstoff und Lithium als Energiespeicher

Der Energiespeicher für das Auto der Zukunft muss viel Energie speichern, leicht sein und wenig Platz benötigen. Zudem soll er umweltfreundlich, preiswert und leicht verfügbar sein. 
Periodensystem der Elemente, oben stehen die leichten Elemente, Quelle: Wikipedia

Periodensystem

Ein Blick in das Periodensystem der chemischen Elemente gibt uns einen ersten Hinweis: Oben stehen die leichten Elemente, das sind jene, die im Atomkern nur wenige Bausteine haben. Rekordhalter ist eindeutig Wasserstoff, da er nur ein Proton hat. An zweiter Stelle kommt Helium, das ist aber chemisch völlig inaktiv, warum manche damit Kinderballons füllen.
Und bereits an dritter Stelle steht Lithium, das erste Metall im Periodensystem. Da es, im Gegensatz zu Wasserstoff, fest ist, benötigt es nur wenig Platz. Mit einer Dichte von 0,53g/cm³ ist es das mit Abstand leichteste Metall [1] und schwimmt mühelos auf Wasser (Achtung, Lithium ist sehr reaktionsfreudig, nicht ausprobieren, Video). 

Energie in den Elementen

Will man die chemische Energie bestimmen, die in einem Element steckt, und die eng mit der Speicherkapazität zusammenhängt, dann kann man die Verbrennungswärme messen. Wie vielen bekannt ist, explodiert eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff in der Knallgasreaktion. 
Energiedichte verschiedener Stoffe bezogen auf Volumen und Gewicht, Quelle: Wikipedia
Ein Liter Wasserstoff (im Luftballon) setzt bei der Verbrennung mit Sauerstoff 0,003 kWh Energie frei, das ist wenig, wenn man bedenkt dass ein Liter Lithium 6,4 kWh Energie freisetzt! Allerdings ist eben Wasserstoff ein Gas und hat damit eine extrem geringe Dichte. Komprimiert man Wasserstoff, indem man ihn in einen Drucktank bei 700 Bar einsperrt, das für Autos geplant ist, setzt ein Liter 1,5 kWh Energie bei der Reaktion frei, das liegt schon näher am Lithium. Ein Nachteil bei der Kompression ist der Energieverlust durch die Kompression, der bei 10% liegt.

Stromspeicher für Elektroautos

Niemand will einen "Lithiummotor" bauen, der Lithium verbrennt, es geht um die Verwendung in einer Batterie. Auch die direkte Wasserstoffverbrennung im Auto erscheint heute nicht mehr sinnvoll, es soll erst Strom aus dem Wasserstoff in einer Brennstoffzelle gewonnen werden und mit diesem Strom ein Elektromotor angetrieben werden. 
Betrachtet man die Energiespeicherung aus dieser Perspektive, und geht der Frage nach, mit welchem System, Wasserstoff, Lithium, kann ich ein besseres Elektroauto bauen erhält man folgende Resultate:
Ein modernes Elektroauto soll 500 km weit fahren (z.B. Tesla) und benötigt dafür 85 kWh Strom.
Nutzt man Lithium, benötigt man dafür eine Batterie mit 600 kg Gewicht.
Jetzt das gleiche Auto mit Wasserstoffantrieb:
Zunächst benötigt man einen Drucktank, der 700 Bar aushält, er wiegt 125 kg [2]. Dazu kommt eine Brennstoffzelle, die den Wasserstoff, zusammen mit dem Sauerstoff aus der Luft in Strom umwandelt, mit einem ähnlichem Gewicht. 
Brennstoffzelle, Bildquelle Wikipedia

Wirkungsgrad der Techniken  

Während ein Lithiumakku mühelos über 90% der eingespeicherten Energie wieder abgibt, sieht die Situation bei Wasserstoffsystemen sehr viel schlechter aus. Gewinnt man den Wasserstoff aus Strom, am besten Wind- oder Solarstrom, so verliert man bei der Herstellung 20% der Energie in der Elektrolyse. Danach wird der Wasserstoff komprimiert, womit weitere 10% verloren gehen. Verwendet man eine gute Brennstoffzelle, verliert man weitere 40% der Energie [3]. Damit gehen nur 43% der ursprünglichen Energie an den Elektromotor.

Kosten

Zuletzt sollten noch die Kosten betrachtet werden. Für den Lithiumakku sind diese aus der Preisliste von Tesla bekant, der Lithiumakku kostet 20.000€, mit deutlich sinkender Tendenz. Für die Wasserstoff Brennstoffzelle gibt es keine großen Serienzahlen, aber eine Studie von Roland Berger [4] wird auch in zehn Jahren der Preis bei etwa 9000€ für 100kW liegen. 

Fazit: Lithium gewinnt!

Vergleicht man alle vorgetragenen Aspekte, so gewinnt Lithium als Energieträger im Auto. Vermutlich gibt es noch ein erhebliches Entwicklungspotential bei der Lithiumbatterie, wie die fundamentale Analyse der Physik gezeigt hat. Zudem ist es wesentlich einfacher Strom zu tanken, als Wasserstoff, da es zwar ein Stromnetz bis in jeden Haushalt hinein gibt, aber praktisch kein Wasserstoffnetz. Die Kosten eines solchen Netz, mindestens Europaweit, aufzubauen, sprengen jeden Kostenrahmen.
Aber auch der geringe Wirkungsgrad spricht gegen Wasserstoff, es ist eben schon ein Unterschied ob die Hälfte der Energie bereits im Speichersystem verloren geht oder nicht.
Das Wasserstoffzeitalter wird damit eine Vision bleiben, die Jule Verne 1870 beschrieben hat:
„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“

Quellen

[1] Lenntech, schöne Liste der Elemente.
[2] Autopresse.de, Fahrbericht.
[3] Brennstoffzelle bei Wikipedia.

Kommentare:

  1. Bei dieser Betrachtung wird immer gerne vergessen, dass Autos nicht die einzigen Fahr-, Flug- oder Schwimmzeuge sind, die es in Zukunft anzutreiben gilt.

    Denn während bei Autos die Idee mit der Batterie noch funktionieren mag, stellt sich doch die Frage, wie Flugzeuge oder Schiffe jemals sinnvoll mit Batterien betrieben werden sollen.

    Ein weiterer, viel wesentlicherer Punkt stellt meiner Meinung nach jedoch der Antrieb von LKWs dar. Diese können sich nicht mit 500km Reichweite begnügen, sondern müssen weitaus größere Strecken mit weitaus größerem Gewicht zurücklegen. Schon alleine deswegen könnte ein umfassender Ausbau an Tankstellen für Wasserstoff (oder vergleichbare Alternativen) notwendig sein. Wenn diese Infrastruktur ohnehin für Lastwägen ausgebaut wird, kann diese problemlos von Autos mitbenutzt werden.

    Außerdem (wie bereits in diesem Blog erwähnt) sind Batterien zur Energiespeicherung in großem Stil ungeeignet. Um überschüssige Energie (etwa aus Solarkraftwerken) also zu speichern, muss diese so oder so umgewandelt werden (wenn wir mal von Pumpspeicherkraftwerken absehen). Dabei kann sie natürlich gleich in Wasserstoff umgewandelt werden, anschließend transportiert usw. wie heutzutage eben bei Öl, Benzin und dergleichen. Die Verluste bei der Herstellung von Wasserstoff fallen demnach nicht in's Gewicht bei der Berechnung des gesamten Wirkungsgrads eines solchen Antriebssystems.

    Ich will damit keine Aussage über den tatsächlich zu erreichenden Wirkungsgrad machen, oder welcher Ansatz sich letztendlich durchsetzen wird, sondern lediglich auf einige zusätzlich zu bedenkenden Gegebenheiten hinweisen, die bei der Betrachtung nicht vergessen werden sollten.

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    1. @He Knows
      Die Frage ist, was ist billiger: Eine Wasserstoffwirtschaft komplett mit Tankstellen, Fahrzeugen usw. aufzubauen oder bei Fällen, in denen keine Batterien in Frage kommen (Flugzeuge) einfach synthetischen Treibstoff oder einfach Bioöle zu verwenden.
      Zu LKWs ist anzumerken, dass jeder Fahrer vorgeschriebene Pausezeiten hat, in denen er gut an einem Supercharger die Akkus wieder auftanken kann, daher reichen 500km Reichweite gut aus.

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    2. Gerade bei LKW sehe ich aufgrund der gößeren Dimensionen die Brennstoffzelle als klar der Batterie überlegen an!

      1. Das Gewicht. Ein Lithium-Ionen Akku für einen LKW würde mindestens 4 Tonnen wiegen. Ein Wasserstoff-Tanksystem (vermutlich auf Flüssig-Wasserstoff-Basis beim LKW) würde nur wenige hundert kilo wiegen)

      2. Der Preis:
      Selbst bei Preisen von 170 € / kWh würde eine LKW Batterie mit 500 kWh (für 4,5 h Lenkzeit) 100.000 Euro kosten. So viel wie ein ganzer LKW heute!
      Dank Pufferbatterie für weniger als 1000 Euro würde ein LKW mit einer Brennstoffzelle mit ca. 130 kW Dauerleistung auskommen. Diese würde nach Ihren Zahlen gerade einmal 13.000 Euro kosten. Das Tanksystem wird bei Massenproduktion wohl recht günstig werden, da es ressourcen- und produktionstechnisch nicht aufwändig ist.

      3. Der Aufwand des Aufbaus einer Wasserstoffwirtschaft
      Wenn an einer Autobahn-Raststätte 100 LKW zugleich mit jeweils 500 kW geladen werden sollen, bräuchte jede abgelegene Raststätte einen enormen Stromanschluss. Die Bereitstellung eines solchen an abgelegene Raststätten dürfte mindestens mehrere hunderttausend Euro pro Platz kosten. Ob dann ein Elektrolyseur mit Zapfsystem oder 100 Starkstrom-Ladestationen installiert werden, dürfte nicht ins Gewicht fallen.

      4. Die Haltbarkeit:
      Tesla gibt auf seine Akkus 80.000 km Garantie. Das fährt ein Langstrecken-LKW in einem halben Jahr. Spätestens nach wenigen Jahren dürfte also selbst ein modernes Akkupack eines LKW hinüber sein. Ein Brennstoffzellenstack hält hingegen mindestens 12.000 Stunden, also ca. 1.000.000 km. Außerdem würde ein Schaden, wie oben gezeigt, noch lange keinen wirtschaftlichen Totalschaden bedeuten.

      Gerne belege ich Ihnen alle Angaben, bzw. rechne Ihnen diese vor.

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    3. Eine weitere interessante Frage ist, ob Straßenfahrzeuge überhaupt das richtige Verkehrsmittel für den Fernverkehr sind. Denn die Bahn benötigt keine mobilen Energiespeicher im Fahrzeug, und in Ländern ohne Diesel-Subventionen wie der Schweiz, USA hat sie heute noch einen höheren Anteil an der Fernverkehr-Gütertransportleistung als in Deutschland. Schließlich wurden ursprünglich praktisch alle Güter an Land mit der Bahn transportiert, bevor der LKW aufkam.

      Frankreich hat ein Hochgeschwindigkeits-Bahnnetz mit Geschwindigkeiten > 300 km/h. Dies macht dort sogar Kurzstreckenflüge überflüssig, sowohl für Personen als auch für Lasten (Post-TGV).

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