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.
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| 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.
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| 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 "Lithium-Motor" 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 ähnlichen Gewicht.
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| Brennstoffzelle, Bildquelle Wikipedia |
Wirkungsgrad der Techniken
Während ein Lithium-Akku 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.
Es gibt bei Lithium noch eine Menge
Potenzial, wie Blasweiler in einer Übersicht zeigt.
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| Vergleich Lithium heute und in Zukunft. |
Kosten
Zuletzt sollten noch die Kosten betrachtet werden. Für den Lithium-Akku sind diese aus der Preisliste von Tesla bekannt, der Lithium-Akku 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 Entwicklungspotenzial 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 Netzes, mindestens Europaweit, aufzubauen, sprengen jeden Kostenrahmen.
Aber auch der geringe Wirkungsgrad spricht gegen Wasserstoff, es ist 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.
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