Vorstellung eines durchführbaren Lösungswegs zum Erreichen:

·  einer nachhaltigen Mobilität (nM) und

·  einer gemeinsamen nM und nachhaltigen EnergieWende nEW   (nMnEW)

in wenigen Jahren:

FAKTEN zur nMnEW

Grundsätzliches zur Planung und Implementierung von nMnEW

Kurze Zitaten, Kommentare (auch mit Ergänzungen des Verfassers), Infos und Erklärungen aus den Referenzen

1.      Sektor-Kopplung

Nachhaltige Mobilität und Energiewende nMnEW müssen gemeinsam, d.h. als Sektor-Kopplung behandelt werden.

Für eine sehr deutliche Senkung der energiebedingten Emissionen bis 2035 ist neben Maßnahmen in den einzelnen Sektoren Strom, Gebäudewärme, Industrieprozesswärme und Verkehr auch eine Sektor-Kopplung zur Verzahnung der einzelnen Sektoren notwendig… IEE [14 S.6]

Der Schlüssel liegt in einer ganzheitlichen Herangehensweise. Das Energiesystem wird als ein integriertes Gesamtsystem betrachtet, denn die separate Behandlung der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität und der jeweiligen Energieträger wird den großen Herausforderungen nicht gerecht. All dies sollte bezüglich der übergeordneten Energiewendeziele „gekoppelt“ behandelt und optimiert werden, wofür häufig der Begriff „Sektor-Kopplung“ verwendet wird... FAZ [13 ca. S.2]

Der elektrische Strom wird künftig zum dominierenden Energieträger. Das hat Nachteile, weil Strom schwer speicherbar ist und einen deutlichen Netzausbau erfordert… FAZ [13 ca. S.6].

Aber:

Weil Deutschland aus erneuerbaren Energien mehr Strom produziert als benötigt, wird diese Energie häufig ins Ausland verramscht. Immer öfter Tendenz steigend bekommen unsere Nachbarn sogar Geld dafür, wenn sie überschüssigen deutschen Strom nehmen. Die Rechnung zahlen die Verbraucher FOCUS [60.1, 60.2].

2.      Der Wasserstoff H₂ als Energieträger ist das Bindeglied in der nMnEW. Große Mengen des überschüssigen Stroms aus erneuerbaren Energien können über die H₂-Erzeugung chemisch speichern.

Der gespeicherte H₂ lässt sich anschließend als Kraftstoff sowohl für die nM als auch zur Rückverstromung in der nEW einsetzen. Damit entstehen keine CO₂ Emissionen!

Eine langfristig sichere, wirtschaftliche sowie ressourcen- und umweltschonende Energieversorgung basiert auf einem ausgewogenen Energiemix mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien ebenso wie auf der kontinuierlichen Erforschung und Einführung innovativer Technologien.

Wasserstoff H₂ und Brennstoffzellen BZ bzw. neuartige VCSR Verbrennungsmotoren VM (s. mehr unter 8.) werden bei der Energieversorgung im 21. Jahrhundert daher eine bedeutende Rolle spielen.

Im Zusammenspiel mit fluktuierenden erneuerbaren Energien kann Wasserstoff H₂ als Energieträger fossile Energieträger weitgehend ersetzen (s. auch [21]).

Große Mengen des überschüssigen Stroms können durch Erzeugung vom Wasserstoff über den Weg der Elektrolyse chemisch für einen beliebig späteren Einsatz speichern.

Der Wasserstoff H₂ kann dann

a)       dezentral in Brennstoffzellen BZ oder Gasmotoren zurückverstromt,

b)       direkt oder nach Methanisierung in das Gasnetz eingespeist oder als Reinstoff

c)        hochwertigen Anwendungen in der Industrie zugeführt und insbesondere

d)       in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieben [31.1] oder Verbrennungsmotoren VM als Kraftstoff eingesetzt werden [31.2].

3.      Die langfristige Planung der nMnEW Implementierungsschritten, deren Kosten, Machbarkeit, Wirtschaftlichkeit, Effizienz, Versorgungssicherheit und gesellschaftliche Akzeptanz darf dabei keine Tabus oder Modeerscheinungen zulassen, nicht unter ideologischen Gesichtspunkten geschehen oder den Lobbyisten überlassen [22].

Streit in der Regierungskommission Mobilität:

Wenn es der Politik ernst ist mit dem Klimaschutz, muss der Verkehrssektor bis 2030 viele Millionen Tonnen Treibhausgas einsparen, neue Antriebe, effiziente Fahrzeuge, regenerative Kraftstoffe, Verlagerung des Verkehrs auf die Schiene, Stärkung des öffentlichen Nahverkehrs und des Radverkehrs sowie Digitalisierung sollen dafür beitragen. Dieses Szenario hat auch die Arbeitsgruppe Klimaschutz der Regierungskommission Mobilität vor Augen. Mit überwiegend unstrittigen, wenngleich milliardenteuren Maßnahmen könnten die Klimaziele wohl zu zwei Dritteln erreicht werden. Über die letzten 20 Millionen Tonnen CO₂ gibt es nun heftigen Streit, die Fachleute werden zu Lobbyisten. Selbst das Tempolimit ist wiederaufgetaucht. Die Umweltschützer wollen Verkehr verteuern, um ihn zu vermeiden, die Wirtschaft lehnt diesen Ansatz ab. Auch sie macht aber keinen Hehl daraus, dass Mobilität teurer werden wird. Die Politik muss diese Erkenntnis dem automobilen Wähler offenlegen. Gleichzeitig kann sie mit einer Ökosteuerreform für Ausgleich sorgen. Die Zeit für unbequeme Debatten beginnt jetzt. FAZ [53].

Der Verkehrsminister Andreas Scheuer ist gegen Verbote und Preisaufschläge. Er will die Sicht der Politik nicht auf Elektromobilität verengen, Technologieoffenheit bewahren, aber gleichzeitig „Begeisterung für E-Fahrzeuge“ wecken. FAZ [57].

4.      Der elektrische Strom ist direkt (d.h. über Batterien bzw. Akkumulatoren) langzeitig schwer, teuer und ineffizient speicherbar. Daher ist diese Speicherart des überschüssigen Stroms aus den fluktuierenden erneuerbaren Energien für nEW nicht geeignet.

S. auch Anlagen zu 4. und 5.

Beispiel:

Ein Konsortium um den Oldenburger Energieversorger EWE, darunter die japanischen Energiespezialisten Hitachi Chemical, Hitachi Power Solutions und NGK Insulators, hat eine Anlage zum Speichern des Windstroms gebaut. Insgesamt reiche die Speicherkapazität von bis zu 25 Megawattstunden, um alle Haushalte in Varel, wo knapp 24 000 Menschen leben, fünf Stunden lang zu versorgen. Ein solcher Dauereinsatz ist allerdings nicht geplant. Stattdessen wollen EWE und die Japaner die Anlage nutzen, um kurzfristig Frequenzschwankungen im Stromnetz auszugleichen und so die Stabilität zu erhöhen… FAZ [12]

Die berechtige Frage lautet, ist eine solche Investition gemäß ihren mageren Ergebnissen überhaupt noch sinnvoll?!

Das Problem der sogenannten „kalten Dunkelflauten“ wird dadurch jedoch nicht gelöst, selbst wenn Batteriespeicher viel günstiger werden als heute.

Die wind- und sonnenarmen Phasen können mehrere Tage oder gar einige Wochen andauern. Zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit muss daher eine ausreichend große Menge Reserveleistung zur Stromerzeugung verfügbar sein, die etwa vergleichbar mit der heutigen Leistung konventioneller Kraftwerke sein muss.

Dafür kommen in erster Linie mit Erdgas und längerfristig auch mit Wasserstoff oder synthetischen Brennstoffen betriebene Erzeugungseinheiten in Betracht. FAZ [13 ca. S.4].

Vergleiche zwischen den Speichern auf Batterie-Basis und H₂-Basis wurden von Fraunhofer Institut ISI 2012 und ISI 2015 vorgestellt, diese bescheinigen die vorteilhafte Energiespeicherung anhand der H₂-Speicher und erlauben sogar eine zeitliche Prognose deren Performance-Entwicklung. Der Wasserstoffspeicher ist dem batterieelektrischen Speicher um Jahrzehnte voraus Keyou [15].

Siehe auch Anlagen zu 4. und 5.

5.      Der intensive Einsatz von Batterien bzw. Akkumulatoren d.h. von EV in der Mobilität ist keine nachhaltige, effektive, bzw. umweltgerechte Lösung der nM aus folgenden Gründen (s. rechts):

Siehe auch Anlagen zu 4. und 5.

Hierunter eine kritische Meinung von Reiner Hank, FAS [3]

…Woher wissen die Elektromobilisierer, dass die Batterietechnik dem Verbrennungsmotor überlegen ist? Elektroautos sind auf absehbare Zeit teuer und träge; es dauert Stunden, bis der Akku wieder voll ist. Schlimmer noch:

Ihre Öko- und Moralbilanz ist längst nicht so überlegen, wie die Elektrofreunde behaupten, solange fossile Stoffe zur Stromherstellung benutzt werden und Sklaven in Afrika für die seltenen Mineralien der Batterien schuften müssen. Dabei kennen wir die Elektroprobleme von morgen noch gar nicht.

Wer entsorgt all die vielen Millionen ausgemusterter Autobatterien? Die Planer täten gut daran, schon einmal einen E-Batterie-Endlager-Gipfel für das Jahr 2045 in den Kalender einzutragen.

Aber bis dahin sind die heutigen Staats-Paternalisten längst pensioniert, können also auch nicht mehr für die Folgen ihrer Fehlplanung politisch haftbar gemacht und bestraft werden.

Menschen überschätzen sich, wenn sie die Zukunft planen wollen. Das ist eine Kränkung, die vor allem den Eliten zu schaffen macht. Dabei weiß niemand, ob der Elektroantrieb wirklich dem Verbrenner überlegen ist und ob es nicht womöglich Alternativen zu beidem gibt – Wasserstoff, synthetische Kraftstoffe –, die noch überzeugender sind, die wir aber heute noch gar nicht kennen. Dass nach aller bisheriger Erfahrung die Zukunft zwar Ergebnis menschlichen Handelns, nicht aber menschlichen Entwurfs ist, könnte Anlass zur Gelassenheit gegenüber den Wegen und Umwegen der sozialen Evolution sein. Doch allein schon die Mahnung zu solcher Bescheidung versetzt die Alarmisten in hellen Aufruhr.

S. auch:

„Elektroautos: Sinn oder Unsinn?“ FAZ [70] von Holger Appel und Lukas Weber anhand des unteren Berichtes:

„Was zeigt die CO2-Bilanz?“ von Christoph Buchal und Hans-Werner Sinn FAZ [72].

Hier die ehrliche Meinung von VW-Vorstand Andreas Renschler über Stromausfälle durch E-Autos, Börsenpläne für die Truck-Sparte und Drohnen als Paketlieferanten, FAS [71].

„Elektroschock“, Neuestes über EV und seine Vorreiter, FAZ [69], von Sven Astheimer

Für die Befürworter einer staatlich geförderten Champion-Zucht kommt die Nachricht zur Unzeit: Der Elektroautohersteller Tesla und der japanische Panasonic-Konzern legen ihre Investitionspläne für die Produktion von Batterien auf Eis. Grund dafür sind die niedrigen Margen, die sich angesichts des großen Angebotes am Weltmarkt erzielen lassen. Die Anleger in Japan reagierten erleichtert auf die Nachricht. Damit legen ausgerechnet die beiden Pioniere auf dem Gebiet der integrierten Batterieproduktion den Rückwärtsgang ein. Gleichzeitig verliert ein Kernargument dramatisch an Bedeutung, welches die Unterstützer einer geförderten heimischen Batteriezellproduktion ins Feld führen: die angeblich drohende Knappheit angesichts des erwarteten Booms von Elektrofahrzeugen. Die Kanzlerin und ihr angezählter Wirtschaftsminister haben die Existenz einer eigenen Produktion quasi zur Schicksalsfrage des Technologiestandortes Deutschland erhoben und eine Milliarde Euro Steuergeld zu deren Förderung ins Schaufenster gestellt. Was aber, wenn dem Förderprojekt dasselbe Schicksal droht wie einst der Solarindustrie?...

Die rein-elektrische Fahrzeuge E-Auto oder EV stellen nicht die richtige Lösung für eine nachhaltige Mobilität nM dar, wegen der hohen Kosten, der energieintensiven Herstellung, der Knappheit der potentiell relevanten Materialien, des ungesichertes Recycling und der unzureichenden Reichweite.

Produktion eines Elektroautos ist deutlich energieintensiver als die eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor FAS [5]. Den CO₂-Mehrausstoß aus der Produktion inklusive Batterie fährt das Elektroauto demnach nach gut 60000 Kilometern beziehungsweise rund 80000 Kilometern Fahrleistung ein, je nachdem, ob man es mit einem Benziner oder einem Diesel vergleicht FAZ  [61]…

Der VW-Vorstand sollte das VW-Aufsichtsratsmitglied Weil aufklären: Vier Fünftel der Batteriekosten verschlingt das Material, sie gehen zum kleinsten Teil nach Afrika und zum größten nach China. Klug wäre etwas anderes FAZ [23].

Im Kampf gegen Engpässe bei Rohstoffen für E-Auto-Batterien hat VW sich den Nachschub an Lithium gesichert. Der chinesische Lithiumproduzent Ganfeng solle den Konzern für die nächsten zehn Jahre mit dem begehrten Rohstoff beliefern, teilte Volkswagen in Wolfsburg mit. Eine Absichtserklärung sei unterschrieben ZDF [62]. Der BMW Konzern hat eine ähnliche Absicherung für Kobalt, Lithium usw. Lieferungen schon vor mehreren Monaten erreicht FAZ [67].

Die Internationale Energieagentur (IEA) erwartet, dass das Elektroauto auch auf längere Sicht nur einen kleinen Beitrag zum Klimaschutz leisten wird. Die Energieexperten aus Paris prognostizieren zwar, dass die Zahl der elektrisch betriebenen Autos auf den Straßen auf der ganzen Welt stark steigen wird FAZ [6]. Dennoch werde durch diesen Wandel im Verkehrssektor der globale Ausstoß des Treibhausgases CO2 bis zum Jahr 2040 voraussichtlich nur um 1 Prozent sinken...

Die Fachleute der IEA sprechen es nicht aus, aber die Botschaft ihrer Zahlen und Prognosen ist ziemlich eindeutig: Die große Aufmerksamkeit, die das Elektroauto in der öffentlichen Debatte erfährt, und sein erwarteter Beitrag zum Klimaschutz – sie passen nicht so recht zusammen FAZ [6]…

„Elektroautos sind so sauber wie ihr Ladestrom“. Sollte sich die Energiewende in Deutschland so fortsetzen wie von der Bundesregierung derzeit vorgesehen, ergeben sich derweil schon für heute zugelassene Elektroautos Einsparpotentiale in zweistelliger Prozenthöhe. Im Vergleich zu einem Diesel würde das Referenzauto über seinen gesamten Lebensweg 16 Prozent weniger CO2 ausstoßen; gegenüber einem Benziner würde die Einsparung 24 Prozent betragen FAZ [61]… Weitere Referenzen: FAZ [70], FAZ [72], FAZ [69], FAS [71].

Die umfangreiche Studie im Auftrag von UBA [16, S.33-34] veranschaulicht:

a)       die extreme Knappheit der notwendigen Materialien für die Energiespeichersysteme ESS für nMnEW Bei der Betrachtung der Ergebnisse fällt auf, dass für einige Materialien bzw. Elemente der Anteil der ESS an der Weltproduktion Werte von 100 % oder sogar 1000 % übersteigt (s. Tabelle 2), UBA [16 S.33], wobei H2 Stationär und H2 Mobil bezieht sich gemäß Abbildung 6-3 UBA [16 S.178] nur auf H2-Ketten auf PEM BZ Basis. s. eine Kurzbeschreibung der UBA-Studie.

b)       und das weitgehend ungelöste Recycling-Problem von Batterien und Akkumulatoren UBA [16, S.205], Fazit-Ausblick S.222, §8.1.4. S. auch  „Wohin mit den alten Akkus der Elektroautos?“ FAS [5.2]

Das Nachahmen des chinesischen Wegs zur EV ist aus mehreren Gründen falsch:

c)        Die Chinesen haben gar keine Hemmungen die Länder mit den großen Vorkommen der dafür notwendigen  Materialien zur Batterieherstellung ohne Rücksicht auf Menschenrechte, Kinderarbeit und Umweltschutz auszubeuten.

d)       Umweltschutz und Recycling nehmen die Chinesen auch im eigenen Land noch nicht sehr ernst. Man soll hier beispielsweise über die zurückgeblieben mondähnlichen Landschaften nach der Gewinnung der seltenen Erden nachdenken.

e)       Die Chinesen sind auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren VM den Deutschen, Europäern insgesamt, Japanern und Koreanern weit unterlegen. Daher probieren sie verstärkt auf die Elektro-Schiene Fuß zu fassen. Ein EV ist weniger komplex und sein größter Wert liegt in den eingesetzten Akkus FAZ [23]. Und diese können die Chinesen aus obigen Gründen c) und d) bisher billiger herstellen.

f)        Der Trend zum Elektromotor stelle die Uhren im Autobau auf null, hofft China. Wenn die Ära des Verbrennungsmotors ende, sei dies die Chance, chinesische E-Autos an die Spitze einer Revolution zu hieven, die das Land vor einer Dekade selbst angezettelt hat. Pekings Schlachtplan ist zu besichtigen im dritten Stock eines Gebäudes in Anting, dem Datenzentrum von Chinas E-Auto-Industrie. Die Wand ist ein gigantischer Bildschirm, vieles hier erinnert an einen „War Room“… Wer in Schanghai mit einem Verbrennungsmotor fahren will, den kostet die Zulassung rund 15000 Euro. Ohnehin liegt die Chance auf Zuteilung eines Nummernschilds bei nur 3 Prozent. Am wichtigsten sei den Autokäufern nicht die Umwelt, sondern die Höhe der Subvention, berichten die Helfer auf dem Testgelände in Anting. Für jedes der 1,2 Millionen E-Fahrzeuge, die seit 2016 abgesetzt wurden, hat Chinas Staat im Schnitt 10000 Euro zugeschossen. FAZ [74].

g)       Der VW Konzern und Co. (viele anderen Autobauer) haben sich entschlossen intensiv auf dem chinesischen Markt präsent zu sein. Aus diesem Grund müssen VW und Co. sich an der von Chinas Politik vorgegebenen Entwicklungsrichtung einreihen. Ob diese Strategie von VW und Co. Erfolgschancen haben wird, wird sich in der Zukunft zeigen ZDF [51]. VW verlangt nun von allen anderen deutschen Autobauern ausdrücklich die eigene Entwicklungsrichtung und die Elektroplattform zu übernehmen. VW verlangt von der Politik höhere Subventionen für EV. VW droht mit Austritt aus VDA, falls die anderen Autobauer und die Politik das VW-Vorhaben nicht ausreichend unterstützen FAZ [52], [52.2], Widerstand von BMW, ZDF [52.3] …Was, wenn der vom Marktführer VW als alternativlos bezeichnete Siegeszug des Elektroautos ausbleibt, weil Kunden anderes verlangen oder neue Technik nach vorne drängt? Ein solcher Elektroschock würde tiefe Bremsspuren hinterlassen FAZ [69].

h)       Eine sachliche Meinung von VW-Vorstand Andreas Renschler: Für die Trucks gibt es Segmente, in denen der vollelektrische Antrieb derzeit noch nicht darstellbar ist. Wenn Sie einen großen Betonmischer mit Batterien betreiben wollen, muss der so viele Tonnen davon mitführen, dass nicht mehr viel Gewicht für den Beton übrig bleibt, da würde ich dann vorschlagen: Mischt den Beton lieber vor Ort mit der Hand. Für solche Einsätze ist der Elektroantrieb auf absehbare Zeit nicht wirtschaftlich. Oder nehmen Sie die schweren Müllwagen. Die können innerhalb der Stadt vollelektrisch fahren, unsere Kunden sagen aber: Alles schön und gut, nur ist das Endziel für den Müll 80 Kilometer entfernt, sollen wir an der Stadtgrenze umladen? FAS [71]. Man kann diese Aussagen zu den rein-batteriebetriebenen Loks, Schiffen und Flugzeugen FAZ [68.2] leicht extrapolieren!

i)         Der Preis des Elektroauto-Wunders Beispiel Norwegen, FAZ [33]. Norwegen gilt als Eldorado der Elektromobilität. Doch was lange Bewunderer fand, droht zu verblassen – und kostet Milliarden Euro. In Norwegen befinden sich Elektroautos weiter auf der Überholspur. 2018 betrug ihr Anteil an den neu zugelassenen Fahrzeugen mehr als 30 Prozent, wie der dortige Straßenverband diese Woche bekanntgab…. Allerdings täuscht der Blick auf die Neuzulassungen über den unverändert von Benzinern und Diesel dominierten Bestand hinweg. So kommen auf die 5,4 Millionen Norweger mittlerweile zwar annähernd 200000 Elektroautos – je Einwohner so viele wie nirgends auf der Welt. Gemessen an den 2,7 Millionen Autos sind aber selbst das gerade einmal 6 bis 7 Prozent. Einschließlich Hybrid-Modellen kommt man auf rund 10 Prozent. Heißt im Umkehrschluss: 9 von 10 Norweger vertrauen noch immer auf Verbrenner. In Norwegen fahren seit kurzem auch elektrische Fähren in den Fjorden, aber selbstverständlich nur während des Sommers. In Winterzeit werden diese wegen der Eisbildung von den alten gewöhnlichen Fähren mit Dieselmotoren vertreten!

6.      Der ausschließliche Einsatz von PEM BZ zur Rückverstromung des gespeicherten oder getankten Wasserstoff H₂ ist ebenfalls keine nachhaltige, effektive, wirtschaftliche bzw. umweltgerechte Lösung der nM und der nEW aus folgenden Gründen (s. rechts):

Siehe auch Anlagen zu 6.

Bei der Umsetzung vom reinen Wasserstoff mit Sauerstoff aus gereinigter Luft in den Brennstoffzellen PEM BZ entsteht wiederum Wasser, das in den Kreislauf zurückgelingt. Dieser Vorgang kann praktisch völlig schadstofffrei gestaltet werden, wobei einen Teil der Umwandlungsenergie in Form von Wärme freigesetzt wird. Nachteilig an (Nieder Temperatur) NT-PEM-Brennstoffzellen im Auto ist, dass durch die niedrige Abgastemperatur der größte Teil der ungenutzten Energie durch erheblich leistungsfähigere Kühlsysteme als im konventionellen Auto abgeführt werden muss. Aus diesem Grund muss auch leistungsfähigere und damit teurere Katalysatoren - Katalysatormaterial ist überwiegend Platin - eingesetzt werden, um die Abgase zu reinigen [30].

Bei der Verbrennung vom Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff im Verbrennungsmotor VM entsteht wiederum Wasser, das in den Kreislauf zurückgelingt. Dieser Vorgang kann praktisch ebenfalls völlig schadstofffrei gestaltet werden. In diesem Einsatzfall gibt es im Unterschied zur PEM BZ keine Reinheitsansprüche sowohl für den H₂ als auch für die Luft.

Wenn noch der VM als VCSR mit UDLS ausgeführt ist (mehr zu 8.), kann dankt des verlängerten Expansionshubs, des variablen Verdichtungsverhältnisses VCR und der unbegrenzten Hochdruck-Turboaufladung einen Großteil der Abgasenergie wieder in den Zylindern zurückgeführt werden. Durch diese Wärmerückführung und dank des verkürzten Verdichtungshubs kann eine über 20% Wirkungsgradsteigerung gegenüber klassischen Dieselmotoren und PEM BZ erreicht werden.

Die Alternative die H₂-Kette für nM hauptsächlich über PEM BZ zu bilden, ist sogar den klassischen VM unterlegen, wegen:

a)       der hohen Herstellungskosten, s. beispielsweise die Kosten für EV - und PEM BZ - Bussen [46] im Vergleich zu denen mit klassischen Dieselmotoren. Daher stellt sich die Frage, warum Busse mit sauberen VM betrieben mit H₂ nicht gebaut und eingesetzt werden, wenn deren Herstellungskosten nur 50% eines EV - Busses und nur 25% eines PEM BZ - Busses betragen? Der gescheiterte Versuch in Berlin [26], [27] sollte nicht erschrecken, weil dieser Versuch aus Motorenherstellerseite nur halbherzig unternommen wurde.

b)       der weltweiten Knappheit der eingesetzten bedarfsrelevanten Materialien, s. oben unter 5 a)

c)        der Gefahr einer CO-Vergiftung der Elektroden und der PEM Membrane (man braucht daher zum Betreiben nur reiner H₂ und gereinigte Luft), des relativ niedrigen Wirkungsgrads bei hohen Lasten, der sogar niedriger als den eines klassischen Dieselmotorantriebs liegt, Tabellen 1 bis 3, [30], s. Leistung, Wirkungsgrad-Diagramm aus [31.1]

d)       der kurzen Lebensdauer (weit unter 10 Jahren, s. Tabelle 3-36, UBA [16, S.124] des nicht gesicherten  Recycling der eingesetzten Materialien, s. oben unter 5 b).

e)       Aus diesen Gründen wurde die H2-Kette ergänzt bzw. angepasst.

Siehe auch Anlagen zu 6.

7.      Der Einsatz von klassischen  VM zur nM und zur nEW ist ganz aus der Mode gekommen und konnte daher bisher fast nichts Positives zu nMnEW beitragen. Rechts sind die objektiven Gründe dafür kurz zusammengefasst.

Hierunter nochmals die kritische Meinung von Reiner Hank, FAS [3]

Woran erkennt man, dass ein Dieselauto eine Dreckschleuder ist? Antwort: nicht am Auspuff, sondern an den vorgeschriebenen Grenzwerten.

Verkehrsbedingte Stickoxid-Emissionen sind in den vergangenen 25 Jahren in Deutschland um siebzig Prozent zurückgegangen. Doch noch schneller als die Schadstoffe sanken die maximal erlaubten Verschmutzungsmengen, weshalb der Ingenieur säubern kann, wie und was er will: Sein Diesel bleibt immer eine Dreckschleuder, sollte der technische Fortschritt auch noch so überwältigend sein. Auch beim Fortschritt gilt nämlich das Gesetz des abnehmenden Grenznutzens…

Vorbild ist das kommunistische China von heute

Es ist am Staat, „die Entscheidungen zu treffen, die niemand trifft, wenn der Staat sie nicht trifft“: So hat es der Ökonom John Maynard Keynes in einer berühmten Rede über das „Ende des Laissez-faire“ 1926 an der Berliner Universität dekretiert. Nach Dieselskandal und Dieselgipfel hat sich ein breiter Konsens darüber gebildet, dass Keynes zuzustimmen sei. Jetzt, wo also offenkundig der Markt versagt habe, müsse die Politik ran… Vorbild dieses Wirtschaftsmodells einer politischen Suprematie über die Märkte ist das kommunistische China von heute.

Was soll daran falsch sein? Eigentlich alles…

Ø  Siehe: nMnEW_07.pdf für eine Darstellung in Form eines Spinnennetz-Diagramms der nM ! (< neu eingeführt!!!)

Der klassische Verbrennungsmotor ist zu Recht aus folgenden Gründen in Verruf geraten:

a)       Die Fahrzeuge mit Ottomotoren („die Benziner“) verbrauchen viel zu viel aber stoßen weniger NOx und Partikel-Emissionen aus. Obwohl auch bei denen muss man noch zwischen den Ottomotoren mit stöchiometrischen und denen mit Schichtladung unterscheiden (s. [Difficulties of current ICE]).

b)       Die Fahrzeuge mit Dieselmotoren sind sparsamer als die Ottomotoren aber stoßen hohe NOx- und Partikel-Emissionen aus, wenn keine völlig funktionierende SCR-Abgasnachbehandlung für NOx, Abgasrückführung und Rußpartikelfilter aufweisen. Eine intensive Abgasnachbehandlung erhöht jedoch den Kraftstoffverbrauch und mindert die Performances des Motors und damit die Dynamik des Fahrzeugs.

c)        Der Dieselabgasskandal wurde verursacht durch den Einsatz von Abschaltvorrichtungen der SCR-Abgasnachbehandlung und der Abgasrückführung, wodurch die Diesel-Fahrzeuge von VW und Co. stark erhöhte NOx Emissionen auf die Straßen ausgestoßen haben. In den Teilen 1 und 2 der [Email an VW vom 01.02.2016] (s. dazu auch die Papers [1], [2] und [3]) ist die Vorgeschichte des Dieselskandals dem VW-Vorstand vorgestellt worden.

d)       Der interne Ermittler im Dieselskandal Jörg Kerner schon früh von der Betrugssoftware gewusst haben soll. Demnach habe Kerner zwischen den Jahren 2004 und 2009 die Software- und Funktionsentwicklung für die Motorenelektronik bei Audi geleitet und in diesem Zuge Kenntnis von der Betrugssoftware erlangt. In dem Bericht wird eine E-Mail zitiert, von der Kerner Kenntnis gehabt haben soll. Darin habe gestanden, dass VW plane, die so genannte „Akustikfunktion“ zu nutzen, die erkennt, wann ein Auto auf dem Prüfstand steht. „Audi will die Funktion deaktivieren und verstecken (aber drinnen lassen, um ggf. aktivieren zu können)“, habe es in dem Schreiben weiter geheißen FAZ [1].

e)       Der Kraftstoffverbrauch von Neuwagen in Europa liegt im Durchschnitt 42 Prozent höher als von den Herstellern angegeben. Dies ist das Ergebnis einer Studie des International Council on Clean Transportation (ICCT). Der höhere Verbrauch bedeutet Mehrkosten für Autofahrer und eine stärkere Belastung der Umwelt. Die Kluft zwischen offiziellem und tatsächlichem Verbrauch sei dabei so groß wie noch nie, so ICCT-Geschäftsführer Peter Mock. Vor zehn Jahren habe der Wert noch bei 15 Prozent gelegen ZDF [7], HAZ [7].

f)        Auch die Hybridfahrzeuge der Deutscher und Europäer Autohersteller auf klassischen VM-Basis weisen deutlich höhere Kraftstoffverbräuche beispielsweise als die Hybridfahrzeuge von Toyota. Das Beispiel des Hybrid-Fahrzeugs von BMW, 225 XE stellt einen unzureichend entwickelten Plug-in-Hybrid vor, s. FAZ [50]. Würde man beispielsweise zum Vergleich einen Prius Modell ab II bis IV (letzterer auch Plug-in) von Toyota als Referenz nehmen, dann ist der Unterschied im Kraftstoffverbrauch extrem hoch. Der Toyota-Prius verbraucht etwa nur halb so viel wie das BMW 225 XE im Praxistest.

g)       Der konventionelle Hubkolbenmotor ist eine sehr ausgereifte Verbrennungskraftmaschine. Über mehr als ein Jahrhundert hinweg wurde er weiterentwickelt und auf diese Weise vor allem auch im Wirkungsgrad stark verbessert. Je weiter die Entwicklung fortschreitet, desto geringer werden die erreichbaren Steigerungen im Wirkungsgrad, da man sich den Grenzen der theoretischen (idealen) Prozessführung nähert. An heutigen Motoren konventioneller Bauart sind im Bestpunkt keine deutlichen Verbesserungen des Wirkungsgrades zu erwarten. Um einen Motor mit einem deutlichen höheren Wirkungsgrad zu bauen, muss also die die eigentliche Prozessführung neu überdacht werden. Diese Tatsache ist zwar erkannt, aber in der Praxis jedoch bisher noch nicht eingesetzt worden. Beispielsweise: [TU Graz & BMW] beschäftigen sich in ihrem Bericht mit einem Hubkolbenmotor mit verlängerter Expansion. Die verlängerte Expansion verspricht eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades im Vergleich zum konventionellen Hubkolbenmotor. Den Input zu diesem Bericht aus 2014 hat der Verfasser dem BMW Konzern ein Jahr zuvor (d.h. im 2013) gegeben, als er dem Konzern seine Erfindung des VM mit VCSR Kurbeltrieb und mit UDLS vorgestellt hat, s. SAE [2015] und [DE Patent], [EU Patent].

8.      Auch der Einsatz von klassischen VM zur Rückverstromung des gespeicherten oder getankten Wasserstoff H₂ konnte zur nM und zur nEW bisher nicht besonders viel beitragen.

Die Gründe dafür liegen in der fehlenden Anpassung der VM am Betrieb mit Wasserstoff und am Beharren auf denen klassischen Prozessführung und Bauart.

Obwohl am Einsatz von H₂ in VM intensiv geforscht wurde, sind bisher nur wenige konkrete Anwendungen bekannt.

Beispielsweise schon im 1997 wurde bei WTZ Roßlau den Einsatz vom H₂ an Großdieselmotoren erfolgreich untersucht und getestet.

Auf die EU Ebene wurden ebenfalls Forschungsvorhaben gefördert CORDIS EU Project HyICE 2007, s. Full report und mehrere Dissertationen an: TU Graz Dissertations mit BMW Forschung und Technik GmbH, [D1], [D2], [D3], [D4]  und an Uni Stuttgart, s. auch das Buch Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik [66].

Volkswirt Professor Hans-Werner Sinn trägt am [Münchner Seminar 2017] folgendes vor: Macht die Energiewende in Deutschland Sinn? Nein, sie kann auch nicht funktionieren. Sie "kostet nur fürchterlich viel Geld, reduziert den Lebensstandard und verschandelt die Landschaft".

„Sobald in der Forschung etwas unter ideologischen Gesichtspunkten geschieht, werde ich nervös“, meinte der Volkswirt Professor Hans-Werner Sinn und bezog sich dabei auf die Energiewende und die momentan ideologisierte Debatte um die grüne Energie (Ergänzung des Verfassers): und EV, PEM BZ zur Rückverstromung von H₂, ESS auf Batteriebasis für den überschüssigen Strom und das Aus der VM.

„Wie viel Zappelstrom verträgt das Netz? Bemerkungen zur deutschen Energiewende“ hieß sein Vortrag. Dabei rechnete er nach, wie die stark schwankende Energieerzeugung der Sonnen- und Windenergie sich mit unserem Stromnetz verträgt, ob eine Entwicklung in diesem Bereich sinnvoll und technisch möglich ist und wie viel eine Energiewende die Verbraucher kosten wird. Dabei benennt der Professor viele Probleme, die in der öffentlichen Diskussion nicht auftauchen… s. auch FAZ [70].

Der Einsatz von Wasserstoff H₂ in VM wurde bisher nicht entsprechend den aktuellen Entwicklungsmöglichkeiten bzw. angepasst durchgeführt

Ein Überblick über die Vorteile und Nachteile des klassischen Betriebs von VM mit Wasserstoff H₂ findet man beispielsweise unter Hydrogeit [48], Ford [63], Keyou [15].

a)       Beim Betrieb der VM mit Wasserstoff H₂ wird im Unterschied zu allen anderen Kraftstoffen kein CO₂ erzeugt. Es entsteht harmlosen Wasserdampf und fallen lediglich noch Stickoxidemissionen NOx an.

b)       Je höher die Verbrennungstemperatur und die Sauerstoffkonzentration in den Zylinder vorliegen desto höhere Konzentrationen von NOx (Rohemissionen) entstehen. Weil die Stickstoffkonzentration N₂ in der Luft unveränderlich ist, verbleiben als effektive Maßnahmen zur Minderung der NOx Rohemissionen nur die Absenkung der Sauerstoffkonzentration und / oder der Verbrennungstemperatur, mehr unter Energie-Lexikon [1], UBA [2], ATK [1] S. 2-3.

c)        Die Kunst daran ist den Konflikt zwischen hoher Leistungsdichte und der Handhabung der NOx-Rohemissionen entsprechend zu lösen. Man unterscheidet hier zwischen der ausschließenden Vermeidung ohne Abgasnachbehandlung und der vorwiegenden Vermeidung gepaart mit vollständigen effektiven Abbau von Stickoxidemissionen NOx durch Abgasnachbehandlung mit einem H₂-SCR-Katalysator, s. Keyou [15], KIT Diss. J.P.Scott [64].

d)       Der klassische Lösungsweg im unteren Teillastbereich zielte auf die vorwiegende Vermeidung der NOx-Rohemissionen durch eine starke Abmagerung des H₂-Luft-Gemisches zu l-Werten um 3,0 und im oberen Lastbereich zur Volllast hin wird der VM mit absinkenden l-Werten zum stöchiometrischen Verhältnis l = 1 betrieben um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen.

e)       Der VM wird im ganzen Lastbereich betrieben, demzufolge kann man auf den H₂-SCR Katalysator bzw. auf den klassischen 3-Wege-Kat im stöchiometrischen Betrieb nicht verzichten. Aus diesem Grund ist es zwecklos zu sehr nur auf die Vermeidung der NOx-Rohemissionen im unteren Lastbereich zu setzen, um nur dort ohne H₂-SCR Katalysator auskommen zu können (das ist vergleichbar mit dem aufwändigen und sinnloses Einsatzversuch von HCCI an Dieselmotoren nur für den unteren Teillastbereich bzw. für den Stadtverkehr einzuführen [65.1], [65.2]).

f)        Die neuesten Untersuchungen zeigen den richtigen Weg zum H₂-Betrieb von VM:

Ø  Innere Gemischbildung GasDI: Der verdichtete H₂ aus dem Tank wird demnach direkt in den Zylinder nach dem Schließen der Einlassventile eingeblasen [63], [66] usw., um die Nachteile der äußeren Gemischbildung s. N-1.x, N-2 und N-4 aus [48] auszuschließen. S. auch Wikipedia.

Ø  Eine gesteuerte mehrfache direkte H₂-Einblasung bekannt als Verbrennungssteuerung, s. [66], S.173, Abbildung 6-20, reduziert den Spitzendruck um 30%, den Druckanstieg um 70% und die NOx-Rohemissionen um mehr als 90%!

Ø  Die Zündung kann entweder als Funkzündung wie bei Ottomotoren oder stabiler und flexibler als Glühzündung s. [WTZ Roßlau] erfolgen. Die Selbstzündung wie bei Dieselmotoren ist ebenfalls möglich s. [66], S.175 und [D3], S.62 aber aus verschiedenen Gründen nicht betriebstauglich.

Ø  Wenn der VM mit einem asymmetrischen Kurbeltrieb VCSR ausgestattet ist, der einem verlängerten Expansionshub und das Variieren des Verdichtungsverhältnisses VCR anbietet, dann werden echte Implementierungen von Atkinson-Zyklen an und die originelle Laststeuerung Ultra Downsizing UDLS ermöglicht,  s. [PDF] oder [VIDEO].

Ø  Damit weist der VM mit einem asymmetrischen Kurbeltrieb VCSR und UDLS einen um mehr als 20% höheren Wirkungsgrad gegenüber einen klassischen VM s. [PDF] oder [VIDEO], SAE [2015].

Ø  Zusätzlich, der VM mit dem VCSR Kurbeltrieb und UDLS kann dank VCR mit verschiedenen Kraftstoffen (d.h. als Mehrkraftstoffmotor) beispielsweise mit H₂, Erdgas, Biogas, CNG in reiner Form oder in beliebigen Mischverhältnissen betrieben werden. Auch Kombinationen von H₂ mit Benzin oder Diesel sind möglich, falls die entsprechenden Hardwares zur dualen Kraftstoffzufuhr am Motor vorliegen. In diesem Anwendungsfall (d.h. als Mehrkraftstoffmotor) ist der Einsatz eines H₂-SCR Katalysator zwecklos, falls der Motor nur mit Benzin, Erdgas, Biogas, CNG betrieben wird. Dafür sollen eine UDLS mit überwiegender stöchiometrischer  (d.h. l = 1) Gemischbildung und einen 3-Wege-Kat, der geeignet auch für den reinen H₂ Betrieb ist, eingesetzt werden.

Ø  Aufbau-Vergleich zwischen den klassischen VM (links) und den VCSR VM mit mehreren anderen Details und Videos sind in Anlagen zu 8. vorgestellt.

g)       Die großen deutschen Automobilhersteller interessieren sich unterschiedlich stark für VCSR VM und das UBA fühlt sich nicht in der Lage, die bisher nur theoretisch durchgeführten Untersuchungen zu bewerten. UBA empfehlt daher einen Prototypen herzustellen und diesen von TÜV oder DEKRA testen lassen s. [Antwort_UBA]. Eine so große Aufgabe ohne eine Förderung trauen sich nicht mal die Zulieferer der Autoindustrie ohne einen Automobilhersteller dabei zu haben s. [Bewertung_VCSR] für ausführliche Details.

9.      Kurze Vorstellung des Lösungswegs zur nMnEW durch den Einsatz vom H₂ zur Langzeit-Speicherung der überschüssigen elektrischen Energie in der nEW und als alternativer Kraftstoff in den nM vorzüglich anhand der neuartigen VCSR VM mit UDLS Laststeuerung.

s. Anlagen zu 9.

Folgenden Maßnahmen sollten umgesetzt werden, um eine nMnEW in wenigen Jahren kostengünstig und umweltgerecht zu verwirklichen und somit die gesteckten Klimaziele vor 2030 zu erreichen.

1.       Der überschüssige Strom aus den nachhaltigen Energiequellen soll großskalig zur H₂-Erzeugung durch Elektrolyse oder andere Verfahren s. [36], Figur 1 umgesetzt werden. Querschläger vom BMWi dürfen dabei nicht geben, wie im [April 2019] möglicherweise „unabsichtlich“ geschah, sondern die Power-to-X bzw. PtX Anlagen sollen von zusätzlichen steuerlichen Belastungen befreit und sogar noch subventioniert werden (s. eine Bestandsaufnahme 2018 der vorhandenen Anlagen in Figur 4.3, S.46 von [38])!

2.       Die Erzeugung und Speicherung vom H₂ soll dezentralisiert landesweit zusätzlich zu den vorhandenen Anlagen aus Figur 4.2, S.45 von [38] aufgebaut werden, beispielsweise an den Buchten nah zu den Offshore-Windanlagen bzw. nah zu allen anderen Erzeugungsquellen mit Verteilung, Anlieferung, Versorgung und Betankung s. eine Zusammenfassung der Möglichkeiten unter WMS 2018 [41], Abb. 20, S.14 und [36], Figur 1.

3.       Der Wasserstoff H₂ kann entweder in reiner Form oder vermischt mit CNG oder Biogas gespeichert, angeliefert bzw. verteilt werden (s. UK SHEK [43] Figuren 4 und 5, S.18, und [36], Figur 3). Eine andere Speicherart des H₂ ist in flüssiger Form wie im [38] erwähnt und im [47.1], [47.2] vom BMW Konzern, Linde, MAN [20.3] bevorzugt bzw. vorgestellt, s. auch Anlagen zu 9. ganz unten.

4.       Der Aufbau und Einsatz von schwimmenden oder feststehenden Motorenkraftwerken zur bedarfsgerechten Rückverstromung des gespeicherten H₂ soll intensiv betrieben werden [18], [19], [20]. Solche Motorenkraftwerke sollten landesweit aufgestellt und betrieben werden, um keinen intensiven Stromnetzaufbau (wie die umstrittene Nord-Süd Straße) zu benötigen.

5.       Die nach der Braunkohle-Förderung entstandenen und zurückgebliebenen Gruben sollten in nachhaltigen Energieparks mit Wind- und Solar-Anlagen, Wasserstoff-Erzeugern und Speichern des überschüssigen Stroms und Motorenkraftwerken zur Rückverstromung des gespeicherten Wasserstroms umgewandelt werden. Auch wenn diese Gruben zum Teil geflutet [ZDF] sollten (obwohl neue künstlichen Seen Deutschland gar nicht braucht), können auf die umliegenden Terrassen Wind- und Solar-Anlagen aufgestellt werden. Auch schwimmende Plattformen mit Solar-Anlagen können dabei aufgestellt werden. Damit werden auch viele neue Arbeitsplätze (um etwa gleichem Qualifikationsniveau zu dem von Braunkohle-Förderung) für den Aufbau, die Wartung und den Betrieb der Anlagen entstehen. Damit werden die geplanten Bundes- und Landesmittel [FAZ] effektiv zur Verbesserung der Beschäftigung und der lokalen Strukturwandel beitragen können.

6.       Siehe beispielsweise das Wasserstoff-Verteilernetz in NRW zur möglichen Versorgung von Inlandsschiffe und Fahrzeuge mit H₂ Antrieb aus Figur 4.6, S. 54 und das Schema zum Bunkern bzw. Speichern von H₂ und zum Betanken von Schiffen mit H₂ aus Figur 4.16, S. 64 von „Hydrogen Feasibility Study MariGreen“ [38].

7.       Nutzung der vorhandenen Gasnetze und Errichten von neuen öffentlichen Tankstellen und sogar häuslichen H₂-Betankungsanlagen.

8.       Die letzteren sollen den überschüssigen Strom beispielsweise aus häuslichen Photovoltaik-Anlagen mithilfe von Elektrolyseuren in Gasflaschen zum betanken der Fahrzeugen oder zur Heizung und Stromerzeugung in BHKW Anlagen speichern.

9.       Die Bildung der H₂-Ketten anhand von PEM BZ ist für stationäre Anwendungen wie BHKW empfohlen, wie in Japan derzeit von Regierung stark forciert bzw. subventioniert ist [42], wenn diese noch preiswerter und nachhaltiger in Bezug auf Recycling und Baumaterialien werden.

10.    Im Gegenteil ist die Bildung der H₂-Ketten anhand von PEM BZ s. Abbildung 6-3 UBA [16 S.178] für nM und nEW, wie oben unter 6. schon ausgeführt, ungeeignet. s. Anlagen zu 9.

11.    Ein Szenario zur nEW findet man ab S.4 in [Bewertung_VCSR] vorgestellt (s. auch hierunten).

12.    Alle Kohlenkraftwerke sollen nach dem dezentralisierten Aufbau der Motorenkraftwerken und des H₂-Speicher-Netzes ausgeschaltet werden. Die vorhandenen Gaskraftwerke sollen als stille Reserve für den Betrieb mit Gasmischungen aus CNG und H₂ angepasst werden. Das freigestellte Personal aus Kohletagebauen und Kohlenkraftwerken soll für die Wartung, Reparatur, Überwachung usw. der Motorenkraftwerke umgeschult werden. Die Motorenkraftwerke sollen zentralisiert gesteuert werden (als „smart grid“).

13.    Alle PKW, Bussen und LKW Motoren sollen auf VCSR VM und UDLS mit Direkteinblasung für den Betrieb mit H₂ oder Gasmischungen aus CNG und H₂ umgestellt, d.h. entweder als Retrofit oder direkt derart hergestellt werden.

14.    Alle kleinen Zweitaktmotoren von Handgeräten, Motorollern usw. sollen wegen der zu hohen ausgestoßenen Emissionen über strengere gesetzliche Abgasgrenzwerte verbannt werden. Die sollen restlos durch elektrische Antriebe oder ausnahmsweise durch kleine Euro (6 oder höher) Viertaktmotoren mit entsprechender Abgasnachbehandlung ersetz werden.

15.    Kleine Fahrzeuge die meinst nur in den Städten unterwegs sind sollen meinst als Elektrofahrzeuge ausgeführt werden.

16.    Alle Buse für den öffentlichen Stadtverkehr sollen mit Motoren wie oben unter 13) ausgeführt werden. Daimler hat schon gezeigt mit M936 G CNG, dass die Motoren dieser Buse viel umweltfreundlicher mit CNG als rein mit Diesel betrieben werden können (s. Sie auch den interessanten Bericht zu Gas-Diesel mit Direkteinblasung und damit mit ermöglichtem stöchiometrischem Betrieb). Um diese VM nur mit H₂ betreiben zu können, brauchen sie neben der Direkteinblasung noch das Variieren des Verdichtungsverhältnisses VCR, d.h. den VCSR Kurbeltrieb und eingepasste Laststeuerung wie UDLS s. [PDF] oder [VIDEO] oder ähnlicher.

10.  Kurze Begründung mit Beweisführung für die höhere Effizienz der VM mit VCSR Kurbeltrieb und mit UD Laststeuerung insbesondere im H₂-Betrieb.

Wie die CO₂-Bilanz für EV und FCEV in der Realität aussieht! Exemplarischer Vergleich von Tesla Model 3 und altem C220 d von Mercedes.

Ø  Siehe: nMnEW_10.pdf für die Effizienz Analyse! (< neu eingeführt!!!)

Ø  Siehe: nMnEW_07.pdf für eine Darstellung in Form eines Spinnennetz-Diagramms der nM ! (< neu eingeführt!!!)

Ø  Kohle-Motoren, Winds-, Diesel-, Was zeigt die CO2 Bilanz (2019) von Hans-Werner Sinn und andere.

Anlagen zu 4. und 5.

Möglichkeiten zur Langzeit-Speicherung der elektrischen Energie und derer Effizienz

Die großskalige Langzeit-Speicherung des elektrischen Stroms kann nur über den Wasserstoff-Kreislauf kostengünstig, effizient, nachhaltig und betriebssicher erfolgen.

Das gleiche gilt es für eine nachhaltige Mobilität nM.

Nur mit Wasserstoff H₂ als Energiespeicher und Kraftstoff ist eine erfolgreiche nME nachhaltige Mobilität und Energiewende möglich.

Gemäß Frauenhofer ISI (s. Bilder rechts) sind die Kosten in €/kWh zur Speicherung der elektrischen Energie über den Wasserstoffspeicher 19 bis 23 Mal niedriger im Vergleich zu Li-Ion Batterien.

Eine Investitionskostenentwicklung für die H₂-Speicher ist in der Tabelle 9-16 und deren Kenndaten sind in der Tabelle 3-38 aus UBA [16 S. 297 und S. 128] vorgestellt.

Gleichzeitig, die gravimetrische Energiedichte in KWh/kg im Falle der H₂–Speicher ist 18 bis 25 Mal höher im Vergleich zu Li-Ion Batterien*.

* Das Gewicht eines Wasserstoffdruckspeichers ist bei gleichen gespeicherten Energiemenge 18 bis 25 Mal kleiner als eines hochwertigen (high energy) Li-Ion-Batteriebündels. Die Speicherung der Energie über die H₂-Kette ist wegen des niedrigen Eigengewichts insbesondere für die nachhaltige Mobilität nM extrem vorteilshaft.

Auch die neuesten Entwicklungen in Batterie-Forschung auf Magnesium-Basis können nicht grundsätzliches in der prekären Lage der Batterien gegenüber den H₂-Speichern ändern [40].

Kenndaten über Wasserstoff-Druckspeicher findet man in der Tabelle 3-38, UBA [16 S.128].

Notwendiger Energieaufwand zur Verdichtung des Wasserstoffs findet man in der Abbildung 3-7, UBA [16 S.129].

Kenndaten über Wasser-Elektrolyseure findet man in Tabelle 3-32, UBA [16 S.119] und einen Kurzvergleich von Elektrolyseurvarianten in Tabelle 3-33, UBA [16 S.120].

Zurück zu 4.

Kurzbeschreibung der UBA-Studie mit Tabellen und Figuren

Zurück zu 5.

Quelle: IKT für Elektromobilität, Wirtschaftlichkeit von Elektromobilität, 2015, Fraunhofer ISI, Produkt-Roadmap, Lithium-Ionen Batterien 2030, 2012, Zurück zu 4.

Quellen: Batteriespeicher Herstellerangaben, Fraunhofer Institut ISI: Gesamt Roadmap

Energiespeicher für die Elektromobilität 2030 / IKT Elektromobilität Abschlussbericht 2015, gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Wasserstoffspeicher: Herstellerangaben, Fraunhofer ISI, Fraunhofer IML, PTV Group: Teilstudie Brennstoffzellen-Lkw kritische Entwicklungshemmnisse, Forschungsbedarf und Marktpotential.

Batteriespeicher: Herstellerangabe / Marktrecherche (u.a. Angaben Akasol Daimler)

Das Potenzial von Wasserstoff H₂ als Ersatz fossiler Kraftstoffe ist noch lange nicht ausgeschöpft – im Gegenteil: Wasserstoff wird ein unverzichtbarer Baustein für eine erfolgreiche Energie- und Mobilitätswende sein.

Auch die neuesten Entwicklungen in Batterie-Forschung können nicht grundsätzliches in der prekären Lage der Batterien gegenüber den H₂-Speichern ändern.

Die auf Magnesium-Basis neuesten Batterien weisen Energiedichten von 400 Wh/kg auf, die besser als die klassischer Li-Ionen Batterien von maximal 250 Wh/kg liegen, aber immerhin weit unterlegen den H₂-Speichern (mit 35 MPa = 350 bar) mit mehr als 2500 Wh/kg zurückbleiben. Zurück zu 4.

Kurzbeschreibung der UBA-Studie [16]

Im Projekt wurde mit Blick auf die Energiewende der umwelt- und rohstoffbezogene Handlungsbedarf ermittelt, der sich aus dem Einsatz an innovativen ESS für elektrische Energie aus erneuerbaren Energien zukünftig ergeben wird.

Es wurden Energiespeichersysteme, eingegrenzt auf Batteriespeicher (Kurzzeitspeicher) und Wasserstoffspeichersysteme (Langzeitspeicher) für die Umwandlung, die Speicherung und die Nutzung gespeicherter Energie aus erneuerbaren Quellen, in den Bereichen Stromversorgung und Mobilität untersucht.

Der Fokus der Studie lag darauf, die zu erwartenden Rohstoffbedarfe der zukünftigen innovativen ESS zu ermitteln und die ESS anhand verschiedenster Kriterien hinsichtlich ihrer Umweltrelevanz und rohstoffwirtschaftlichen Bedeutung zu bewerten.

Entsprechend der komplexen Ausgangslage und der umfangreichen Zielsetzung wurde im Vorhaben eine Vielzahl verschiedener Aufgaben durchgeführt.

Ausgangspunkt war eine ausführliche Analyse der innovativen ESS hinsichtlich der Funktionsweise, der technischen Eigenschaften und Kenndaten sowie weiterer Merkmale.

Eine wesentliche Grundlage für die Bestimmung des Rohstoffbedarfs war dann die Ermittlung des zukünftigen Speicherbedarfs für die Stromversorgung (80 % erneuerbare Energien Szenario) und für Mobilitätsszenarien.

Darauf aufbauend erfolgte als ein Schwerpunkt die Ermittlung des zukünftigen Materialbedarfs zum Aufbau der innovativen ESS.

Ein weiterer Schwerpunkt stellte die umfassende Bewertung der innovativen ESS anhand der Kriterien Bedarfsrelevanz, Recycling, Umweltrelevanz,

Treibhausgasemissionen, Substitution, Wirkungsgrad und Kosten dar. Auch wurde der Anpassungsbedarf rechtlicher Regelungen geprüft.

Abschließend wurde für die verschiedenen Bereiche eine Reihe von Empfehlungen erarbeitet.

Die umfangreiche Studie im Auftrag von UBA veranschaulicht: I) die extreme Knappheit der notwendigen Materialien für die Energiespeichersysteme ESS und II) das weitgehend ungelöste Recycling-Problem von Batterien und Akkumulatoren. Zurück zu 5.

I)  Bei der Betrachtung der Ergebnisse fällt auf, dass für einige Materialien bzw. Elemente der Anteil der ESS an der Weltproduktion Werte von 100 % oder sogar 1000 % übersteigt (s. Tabelle 2). Das bedeutet, dass allein der maximale Materialbedarf dieser Materialien bzw. Elemente für die ESS höher ist oder sogar ein Mehrfaches der Weltproduktion 2020 ist. Es handelt sich dabei um die Materialien bzw. Elemente Kobalt, Lithium, Titan, Vanadium, Platin, Iridium und Grafit. Aufgrund dieser Ausnahmesituation werden diese sieben Elemente als bedarfsrelevant eingestuft. Nachfolgend werden kurz die Anwendungen dieser sieben bedarfsrelevanten Materialien bei den innovativen ESS und ihr jeweiliger %- Anteil an der Weltproduktion 2020 vorgestellt.

UBA [16, S.197-198, Tabelle 7-1, S.200 vorletzte Spalte, Zusammenfassung

Zusammenfassung der kritischen 12 Rohstoffen, Tabelle 7-3, S.203]

In die Abbildung 6-3, UBA [16 S.178], sieht man deutlich wo die potentiell bedarfsrelevante Materialien eingesetzt werden.

Der Begriff Bedarfsrelevanz wurde in der vorliegenden Studie zur Abgrenzung gegenüber der klassischen Kritikalitätsanalyse eingeführt, um deutlich zu machen, dass weder eine Kritikalitätsbewertung durchgeführt wird noch eine Weiterentwicklung der Kritikalitätsmethode stattfindet.

In Tabelle 2, UBA [16 S.33]:      %-Anteil ESS an der Weltproduktion 2020 für alle Anwendungen der Stromversorgung und Mobilität (ausgewählte Materialien), Zurück zu 5.

II)  Recycling Probleme Li-Akku UBA [16, S.205], Fazit-Ausblick S.222, §8.1.4, Zurück zu 5.

Zurück zu 5.

Anlagen zu 6.

Der ausschließliche Einsatz von PEM BZ zur Rückverstromung des gespeicherten oder getankten Wasserstoff H₂ ist ebenfalls keine nachhaltige, effektive, wirtschaftliche bzw. umweltgerechte Lösung der nM und der nEW aus folgenden Gründen (s. rechts):

Zurück zu 6.

Bei der Umsetzung vom reinen Wasserstoff mit Sauerstoff aus gereinigter Luft in den Brennstoffzellen PEM BZ entsteht wiederum Wasser, das in den Kreislauf zurückgelingt. Dieser Vorgang kann praktisch völlig schadstofffrei gestaltet werden, wobei einen Teil der Umwandlungsenergie in Form von Wärme freigesetzt wird.

2 H₂ + O₂ ---> H₂O + elektrische Energie + Wärme

Bei der Verbrennung vom Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff im Verbrennungsmotor VM entsteht wiederum Wasser, das in den Kreislauf zurückgelingt. Dieser Vorgang kann praktisch ebenfalls völlig schadstofffrei gestaltet werden. In diesem Einsatzfall gibt es im Unterschied zur PEM BZ keine Reinheitsansprüche sowohl für den H₂ als auch für die Luft.

2 H₂ + O₂ ---> H₂O + mechanische Energie + Wärme

Daten ZSW, UBA [16, S.138]

Der Wert der spezifischen Leistung von 0,1 KW/kg von ZSW aus der Tabelle 3-47 ist offensichtlich falsch! ZSW steht für Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, mit VM hat ZSW nichts zu tun, daher eher verständlich! Der Umkehrwert dieser spezifischen Leistung heißt Leistungsgewicht und beträgt damit 10 kg/kW, und lässt sich einfacher mit anderen Quellen vergleichen.

Hierunter einige Referenzwerte aus Wikipedia für Leistungsgewichte von gesamt Kraftfahrzeugen (d.h. nicht nur des nackten Motors):

·       Formel 1-Wagen: 1 kg/kW

·       GP-Motorrad: 0,8 kg/kW (Stand 2012)

·       Sport-Motorrad: 1,3 kg/kW

·       Sportwagen: 4,2 kg/kW (Porsche 911 Turbo S, 2009)

·       Gängiger PKW: 14,7 kg/kW(2012)^[2]

·       Panzer Leopard 2: 56 kg/kW

25 Die Angabe beinhaltet Nebenaggregate wie Rohrleitungen, Ventile, Gasabscheider, Wasseraufbereitung etc. für die nicht notwendigerweise eine lineare Skalierung mit der Systemleistung gegeben ist.

Daten ZSW, UBA [16, S.124]

Der Umkehrwert der spezifischen Leistung von 700 W/kg aus Tabelle 3-36 für Automobil (Generation 2020), d.h. das Leistungsgewicht beträgt 1,43 kg/kW bezieht sich nur auf PEM BZ d.h. nicht auf das Gesamtfahrzeug und lässt sich mit den oberen Werten für Kraftfahrzeugen einfach vergleichen.

Zurück zu 6.

Abbildung 6-3: Schematische Darstellung der H2-Ketten über BZ für die Mobilität

Die Alternative die H₂-Kette hauptsächlich über PEM BZ zu bilden, ist sogar den klassischen VM unterlegen, wegen:

f)        der hohen Herstellungskosten,

g)       der weltweiten Knappheit der eingesetzten bedarfsrelevanten Materialien,

h)       der Gefahr einer CO-Vergiftung der Elektroden und der PEM Membrane (man braucht daher zum Betreiben nur reiner H₂ und gereinigte Luft),

i)         des relativ niedrigen Wirkungsgrads bei hohen Lasten

Leistung, Wirkungsgrad-Diagramm, Energie-Agentur NRW [31], Zurück zu 6.

Quelle: Ledjeff/Hey

Aufstellung der Verluste von PEM BZ über die Stromdichte bzw. Last.

j)         der kurzen Lebensdauer (weit unter 10 Jahren, s. Tabelle 3-36)

k)       des nicht gesicherten  Recycling der eingesetzten Materialien.

Zurück zu 6.

Ein Teil der vom Stack erzeugten Energie wird schon bereits innerhalb des Systems verbraucht (Reformer, Steuerung). Auch der Elektromotor setzt nur einen Teil der zugeführten Energie in mechanische Energie um. Die obere Abbildung zeigt den Vergleich der Wirkungsgrade von Brennstoffzellenstack, Brennstoffzellensystem und Dieselmotor.

Ergänzte H₂-Kette mit erhöhten Wirkungsgrad und Kraftstoffflexibilität anhand von VCSR VM.

Zurück zu 6.

Anlagen zu 8.

Auch der Einsatz von klassischen VM zur Rückverstromung des gespeicherten oder getankten Wasserstoff H₂ konnte zur nM und zur nEW bisher nicht besonders viel beitragen.

Die Gründe dafür liegen in der fehlenden Anpassung der VM am Betrieb mit Wasserstoff und am Beharren auf denen klassischen Prozessführung und Bauart.

Obwohl am Einsatz von H₂ in VM intensiv geforscht wurde, sind bisher nur wenige konkrete Anwendungen bekannt.

Zurück zu 8.

Ein Aufbau-Vergleich zwischen den klassischen VM (links) und den VCSR VM ist in folgenden Video vorgestellt.

Video: Aufbau-Vergleich zwischen den klassischen VM ohne VCR Fähigkeit (links) und den VCSR VM mit UDLS Laststeuerung (rechts).

Das Innenleben des VCSR Kurbeltriebs ist in folgenden Video vorgestellt.

Video: Innenaufbau des VCSR-Kurbeltriebs

Detailliertere Informationen findet man in [PDF] und [VIDEO].

Energiefluss (Sankey)-Diagramm eines klassischen Motorenkraftwerks. Zurück zu 8.

Quelle: Lehrstuhl für Energiesysteme, Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität München

Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass über 50% der vorhandenen Kraftstoffenergie durch die Kühlung und mit den abgestoßenen Abgasen in die Umgebung verloren gehen. Die hier dargestellte Wärmerückgewinnung über den Damfpfad, nämlich über die Dampferzeugung (steam process) mithilfe der Abgaswärme, mit anschließender Entspannung in einer Dampfturbine gekoppelt mit elektrischem Generator erreicht nur mickrigen 4% (trotzt des hohen konstruktiven Aufwands).

Falls anstelle der klassischen VM, neuartigen VCSR VM eingesetzt wären, wäre die 46,2% Ausbeute (electrical power) mit mindestens ca. 20% ansteigen (s. links unter Punkt 3. die direkt in den Zylindern ermöglichten Wärme- bzw. Energierückgewinnung und Folie 30) ohne den Umweg über einen Dampfpfad mehr zu benötigen.

Folie 30 aus [PDF]: Performance-Vergleich zwischen den klassischen VM, den ankommenden VM mit kontinuierlicher VCR Fähigkeit (in Serienreife bisher nur am Nissan Infiniti VC Turbo vorhanden) links und den VCSR VM mit UDLS Laststeuerung, rechts.

Der Wirkungsgradgewinn ist im rechten Diagramm graphisch dargestellt (s. Efficiency gain of VCSR versus classical Engine with VCR), Zurück zu 8.

Für Range Extender können VCSR VM Bauart mit UDLS Laststeuerung in einer sehr kompakten Bauweise hergestellt werden, damit diese in jedem PKW, in Flugtaxi usw. ausreichenden Platz zum Einsatz finden können.

Das kinematische Prinzip eines solchen dreizackig sternförmig (weiterhin auch als Y-Anordnung bezeichnet) gestalteten VCSR VM, mit allen Charakteristika der VCSR VM, d.h. mit kontinuierlichem VCR, mehr Kraftstoff-Fähigkeit und mit UDLS Laststeuerung ist in folgenden Videos vorgestellt.

In diesen wurde es auf die Darstellung der zusätzlichen Planeten, der Sonne und des Planetenträgers aus Übersichtsgründen verzichtet.

Ein VCSR VM mit 3 Zylindern nimmt in die Y-Anordnung der Zylinder eine scheibenförmige Gestaltung an. Ein elektrischer Generator kann dabei entweder mit dem Planetenträger (bei halber Drehzahl der Exzenterwelle) oder mit der Sonne (bei doppelter Drehzahl der Exzenterwelle) verbunden werden. Damit lässt sich die Antriebsdrehzahl des Generators entsprechend gleich der Motordrehzahl oder ihrer Vierfaches auswählen.

Der 3-Zylinder VCSR VM mit den Zylindern in der Y-Anordnung bzw. scheibenförmigen Gestaltung benötigt nur zwei Planetengetriebe für alle drei Zylinder. Zum Vergleich der VCSR VM ebenfalls mit 3-Zylindern in Reihenanordnung aus den Videos von 1.4.3 benötigt vier Planetengetriebe. Die Y-Anordnung zeichnet sich durch seine sehr kompakte Bauweise, kleinen Eigengewicht und sehr guten Massenausgleich.

Video: 3-Zylinder VCSR VM mit den Zylindern in Y-Anordnung gesteuert zu niedrigem Verdichtungsverhältnis e_cmp  und sehr Hoher Last (langer Ansaughub, sehr hohen Aufladegrad, weitgehende Entleerung der Zylinder von Restabgasen, minimaler Restabgasanteil) durch nach rechts Verdrehung Dg > 0° des Hohlrades (Ring Gear).

Video: 3-Zylinder VCSR VM mit den Zylindern in Y-Anordnung gesteuert zu mittel-hohem Verdichtungsverhältnis e_cmp  und Mittlerer Last (mittellanger Ansaughub, halbsymmetrische Hübe, üblicher Restabgasanteil) bei null Verdrehung Dg = 0° des Hohlrades (Ring Gear).

Video: 3-Zylinder VCSR VM mit den Zylindern in Y-Anordnung gesteuert zu hohem Verdichtungsverhältnis e_cmp  und Niedriger Last (kurzer Ansaughub, erhöhter Restabgasanteil) durch nach links Verdrehung Dg < 0° des Hohlrades (Ring Gear).

Die VCSR VM mit UDLS Laststeuerung können problemlos mit den Zylinder in Reihe- in V- und in Y-Anordnung hergestellt werden.

Die Y-Anordnung mit mehreren Scheiben von drei Zylindern hintereinander kann für sehr kompakte und hochleistungsfähige VCSR VM ausgewählt werden, beispielsweise für Busse, LKWs, Loks, Militärfahrzeuge, Hubschrauber, kleine Flugzeuge usw.

Wenn die Autoindustrie und Luftfahrtindustrie weiterhin nur auf dem klassischen VM oder nur auf reinem Elektrik-Antrieb setzt s. FAZ [68], wird jeder Versuch die Nachhaltigkeit mit erhöhten Effizienz und Reichweite zu vereinigen hochwahrscheinlich scheitern!

Zurück zu 8.

Anlagen zu 9.

Kurze Vorstellung des Lösungswegs zur nMnEW durch den Einsatz vom H₂ zur Langzeit-Speicherung der überschüssigen elektrischen Energie in der nEW und als alternativer Kraftstoff in den nM vorzüglich anhand der neuartigen VCSR VM mit UDLS Laststeuerung.

Zurück zu 9.

Im UBA-Projekt UBA [16 S.5] wurde mit Blick auf die Energiewende der umwelt- und rohstoffbezogene Handlungsbedarf ermittelt, der sich aus dem Einsatz an innovativen Energiespeichersystemen ESS für elektrische Energie aus erneuerbaren Energien zukünftig ergeben wird. Es wurden Energiespeichersysteme ESS, eingegrenzt auf Batteriespeicher (Kurzzeitspeicher) und Wasserstoffspeichersysteme (Langzeitspeicher) für die Umwandlung, die Speicherung und die Nutzung gespeicherter Energie aus erneuerbaren Quellen, in den Bereichen Stromversorgung und Mobilität untersucht.

Die Zwischenbilanz der Verkehrswirtschaftlichen Energiestrategie (VES) des Bundesverkehrsministeriums (BMVI) kommt zu dem Ergebnis, dass Wasserstoff langfristig der geeignetste alternative Kraftstoff der Zukunft ist. ARAL [21]

Zur Produktion vom Wasserstoff stehen mehrere Verfahren zur Verfügung, s. unten Figure 1 aus Int. J. Energy Res. (2007) DOI: 10.1002/er und Abbildung 20 aus Wiener Motoren Symposium 2018, WMS [41], Abb. 20, S.14.

Im Idealfall wird Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe vom Strom beispielsweise aus regenerativen Wind- oder Sonnenenergie durch Elektrolyse gewonnen. Zurück zu 9.

H₂O + elektrische Energie ---> 2 H₂ + O₂

Mehrere Verfahren zur Wasserstoff-Anlieferung und -Betankung (sogar home refueller sind dabei) werden berücksichtigt und eine große Rolle spielen, s. unten Figure 3 und Abbildung 20.

Die Anlieferung könnte in mehreren Varianten erfolgen s. Abbildung 20 von [41], wobei die Abkürzungen bedeuten:

·       LH₂ liquid H₂

·       HP  high pressure H₂

·       LP   low pressure H₂

·       CGH₂  compressed gas H₂

On-site Produktion mit Elektrolyse: Die Wasserstoffproduktion vor Ort über Elektrolyse ist ein vielversprechender Ansatz für eine dezentrale Wasserstoffinfrastruktur. Es gibt verschiedene Optionen mit unterschiedlichen Produktionsraten, die auf benutzerspezifische Anforderungen ausgerichtet sind. Beispiele für kleine Wasserstoff-Tankstellen sind die SHS (Smart Hydrogen Station) von Honda und der Home Refueller von Proton Onsite. Die SHS hat eine tägliche Gesamtproduktionsrate von bis zu 1,5 kg/Tag bei 40 MPa. Das System von Proton Onsite mit einer täglichen Produktionsrate von 2,2 kg umfasst einen eingebauten Booster zur Befüllung von 35 MPa oder 70 MPa Speichersystemen [5]. Beide Systeme produzieren Wasserstoff über Hochdruck-PEM-Elektrolyse. Zurück zu 9.

Wasserstoff Verteilernetz in NRW zur möglichen Versorgung von Inlandsschiffe und Fahrzeuge mit H₂ Antrieb

Schema zum Bunkern bzw. Speichern von H₂ und zum Betanken von Schiffen mit H₂. Es ist Einsetzbar auch an den Buchten nah zu den Offshore Windanlagen zu H₂-Transfer, Verteilung und Speicherung.

In den Buchten nah zu den Offshore Windanlagen können schwimmende oder auf dem Festland liegende Motorenkraftwerke eingesetzt werden. Diese können während der Windflauten aus dem gebunkerten H₂ (s. Fig. 4-16 und Fig. 4 und 5) und den dadurch im Netz fehlenden elektrischen Strom produzieren und damit die Schwankungen in der Stromproduktion stark oder sogar komplett abflachen bzw. vermeiden.

Schwimmende oder feststehende Motorenkraftwerke, Zurück zu 9.

UK SHEK [43] Figuren 4 und 5, S.18

Zurück zu 9.