Zunächst einmal, unabhängig davon, ob es sich um Wasserstoff- oder Lithiumenergie handelt, handelt es sich bei beiden um Energiespeicherlösungen. Sie speichern entweder grüne Energie (Solarenergie, Windenergie etc.) oder fossile Energie. Sie sind keine „neuen Energiequellen“.

Warum Wasserstoff und Lithium

Gemäß dem Periodensystem der Elemente sind Wasserstoff, Helium, Lithium, Beryllium, Bor oder Wasserstoff, Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Francium für Batterien geeignet. Warum sind bislang Lithiumbatterien oder Wasserstoff-Brennstoffzellen relativ bekannt?
Helium, Beryllium, Bor, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium sind für Batterien nicht geeignet, da ihnen die chemischen Eigenschaften fehlen, die notwendig sind, um durch eine Reaktion mit einem Elektrolyten eine elektrische Ladung zu erzeugen. Diese Elemente sind nicht elektrisch leitfähig, nicht reaktiv genug und in einigen Fällen hochreaktiv sowie brennbar, was sie für den Einsatz in Batterien ungeeignet macht. Im Gegensatz dazu verfügen Wasserstoff und Lithium über die Eigenschaften, die sie für den Einsatz in Batterien geeignet machen. Wasserstoff kann in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung durch eine chemische Reaktion genutzt werden, während Lithium hochreaktiv ist und Elektronen leicht übertragen kann, was es ideal für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien macht.

Periodensystem
Periodensystem（Von https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）

Was sind die Vorteile und Nachteile der Nutzung von Wasserstoff im Vergleich zu Lithium für die Energiespeicherung?

Wasserstoff

Vorteile

  • Wasserstoff hat eine höhere Energiedichte als Batterien, was bedeutet, dass pro Gewichtseinheit mehr Energie gespeichert werden kann.
  • Wasserstoff kann aus vielfältigen Quellen gewonnen werden, einschließlich erneuerbarer Energien, was ihn zu einer potenziell nachhaltigeren Option für die Energiespeicherung macht.
  • Wasserstoff kann in Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet werden, was eine saubere Form des Transports ermöglicht.
  • Im Bereich der großflächigen Energiespeicherung bietet die Wasserstoffspeicherung offensichtliche Kostenvorteile gegenüber der Energiespeicherung in Lithiumbatterien.

Nachteile

  • Wasserstoff ist derzeit in der Herstellung und Speicherung teurer als Lithium-Ionen-Batterien.
  • Die Speicherung von Wasserstoff erfordert Hochdrucktanks oder kryogene Lagerung, was herausfordernd und kostspielig sein kann.
  • Die Produktion und der Transport von Wasserstoff erfordern erhebliche Investitionen in die Infrastruktur.
  • Wasserstoffgas ist anfällig für Versprödung, weshalb Lagerbehälter hohen Sicherheitsstandards entsprechen müssen.

Lithium

Vorteile

  • Lithium-Ionen-Batterien sind leichter und kompakter im Vergleich zu Wasserstoffspeichersystemen.
  • Lithium-Ionen-Batterien sind eine etablierte Technologie mit einer gut entwickelten Lieferkette und Produktionsinfrastruktur.
  • Lithium-Ionen-Batterien weisen eine höhere Rundreiseeffizienz auf, was bedeutet, dass mehr Energie gespeichert und genutzt werden kann, als zur Produktion und Speicherung aufgewendet wird.

Nachteile

  • Lithium-Ionen-Batterien haben eine begrenzte Lebensdauer und können im Laufe der Zeit abbauen.
  • Lithium-Ionen-Batterien können einen thermischen Durchgehprozess erleiden und ein Brandrisiko darstellen, wenn sie beschädigt sind oder nicht ordnungsgemäß gewartet werden.
  • Lithium-Ionen-Batterien werden hauptsächlich aus Materialien hergestellt, deren Ressourcen begrenzt sind, und könnten weniger umweltfreundlich sein als Wasserstoff.
  • Die Viskosität des Elektrolyten in Lithiumbatterien steigt bei niedrigen Temperaturen, wodurch die Ionenleitfähigkeit sinkt. Infolgedessen passt die Elektronenmigrationsgeschwindigkeit im externen Stromkreis nicht, die Batterie wird stark polarisiert und die Lade- sowie Entladeleistung wird erheblich reduziert.

Brennwert

Brennwert
Brennwert

Der Brennwert von Wasserstoff ist unter den gängigen Brennstoffen am höchsten, bis zu 142 KJ/g, was etwa dem 3-fachen von Erdöl und dem 4,5-fachen von Kohle entspricht. Wird daraus eine Batterie hergestellt, wäre auch die Energiedichte von Wasserstoffbatterien höher – etwa 40 kWh/kg, was deutlich über der Energiedichte gewöhnlicher Lithium-Ionen-Batterien von ca. 0,25 kWh/kg und Heizöl von ca. 12 kWh/kg liegt.

Wie wirkt sich die Produktion von Wasserstoff und Lithium auf die Umwelt aus?

Lithiumproduktion:

  • Die Gewinnung und Verarbeitung von Lithium kann in trockenen Regionen, in denen die meisten Lithiumvorkommen liegen, die Wasserressourcen stark belasten.
  • Die Verarbeitung von Lithiumerz kann giftige Chemikalien in die Umwelt freisetzen.
  • Der Ausbau von Lithiumminen kann zu Bodendegradation und zur Zerstörung von Lebensräumen führen.
  • Die Herkunft der elektrischen Energie für Lithiumbatterien hängt von der jeweils genutzten Energiequelle ab.
Anteile der Primärenergie in Rapid
Anteile der Primärenergie in Rapid

Wasserstoffproduktion:

  • Der Großteil des Wasserstoffs wird unter Einsatz fossiler Brennstoffe hergestellt, was zu Treibhausgasemissionen und Luftverschmutzung führt.
  • Die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse kann energieintensiv sein, was zu erhöhten Treibhausgasemissionen führt, wenn der dafür genutzte Strom aus nicht erneuerbaren Quellen stammt.
  • Saubere und erneuerbare Energien wie Windkraft und Photovoltaik, kombiniert mit der Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse, erzeugen grünen Wasserstoff. Dadurch kann über den gesamten Lebenszyklus ein sauberer und kohlenstoffarmer Betrieb gewährleistet werden.

Welche potenziellen Anwendungen gibt es für Wasserstoff und Lithium in der Transportindustrie?

Wasserstoff kann als Brennstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge genutzt werden, in denen er mit Sauerstoff reagiert, um Strom zu erzeugen, der einen Elektromotor antreibt. Wasserstoff wird als potenzielle Alternative zu herkömmlichem Benzin und Diesel betrachtet, da er beim Verbrennen lediglich Wasser produziert und aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen werden kann.
Brennstoffzellenfahrzeuge mit Wasserstoffantrieb eignen sich eher für Nutzfahrzeuge (Lastwagen, Busse etc.).

  1. Weil die Anzahl der Wasserstofftankstellen in verschiedenen Ländern nicht ausreicht, ist das Betanken herkömmlicher Pkw (Familienautos) unpraktisch.
  2. Die Routen von Nutzfahrzeugen sind relativ festgelegt.
  3. Das Betanken mit Wasserstoff kann in nur 3–5 Minuten abgeschlossen werden, und die Reichweite kann bis zu 850 km betragen.
  4. Gabelstapler: In den Lagern von Amazon werden Gabelstapler mit Wasserstoff-Brennstoffzellen eingesetzt, was die Abgasemissionen reduziert und auch die Lärmbelastung verringert. Zudem verkürzt der Wechsel der Energiezufuhrmethode des Wasserstoffzylinders die Ladezeit erheblich.

Lithium ist ein Schlüsselfaktor in den Batterien, die zur Stromversorgung von Elektrofahrzeugen (EVs) eingesetzt werden. Lithium-Ionen-Batterien werden in EVs aufgrund ihrer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer weit verbreitet genutzt, was sie ideal für den Fahrzeugeinsatz macht. Lithium findet auch in den Batterien von Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEVs) und batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) Verwendung.
Warum sind Lithiumbatterien für den Einsatz in Nutzfahrzeugen nicht geeignet? Als praktisches Beispiel: Die Batterie des Model 3 wiegt etwa 800 Kilogramm, und die Reichweite der Einstiegsvariante beträgt ca. 450 Kilometer – eigentlich sollten es etwa 400 Kilometer sein. Bei Nutzfahrzeugen, wie an einem kürzlich von einem OEM vorgestellten elektrischen Nutzfahrzeug, beträgt die Reichweite bei 2,5 t nur 190 km. Bei einer Länge von 9,6 m und einem Gesamtgewicht von 19 t, von denen 7 t das Eigengewicht ausmachen, bleibt eine Nutzlast von 12 t, doch die Reichweite liegt weiterhin nur bei 190 km. Um eine Reichweite von 500 km (den grundlegenden Schwellenwert) zu erreichen, wären mindestens 3 t Batterien erforderlich, was gleichzeitig bedeutet, dass 3 t Ladung nicht transportiert werden können und die Kosten untragbar würden. Nun wurde von allen vorgeschlagen, entlang der Strecke eine Ladestation zu errichten. Wir sind der Meinung, dass die Infrastruktur einer solchen Ladestation der einer Tankstelle sehr ähnlich ist. Allerdings ist es nach wie vor schwierig, ein großes Unternehmen dafür zu gewinnen. Daher sind batteriebetriebene Nutzfahrzeuge im Grunde genommen nicht praktikabel.
Lithiumbatterien weisen eine Energiedichte von etwa 220 Wh/kg auf. Nur halbflüssige Batterien und Festkörperbatterien können 500 Wh/kg erreichen. Selbst wenn sich die Energiedichte verdoppeln würde, wären reine elektrische Schwerlast-Lkw zwar denkbar, aber in den nächsten 5 Jahren kaum zu erwarten.