Hightech-Antrieb Brennstoffzelle

Seit einigen Jahren wird in den Diskussionen um alternative Antriebe immer öfter die Brennstoffzelle genannt. Doch was ist das eigentlich für eine Technologie und lässt sich damit wirklich die Handbremse lösen, um mit Vollgas in die Verkehrswende durchzustarten?


Unsere Themenreihe “Alternative Antriebe”: 

  1. Alternative Antriebe – Wege in die Zukunft der Mobilität
  2. Elektro- und Hybridmotoren summen die Zukunftsmusik
  3. Zukunft voller Abgase? Nicht mit Erd- und Autogas
  4. Hightech-Antrieb Brennstoffzelle
  5. Alternativ Fahren – aber wie? Unser Fazit 

Grafische Darstellung alternativer Antriebe mit Brennstoffzelle hervorgehoben

 

 


Brennstoffzelle, die Retterin der Verkehrswende?

Auch in diesem Jahr verzeichnen wir wieder Rekordtemperaturen und Wetterextreme, die uns beweisen, dass der Klimawandel real ist. Fridays for Future setzt auch während der Ferien die Proteste fort; uns wird bewusst, dass es Zeit ist, zu handeln. Die Politik diskutiert viel über die Handlungsmöglichkeiten, um Treibhausgase und klimaschädliche Emissionen zu reduzieren. Das betrifft vor allem den Verkehr in Deutschland, insbesondere den Pkw-Verkehr. 

Der Fokus der Automobilbranche liegt stärker denn je auf der Entwicklung ganzheitlicher, nachhaltiger Mobilitätskonzepte mit Antriebsalternativen zum klassischen Verbrenner, die bestenfalls sogar ohne jegliche Schadstoffemissionen auskommen.

In unserer Reihe “Alternative Antriebe” geht es in dieser Woche um die Technologie der Brennstoffzelle, die durch Wasserstoff betrieben wird. Sie gilt zur Zeit noch als Nischentechnologie und wird bisher so gut wie gar nicht in Serie angeboten. Es lohnt sich jedoch zu wissen, welche Technologie dahinter steckt und die Entwicklungen im Auge zu behalten. 

Was ist Wasserstoff?

In reiner Form ist Wasserstoff (H2) ein ungiftiges, geruchloses, unsichtbares Gas und leichter als Luft. Obwohl es auf der Erde in nahezu unbegrenzten Mengen vorhanden ist, muss es zunächst gewonnen werden, da es ausschließlich in organischen Verbindungen wie Wasser, Säuren und anderen organischen Verbindungen auftritt. 

Verschiedene Methoden ermöglichen die Gewinnung des Wasserstoffes, jedoch ist in Europa der meistverbreitete Weg die Elektrolyse: Strom wird durch Wasser geleitet und als Resultat wird gasförmiger Wasserstoff freigesetzt.

Wasserstoff ist daher keine Energiequelle per se, sondern ein Energieträger, mit dessen Hilfe man Energie speichern und transportieren kann. Die richtige Definition wäre hier also “Sekundärenergie”, da zur Herstellung zunächst Primärenergie aufgewendet werden muss.

Wird bei seiner Gewinnung, der Elektrolyse, Strom aus regenerativen Energiequellen eingesetzt, macht ihn das umweltfreundlicher.

Speicherung und Transport des Energieträgers der Zukunft

Wasserstoff lässt sich vergleichsweise leicht speichern sowie transportieren. Er kann wie Erdöl – im Gegensatz zu Elektrizität – beliebig gespeichert und, da er transportabel ist, unabhängig vom Produktionsort verwendet werden. H2 gehört so zu einem der wichtigsten Energieträger der Zukunft, vor allem in Verbindung mit erneuerbaren Energien. In Zukunft könnten mit H2 Fluktuationen in der Verfügbarkeit von erneuerbare Energien, wie Wind- und Sonnenenergie, in der stationären Energieversorgung ausgeglichen und diese zusätzlich jederzeit für den Verkehr verfügbar gemacht werden. 

Allerdings ist H2 ein äußerst leichtes Gas. Unter normalem, atmosphärischem Druck enthalten 3000 Liter H2 die gleiche Energiemenge wie ein Liter Benzin. Um den Energieträger trotzdem effektiv zu speichern und zu transportieren, muss Wasserstoff folglich stark verdichtet werden. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: 

  1. Unter Hochdruck setzen (CGH2, Compressed Gaseous Hydrogen) 
  2. Bis auf –253°C abkühlen und verflüssigen (LH2, Liquid Hydrogen). 

Die praktische Umsetzung ist jedoch in beiden Fällen energieaufwendig und erfordert modernste Technologien. Außerdem bergen diese Methoden hohe Sicherheitsrisiken.  Sicheres, und wenn möglich, verlustarmes Transportieren von H2 ist daher eine der prominenten technologischen Herausforderungen für die Zukunft von Wasserstoff als viel genutzter Energieträger – vor allem in Sachen Verkehr. Doch hier sind in den vergangenen Jahren bereits deutliche Fortschritte gemacht worden. 

In der Automobilbranche wird mit Hochdruckspeichern gearbeitet. Der Energieträger wird gasförmig in Hochdrucktanks gespeichert – bei 350 oder sogar 700 bar. Der Energieaufwand liegt hier bei zwölf bis 15 Prozent des ursprünglichen Energieinhalts. 

Die größten Nachteile von Druckgas-Tanks liegen in ihrem hohen Gewicht und dem großen Raumbedarf: Je größer der Tank, desto dicker muss dessen Wand sein. Je kleiner der Tank, desto mehr sind nötig, um die äquivalente Menge Wasserstoff zu speichern. Hochdrucktanks enthalten somit bei relativ hohem Gewicht und Eigenvolumen vergleichsweise wenig Wasserstoff, was für den Transport in großen Mengen über große Distanzen schlechte Voraussetzungen darstellt. 

Für den weiten Transport großer Mengen eignet sich die Verflüssigung. Für diese Veränderung des Aggregatzustandes muss nach heutigem Stand noch ca. 30 Prozent des ursprünglichen Energieinhalts aufgebracht werden, 15 Prozent mehr als für die Hochdruckspeicherung. 

Allgemein gesprochen wird der Transport ähnlich bleiben wie der von beispielsweise Erdgas. Tankschiffe, Tankwaggons und Tanklaster werden mit nötigen Anpassungen für die Speicherung von Flüssigwasserstoff ausgestattet werden und so als Transportmittel weiterhin fungieren können. Zusätzlich werden zukünftig noch mehr Wasserstoff-Pipelines betrieben werden, wie sie schon heute zum Teil im Rhein-Ruhrgebiet zum Einsatz kommen. Darin wird Wasserstoff gasförmig bei einem Druck von dreißig bis hundert bar transportiert. Jedoch bedürfen diese Art von Leitungen nach heutigem Stand noch einen großen baulichen und wartungstechnischen Aufwand. 

In der Automobilbranche wird mit Hochdruckspeichern gearbeitet. Der Energieträger wird gasförmig in Hochdrucktanks gespeichert – bei 350 oder sogar 700 bar.

Betitelt als Antrieb der Zukunft

Wasserstoff wird eine blühende Zukunft versprochen als wichtiger Energieträger für den Verkehr. Er gewährleistet die Nutzung der hocheffizienten Brennstoffzelle. Die Schlüsseltechnologie setzt Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser um und produziert dabei Elektrizität und Wärme. Autos mit einer Wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle zählen zu den “Zero Emission Vehicles”, da im “Verbrennungsprozess”, also im Betrieb, weder Abgase noch Schadstoffe entstehen. Das zugrundeliegende Prinzip ist simpel und entspricht der umgekehrten Elektrolyse.

Eine Brennstoffzelle besteht aus drei Grundelementen: 

  • einer Anode, 
  • einer Kathode und
  • einem Elektrolyt zwischen Anode und Kathode.

 

Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Ein zugeführtes Wasserstoff-Molekül gibt an der Anode zwei Elektronen ab und wird dabei in zwei positiv geladene Wasserstoff-Ionen H2 (Protonen) gespalten. Diese wandern durch den Elektrolyten zur Kathode, wo sie sich mit einem an der Kathode negativ geladenen Sauerstoff-Ion wieder zu Wasser H2O vereinigen. Die negative Ladung erhält der Sauerstoff wiederum vom Wasserstoff: Dessen positive Elektronen fließen über einen elektrischen Leiter von der Anode zur Kathode. Dieser Stromfluss ermöglicht dann die elektrische Arbeit innerhalb einer Brennstoffzelle.

So funktioniert der Wasserstoffantrieb

E-Autos und HybrideIm Auto sieht das Prinzip der Brennstoffzelle dann wie folgt aus: 

Zum Antrieb des Autos wird der Wasserstoff in die Brennstoffzelle geleitet und reagiert dort mit dem Sauerstoff, der durch die großen Lufteinlässe in den Verdichter gelangt. Durch die beschriebene chemische Reaktion entsteht die Elektrizität, die den Elektromotor antreibt. Zusätzlich wird in einer Hochvolt-Batterie die Bremsenergie über das Verfahren der Rekuperation gespeichert und als Unterstützung z.B. bei Überholmanövern eingesetzt. 

Berechnungen führen an, dass mit Wasserstoff die Kohlendioxid-Emissionen des Verkehrssektors um bis zu 80 Prozent reduziert werden könnten. Unter der Voraussetzung, dass H2 mit Hilfe von regenerativen Energien hergestellt, gespeichert und transportiert wird, könnten die Flottenemissionen (Wasserstoff-Brennstoffzellen-PKW) in Deutschland bis auf 20 g CO2/km in 2050 reduziert werden. Bei den in 2017 in Deutschland verkauften Neuwagen lagen sie noch bei durchschnittlich 127g CO2/km. 

Im Brennstoffzellenauto wird der Wasserstoff in zwei speziell entwickelten Tanks logisch unter dem Fahrzeuginnenraum gespeichert. So ist der Tank gegen eventuelle Beschädigungen bei einem Unfall gut geschützt. 

Nichtsdestotrotz hält sich das Gerücht, Wasserstoff sei für den Einsatz im Automobil zu gefährlich, hartnäckig.

Obwohl Wasserstoff tatsächlich hochentzündlich ist, besteht entgegen dieser weit verbreiteten Annahme bei einem Unfall keine erhöhte Gefahr. Vielmehr sind wasserstoffbetriebene Fahrzeuge sicherer als konventionelle Benziner. Denn Wasserstoff explodiert nicht, wie ein Test von Wissenschaftler*innen der Universität Miami gezeigt hat. Nachdem die Wissenschaftler einem Benzintank sowie einem Wasserstofftank ein Leck zugefügt hatten, setzten sie die Fahrzeuge in Brand. Am Wasserstofftank entstand zwar eine Stichflamme, welche jedoch durch den stetig nachströmenden Wasserstoff sofort vollständig in weite Höhe stieg, verpuffte und innerhalb weniger Sekunden erlosch. Der Großteil des Autos blieb unbeschadet und die Gefahr für Insassen und oder Beteiligte war nicht höher, als beispielsweise bei Unfällen mit konventionellen Benzin- oder Dieseltanks. Der Grund dafür ist, dass sich Wasserstoff rasch verflüchtigt und die Fahrzeugkabine außerdem gegen austretenden Wasserstoff gesichert ist. 

Der Benziner im Vergleichsversuch hingegen brannte vollständig aus.

Ein Leck am Wasserstofftank ist zudem sehr unwahrscheinlich aufgrund der robusten Bauweise. Und selbst wenn ein Leck auftreten sollte, schaltet sich das Fahrzeug automatisch ab, da spezielle Sensoren den austretenden Wasserstoff erkennen. Diverse Sicherheitsventile werden geschlossen. Der Wasserstofftank besteht aus einem laminierten Verbundstoff aus Kohle und Glasfaser mit einem Kunststoffkern. Sogar kleinste Beschädigungen nach einem Auffahrunfall werden dadurch sofort sichtbar. 

Der H2-Tank ist durch seine Bauweise überaus widerstandsfähig, sowohl gegen Druck von innen und außen, als auch gegen Feuer. Die Tanks können teilweise sogar bis zu 1.500 bar Druckeinwirkung standhalten.

Diverse Schutzmaßnahmen sorgen auch während des Tankens für angemessene Sicherheit. So verfügt beispielsweise das Zapfventil am Tankschlauch über eine mechanische Sicherung, welche die optimale Kopplung mit dem Einfüllstutzen des Fahrzeugs gewährleistet.

Druckimpulse helfen zusätzlich dabei, eventuelle Lecks im System zwischen Zapfsäule und Fahrzeug zu identifizieren. Wird ein Leck identifiziert, wird der Tankvorgang augenblicklich abgebrochen. Die mechanische Sicherung muss ordnungsgemäß einrasten, erst dann beginnt der Tankvorgang.

H2 auf der Überholspur?

Mit einer Reichweite von 500 bis 600 km können Wasserstoffautos mit Benzinern mithalten und sind keineswegs nur für den Stadtverkehr geeignet. Da außerdem der Tankvorgang nur etwa 3 Minuten dauert, muss die Fahrt nie lange unterbrochen werden, wie es bei Elektroautos der Fall ist.
Ein weiterer Vorteil, der für Wasserstoff als Zukunftsantrieb spricht, ist die höhere Energiedichte als bei Lithium-Ionen-Batterien. Diese speichern nach aktuellem Stand ca. 125 und 200 Wattstunden pro Kilogramm, während Wasserstoff in einem 700-bar-Drucktank nach Angaben des Autokonzerns Mercedes etwa 900 Wh/kg speichern kann. 

Im Gegensatz zu kleinformatigen Batteriezellen sind die dick ummantelten Drucktanks jedoch sperrig und platzintensiv. Als Beispiel kann hier das Mercedes SUV GLC genannt werden: hier fassen die eingebauten Drucktanks lediglich 4,5 Kilogramm H2. 

 

Gibt es einen Haken?

Größter Nachteil bei Brennstoffzellenautos sind die hohen Kosten. Dies beginnt bereits bei den Anschaffungskosten: selbst Elektroautos sind meist wesentlich günstiger in der Anschaffung. Schwer wiegen hier die Kosten für Platin, ein edles und seltenes Metall, welches innerhalb der Brennstoffzelle als Katalysator dient. Eine Feinunze (=31,1 Gramm) Platin kostet aktuell ca. 1.000 Euro. Derzeit benötigen Hersteller pro Auto zwischen 30 und 40 Gramm Platin. Platinfreie Entwicklungen sind bisher nicht ersichtlich. Jedoch ist eine Reduzierung dieses Wertes auf sechs bis zehn Gramm vorgesehen.

Die Infrastruktur ist zum jetzigen Zeitpunkt alles andere als ausreichend; Tankstellen für Wasserstoff sind rar. In Deutschland gibt es zur Zeit lediglich 74 tatsächlich eröffnete H2-Tankstellen; in ganz Europa sind es 120 Stück. Bis 2020 soll es in Deutschland 100 fertige Tankstellen geben. 

Produktions-, Transport- und Verteilungsinfrastruktur sind ebenfalls unzureichend entwickelt und somit mit entsprechenden Investitionsausgaben verbunden. 

Zu beachten ist des weiteren, dass H2 durch energieintensive Elektrolyse zuerst erzeugt werden muss, was eigentlich nur mit regenerativen Energien sinnvoll ist. Erst dann ist der Antrieb wirklich nachhaltiger als herkömmliche Antriebsarten.

Hohe Energieverluste bei der Umwandlung für den Transport und die Speicherung von H2, welche zur Zeit noch höher ausfallen als bei Elektrizität für E-Autos, sind ebenfalls wichtige Kostenfaktoren. Vergleichsweise viel Energie muss aufgewendet werden, um das Gas transportfähig zu machen. Nur ca. 40% der aufgewendeten Energie kommen am Ende tatsächlich in der Brennstoffzelle an. 

All das macht den “Treibstoff” H2 kostenintensiver, als dies bei reinen Elektroautos mit Batterie der Fall ist.

Auf einen Blick

Insgesamt kann man sagen, dass Wasserstoff als schadstofffreier Antriebsenergieträger vielversprechend ist. Jedoch ist unübersehbar, dass auch hier noch viel Zeit vergehen wird, bis er für seinen flächendeckenden Einsatz verfügbar ist. Dadurch, dass der Fokus in den letzten Jahren auf Schadstoffminderung bei konventionellen Antrieben lag, sowie auf der durch die Politik favorisierten Elektroantrieb mit Batterie, gab es nicht genügend Anreize und Hilfestellungen von öffentlicher Seite, Forschung und Entwicklung in dem Bereich auszurollen oder Infrastrukturinvestitionen vorzunehmen. 

Daher ist Wasserstoff heute noch schwierig zu tanken, außerdem ist er insgesamt noch teurer, als beispielsweise der Strom für die Aufladung der E-Auto-Batterie. 

Und da für die Herstellung aktuell meist keine regenerativen Energien verwendet werden, macht ihn das nicht nachhaltiger als gewöhnliche Verbrenner. Dadurch werden bisher nur Emissions- bzw. Schadstoffwerte verlagert anstatt vollständig vermieden, da zwar im Betrieb keine Schadstoffe mehr freigesetzt werden, jedoch dafür bei der Herstellung und bei der Aufbereitung für den Transport.

 

Vorteile Nachteile Brennstoffzelle

Die Zukunft für diesen alternativen Antrieb scheint aktuell noch sehr unsicher, größtenteils aufgrund fehlender Infrastruktur, und in Serie gibt es kaum Modelle auf dem deutschen Automarkt.
Daher greifen viele noch zu konventionellen Antrieben oder zu den bereits etwas mehr etablierten Alternativen.
Eine sinnvolle Beschaffungsmethode für alternative Antriebe ist daher das Leasing, welches sich aufgrund der zeitlichen Begrenzung dafür eignet, neue Technologien erst einmal auszutesten.

Bei VEHICULUM besteht die Möglichkeit beispielsweise neuwertige Hybrid-Fahrzeuge oder Elektrofahrzeuge für kurze Laufzeiten zu leasen, sodass eine langfristige Bindung an ein Fahrzeug vermieden werden kann. So ist es möglich, technologisch immer auf dem neuesten Stand zu bleiben und der Volatilität des deutschen Automarktes etwas entgegenzusetzen.