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:
- Unter Hochdruck setzen (CGH2, Compressed Gaseous Hydrogen)
- 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.