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Energie und Mobilität

Wasserstoff-Brennstoffzellen-Autos

In einem Brennstoffzellen-Auto wird bei der „kalten Verbrennung“ gasförmigen Wasserstoffs Strom für den elektrischen Betrieb eines PKW gewonnen. Auch wenn Brennstoffzellen-Autos momentan noch zu teuer für den „Ottonormalverbraucher“ sind, stellen sie schon heute für PKW mit großer Reichweite das Antriebskonzept mit der besten Klimabilanz dar. Ein Schlüsselfaktor für diese Klimabilanz ist, dass der Wasserstoff mit CO2-neutraler Energie, z.B. aus einem Fusionskraftwerk, gewonnen wird.

1. Was ist das Ziel des Wasserstoffantriebs

Um die Erderwärmung zu minimieren, hat die EU sich in ihrem „europäischen grünen Deal“ vorgenommen, bis 2050 klimaneutral zu sein. Dazu soll unter anderem die Emission klimarelevanter Gase in der Mobilität um 90% gesenkt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, muss nun eine neue Technologie für die individuelle Mobilität gefunden werden. Aktuell werden für diese Rolle vor allem drei Antriebssysteme diskutiert: 1. Verbrennungsmotoren, die mit synthetischen Kraftstoffen betrieben werden („eingefangenes“ CO2 wird als Kraftstoff gespeichert und dann bei der Verbrennung wieder freigesetzt). 2. Batterieelektroautos, die mit elektrischer Energie aus einer Batterie (z.B. Lithium-Ionen-Akkumulatoren) Elektromotoren betreiben. 3. Wasserstoff-Brennstoffzellenautos, die mit klimaneutralem Wasserstoff angetrieben werden. Im Folgenden soll gezeigt werden, wie Letztere funktionieren und inwiefern sie die Lösung für eine klimafreundliche Mobilität sein können.


2. Wie funktioniert ein Brennstoffzellen-Auto

Wasserstoff-Brennstoffzellen-Autos, zur Vereinfachung als FCV (Fuel Cell Vehicle) abgekürzt, haben vier besondere, funktionelle Bauteile.

Wie erwähnt wird ein FCV mit Wasserstoff betrieben. Bei Wasserstoff handelt es sich um das leichteste Element. Das bedeutet, dass normalerweise ein Kilogramm Wasserstoff auf 12 m3 verteilt sind. Um genügend Wasserstoff im Fahrzeug speichern zu können, wird dieser daher stark komprimiert in sehr stabilen Tanks gelagert. Diese Tanks müssen einem Druck von bis zu 700 bar standhalten (1 bar = normaler Luftdruck), weshalb sie aus einer wasserstoffundurchlässigen Metalllegierung bestehen, die von einer dicken Schicht eines Kohlenstofffaserverbundstoffes (CFK) umhüllt ist. Trotz der Verwendung dieser Leichtbaustoffe wiegen die Tanks heute ca. das 20-40 fache des gespeicherten Wasserstoffs. Auch wenn ein so stark unter Druck stehender Behälter zunächst wie eine Bombe wirkt, sind die Wasserstofftanks mindestens genauso so sicher, wie Benzintanks. Das liegt daran, dass bei einem Brand der Wasserstoff nach oben ausströmt und sich nicht im Fahrzeug sammelt.

Das Herzstück des FCV bildet die Brennstoffzelle, genauer mehrere Brennstoffzellen. Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei, räumlich voneinander getrennten Kammern. In die eine Kammer wird der Wasserstoff aus den Tanks eingeströmt. An einem Katalysator, also einem Stoff, der eine Reaktion beschleunigt, werden Wasserstoffmoleküle aufgespalten. Dabei verlieren sie ihre Elektronen und liegen nun als Protonen vor. Die beiden Kammern sind durch eine Membran getrennt. Diese Membran, in den meisten Fällen Nafion oder Teflon, lässt nur die Protonen hindurch. Die Elektronen müssen über einen elektrischen Leiter in die zweite Kammer strömen. In der zweiten Kammer treffen dann Protonen, Elektronen und Sauerstoff aus einströmender Umluft aufeinander. Im nächsten Schritt nimmt der Sauerstoff die Elektronen an einem Katalysator auf, bevor er mit den Protonen zu Wasser reagiert.

Wer seine Hand auf ein Brennstoffzellensystem hält, wird eine leichte wärme spüren. Das liegt daran, dass bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff Energie frei wird. In einer Brennstoffzelle kann diese abgeführt werden, indem man einen elektrischen Verbraucher zwischen die beiden Kammern schaltet, z.B. einen Elektromotor. Da eine Brennstoffzelle jedoch zu schwach wäre, um ein Auto anzutreiben werden in der Realität mehrere Brennstoffzellen parallel und in Reihe geschaltet.

Um Spitzen in der Leistungsanforderung an die Brennstoffzellen bedienen zu können wird in heutigen FCVs zudem das dritte, besondere Bauteil eingesetzt: Ein Akku. Um herauszufinden, wie der in der Automobilindustrie aktuelle beliebteste Akku funktioniert, klicken Sie einfach hier: Lithium-Ionen-Akkumulator. An einer Ampel stehend lädt die Brennstoffzelle dann den Akku, damit genügend Leistung für die anstehende Beschleunigung vorhanden ist. So kann die Leistungsanforderung recht stabil gehalten und ein schnelles Altern der Brennstoffzelle verhindern werden.

Die elektrische Energie aus dem Akku und der Brennstoffzelle wird schließlich zu einem Elektromotor geleitet. Dieser erzeugt über verschiedene Magnetfelder ein Drehmoment, welches die Räder und das Auto in Bewegung setzt. Bevor der Strom in dem Elektromotor eingesetzt werden kann muss er zunächst in einem Wechselrichter von Gleich- auf Wechselstrom umgewandelt werden. Der Vorteil von Elektromotoren ist, dass sie auch als Generator fungieren können. Bremst ein Elektroauto kann es so über die Rekuperation den Akku aufladen.

3. Wie funktioniert die Elektrolyse

Bei der Elektrolyse handelt es sich um ein chemisches Verfahren, mit dem CO2-neutral Wasserstoff hergestellt werden kann. Ein Elektrolyseur, also eine Vorrichtung, in der die Elektrolyse betrieben wird, bildet dabei den Gegenspieler zu einer Brennstoffzelle. Während Letztere Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser reagieren lässt und die dabei freiwerdende Energie abgreift, wird bei der Elektrolyse Energie aufgewendet, um Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen.

Der einfachste Aufbau eines Elektrolyseurs besteht lediglich aus zwei Metallstäben, die an eine Spannungsquelle angeschlossen sind und ins Wasser getaucht werden. Von Natur aus ist die Ladung in Wassermolekülen nicht gleich verteilt. Gibt man nun die Elektroden, sprich die beiden Metallstäbe, in das Wasser werden die Hälften des Wassermoleküls in entgegengesetzte Richtungen angezogen. Ab einer gewissen Spannung spaltet sich das Wasser zu Wasserstoff- und Sauerstoff-Ionen. An den Elektroden werden diese dann nach einer Elektronenaufnahme bzw. -abgabe zu Wasserstoff- und Sauerstoffgas. Aktuell entstehen immer mehr Projekte, bei denen Elektrolyseure in der Größe ganzer Container große Mengen an Wasserstoff produzieren.

4. Sind Brennstoffzellen-Autos die Zukunft der individuellen Mobilität?

Gegenüber Batterieelektroautos (BEV = battery electric vehicle) haben FCVs zwei große Vorteile: Sie haben mit 600km bis 750km eine größere Reichweite und können schnell getankt werden. Der Tankvorgang funktioniert dabei ähnlich, wie bei Benzin- oder Dieselautos (ICE = internal combustion engine). An Wasserstofftankstellen werden die Tanks innerhalb von ca. fünf Minuten gefüllt. Zwar finden sich aktuell lediglich 90 solcher Tankstellen in ganz Deutschland, jedoch steigt die Geschwindigkeit des Netzausbaus. In absehbarer Zukunft sollte es daher kein Problem mehr sein, sein FCV zu tanken.

Zu Beginn wurde erläutert, dass das Ziel der FCVs eine Reduktion der CO2 Emissionen ist. Wie verhält sich also die CO2-Bilanz von FCVs im Vergleich mit Batterieautos (BEV) und Verbrennern (ICE)?

Vor einer Bewertung muss zunächst einmal ein Mythos geklärt werden. Eine vollkommen CO2-freie Mobilität ist eine Utopie. Es gibt bisher keine Möglichkeit alle Schritte in der Produktion, der Logistik hinter der Herstellung, dem Betrieb und der Entsorgung CO2-frei zu gestalten. Das Ziel muss also sein das geringste übel unter den Fortbewegungsmitteln zu finden.

Das gezeigte Diagramm vergleicht 4 Autos verschiedener Antriebsmodelle nach einer Laufleistung von 150.000km. Am besten schneidet tatsächlich das FCV ab. Es ist mit einer Reichweite von 580km so ausgelegt, dass es auch längere Fahrten ermöglicht. Knapp dahinter liegt das BEV etwa 1,5t CO2 mehr. Jedoch hat dieser PKW lediglich eine Reichweite von 320km. Erweitert man diese auf ca. 600km, so fällt die Bilanz nach 150.000km sogar noch schlechter aus als die des PKW mit Verbrennungsmotor. Die Voraussetzung für diese Bilanzen ist, dass sowohl BEVs als auch FCVs lediglich mit Klimaneutralen Strom, z.B. aus Fusionskraftwerken betrieben werden. Der CO2 Ausstoß in der Wasserstoffproduktion ergibt sich aus der Herstellung der Elektrolyseure.

Ein Problem aktuellen Brennstoffzellen ist, dass sie nicht unendlich halten. Nach ca. 200.000km oder 5.500 Betriebsstunden verliert die Brennstoffzelle stark an Leistung, bis sie gewechselt werden muss. Das bringt zwar neue Kosten, hat jedoch nur einen geringen Einfluss auf die Klimabilanz. Unter „BZ-System“ fällt in dieser Darstellung auch die Herstellung der Wasserstofftanks. Gut die Hälfte dieses CO2 Ausstoßes ist auf diese zurückzuführen. Bei der Erneuerung der Brennstoffzelle wird daher noch einmal ca. 1t CO2 ausgestoßen.

Das aktuell größte Problem der FCVs stellt jedoch ihr Preis dar. Neue FCVs sind so kaum unter 60.000 erhältlich. Auch wenn der Preis unter anderem auf dem Einsatz teurer Materialen, wie z.B. Platin und CFK beruht, wird erwartet, dass er mit steigenden Stückzahlen deutlich sinken wird. Durch die so ermöglichte Optimierung der Herstellung und der Systeme selbst soll der Preis ungefähr auf das heutige Niveau von Verbrennern fallen. Zusammenfassend lässt sich also sagen: Ja, bei Brennstoffzellenautos handelt es sich um eine gute Technologie für eine umweltfreundlichere Mobilität. Allerdings ermöglicht auch sie keine CO2 neutrale Mobilität. Die beste Lösung dafür bleiben daher das Fahrrad und die öffentlichen Verkehrsmittel, welche selbst mit Verbrennungsmotoren klimafreundlicher sind, als FCVs, die eine Person befördern.

Quellen und weitere Erläuterungen finden Sie hier:
Duhn, Jan Luca, Facharbeit, Wasserstoff-Brennstoffzellenautos