Wasserstoff-Brennstoffzelle

Die Wasserstoff-Brennstoffzelle gilt als eines der vielversprechendsten Antriebsmöglichkeiten für moderne Elektroautos.

Was ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

In erster Linie ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine lokale Stromversorgung für allerlei. Verwendung findet diese Technologie nicht nur in Autos sondern z.B. auch in U-Booten und Raketen. Die Stromerzeugung funktioniert in der Wasserstoff-Brennzelle dank der chemischen Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff. In PKWs fasst diese Technologie seit längerem immer mehr Fuß. Neu auf dem Markt ist z.B. der Peugeot e-Expert Hydrogen, welcher Wasserstofftanks im Unterboden verbaut hat.

Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

In der Wasserstoff-Brennstoffzelle wird, wie oben genannt, elektrische Energie anhand einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Dieser Vorgang wird in der Chemie umgekehrte Elektrolyse genannt. Bei der Reaktion wird in der Regel Energie in Form von Wärme und elektrischer Energie freigesetzt. Die elektrische Energie ist hier unser Stromversorger des Elektromotors.

Innerhalb der Brennstoffzelle befinden sich zwei „Behälter“ in welchen sich jeweils Wasser- oder Sauerstoff befindet. Getrennt sind diese durch eine PEMFC-Membran (PEMFC bedeutet Polymer-Elektrolyt-Fuel-Cell Membran). Diese Membran ist so beschaffen, dass sie zwar Wasserstoff-Ionen durchlässt, Elektronen jedoch können diese nicht passieren. Ebenfalls befinden sich an den Enden dieser Behälter eine Anode (Minuspol) oder eine Kathode (Pluspol). Die Anode befindet sich im Behälter für Wasserstoff, die Kathode im Behälter für Sauerstoff.

An dieser Anode wird nun durch Stromfluss das Wasserstoffmolekül in Ionen und Elektronen getrennt. Die Ionen können ohne Probleme durch die Membran zum Sauerstoff wandern, dort eine Reaktion auslösen und Wasser erzeugen. Die Elektronen streben denselben Zustand an, können aber nicht durch die Membran. Um die Elektronen nun zum Sauerstoff zu leiten, wird von der Anode zur Kathode ein Leitmittel installiert. Meist ist dies ein Kabel, kann aber bei industrieller Verwendung auch ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Hier können die Elektronen, über einen Umweg, zu ihrer Reaktion gelangen. Auf diesem Weg werden sie, via Kabel, in den Elektromotor geleitet und erzeugen dort Strom. Die negativ geladenen Teilchen verlassen den Motor wieder und vollenden die Reaktion mit Sauerstoff als Abgas aus Wasserdampf.

Welche wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge gibt es?

Leider sind Wasserstoff-Fahrzeuge bis zum heutigen Tag selten. Gegenwärtig wird in Deutschland hauptsächlich fossile Energie für die Mobilität verwendet. Nur wenige Hersteller bieten überhaupt Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb an. Auch sind diese Fahrzeuge in der Regel teurer als ihre Verbrenner oder reinelektrischen Geschwister. Zusätzlich kommt eine noch nicht ausgebaute Infrastruktur von Tankmöglichkeiten. Somit muss die Entscheidung, ein Wasserstoff-Fahrzeug zu fahren gut überlegt sein.

Hier ist eine Liste aller aktuell oder bald verfügbaren Wasserstoff-Fahrzeuge:

  • Toyota Mira
  • Hyundai ix35
  • Hyundai NEXO
  • Opel Vivaro-e Hydrogen
  • PEUGEOT e-Expert Hydrogen
  • Honda Clarity
  • Mercedes GLC F-CELL (vorerst nur ausgewählten Kunden vorbehalten)

 

Wasserstoff-Brennstoffzelle im Fahrzeug: Vor- und Nachteile

Vorteile:

  • lokal emissionsfrei
  • kurze Tankzeit
  • hohe Reichweite
  • widerstandsfähig gegen Kälte
  • sicher

Nachteile:

  • Wasserstoff ist kein natürlich vorkommender Rohstoff
  • Hoher Anteil fossiler Energien nötig
  • Nicht ausgebaute Infrastruktur
  • Wasserstoffmodelle sind aktuell teuer und nicht weit verbreitet
  • Unausgereifte Technik

Ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine echte Alternative?

Kurz gesagt: Ja! Wasserstoff ist allen von uns verwendeten Energieträgern weit überlegen. Bei Benzin kommen rund 12 Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg) zusammen. Wasserstoff weist 33,3 kWh/kg auf. Das ist fast drei Mal so viel verfügbare Energie wie in Benzin. Ein moderner Lithium-Ionen-Akku kommt zum Vergleich auf 0,14 kWh/kg. Das bedeutet, der Akku eines herkömmlichen Elektro-PKWs müsste mehrere Tonnen wiegen, um die Effizienz eines normalen Brennstoffzellenantriebs zu erreichen. Peter Mertens, Vorstandsmitglied der Audi AG und zuständig für die technische Entwicklung bei Audi sagt, die Brennstoffzelle sei die konsequenteste Form des elektrischen Fahrens und sei daher eines der stärksten Assets ihres Technologie-Portfolios. Doch weitaus schneller scheint die Brennstoffzellen-Revolution bei schweren Nutzfahrzeugen voranzuschreiten. „Für schwere Nutzfahrzeuge reicht das Wasserstoff-Tankstellennetz sogar schon aus“, sagt Jürgen Gerhardt, Produktionsleiter mobiler Brennstoffzellen bei der Robert Bosch GmbH, welche als einer der führenden Hersteller für eben solche Brennstoffzellen gilt. Sollten wir nun den Tag erreichen, an dem das Tankstellennetz für den Otto Normalverbraucher flächendeckend zur Infrastruktur gehört und die Produktion von Wasserstoff mit Hilfe von klimaneutralem Strom stattfindet, ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine echte Alternative für die moderne Mobilität.

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Wasserstoff ist ein chemisches Element (H). Doch ist es in seiner Reinform nicht auf der Erde zu finden. Daher muss es, um für Brennstoffzellen und Ähnliches zu verwenden, erst durch chemische Herstellungsprozesse abgespalten und isoliert werden. Hierfür sind wasserstoffreiche Ausgansstoffe dienlich. Als wasserstoffreiche Ausgansstoffe gelten Erdgas oder andere Kohlenwasserstoffe. Ebenfalls können Erdöl, Biomasse oder Wasser bzw. wasserhaltige Verbindungen verwendet werden. Die Wasserstoffherstellung kann durch mehrere Verfahren geschehen.

Elektrolyseverfahren:
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Während der Reaktion wird die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Dies ist ein Teil der Energie, auf die in der Brennstoffzelle zugegriffen wird. Diese Herstellungsart ist klimaneutral, solange der für die Elektrolyse verwendete Strom aus klimaneutralen Quellen, wie z.B. Wind- oder Solarenergie, bezogen wird.

Reformierungsverfahren:
Beim Reformierungsverfahren wird Erdgas durch die Zugabe von Wasserdampf aufgespalten. Bei dieser Reaktion entsteht Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (CO2). Nun spricht man von grauem Wasserstoff. Sollte das bei der Herstellung entstehende CO2 gebunden werden, ist diese Herstellungsform ebenfalls klimaneutral. Ist dies der Fall spricht man von blauem Wasserstoff.

Methanpyrolyse:
Bei der Methanpyrolyse wird Erdgas oder Biomethan durch Hitze in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff gespalten. Es entsteht Wasserstoff und Kohlenstoff.

Welche Kosten entstehen pro Kilowatt und pro Tankfüllung?

Tankstellen für Wasserstoff sind in Deutschland noch immer eine Seltenheit. Das Kilogramm Wasserstoff kostet an der Tankstelle 9,50 € und liefert Energie für rund 100 km Reichweite. Die Tanks der meisten wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge fasst vier bis fünf Kilogramm Wasserstoff. Somit reicht eine Tankfüllung in etwa für 400 km.

Wie finde ich Wasserstofftankstellen?

Das Tanken von Wasserstoff ist nicht einfach, wenn man betrachtet, dass es für ganz Deutschland nur 91 Tankstellen gibt, die Wasserstoff als Kraftstoff anbieten. Doch der Ausbau von Wasserstofftankstellen in Deutschland geht voran. 2019 wurden run 40 Tankstellen mit Wasserstoff betrieben. Im Januar 2020 waren es schon 79. Auch die Nachfrage an Wasserstoff ist seit Januar 2020 von 10,5 Tonnen auf 22,9 Tonnen im Oktober 2021 angestiegen.

Im Internet gibt es viele Anbieter, welche Karten mit den Standorten von Wasserstofftankstellen anbieten. Wir empfehlen Ihnen die Seite h2.live. Hier können Sie die aktuellen Neuigkeiten rund um das Thema Wasserstoff und Tanken einholen, sich ansehen wo neue Wasserstofftankstellen entstehen sollen und natürlich die nächste Wasserstofftankstelle in der Nähe finden.