Wasserstoff-Brennstoffzelle

Sind Wasserstoff-Autos die Zukunft der Mobilität? Wir haben die Wasserstoff-Brennstoffzelle unter die Lupe genommen und beantworten die wichtigsten Fragen zu der Technologie.

Was ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist quasi ein kleines Kraftwerk, das aus Wasserstoff Strom erzeugt. Sie ist also eine lokale Stromversorgung, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt wird, etwa in Elektroautos. Die Technologie wird aber nicht nur in Autos verwendet, sondern zum Beispiel auch in U-Booten und Raketen.

Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Einfach erklärt, funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle wie folgt:

1. Wasserstoff (H₂) wird in die Brennstoffzelle geleitet
2. In der Brennstoffzelle reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff (O₂) aus der Luft.
3. Durch die chemische Reaktion entstehen elektrische Energie (Strom), Wärme und Wasser (H₂O) als Abgas.

Ausführlicher erklärt, läuft der Prozess folgendermaßen ab:

In der Wasserstoff-Brennstoffzelle wird 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 (Polymer-Elektrolyt-Fuel-Cell-Membran). Diese Membran ist so beschaffen, dass sie zwar Wasserstoff-Ionen durchlässt, Elektronen jedoch können diese nicht passieren. Ebenfalls befindet 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 der 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 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.

Sind Wasserstoff- und Brennstoffzelle das gleiche?

Wasserstoffzelle und Brennstoffzelle sind nicht ganz das gleiche.

Ist von einer Wasserstoffzelle die Rede, ist meist eine Brennstoffzelle gemeint, die mit Wasserstoff betrieben wird. Wasserstoffzelle ist der umgangssprachliche Begriff für Wasserstoff-Brennstoffzelle. Jede Wasserstoffzelle ist eine Brennstoffzelle.

Dagegen ist nicht jede Brennstoffzelle eine Wasserstoffzelle. Denn der Brennstoff kann neben Wasserstoff auch Methanol, Erdgas oder Ammoniak sein.

Welche Vor- und Nachteile hat die Brennstoffzelle?

Die Vor- und Nachteile der Wasserstoff-Brennstoffzelle übersichtlich zusammengefasst:

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

Welche wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge gibt es?

In Deutschland sind aktuell zwei Wasserstoff-Autos erhältlich: der Hyundai Nexo und der Toyota Mirai.

Grundsätzlich sind Wasserstoff-Autos sehr selten. Nur wenige Hersteller bieten überhaupt Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb an. Das liegt unter anderem an der aufwändigen Herstellung und der schlechten Infrastruktur für Wasserstoff-Tankstellen.

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 Ottonormalverbraucher 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 Ausgangsstoffe dienlich. Als solche gelten Erdgas oder andere Kohlenwasserstoffe. Ebenfalls können Erdöl, Biomasse oder Wasser bzw. wasserhaltige Verbindungen verwendet werden. Die Wasserstoffherstellung kann durch mehrere Verfahren geschehen – ein Überblick: 

Elektrolyseverfahren

Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser mithilfe 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 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 entstehen Wasserstoff und Kohlenstoff.

Wie finde ich Wasserstofftankstellen?

Wasserstofftankstellen sind über H2.LIVE zu finden – entweder im Web oder als kostenlose App.

Auf H2.LIVE gibt es Echtzeit-Informationen über Wasserstofftankstellen im In- und Ausland, etwa über anstehende Wartungen, und man kann dort eine Tankkarte beantragen.

Zu beachten gilt, dass es deutschlandweit aktuell nur rund 100 öffentliche Wasserstofftankstellen gibt.