Wasserstoffantriebe in Elektrofahrzeugen

Wasserstoff als Antrieb für sogenannte Brennstoffzellen-Autos besitzt einige spannende Eigenschaften. Im Grunde handelt es sich bei Wasserstoff-Autos um Elektrofahrzeuge, mit dem Unterschied, dass im Auto eine Wasserstoff-Brennstoffzelle samt Wasserstofftank verbaut ist. Die integrierte Brennstoffzellen-Technologie erzeugt während der Fahrt den Strom für den Antrieb des Fahrzeugs. Wasserstoffantriebe werden heute sowohl in PKWs, Bussen, Schienenfahrzeugen und E-Bikes verwendet.^[4]

Wasserstoffantrieb und seine Funktion

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende chemische Element. Auf der Erde allerdings tritt Wasserstoff meist nicht in Gasform, sondern in Verbindung mit Sauerstoff – also als Wasser – in Erscheinung. Um gasförmigen Wasserstoff zu nutzen, muss er zunächst, unter Zuhilfenahme von Strom, abgespalten werden. Dieses Verfahren nennt sich Elektrolyse, wird aber auch als "Power to Gas" bezeichnet. Übrigens: Damit bei der Herstellung von Wasserstoff keine klimaschädlichen Gase entstehen, sollte der verwendete Strom aus erneuerbaren Quellen stammen. Schließlich kann sich nur Wasserstoff, der mit ökologisch produziertem Strom hergestellt wurde, klimafreundlich nennen.^[4]

In der im Fahrzeug verbauten Direktmethanol-Brennstoffzellen wird durch die Umkehrung der Elektrolyse aus Wasserstoff elektrischer Strom gewonnen. Der Wasserstoff und der Sauerstoff aus der Luft reagieren zu Wasser, wodurch Wärme und elektrische Energie entstehen. Dabei dient eine Batterie als Zwischenspeicher, um Lastspitzen (beispielsweise beim Beschleunigen) abzudecken. Zudem speichert sie die Bewegungsenergie beim Bremsen.^[5]

Der Speicher eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs ist grundsätzlich anders aufgebaut als der von PKWs mit herkömmlichen Antrieben. Der Grund ist, dass Wasserstoff entweder gasförmig unter hohem Druck oder flüssig bei minus 253 Grad Celsius gespeichert wird. Weil Wasserstoff daher eine sehr hohe Energiedichte erreicht, braucht es speziell isolierte Tanks für seine Speicherung.

Das Prinzip vom Wasserstoffantrieb: Vorteile und Nachteile

Die Verbrennung von Wasserstoff hinterlässt praktisch keine Abgase, was ihn zur umweltfreundlichen Alternative zu Öl, Kohle und Erdgas macht. Betrachtet man also die Probleme von Benzin- und Dieselantrieben hinsichtlich Schadstoffproduktion und Energieverbrauch, bergen Wasserstoff-Fahrzeuge einen deutlichen Vorteil. Ein weiterer Vorteil ist die vergleichsweise große Reichweite von Wasserstoff-Autos. 500 bis 600 Kilometer beträgt diese für nur eine Tankfüllung. Ein herkömmliches Elektrofahrzeug dagegen schafft nur etwa 200 bis 300 Kilometer. Zusätzlich beansprucht der Ladevorgang bei Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb nur rund fünf Minuten – und damit nur etwa ein Viertel der Zeit, die ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug benötigt.^[4]

Auch im Vergleich mit Benzin- und Dieselantrieben hat der Wasserstoffantrieb die Nase vorn: Während der Brennwert von einem Kilogramm Wasserstoff bei 33 Kilowattstunden liegt, sind es bei einem Liter Benzin oder Diesel nur etwa 10 Kilowattstunden. Hinzu kommt, dass Wasserstoff sich beliebig lange lagern lässt.

Nachteilig für Privatverbraucher ist die geringe Dichte an Wasserstofftankstellen in Deutschland: Während es hierzulande etwa 15.000 herkömmliche Tankstellen gibt, sind es bisher nur etwa 100 Wasserstofftankstellen. Der flächendeckende Ausbau der Infrastruktur ist natürlich wünschenswert, gleichzeitig aber auch sehr teuer – weshalb Investoren bislang davor zurückschrecken.

Betrachtet man die Energieeffizienz, zeigt sich ein weiterer Nachteil vom Wasserstoffantrieb gegenüber alternativen Antriebsarten. Das liegt daran, dass andere elektrisch betriebene Fahrzeuge sehr viel weniger Strom verbrauchen als es beim Umweg über Wasserstoff der Fall ist. Wasserstoffantriebe sind also insbesondere bei Anwendungen wie dem Schwerlastverkehr sinnvoll, für die die klassischen Batterien zu groß und zu schwer wären. Dazu zählen beispielsweise Busse und LKWs, aber auch der Zug-, Flug- und Schiffsverkehr.

Wasserstoffantriebe Anwendungsmöglichkeiten

Bereits heute hat Wasserstoff zahlreiche Einsatzfelder. Zum Beispiel werden Wasserstoffantriebe für Autos, Busse, LKWs und Züge eingesetzt. In Leipzig baut das Unternehmen Heiterblick die erste Wasserstoff-betriebene Straßenbahn Europas. Und sogar in manchen Flugzeugen findet der Treibstoff Verwendung – beispielsweise im viersitzigen Flieger "HY4" des deutschen Unternehmens H2Fly, der 2016 auf den Markt kam.^[2]

Zur gleichen Zeit gibt es Bemühungen, mit Wasserstoff als Energieträger ganze Städte umweltfreundlicher zu machen. So entwickelt das japanische Unternehmen Toyota zurzeit die "Woven City", eine Wasserstoff-Modellstadt, deren Hauptenergieträger Wasserstoff ist.

Doch nicht nur die Wirtschaft, auch die Politik sieht Wasserstoff als Antrieb der Zukunft: So sieht das Pariser Klimaabkommen von 2016 vor, die Produktion und Distribution von Wasserstoff weltweit auszubauen. Die Vision von Politikern und Experten ist, sowohl den Verkehrssektor als auch bedeutsame Industrien wie Stahl und Chemie auf Wasserstoff als Energielieferant umzustellen.

Die Zukunft von Wasserstoffantrieben

Als Energieträger birgt Wasserstoff die Chance einer zu 100 Prozent sauberen Speicherung von Energie. Schließlich besteht die Abluft eines Wasserstoff-Autos aus reinem Wasserdampf – und gilt damit als lokal emissionsfrei. Ob Wasserstoffantriebe wirklich das Klima schonen, hängt jedoch immer davon ab, unter welchen Bedingungen der Wasserstoff entstanden ist. Nur wenn die Energie für die Wasserstoffherstellung aus erneuerbaren Energien wie Windkraft und Photovoltaik gewonnen wird, lässt sich eine neutrale Klimabilanz verzeichnen.^[1]

Wird bei der Herstellung von Wasserstoff also auf fossile Brennstoffe verzichtet, sind Wasserstoff-Autos ausgesprochen umweltfreundlich. Statt Benzin oder Diesel tankt man mit einem Wasserstoff-Fahrzeug lediglich Wasserstoff und profitiert dabei von einem leistungsstarken Elektromotor. Die einzige Emission, die bei der Energieherstellung durch die Brennstoffzelle entsteht, ist Wasserdampf. Wer auf der Suche nach einer langfristigen Alternative für fossile Brennstoffe ist, dem bieten Wasserstoff und Brennstoffzellen-Autos spannende Chancen.

Weitere Informationen zu Wasserstoffantrieben

Nach wie vor befürchten viele Menschen, dass Wasserstoff mit der Zeit aus Speichern diffundiert und sich damit Verluste für den Nutzer ergeben. Diese Bedenken gelten unter Experten aber als überholt. So zeigen Experimente mit 700-bar-Drucktanks, dass die Verluste inzwischen marginal sind. Die heutzutage in Autos verbauten Wasserstoff-Tanks verfügen über mehrlagige Wände aus verschiedenen Materialien. Auf diese Weise können selbst winzige Wasserstoffatome nicht durch die Wände entweichen.^[6]

Wissenswertes zur Wasserstoff-Brennstoffzelle von SFC

SFC nutzt die Wasserstofftechnologie und hat die EFOY Hydrogen Brennstoffzelle entwickelt. Diese beruht auf der weltweit beliebten Polymerelektrolytmembran-Technologie (PEM), die sich sowohl für mobile als auch für stationäre Anwendungen eignet. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen weisen eine hohe Leistungsdichte von bis zu 20 Kilowatt auf. Außerdem punkten sie mit einer vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur von 80 Grad Celsius – was sie interessant für mobile Einsatzzwecke macht.^[7]

In der "EFOY Hydrogen" Wasserstoff-Brennstoffzelle steckt die langjährige Erfahrung von SFC. Ihre hohe Leistungsdichte findet beispielsweise bereits als Notstromaggregat in kritischen Infrastrukturen, beispielsweise Mobilfunkmasten, Anwendung.

Für Leistungsanforderungen von 40 Watt bis 2,5 Kilowatt bietet SFC mit der EFOY und der EFOY Pro Serie Direkt-Methanol-Brennstoffzellen an. Diese funktionieren ähnlich wie die Wasserstoff-Brennstoffzelle, wandeln statt Wasser aber flüssiges Methanol direkt in elektrische Energie um. Dabei entstehen kaum Wirkungsgradverluste. Positiv hervorzuheben ist das effektive Kaltstart-Verhalten.