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Brennstoffzelle

Kalte Verbrennung

In der Brennstoffzelle wird durch elektro-chemische Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt.
  • Vergeude keine Energie, verwerte sie

    Mit dem um 1910 formulierten energetischen Imperativ erhöhte Nobelpreisträger Wilhelm Ostwald den kategorischen Imperativ von Immanuel Kant, ein zur moralischen Begründung aufgestelltes Prinzip menschlichen Handelns. Ostwald dagegen wollte seinen energetischen Imperativ nicht nur auf die soziale, sondern auf jede menschliche Tätigkeit schlechthin angewendet wissen, was ihn schon 1894 den Ersatz der unwirtschaftlichen Wärmekraftmaschine durch Brennstoffzellen fordern ließ.

    Damit hieb er in die Kerbe, die Jules Verne 1874 in seinem Buch Die geheimnisvolle Insel geschlagen hatte. Sinngemäß schrieb er, dass die Energie von morgen Wasser sein wird, das durch elektrischen Strom zerlegt wird, und dass die so zerlegten Elemente des Wassers, also Wasserstoff und Sauerstoff, auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern würden.


  • Was für Aussichten!

    Tatsächlich spielen Wasserstoff und Sauerstoff die Hauptrollen beim Energiegewinnungsprozess, der sich in einer Brennstoffzelle abspielt, nur abgewandelt. Denn es sollen ja nicht die beiden Elemente erzeugt werden, sondern Strom, der durch Reaktion des Wasserstoffs mit Luftsauerstoff entsteht.

    Der Strom wird abgegriffen und treibt einen Elektromotor an. Der Wirkungsgrad liegt bei 50 Prozent und mehr (zum Vergleich: Dieselmotor 37 bis 45 Prozent, Benzinmotor 32 bis 40 Prozent). Beim Prozess entstehen außer Strom Wasser(dampf) und Wärme, also keine schädlichen Produkte. Der ideale Antrieb also?


  • Prinzip der Brennstoffzelle schon lange bekannt

    Der englische Physiker William Robert Grove beschrieb 1839 erstmals das elektro-chemische Prinzip der Brennstoffzelle als Knallgaskette. Ludwig Mond und C. Langer (1885), besonders aber Ostwald (1894) führten systematische Arbeiten über galvanische Brennstoffelemente durch.

    Bis Ende der 1930er Jahre forschten Wissenschaftler hauptsächlich in Deutschland an der Brennstoffzelle, nach dem Zweiten Weltkrieg, nach Vertreibung und Ermordung der jüdischen Intelligenz, verlagerten sich die Forschung und der Prototypenbau von stationären Stromerzeugern vorwiegend in die USA. Dort brachte Allis-Chalmers das vermutlich erste Landfahrzeug mit Brennstoffzellen-Antrieb heraus, einen Traktor mit Zellen von General Electric 1959.

    Anfang der 1960er Jahre folgten M 37-Lastwagen der US-Army mit Monsanto-Brennstoffzellen, 1966 der Electrovan-Lieferwagen von General Motors mit Union Carbide-Technik und 1975, unter dem Eindruck der ersten Erdölkrise 1973/74, der kleine DAF 44 mit Shell-Lucas-Aggregat. Dann schlief die Entwicklung ein, was Fahrzeugantriebe betrifft. Die Vorteile, nämlich Schadstofffreiheit und Geräuscharmut, konnten die Nachteile, hohe Kosten und Gewichte, nicht wettmachen.


  • Wasserstoffgewinnung als Hauptproblem

    Nach den kalifornischen Null-Emissions-Vorschriften 1990 machten sich einige Firmen die inzwischen in Militärtechnik und Raumfahrt erworbenen Kenntnisse zunutze, z.B. die Daimler-Benz AG über ihre damalige Luft- und Raumfahrttochter Dornier. Deren Erfahrungen flossen in den Necar 1 (New Energy Car) 1994 ein, einem Kleintransporter vom Typ MB 100 BZ. Sein Laderaum war prall gefüllt mit Technik wie 28 Jahre zuvor der GM Electrovan.

    Auch wenn sich seitdem die großen amerikanischen, europäischen und japanischen Autokonzerne an der Entwicklung beteiligten – ein Personenwagen mit Brennstoff-zellenantrieb ist, trotz mehrfacher voreiliger Ankündigungen von Autoindustrie und Ölkonzernen, auch im Jahr 2010 für den Normalkunden nicht erhältlich.

    Wasserstoff kommt zwar überall in der Natur vor, aber nicht als gasförmiger oder flüssiger Energieträger, wie er im Brennstoffzellenauto benötigt wird. Die alles entscheidende Frage, wie Wasserstoff umweltneutral und wirtschaftlich hergestellt werden kann, konnte bis heute nicht zufriedenstellend gelöst werden.

    Wasserstoff kann stationär entweder per Dampfreformierung aus Erdgas (Erdgasspaltung, CO2-emittierend), über die Strom verschlingende Elektrolyse aus Wasser oder aus Glyzerin (Pilotprojekt, CO2-neutral) gewonnen werden.

    Betankt wird ein Brennstoffzellenauto mit gasförmigem Wasserstoff, der Systemdruck beträgt bei den aktuellen Versuchsfahrzeugen 700 bar. Zwei bis vier Hochdruckflaschen im Auto dienen als Tank, Batterien als Energiepuffer. Weil eine flächendeckende Versorgungsstruktur für Wasserstoff noch nicht vorhanden ist, bietet sich als Zwischenlösung ein Reformer an, der im Auto mitgeschleppt wird und der aus Methanol Wasserstoffgas bereitstellt.

    Methanol kann jedoch nicht schadstofffrei betrieben werden, weil es der Alkohol von Methan ist, einem Bestandteil der klimaschädlichen Kohlenwasserstoffverbindung Erdgas. Und von dem möchte man sich ja eigentlich unabhängig machen.


  • Drei sind einer zuviel

    Muss beim Brennstoffzellenauto zur Wasserstoffgewinnung zunächst elektrische Energie in chemische, diese wiederum in elektrische zurückverwandelt werden, um E-Motor und Auto anzutreiben, wird die elektrische Energie beim Wasserstoffauto, wie es BMW mit seiner Hydrogen-7-Flotte demonstrierte, ein weiteres Mal umgewandelt, und zwar in mechanische.

    Das besorgt ein Verbrennungsmotor, der mit tiefkaltem Flüssigwasserstoff (-253 °C) und, wegen des kaum vorhandenen Tankstellennetzes, notgedrungen auch mit Benzin betrieben werden muss. Statt kalter also heiße Verbrennung, statt zwei Umwandlungen drei – ein Schritt zu viel. Inzwischen lassen die Bayern batterie-elektrische Versuchs-Minis laufen, ein vollelektrischer Stadtwagen ist in Entwicklung. Damit kommen sie dem schon vor hundert Jahren formulierten energetischen Imperativ wieder näher – ganz im Sinne Ostwalds.

     

    Bildquelle: Daimler AG, BMW AG, US DOE

     

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