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Wasserstoffantrieb als alternativer Kraftstoff


Wenn es um die Suche nach Ersatz für die fossilen Brennstoffe wie Erdöl geht, ist Wasserstoff als Speichermedium langfristig gesehen sehr zukunftsfähig. Allerdings nur dann, wenn er regenerativ hergestellt wird. Erste Serienfahrzeuge wie der Toyota Mirai, Hyundai ix 35 Fuel Cell und der Hyundai Nexo, werden angeboten.

  • Herstellung von Wasserstoff

    Als Kraftstoff für Fahrzeuge ist Wasserstoff noch ungewöhnlich, in der industriellen Anwendung aber seit langem alltäglich und als chemisches Element gar einer der Grundbausteine unserer

    Welt: Wasserstoff gilt als das älteste, einfachste und häufigste Element im Universum. Er ist farb- und geruchlos und unter normalen Bedingungen gasförmig und leichter als Luft. Wasserstoff

    (chemische Kurzformel H2) kommt in der Natur nur in gebundener Form vor. Er lässt sich unter Energieeinsatz z.B. aus Wasser, aus Biomasse, Erdöl oder Erdgas gewinnen.
    Aus Wasser kann man Wasserstoff mittels Elektrolyse erzeugen: Dabei wird mittels Gleichstrom und Elektrolyt die chemische Bindung des Wassers aufgespalten, dieses in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. An der Anode (positive Elektrode) entsteht Sauerstoff, an der Kathode (negative Elektrode) entsteht Wasserstoff. Etwa 2 % des Weltjahresverbrauchs von Wasserstoff werden so hergestellt.

    98 % der Weltjahresproduktion von Wasserstoff werden dagegen zurzeit aus den Kohlenwasserstoffen Erdgas, Erdöl und Kohle gewonnen. Rund 40 % entstehen als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen, der Erdgas-Synthese und Rohölverarbeitung. Der wirtschaftlichste Weg der Wasserstoffgewinnung aus fossilen Rohstoffen ist die Dampfreformierung, wie sie z.B. in industriellen Anlagen mit Wirkungsgraden von 60-70 % (z.B. Erdgas → H2) realisiert wird. Unter Druck und Wärmezufuhr wird Erdgas mit Wasserdampf vermischt und Wasserstoff freigesetzt. Wegen der hohen Wirtschaftlichkeit ist die Dampfreformierung das Standardverfahren zur Erzeugung von Wasserstoff.

    Die Nutzung von Wasserstoff erstreckt sich auf viele industrielle Bereiche, von der Hydrierung von Margarine über die Entschwefelung von Kraftstoffen bis zum Brennstoff für besonders rußfreie Flammen zur Herstellung hochwertiger Glasfasern. 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff werden weltweit pro Jahr verbraucht. Als Kraftstoff für Automobile erfährt Wasserstoff aktuell eine neue Anwendung.
  • Brennstoffzellen-Technologie

    Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen werden eine neue Antriebstechnologie und ein neuer Kraftstoff eingesetzt. Statt eines Verbrennungsmotors sorgt ein Elektromotor für den Antrieb, der aus der Brennstoffzelle gespeist wird. Die Brennstoffzelle erzeugt elektrischen Strom durch die Umkehrung der Elektrolyse. Dabei reagieren Wasserstoff und Luftsauerstoff zu Wasser unter Abgabe von elektrischer Energie und Wärme. In diesem elektrochemischen Prozess wird chemische Bindungsenergie in elektrische Energie umgewandelt, die einen Elektromotor antreibt. In den Fahrzeugen kommen sogenannte PEM-Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolyt-Membran) zum Einsatz. Eine Membran trennt den Wasserstoff und den Luftsauerstoff, die jeweils Anode bzw. Kathode umspülen, voneinander. Die Wirkungsweise der PEM: Die Membran ist nur für Wasserstoffionen durchlässig. An der Anode trennen sich die Wasserstoffmoleküle in Ionen und Elektronen. Die Wasserstoffionen wandern durch die PEM zur Kathode und verbinden sich dort mit dem Luftsauerstoff zu Wasser. Die Wasserstoffelektronen aber müssen – weil die PEM für sie eine undurchdringbare Barriere darstellt – den Umweg über eine Leitung von der Anode zur Kathode nehmen: Der so entstehende elektrische Stromfluß treibt den Elektromotor des Fahrzeugs an. Brennstoffzellen-Antriebe im Fahrzeug sind effizient und leise. Fahrzeuge mit Brennstoffzellen-Technologie sind technisch aufgebaut wie Elektrofahrzeuge, allerdings mit einer kleineren Traktionsbatterie und natürlich der Brennstoffzelle samt Wasserstofftank. Der drehmomentstarke Elektromotor benötigt kein Getriebe. Er kann mit seinem Drehzahlumfang vom Stillstand bis zur Höchstgeschwindigkeit alles abdecken.

    Der Prozess geschieht lokal emissionsfrei, nur Wärme und Wasserdampf werden freigesetzt. Damit ist ein Auto mit Brennstoffzelle ein Zero Emission Vehicle (ZEV). Sie liefert Strom für den Antrieb, die Nebenverbraucher wie zum Beispiel Licht und Radio, aber auch für die Klimatisierung des Innenraums.
  • Wasserstoff-Verbrennungsmotor

    Wasserstoff und Benzin besitzen unterschiedliche physikalische Eigenschaften. BMW-Ingenieure haben bivalente Otto-Motoren konstruiert, die sowohl Benzin als auch Wasserstoff als Kraftstoff verbrennen können. Die Wasserstoff-Verbrennungsmotoren basieren auf dem normalen Serienmotor und zeichnen sich wie diese durch hohen Komfort, Dynamik und Leistungsdichte aus. Sie unterscheiden sich jedoch von diesen durch das modifizierte Ansaugsystem, das einerseits eine Direkteinspritzung des Benzins, andererseits eine Einblasung des Wasserstoffs in die Saugrohre ermöglicht. Ein weiterer Unterschied liegt in der veränderten Verbrennungssteuerung und in der Abgasnachbehandlung, wodurch während der Fahrt mit Wasserstoff als Emission praktisch nur Wasser aus der Verbrennung entstehen. 

    BMW hat die Entwicklung bis auf weiteres im Jahr 2009 eingestellt.
  • Wasserstoff-Speicherung
    Die Speicher von Brennstoffzellenfahrzeugen unterscheiden sich erheblich von denen konventioneller Pkw`s mit Benzin- oder Dieseltanks. Wasserstoff wird entweder gasförmig unter hohem Druck (350 bar bzw. 700 bar), oder flüssig bei minus 253 °C gespeichert. In diesem Aggregatzustand wird eine sehr hohe Energiedichte erreicht. Hierfür sind superisolierte, doppelwandige Tanks erforderlich. Zwischen den beiden Hüllen befinden sich in einem Vakuum Isolationsmaterialien, die den Tank unabhängig von der Außentemperatur kalt halten und Abdampfverluste minimieren. In der Fahrzeugindustrie konzentriert man sich zwischenzeitlich auf die gasförmige Speicherung, für die Lagerung an den Tankstellen kommen beide Verfahren zur Anwendung.
Prinzip der Brennstoffzelle

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