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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 aus regenerativen Energiequellen stammt. Erste Serienfahrzeuge sind für 2015/2016 angekündigt.

  • 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 sowie leichter als Luft. Wasserstoff (chemische Kurzformel H2) kommt in der Natur nur in gebundener Form vor. Er lässt sich z.B. unter Energieeinsatz aus Wasser, aus Biomasse, Erdöl oder Erdgas gewinnen. 

    Aus Wasser kann man Wasserstoff per Elektrolyse erzeugen: Elektrische Energie löst die chemische Bindung des Wassers und zerlegt es in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. An der Anode (positive Elektrode) entsteht Sauerstoff, an der negativen Kathode entsteht Wasserstoff. In einem Elektrolyseur wird dieses Prinzip in der Hintereinanderschaltung von vielen solcher Zellen umgesetzt. 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 effektivste Weg der Wasserstoffgewinnung aus fossilen Rohstoffen ist die Dampfreformierung, wie sie z.B. in industriellen Anlagen von Linde mit Wirkungsgraden von 70-80 % 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 Ruß freie Flammen zur Herstellung hochwertiger Glasfasern. 500 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff werden weltweit pro Jahr verbraucht. Als Kraftstoff für Automobile erfährt Wasserstoff aktuell eine neue Anwendung.


  • Brennstoffzellen-Antrieb

    Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen werden eine neue Antriebstechnologie und ein neuer Kraftstoff eingesetzt. Statt eines Verbrennungsmotors benötigen sie einen Elektromotor, der Strom von der Brennstoffzelle umwandelt. 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 so genannte PEM-Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolyt-Membran) zum Einsatz. Die 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: So fließt elektrischer Strom und treibt den Elektromotor des Fahrzeugs an. Brennstoffzellen-Antriebe im Fahrzeug sind effizient und leise. Der drehmomentstarke Elektromotor erlaubt ein stufenloses Beschleunigen.

    Eine Fahrzeug-Brennstoffzelle setzt sich aus vielen Einzelzellen zusammen, die in Reihe zu einem Block geschaltet genügend Leistung für den Antrieb eines Elektromotors generieren. Dies geschieht völlig emissionsfrei, nur Wärme und Wasserdampf werden freigesetzt. Damit ist ein Auto mit Brennstoffzelle ein Zero Emission Vehicle (ZEV). Zugleich ersetzt die Brennstoffzelle die Lichtmaschine im Auto: Sie liefert Strom für die laufend zunehmende Steuerungselektronik in Pkw, aber auch für die Standheizung oder die Klimaanlage.


  • 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 und Stickoxide aus der Verbrennung entstehen.


  • Wasserstoff-Speicherung

    Die Tanks von Wasserstoff-Fahrzeugen unterscheiden sich von denen konventioneller Pkw. Sie speichern den Wasserstoff entweder gasförmig unter hohem Druck (350 bar bzw. 700 bar) oder flüssig bei sehr tiefen Temperaturen. 

    Flüssig wird Wasserstoff bei minus 253 °C. In diesem Aggregatzustand besitzt er die höchste Energiedichte. Für diese Speicherungsart sind jedoch benutzen z.B. BMW und GM/Opel 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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