So funktioniert das Wasserstoffauto

25.3.2019

Wasserstofffautos werden als saubere Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren gesehen. Sie gelten als emissionsfrei und zukunftsweisend. Was ist dran an diesen Autos? Ist die Brennstoffzellentechnologie tatsächlich die Lösung unserer Umweltprobleme? Wir geben Antworten.

 

 

Brennstoffzellenauto wird getankt
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Wissenswertes zum Wasserstoff

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff hat die chemische Kurzformel H2 und 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 kommt in der Natur nur in gebundener Form vor. Als Kraftstoff für Fahrzeuge ist Wasserstoff noch ungewöhnlich, in der industriellen Anwendung aber seit langem alltäglich.

Wie gewinnt man Wasserstoff?

H2 lässt sich unter Energieeinsatz zum Beispiel aus Wasser, aus Biomasse, Erdöl oder Erdgas gewinnen. Beim Brennstoffzellenauto haben viele Menschen das Bild vor Augen: Wasserstoff wird aus Wasser gemacht. Im Prinzip stimmt das auch: Mittels Elektrolyse kann man Wasserstoff aus Wasser erzeugen. Mittels Gleichstrom und Elektrolyt wird die chemische Bindung des Wassers aufgespalten und in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. An der Anode (positive Elektrode) entsteht Sauerstoff, an der Kathode (negative Elektrode) entsteht Wasserstoff. Aber: Nur zwei Prozent des Weltjahresverbrauchs von Wasserstoff werden so hergestellt. 98 Prozent der Weltjahresproduktion wird dagegen zurzeit aus den Kohlenwasserstoffen Erdgas, Erdöl und Kohle gewonnen. Rund 40 Prozent entstehen als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen, der Erdgas-Synthese und Rohölverarbeitung. Der wirtschaftlichste Weg der Wasserstoffgewinnung aus fossilen Rohstoffen ist die Dampfreformierung, wie sie zum Beispiel in industriellen Anlagen mit Wirkungsgraden von 60-70 Prozent (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.

Wozu wird Wasserstoff genutzt? 

Wasserstoff wird von der Hydrierung von Margarine, für die Entschwefelung von Kraftstoffen bis hin zum Brennstoff für besonders rußfreie Flammen zur Herstellung hochwertiger Glasfasern verwendet. 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff werden weltweit pro Jahr verbraucht. Als Kraftstoff für Automobile erfährt Wasserstoff aktuell eine neue Anwendung. 

Wo kann ich ein Wasserstoff-Fahrzeug betanken? 

Wasserstoff tankt man derzeit stark komprimiert gasförmig. Seit Dezember 2018 gibt es 60 rund um die Uhr zugängliche Tankstellen. In Deutschland soll bis 2019 ein öffentliches Tankstellennetz mit 100 Wasserstoffstationen errichtet werden. Weitere 300 sollen folgen. Damit soll künftig eine bedarfsgerechte Versorgung von Elektrofahrzeugen mit Brennstoffzelle – die in den nächsten Jahren auf den Markt kommen sollen – sichergestellt werden.

Wir haben es ausprobiert und sind 2535 Kilometer weit im Brennstoffzellenauto mit E-Motor auf Europa-Tour gegangen. Ein erstaunlicher Fahrbericht

 

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Das Brennstoffzellenauto

Wie funktioniert ein Wasserstoffauto? 

Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind im Grunde Elektrofahrzeuge mit zwei Abweichungen. Zum einen ist eine Brennstoffzelle samt 700 bar Wasserstofftank im Fahrzeug verbaut, die den Strom für den Antrieb während der Fahrt erzeugt. Zum anderen fällt die für Elektrofahrzeuge übliche relative große Tranktionsbatterie bei Brennstoffzellenfahrzeuge kleiner aus. Sie fungiert als Puffer bzw. Zwischenspeicher und deckt Lastspitzen z.B. beim Beschleunigen der trägeren Brennstoffzelle ab. Zudem nimmt sie Rekuperationsenergie (Bewegungsenergie beim Bremsen) auf und speichert sie. Die Brennstoffzelle erzeugt aus Wasserstoff 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 lädt die Traktionsbatterie und/oder treibt den Elektromotor des Fahrzeugs an der direkt mit der Antriebsachse verbunden ist. 

Was ist ein 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 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. Beim Wasserstoff-Fahrzeug entsteht während der Fahrt praktisch nur Wasser und geringe Mengen NOx aus der Verbrennung als Emission.

Der Wirkungsgrad eines Wasserstoff-Verbrennungsmotoren liegt über dem eines Otto-Motors aber unter dem eines Dieselmotors. Die Leistung des Motors sinkt im Vergleich zur Verbrennung von Benzin deutlich. Die Verbrennung des Wasserstoffes ist härter und verschleißender, die „schmierende“ Wirkung von Diesel oder Benzin fehlen im Brennraum, die Kolbenölschicht im Brennraum wird mit verbrannt. Diverse Unternehmen forschen mit Wasserstoff als Antrieb an Benzin und Dieselmototoren auch im Mix, also z.B. ein Dieselmotor mit Zündkerze dem Wasserstoff und Diesel zugeführt wird. BMW hat die Entwicklung eines Wasserstoff-Fahrzeuges allerdings bis auf weiteres eingestellt. 

Wie funktioniert die Wasserstoff-Speicherung?

Die Speicher von Brennstoffzellenfahrzeugen unterscheiden sich erheblich von denen konventioneller Pkws mit Benzin- oder Dieseltanks. Wasserstoff wird entweder gasförmig unter hohem Druck (350 bar oder 700 bar), oder flüssig bei minus 253 Grad Celsius 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. Wassersstoffspeicher unter Druck sind nie ganz dicht und können über die Zeit geringe Mengen Wasserstoff verlieren.

Wie sicher ist ein Brennstoffzellenauto? 

Der ungiftige, unsichtbare und flüchtige Wasserstoff stellt an die Entwickler andere Anforderungen in Punkto Sicherheit als zum Beispiel Benzin: So hat Wasserstoff eine größere Bandbreite an Zündfähigkeit. Mit der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 wurden daher grundlegende Anforderungen an die Typgenehmigung von Fahrzeugen mit Wasserstofftechnologie, an die Typgenehmigung von Wasserstoff führenden Bauteilen und Wasserstoffsystemen sowie an den Einbau solcher Bauteile und Systeme festgelegt. Hierhin werden auch strenge Anforderungen an die Sicherheit dieser Fahrzeuge und Bauteile definiert sowie diverse Prüfungen festgeschrieben (z.B. Druck-, Dichtigkeits-, Berst- und Feuersicherheitsprüfung). Die europäischen Sicherheitsnormen für Crashtests gelten darüber hinaus auch für diese Fahrzeuge.

Welche Fahrzeugmodelle gibt es? 

Die ersten „serienmäßigen“ Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf dem Markt sind der Hyundai Nexo (ab 69.000 Euro) und der Toyota Mirai (ab 78.600 Euro). Die laufenden Projekte der Automobilhersteller sind Studien zur Gewinnung neuer Erkenntnisse über diese Antriebskonzepte im Alltagsbetrieb als auch über die Anforderungen an die erforderliche Infrastruktur. Um hierzu nähere Erkenntnisse zu gewinnen, wurde unter anderem die Clean Energy Partnership (CEP) im Juni 2002 gegründet. Aktuell umfasst die CEP dreizehn Partner: Air Liquide, Audi, BMW, Daimler, H2 Mobility, Honda, Hyundai, Linde, OMV, Shell, Total, Toyota und die Westfalen Gruppe. Ziel ist es, den Energieträger Wasserstoff technologisch zu erschließen und auf Alltagstauglichkeit und Systemfähigkeit hin zu erproben. Die Clean Energy Partnership ist Bestandteil der nationalen Nachhaltigkeitsstrategie und wird von der deutschen Bundesregierung gefördert. Weitere Informationen zu diesem Projekt und zu den Wasserstoff-Modellen der beteiligten Hersteller bei CEP - Clean Energy Partnership.

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Sind Wasserstoffautos emissionsfrei?

Im Prinzip ja. Sie gelten als so genannte Zero Emission Vehicle (ZEV). Der elektrochemische Prozess geschieht lokal emissionsfrei. Nur Wärme und Wasserdampf und geringe Mengen NOx werden freigesetzt. Dieser NOx-Ausstoß ist sehr gering, aber bei dem momentanen Forschungsstand nicht komplett eliminierbar. Das liegt daran, dass Umgebungssauerstoff im Prozess verwendet wird. Würde man reinen Sauerstoff verwenden, wie er bei der Spaltung von Wasser entsteht, gäbe es Null Emission. Allerdings bräuchte man dann einen zweiten Tank und das Verfahren wäre sehr aufwendig. Trotz des minimalen Nox-Ausstoßes, bezeichnet man ein Wasserstoffauto also als emissionsfrei. 

Die lokale Emissionsfreiheit ist ein klarer Vorteil des Brennstoffzellen-Fahrzeuges. Berücksichtigt werden müssen aber auch die Emissionen und die Energieverluste, die bei der Erzeugung des Wasserstoffs anfallen. Auf der Suche nach langfristigem Ersatz für fossilen Brennstoffe ist Wasserstoff sicherlich zukunftsfähig, allerdings nur, wenn er aus regenerativen Energiequellen stammt. Ansonsten würde man die Emissionsproblematik nur vom mobilen Bereich der Autos auf den stationären Bereich der Wasserstofferzeugung verlagern. Mögliche Quellen für die Herstellung von Wasserstoff könnten Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft, Solarthermie, Geo-Thermie und die Nutzung der Biomasse sein. Als wichtigste regenerative Quelle sehen die Wissenschaftler dabei die Windenergie. Doch hier beginnt bereits das Problem, denn für die Massenproduktion regenerativer Energien fehlt sowohl die Transport- und Speicherinfrastruktur, als auch das entsprechende Tankstellennetz für Wasserstoff.

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Neues aus der Forschung

Den Forschern ist ein neues Verfahren gelungen, gasförmigen Wasserstoff in einer Spezial-Flüssigkeit zu binden. Diese kann dann gefahrlos per Pipeline, Zug oder LKW transportiert oder „vor Ort“ gespeichert werden. Bei Bedarf kann daraus wieder gasförmiger Wasserstoff hergestellt werden. Die Flüssigkeit ist unbrennbar. Zudem verflüchtigt sich der gespeichert Wasserstoff nicht und ist somit ideal für Transport und Langzeit-Lagerung, zum Beispiel als Jahresspeicher. Bei der chemischen Einlagerung in dieser Speicherflüssigkeit und der notwendigen Rücklagerung - um den Wasserstoff wieder nutzbar zu machen - entstehen Verluste, die die ohnehin schlechte Wirkungsgradkette „Wasserstoff“ nochmals deutlich reduzieren.

 

Foto: ADAC/Theo Klein