Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie - Vor- und Nachteile

Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie könnte sich als die derzeit kostengünstigste Option zur Stromerzeugung in Kraftfahrzeugen erweisen. Was ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle und wie funktioniert sie?

Was ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

In naher Zukunft könnten Wasserstoffbrennstoffzellen in Kraftfahrzeugen weit verbreitet sein. Diese Lösung hat zahlreiche Vorteile, und vieles deutet darauf hin, dass sich wasserstoffbetriebene Autos zunehmend durchsetzen werden. Gleichzeitig ist zu bedenken, dass Wasserstoffbrennstoffzellen wie jede andere Technologie gewissen Einschränkungen unterliegen. Doch zunächst lohnt es sich herauszufinden, wie ein solches System aussieht und wie es den Motor eines Fahrzeugs mit Energie versorgen kann.

Die Funktion einer Brennstoffzelle – unabhängig von ihrem Typ – besteht darin, durch die Oxidation des zugeführten Brennstoffs Strom zu erzeugen. Die Funktionsweise von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist jedoch völlig anders als die von galvanischen Zellen, zu denen auch Batterien und Akkumulatoren gehören. Im Gegensatz zu solchen Komponenten müssen Brennstoffzellen nicht nachgeladen werden und können ihren Betrieb fast sofort aufnehmen, wenn sie mit Brennstoff versorgt werden.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind die am weitesten verbreitete Variante. Die Elektroden sind in einen Elektrolyten getaucht und nutzen Wasserstoff (an der Anode) und Sauerstoff (an der Kathode). Dadurch entfallen unter anderem die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe – stattdessen wird nur Wasserdampf an die Umwelt abgegeben.

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Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Dank der Verwendung von Wasserstoff ändert der Verbrennungsprozess des Kraftstoffs die chemische Zusammensetzung der Elektrolyte oder Elektroden nicht. Dies ist ein weiterer wichtiger Aspekt bezüglich der Unterschiede zwischen Brennstoffzellen und galvanischen Zellen. Batterien beruhen auf Reaktionen, die zu Veränderungen der verwendeten Stoffe führen können – daher die Notwendigkeit des Ladens, bei dem diese Prozesse umgekehrt werden.

Das Prinzip einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ist recht einfach: Wasserstoff setzt Elektronen frei, die dann mit Sauerstoff reagieren und Strom erzeugen, wobei nur Wasserdampf als Nebenprodukt der Reaktion übrig bleibt. Einige Zellen verwenden anstelle von reinem Wasserstoff Verbindungen mit einem hohen Anteil an Wasserstoff wie Methan oder Methanol – in diesen Fällen ist der Wirkungsgrad etwas geringer, und der Verbrennungsprozess erzeugt auch eine geringe Menge Kohlendioxid.

Anwendungen von Wasserstoff-Brennstoffzellen

Wasserstoff-Brennstoffzellen finden zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Industrien:

Energietechnik – für die Energieversorgung an Orten, an denen ein freier Zugang zum Stromnetz nicht möglich ist,

Konstruktion von autonomen Robotern,

Notstromanlagen,

Raumfahrttechnik – Schiffe und Sonden,

Automobilbranche.

Vor allem der letzte Punkt ist erwähnenswert. Wasserstoff-Brennstoffzellenmotoren sind eine Lösung, die von immer mehr Automobilherstellern übernommen wird. Es gibt bereits mehrere Modelle von Top-Marken mit einem solchen Antrieb – der Wirkungsgrad von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist recht hoch, sodass sie auch in Bussen eingesetzt werden können.

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Wasserstoffbetriebene Autos: Technologie, Infrastruktur und andere Faktoren, die ihre Einführung beeinflussen

Obwohl die Technologie sowohl für Wasserstoff-Brennstoffzellen als auch für Wasserstoff-Motoren inzwischen recht weit fortgeschritten ist, sind wir noch weit davon entfernt, diese Art von Technologie in großem Maßstab einzusetzen. Ihre Zahl nimmt jedoch stetig zu, und die wachsende Beliebtheit ist das Ergebnis einer Kombination mehrerer wichtiger Faktoren. Dabei sind unter anderem die geltenden Regelungen zu beachten – die Europäische Union legt derzeit gemeinsam mit anderen Organisationen großen Wert auf Umweltfreundlichkeit im Straßenverkehr, unterstützt Initiativen zu alternativen Kraftstoffen und klärt rechtliche Fragen rund um die Elektromobilität.

Ein entscheidender Vorteil im täglichen Betrieb eines Wasserstoffautos ist die breite Verfügbarkeit dieses Elements – es ist fast überall zu finden, so dass die Kosten gering bleiben. Mit einem "Tank" in den neuesten Wasserstoffautos kann man sogar mehr als 700 km weit fahren, was einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen Elektrofahrzeugen darstellt.

Mehr erfahren: Arten von Elektroautos vs. Entwicklung der Elektromobilität – was sind die Vorteile von HEV, PHEV, FCEEV Autos?

Ein großes Hindernis stellt derzeit jedoch die fehlende Infrastruktur für die Versorgung von Wasserstoffautos dar. In Polen wurde die erste Station dieser Art erst vor einigen Monaten eingerichtet, und in ganz Europa wird ihre Zahl auf etwas mehr als 200 geschätzt. Allerdings gibt es viele Projekte, die in den kommenden Jahren den Bau neuer Wasserstofftankstellen voraussetzen.

Wie betanke ich ein Wasserstoffauto?

Aus der Sicht des Fahrers sieht der Betankungsvorgang ähnlich aus wie bei einem Verbrennungsfahrzeug. Es gibt jedoch einige wichtige Unterschiede. Einer davon ist, dass der Wasserstoff an den Tankstellen in der Regel in Kilogramm und nicht in Litern gemessen wird. Darüber hinaus erfordert das Betanken eines Wasserstoffautos eine sorgfältige Kontrolle der Pumprate, da ein zu schnelles Betanken des Fahrzeugs zu gefährlich hohen Temperaturen führen kann. Die Ladezeit für ein neues Wasserstoffauto an einer typischen Tankstelle beträgt etwa 3 Minuten.

Preise von Wasserstoffautos

Derzeit sind Wasserstoffautos noch recht teuer – die Preise für die in Polen erhältlichen Modelle liegen bei etwa 65.000 Euro. Mit dem Ausbau der Infrastruktur und der wachsenden Beliebtheit alternativer Kraftstoffe werden die Preise jedoch allmählich sinken, wie dies auch bei anderen Elektroautos der Fall ist. Dabei können gesetzliche Regelungen der Europäischen Union und der Mitgliedstaaten eine wichtige Rolle spielen – schon jetzt können Autofahrer vielerorts mit Erleichterungen bei der Nutzung dieses Autotyps rechnen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen: Vor- und Nachteile

Der Aufbau von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist relativ einfach, ebenso wie ihr Funktionsprinzip, mit dem chemische Energie sehr schnell und einfach in Strom umgewandelt werden kann. Gleichzeitig ist das Risiko von Ausfällen und Anomalien sehr gering. Ein großer Vorteil des Einsatzes dieser Art von Brennstoffzelle ist ihre neutrale Wirkung auf die Umwelt. Das Nebenprodukt der Wasserstoffverbrennung ist nur Dampf, im Gegensatz zu einer Reihe von Schadstoffen, die bei der Verwendung fester Brennstoffe entstehen. Darüber hinaus erzeugt die Wasserstoff-Brennstoffzelle einen niedrigen Geräuschpegel. Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie ermöglicht auch einen effizienten Betrieb über lange Zeiträume und die Möglichkeit großer momentaner Überlastungen. Eine einzelne Zelle erzeugt eine sehr niedrige Stromspannung (zwischen 0,5 und 1 V), aber sie können in fast beliebiger Anzahl kombiniert werden, was eine beträchtliche Skalierbarkeit und breite Anwendung ermöglicht.

Der Nachteil von Wasserstoff-Brennstoffzellen sind die recht hohen Materialkosten für die Herstellung der Katalysatoren. Außerdem ist der Wirkungsgrad dieser Art von Systemen geringer als bei der Energiespeicherung in Batterien. Auch die Herstellung von Wasserstoff ist mit einem gewissen Energieaufwand verbunden. Trotzdem wird dem Wasserstoff ein erhebliches Potenzial als Energiequelle sowohl für Autos als auch für stationäre Anwendungen zugeschrieben. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen eine Technologie sind, die sich noch in der Entwicklungsphase befindet, der Wert der Unternehmen in dieser Branche jedoch stetig steigt.

Modernste Elektromobilität-Lösungen mit Knauf

Die sich ständig weiterentwickelnde Technologie der Wasserstoffkraft wird immer beliebter. Aus diesem Grund ist es durchaus sinnvoll, sich Lösungen zuzuwenden, die sich in diesem schnell wachsenden Markt gut behaupten. Moderne Zellen verwenden EPP-Schaumkomponenten, die eine wirksame Wärmedämmung und gleichzeitig Schutz vor Stößen und Beschädigungen bieten. Einer der führenden Hersteller solcher Teile ist Knauf Industries, der auch eine Reihe weiterer innovativer Elektromobilitätslösungen anbietet.

Autoantrieb: Wasserstoff und Brennstoffzelle als Alternative?

Für die Bundesregierung ist er ein "Schlüsselelement für die Energiewende": Wasserstoff. Aber auch bei Fahrzeugen? Die Experten sind sich einig: Die Zukunft des Straßenverkehrs in Deutschland und der Welt wird von Elektroautos bestimmt. Auch weite Teile der Autoindustrie haben die Weichen weg vom Verbrennermotor längst gestellt.

Kraftstoff sauberer. Viele Autofahrer hierzulande aber hoffen auf Wasserstoff und Brennstoffzelle als Antriebstechnik der Zukunft – mehr noch als auf Elektromobilität. Das bewiesen unter anderem eine Ende Februar 2022 veröffentlichte Studie von mobile.de und eine Civey-Umfrage für das Magazin "Spiegel". Der Vorteil bei der Brennstoffzelle : Der Umgang wäre so ähnlich wie beim Verbrenner, nur ist dersauberer.

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Und nicht alle Hersteller fokussieren sich voll auf Elektro. BMW beispielsweise hat ein Kompetenzzentrum für Wasserstoff mit eigener Brennstoffzellenproduktion in Betrieb genommen. Zudem haben die Münchner die Kleinserienproduktion des iX5 Hydrogen (Foto oben) mit einer Systemleistung von 275 kW (374 PS) gestartet, um den Antrieb zu testen. In seine zwei 700-Bar-CFK-Hochdrucktanks sollen bis zu sechs Kilogramm Wasserstoff passen. Eine mögliche Großserie ist aber nicht vor 2025 geplant.

Welche Modelle mit Wasserstoff-Antrieb gibt es?

Vorreiter bei der Wasserstofftechnik ist Toyota – der japanische Hersteller hat 2021 die Baureihe Mirai neu aufgelegt. Der Tank der fünftürigen Oberklasse-Limousine hat ein Volumen von 5,6 Kilogramm, das soll für 650 Kilometer am Stück reichen. Der Basis-Mirai kostet 63.900 Euro.

Außerdem gibt es den Hyundai Nexo , Nachfolger des iX35 Hyundai verspricht offiziell bis zu 756 Kilometer Reichweite und fünf Minuten Tankdauer. Der Basispreis beträgt stattliche 77.290 Euro – kein Wunder, dass sich das Interesse hierzulande in Grenzen hält. Weltweit dagegen war der Nexo mit 9208 verkauften Exemplaren Bestseller 2021. 92 Prozent davon entfielen allerdings auf sein Heimatland Südkorea.

Zoom Ein Prototyp des Safe Light Regional Vehicle (SLRV) vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurde auf der IAA Mobility 2021 in München gezeigt.

Im Lkw-Bereich testet Daimler derzeit seinen 2020 vorgestellten Truck Mercedes GenH2 . Ziel: 1000 Kilometer am Stück. An Kunden geliefert werden soll er spätestens 2027. MAN baut ebenfalls einen Prototyp, mit 800 Kilometer Reichweite. Auch Wasserstoff-Verbrennungsmotoren werden von der VW-Tochter getestet.

2 -neutral; außerdem können solche Fahrzeuge in deutlich kürzerer Zeit mit Wasserstoff betankt werden, als batterieelektrische Im Fall der Brennstoffzellen-Fahrzeuge (FCEV) geht es nicht um den direkt mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotor , sondern um die Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie – am Ende werden über die Brennstoffzelle also auch Elektromotoren angetrieben. Das System arbeitet im Betrieb CO-neutral; außerdem können solche Fahrzeuge in deutlich kürzerer Zeit mit Wasserstoff betankt werden, als batterieelektrische E-Autos fürs Nachladen brauchen.

Was sind die Vorteile von Wasserstoff?

Die theoretischen Vorteile von Wasserstoff im Verkehrssektor sind die mögliche große Reichweite, das schnelle Betanken und (unter bestimmten Umständen) seine Umweltfreundlichkeit. Anders als Diesel oder Benziner stoßen Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnik im Betrieb weder Feinstaub, Stickoxide noch CO 2 aus, als Abfallprodukt entsteht lediglich Wasser(dampf).

Wasserstoff ist ein guter Energieträger, der Brennwert von einem Kilogramm ist mit 33 Kilowattstunden dreimal so hoch wie der Energiegehalt eines Liters Diesel oder Benzin. Zudem kann Wasserstoff beliebig lange gelagert werden, seine Ressourcen sind im Grunde unendlich.

Wo liegen die Nachteile des Wasserstoffantriebs?

Da Wasserstoff nicht ungebunden vorkommt, muss er erst unter Energieaufwand gewonnen werden. Daher ist er teuer und problematisch in der Herstellung und im Transport; richtig umweltfreundlich ist er nur bei einer Produktion mit regenerativer Energie.

Der Brennstoffzellen-Wasserstoffantrieb im Verkehr entwickelt sich, ist aber noch lange nicht so weit. Wasserstoff ist nur an sehr wenigen Tankstellen erhältlich, entsprechend sind kaum Modelle mit Brennstoffzelle auf dem Markt. Es ist ein wenig wie mit der Henne und dem Ei: Die Volumenhersteller zieren sich, weil die Infrastruktur fehlt – und umgekehrt.

Zoom Viele Hersteller forschen an der Brennstoffzelle als Antriebstechnik, auch für schwere Lkw.

Deshalb gibt es viele Gründe, warum das Wasserstoffauto so bald nicht kommt . Laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts ist die Nutzung der Brennstoffzellentechnik selbst beim Nutzfahrzeugverkehr der batterieelektrischen Antriebsart unterlegen. Das schließt ausdrücklich den schweren Lkw-Verkehr ein, auf dem noch die bislang größten Hoffnungen zur Einführung von Brennstoffzellen ruhten. Als aussichtsreiche Einsatzgebiete bleibt der Einsatz bei Landmaschinen, Schiffen oder in Flugzeugen, weil Wasserstoff hier seine hohe Energiedichte ausspielen könnte.

Wie funktioniert die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technik?

Ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist ein E-Auto, bei dem die elektrische Energie nicht in großen, schweren Batterien gespeichert, sondern während der Fahrt erzeugt wird. Dafür sind ein Wasserstofftank und eine Brennstoffzelle an Bord. Vereinfacht gesagt, reagieren der Wasserstoff (chemisches Symbol H) und Luftsauerstoff (O) wie bei einer umgekehrten Elektrolyse miteinander. Es entstehen Wärme und vor allem Energie, mit der der Elektromotor betrieben wird, sowie Wasser (H 2 O) als unschädliches Abfallprodukt. Man nennt dies auch "kalte Verbrennung".

Wozu braucht man eine Brennstoffzelle?

Die Brennstoffzelle in Fahrzeugen ist meist eine Polymer-Elektrolyth-Membran-Brennstoffzelleneinheit (PEM), in die der in Hochdrucktanks gasförmig gespeicherte Wasserstoff geleitet wird. Eine einzelne Zelle besteht aus zwei Bereichen, die durch einen Separator voneinander getrennt sind. An der Anode teilt sich der Wasserstoff, vereinfacht gesagt, in Ionen und Elektronen auf. Die Ionen wandern durch den Separator auf die Seite der Kathode, wo sie sich mit dem Sauerstoff zu Wasser verbinden.

Die Elektronen möchten ebenfalls auf die andere Seite zur Kathode, können aber nicht durch den Separator. Daher müssen sie den Umweg über die Stromleitung zum E-Motor nehmen. Auf der anderen Seite angekommen, ist der Stromkreis geschlossen.

Wie sauber ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist immer nur so sauber wie seine Produktion. Die Arten der Gewinnung werden nach Farben unterteilt. Derzeit wird für die weltweite industrielle Nutzung zu 99 Prozent grauer Wasserstoff produziert. Dabei wird Erdgas unter Hitze – meist aus Gas oder Kohle – aufgespalten, es entstehen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (CO 2 ).

Umstritten ist auch blauer Wasserstoff, bei dem das entstandene CO 2 aufgefangen und in geologischen Lagerstätten gespeichert wird (Carbon Capture and Storage, CCS). Auch türkiser Wasserstoff, bei dem statt CO 2 fester Kohlenstoff als Nebenprodukt entsteht, weist viele Nachteile auf.

Zoom Wasserstoff steht bei vielen Menschen als umweltfreundliche Kraftstoffalternative höher im Kurs als der Elektroantrieb.

Einzig komplett treibhausgasfrei ist grüner Wasserstoff, bei dessen Herstellung vom Elektrolyseur Strom aus erneuerbaren Energien (Wind, Wasser, Sonne) verwendet wird. Schon jetzt ist klar, dass grüner Wasserstoff nur zu einem kleinen Teil in Deutschland hergestellt werden kann und der Rest aus Regionen wie Australien, Chile oder Nordafrika importiert werden muss. Hier sind Gründe, warum das Wasserstoffauto so bald nicht kommt.

Wo kommt der Wasserstoff her?

Derzeit wird Wasserstoff bislang überwiegend aus Methan gewonnen, also dem Hauptbestandteil von fossilem Erdgas. Bis 2030 will Deutschland neun Milliarden Euro investieren, um eine Produktionskapazität für grünen Wasserstoff von fünf Gigawatt aufzubauen. Das entspricht der Leistung von drei bis vier mittelgroßen Atomkraftwerken.

Doch wird der Großteil an grünem Wasserstoff importiert werden müssen. Die Bundesregierung setzt dafür unter anderem auf internationale Kooperationen – etwa mit Australien und Ländern in Afrika, also Regionen mit reichlich Sonnenschein. Für Westafrika wurde bereits ein sogenannter Potenzialatlas zusammengestellt.

Auch aus Kanada soll ab 2025 eine relevante Menge an Wasserstoff geliefert werden. Dazu schloss die Bundesregierung mit dem nordamerikanischen Land ein Abkommen zur Förderung, Forschung und Entwicklung – laut Wirtschaftsminister Robert Habeck (Grüne) ein "Meilenstein".

Was kostet Wasserstoff?

Wasserstoff ist unbesteuert, ein Kilo kostet seit Juni 2022 an Tankstellen von H2 Mobility 12,85 Euro. Zuvor waren es 9,50 Euro. Damit ist der Preis immer noch vergleichbar mit dem für Benzin und Diesel, denn ein Kilo reicht für ca. 100 Kilometer. Angesichts der Preisentwicklung für fossile Treibstoffe könnte sich das Verhältnis noch zugunsten von Wasserstoff verschieben, allerdings ist sein Preis in gewisser Weise an den für Gas und Öl gekoppelt.

Zoom Ein Kilo Wasserstoff kostet seit Juni 2022 an Tankstellen von H2 Mobility 12,85 Euro, ein vergleichbarer Preis wie für Benzin und Diesel.

Entscheidend für die Klimaneutralität sind jedoch die Produktionskosten für grünen Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser herstellt wird. Laut einer Studie von Aurora Energy Research kann dieser frühestens 2030 in einzelnen europäischen Ländern für rund 3 Euro pro Kilogramm hergestellt werden und damit Kostenparität mit blauem Wasserstoff (aus Erdgas mit Speicherung des freigesetzten Kohlendioxids) erreichen. Die vielfach für die Wettbewerbsfähigkeit mit grauem Wasserstoff propagierte Grenze von 2 Euro werde in Europa dagegen erst um das Jahr 2050 erreicht.

Wie viele Wasserstoff-Tankstellen gibt es?

Laut der Info-Seite H2live gab es Anfang Dezember 2022 in Deutschland gerade mal 96 H2-Tankstellen, eine davon im Probebetrieb. Neun weitere waren in der Planungs-, Genehmigungs- oder Ausführungsphase. Zum Vergleich: Das Tankstellennetz für Benzin und Diesel hat rund 14.000 Stationen.

Zoom Noch ist die Zahl der Tankstellen in Deutschland, an denen Wasserstoff erhältlich ist, verschwindend gering.

Nichtsdestotrotz ist Deutschland damit bei den Wasserstoff-Tankstellen mit Abstand Spitzenreiter in Europa. Ein Joint Venture von Philipps 66 (Jet) und H2 Energy Europa will zudem bis 2026 in Deutschland, Dänemark und Österreich rund 250 neue Wasserstoff-Standorte errichten.

Sind Wasserstoffautos gefährlich?

Das ist ein Mythos. Zwar ist Wasserstoff mit Sauerstoff bei einem H 2 -Anteil von 4 bis 75 Prozent zündfähig. Explosiv ist das Gemisch jedoch erst ab einem Anteil von 18 Prozent als Knallgas. Und da Wasserstoff 14-mal leichter ist als Luft, verflüchtigt er sich extrem schnell.

Was ist ein Wasserstoffmotor?

In einem Wasserstoffmotor wird H 2 nicht per Brennstoffzelle in Energie umgewandelt, sondern direkt als Kraftstoff verwendet. BMW baute bereits 1979 den ersten Wasserstoff-Vierzylinder, stellte die Entwicklung jedoch 2012 mit dem Hydrogen 7 (E68) ein.

Wasserstoffauto: Technik, Angebot, Tests

Brennstoffzellenautos mit Wasserstoff gelten als saubere Alternative zu Pkw mit Verbrennungsmotoren: Lokal sind sie emissionsfrei. Wie funktionieren diese Autos? Gibt es genug Wasserstofftankstellen? Und wie sehen die Zukunftschancen der Brennstoffzellentechnologie aus? Die wichtigsten Infos.

Derzeit gibt es nur wenige und teure Wasserstoffautos auf dem Markt

Noch ist das Netz an Wasserstofftankstellen dünn

Nur wenn der Wasserstoff mit regenerativer Energie hergestellt wird, sind diese Pkw eine klimafreundliche Alternative

Wie funktioniert ein Wasserstoffauto?

Wasserstoffautos oder, korrekt, Brennstoffzellen-Autos, sind im Grunde Elektrofahrzeuge. Der Unterschied zum "normalen" E-Auto: Im Fahrzeug ist eine Brennstoffzelle samt Wasserstofftank verbaut, die den Strom für den Antrieb während der Fahrt erzeugt. Eine kleine Batterie fungiert dabei als Puffer bzw. Zwischenspeicher und deckt Lastspitzen z.B. beim Beschleunigen ab. Zudem nimmt sie Rekuperationsenergie (Bewegungsenergie beim Bremsen) auf und speichert sie.

In der Brennstoffzelle wird elektrischer Strom aus Wasserstoff gewonnen. Das geschieht durch die Umkehrung der Elektrolyse. Wasserstoff und Luftsauerstoff reagieren zu Wasser, dabei entstehen Wärme und elektrische Energie. Letztere treibt den Elektromotor an.

In den Fahrzeugen kommen sogenannte PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran)-Brennstoffzellen zum Einsatz. Ihre Wirkungsweise: Die Membran trennt den Wasserstoff und den Luftsauerstoff, die jeweils Anode bzw. Kathode umspülen, voneinander. Die Membran ist nur für Wasserstoffionen durchlässig. An der Anode trennen sich die Wasserstoffmoleküle in Ionen und Elektronen.

Infografik: Schematische Darstellung der Membranen © Martin Stallmann

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 oder treibt den Elektromotor des Fahrzeugs an.

Welche Wasserstoffautos gibt es?

Das Brennstoffzellenauto Toyota Mirai fährt bereits in der zweiten Generation auf der Straße © Toyota

Die ersten "serienmäßigen" Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf dem Markt sind der SUV Hyundai Nexo und die komfortable Limousine Toyota Mirai. Mercedes hatte den GLC F-Cell im Angebot, hat ihn aber inzwischen schon wieder vom Markt genommen. Dass aber auch noch weitere Hersteller am Thema Wasserstoff und Brennstoffzelle dranbleiben, zeigen weitere, teils noch zaghafte Versuche, diesen alternativen Antrieb zu etablieren. So hat Opel federführend für den Stellantis-Konzern einen Transporter mit Brennstoffzelle aufgelegt. Der Opel Vivaro-e Hydrogen wird auch als Citroën Jumpy und Peugeot Expert mit Brennstoffzelle verkauft.

Erster Brennstoffzellen-Lkw von Hyundai

Hyundai bringt einen ersten Lkw mit Brennstoffzellentechnik auf den Markt – auch in Deutschland. Das Xcient Fuel Cell genannte Modell ist der erste für den Schwerlastverkehr entwickelte Wasserstoff-Lkw. Mit einer 72-kWh-Batterie und 31 Kilogramm Wasserstoff an Bord soll er eine Reichweite von rund 400 Kilometer haben.

Gibt es genug Wasserstofftankstellen?

Von einer flächendeckenden Versorgung mit Wasserstofftankstellen kann man auf ganz Europa bezogen noch lange nicht sprechen. In Deutschland gibt es aktuell immerhin rund 100 Wasserstofftankstellen, an denen öffentlich getankt werden kann. Beim Aufbau weiterer Tankstellen helfen sollen finanzielle Mittel der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung, die im Juni 2020 verabschiedet wurde.

Während die Infrastruktur in Deutschland schon auf einem guten Weg ist, steckt die Versorgung in den Nachbarstaaten allerdings noch in den Kinderschuhen. Entsprechend gering ist die Zahl der Tankmöglichkeiten im Ausland, entsprechend schwierig bis unmöglich gestaltet sich eine Urlaubsreise.

Wie findet man Wasserstofftankstellen?

Der Betreiber H2 Mobility, ein Unternehmen mit den Gesellschaftern Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell und TOTAL, bietet eine digitale Karte an, die alle europäischen Wasserstoff-Stationen mit Adresse, Betreiber, Öffnungszeiten und in der Regel auch Kontaktmöglichkeiten anzeigt.

Nach dem Zoom auf ein Land, werden grüne und rote Punkte sichtbar. Grüner Punkt: Diese Station steht zur Verfügung. Roter Punkt: Hier kann zurzeit nicht getankt werden. Die Karte wird alle 2 Minuten live aktualisiert.

H2.LIVE ist das digitale Angebot rund ums Tanken, als App kostenfrei im App-Store und bei Google Play downloadbar oder im Internet unter www.h2.live*. Hier erhält man Live-Informationen zu den einzelnen Stationen im In- und Ausland, erfährt wann Wartungen geplant sind oder kann eine Tankkarte beantragen.

Wie wird der Brennstoff im Auto gespeichert?

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 des Tanks befinden sich in einem Vakuum Isolationsmaterialien, die den Tank kalt halten und Abdampfverluste minimieren. Tankstellen lagern Wasserstoff sowohl gasförmig als auch tiefgekühlt.

Sind Wasserstoffautos emissionsfrei?

Das hängt davon ab, wie der Wasserstoff erzeugt wird. Vor dem Gesetz gelten Wasserstoffautos als Zero Emission Vehicle (ZEV): Der elektrochemische Prozess geschieht lokal emissionsfrei, Wärme und Wasserdampf werden freigesetzt, außerdem sehr geringe Mengen NOx. Letzteres liegt daran, dass Umgebungssauerstoff im Prozess verwendet wird –und der ist verunreinigt.

Berücksichtigt werden müssen aber auch die Emissionen, die bei der Erzeugung des Wasserstoffs anfallen. Dann ergeben sich enorme Unterschiede: Wird Wasserstoff mit Erdgas hergestellt, ist die Bilanz miserabel – kommt der Strom dafür aus Erneuerbaren Energien, sieht es viel besser aus.

Auf der Suche nach langfristigem Ersatz für fossilen Brennstoffe bieten Wasserstoff und Brennstoffzellenautos deshalb sicherlich Chancen. Allerdings nur, wenn die Energie aus regenerativen Energiequellen wie Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft, Solarthermie, Geo-Thermie und Biomasse stammt.

Was ist Wasserstoff überhaupt?

Wasserstoff hat die chemische Kurzformel H₂ und gilt als das älteste, einfachste und häufigste Element im Universum. Er ist farb- und geruchlos, unter normalen Bedingungen gasförmig und leichter als Luft. Wasserstoff kommt in der Natur nur in gebundener Form vor – zum Beispiel als Bestandteil von Wasser.

Wie gewinnt man ihn?

H₂ lässt sich durch Elektrolyse aus Wasser gewinnen. Nötig sind dafür Gleichstrom und Elektrolyt: Durch ihren Einsatz wird Wasser (H₂O) in seine Bestandteile, also Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. An der Anode (positive Elektrode) entsteht Sauerstoff, an der Kathode (negative Elektrode) entsteht Wasserstoff.

Mit regenerativer Energie werden zur Zeit nur zwei Prozent des weltweiten Wasserstoff-Bedarfs von 600 Milliarden Kubikmeter hergestellt. 98 Prozent werden dagegen aus Kohlenwasserstoffen – etwa Erdgas, Erdöl und Kohle – gewonnen. Rund 40 Prozent davon entstehen als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen, der Erdgas-Synthese und Rohölverarbeitung.

Der wirtschaftlichste Weg der Wasserstoffgewinnung aus diesen fossilen Rohstoffen ist die Dampfreformierung. Dabei wird Erdgas unter Druck gesetzt, erhitzt und mit Wasserdampf vermischt – Wasserstoff wird freigesetzt.

Wozu wird das Element genutzt?

Wasserstoff hat heute schon viele Einsatzfelder. So nutzt ihn die Lebensmittelindustrie, um Margarine zu befeuchten, Kraftstoff wird damit entschwefelt, und auch als Brennstoff wird er genutzt: Etwa, um für rußfreie Flammen zur Herstellung hochwertiger Glasfasern zu sorgen.

Auf dem Hintergrund des Pariser Klimaabkommens soll in diesem Jahrzehnt damit begonnen werden, eine Wasserstoffproduktion und -verteilung im weltweiten Maßstab aufzubauen. Zukünftig sollen sowohl der Verkehrssektor als auch wichtige Industrien wie Stahl und Chemie auf Wasserstoff als Energielieferant umgestellt werden. Wasserstoff wird eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung der Welt zugeschrieben.

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 auch für diese Fahrzeuge.

Funktioniert Wasserstoff auch in einem Verbrennungsmotor?

BMW-Ingenieure haben bivalente Otto-Motoren konstruiert, die sowohl Benzin als auch Wasserstoff verbrennen können. Ein so ausgerüsteter 7er-BMW stand sogar mal offiziell in der BMW-Preisliste.

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-Verbrenner entsteht während der Fahrt praktisch nur Wasser und geringe Mengen NOx aus der Verbrennung als Emission. Allerdings hat BMW die Entwicklung eines Wasserstoff-Fahrzeuges mit Verbrennungsmotor 2009 eingestellt.

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