Wasserstoff – Brennstoffzellen in Autos und Bussen

Schon lange suchen Wissenschaftler nach alternativen Energiequellen – für die Stromerzeugung, für die Heizungsenergie, für Lichtquellen und für die Fahrzeugindustrie. Von rRauchenden Schornsteine und Verbrennungsmotoren sollte sich eine fortgeschrittenen Zivilisation verabschieden. Soweit sind sich Politik, Wirtschaft und Wissenschaft einig. Wenn es aber um Detailfragen geht, spielt das Kosten-Nutzen-Verhältnis eine große Rolle. Der Generator, Motor oder Antrieb muss sowohl rentabel sein in der Herstellung als auch im Verbrauch.

Jules Verne schrieb 1870 folgendes zur Brennstoffzelle: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“

Ein Auslöser für die Entwicklung des Wasserstoff-Autos was das Zero Emission Vehicle Mandate (ZEV) – ein Gesetzentwurf aus dem Jahr 2003 im US-Staat Kalifornien. Er sah vor, dass zehn Prozent der Neufahrzeuge Null-Emissions-Fahrzeuge sein sollten. Das ZEV wurde zwar diskutiert, aber nicht umgesetzt. Unabhängig davon besteht jedoch nach wie vor die Notwendigkeit, die Luftverschmutzung vor allem in Ballungszentren zu reduzieren.

Wasserstoff als alternative Energiequelle

Wasserstoff gehört zu den regenerativen Energiequellen. Er entsteht in erster Linie bei der Spaltung von chemischen Verbindungen, die Wasserstoff enthalten, also zum Beispiel Wasser oder Kohlenwasserstoffe. Die Wasserstoffenergie stellt mit Hilfe von regenerativen Energien Wasserstoff her. Dieser wird gespeichert, zum Verbraucher transportiert und dort als Energieträger genutzt.

Jährlich werden weltweit etwa 500 Milliarden Normkubikmeter Wasserstoff produziert. Der größte Teil davon entsteht als Nebenprodukt in der chemischen Industrie, beispielsweise bei der Chlorherstellung oder in der Ölraffinerie. Um Wasserstoff jedoch direkt und möglichst in großem Stil als Energieträger zu nutzen, sind derzeit mehrere Verfahren im Einsatz:

– Autotherme Reformer unter Verwendung von Methanol,
– Biomasse mit Hilfe von Vergasung oder Vergärung,
– Dampfreforming von Erdgas,
– Elektrolyse von Wasser,
– Kvaerner Verfahren,
– Partielle Oxidation als Ölvergasung,
– Wasserstoff aus Grünalgen.

Von diesen Verfahren ist bis jetzt nur die Dampfreformierung und die Partielle Oxidation von Öl oder Kohle technisch ausgereift. Eine große Reformierungsanlage kann bis zu 100.000 Normkubikmeter Wasserstoff pro Stunde herstellen. Die Methanolreformierung findet direkt im Fahrzeug statt. Die Energie aus der Partiellen Oxidation von Methanol, Erdgas, Benzin oder Dieselkraftstoff wird für die Dampfreformierung genutzt. Aber allen diesen Verfahren ist gemeinsam, dass sie ohne die Verwendung fossiler Energieträger nicht auskommen. Einzig und allein die Elektrolyse von Wasser besitzt großes Zukunftspotential. In Form der alkalischen Elektrolyse ist sie seit ca. 80 Jahren bekannt. Wasserstoff-Tankstellen arbeiten mit der Elektrolyse von Wasser.

Wasserstoffauto ©iStockphoto/adrian825

Elektrolyse von Wasser

Für die Elektrolyse von Wasser benötigt man ebenfalls wieder Energie, und zwar um zwei Elektroden zu betreiben, die das Wasser aufspalten:

2 H2O -> 2 H2 + O2

Das ist der einfachste Weg, um aus reinem Wasser Wasserstoff herzustellen, direkt im Fahrzeug. Bei der darauf folgenden Oxidation entstehen im Endeffekt nur wieder reines Wasser und Sauerstoff.

Der Brennstoffzellenantrieb

Die Brennstoffzelle als Energiewandler

Die Brennstoffzelle hat immer die Aufgabe, die Energie des Wasserstoffes in eine verwertbare andere Energieform zu transformieren, zum Beispiel in elektrische Energie. Eigentlich ist sie damit so etwas wie ein Generator. Allerdings besitzen Brennstoffzellen gegenüber einer Batterie oder einem Akkumulator den großen Vorteil, dass sie verhältnismäßig klein und leicht sind sowie eine wesentlich höhere Kapazität an Leistung produzieren. Im allgemeinen erreichen Brennstoffzellen einen Wirkungsgrad von 60 Prozent. Betrachtet man einmal das Kvaerner Verfahren, das mit fossilen Brennstoffen arbeitet, dann erreicht dieser Prozess fast 100 Prozent Effizienz!

Innerhalb der Brennstoffzelle oxidiert der Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff. Dabei wird Energie in Form von elektrischem Strom frei und kann einem Verbraucher zugeführt werden. Im Gegensatz zu einem Generator kommen Brennstoffzellen ganz ohne Wärmeenergie und Kraft aus. Sie können elektrische Energie direkt aus chemischer Energie erzeugen und sind dadurch deutlich besser effizienter als Verbrennungskraftmaschinen. Bereits im 19. Jahrhundert wurde die sogenannte „Galvanische Gasbatterie“ als Stromerzeuger entdeckt. Da Werner von Siemens aber etwa um die gleiche Zeit den elektrischen Generator – die Dynamomaschine – erfand, geriet die deutlich komplexere Brennstoffzelle erst einmal wieder in Vergessenheit.

1959 entstand ein erster Prototyp eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges. Allis-Chalmers stellte damals einen Traktor vor, der mit Brennstoffzellentechnik arbeitete. In den 1960er Jahren diente die Brennstoffzelle der amerikanischen Raumfahrt als zuverlässiger Energielieferant. Sie war allerdings auch verantwortlich dafür, dass es bei der Apollo-13-Mission am 11. April 1970 zu einem Unfall im All kam. Wasserstoff und Sauerstoff, beide chemischen Elemente, mußten einzeln mitgeführt werden, und beide für sich sind bereits hoch explosiv.

Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden. Über die eine Elektrode wird Wasserstoff oder eine organische Verbindung, die Wasserstoff enthält, zugeführt. Über die andere Elektrode gelangt Sauerstoff in die Brennstoffzelle. Getrennt sind die beiden Elektroden durch einen Elektrolyt oder eine halbdurchlässige Membran. Der Wasserstoff oder die organische Verbindung reagiert mit dem Sauerstoff – es entsteht Energie. Bei normaler Zimmertemperatur erzeugt die Brennstoffzelle eine Spannung von 0,5 bis 1 Volt. Wird eine höhere Spannung benötigt, können mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden und bilden dann einen Stack (englisch: Stapel).

Bei der Verwendung von reinem Wasserstoff als Energieträger kommt oft die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) zum Einsatz. Die PEMFC arbeitet mit einer Polymermembran, die nur offen für Protonen ist. Da Wasserstoff das erste chemische Element ist, besteht es aus einem Proton und einem Elektron. Wird der Wasserstoff nun an der Anode ionisiert, fehlt ihm das eine Elektron. Als Oxidationsmittel kommt ganz gewöhnliche Luft zum Einsatz. Der Sauerstoff erhält nun die einzelnen Elektronen, die von der Anode zur Katode fließen, und lädt sich negativ auf. Jetzt kann er mit dem Wasserstoff zu Wasser reagieren. Alternativ zur sauren Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle können auch alkalische Wasserstoff-Brennstoffzellen Verwendung finden. Hier werden die hochreinen Gase direkt über katalytisch wirkende Elektroden in eine basische Lösung eingeleitet und reagieren dann miteinander.

Die Lebensdauer einer Brennstoffzelle im mobilen Einsatz beschränkt sich auf 5000 Betriebsstunden. Das können bei Privatfahrten mit dem PKW bis zu 10 Jahre oder länger sein. Im Dauerbetrieb erreichen sie allerdings nur wenige Monate bis ein Jahr Lebenszeit. Die Kosten für eine Brennstoffzelle sind nicht gering und können, je nach Verfahren, auch überaus teuer werden. Darüber hinaus müssen die Elektroden mit teuren, seltenen Metallen als Katalysator beschichtet werden. Das ist noch ein Hemmschuh in der Weiterentwicklung, der noch keine Massenproduktion zulässt.

Brennstoffzellen in Autos und Bussen

Bereits seit Jahren fahren, vorrangig als Forschungs- und Versuchsprojekte, einige Busse sowie mehrere Automodelle serienmäßig mit der Wasserstoff-Brennstoffzelle. Die großen Automobil-Konzerne forschen seit vielen Jahren in Bereichen, die sie unabhängiger von den Ölkonzernen im Nahen Osten machen. Der öffentliche Druck in Richtung alternative Energien wird auch immer größer. Diesem Trend können sich die einzelnen Hersteller nicht mehr verschließen, wenn sie wettbewerbsfähig bleiben wollen.

Die meisten der bisher entwickelten Fahrzeuge nutzen Wasserstoff-Brennstoffzellen. Mit dem darüber gewonnenen Strom wird ein Elektromotor angetrieben. Mit einer Tankfüllung fahren die Autos bereits bis zu 800 Kilometern. Es gibt allerdings auch Konzepte, die statt des Elektromotors einen Verbrennungsmotor einsetzen, der direkt mit Wasserstoff arbeitet. Die Brennstoffzelle dient dann lediglich dazu, die Stromversorgung sicherzustellen.

Die Einführung von Wasserstoff-Autos bringt gleich mehrere weitere Probleme mit sich. Einmal muss für die Betankung ein ausreichend dichtes Netz an Wasserstoff-Tankstellen vorhanden sein. Die Wasserstoff-Autos fahren zwar mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad als konventionelle Verbrennungsmotoren, aber eine weitaus größere Energiemenge wird bislang noch für die Produktion von Wasserstoff in der chemischen Industrie benötigt, da die Herstellungsverfahren noch nicht sehr effizient sind.

Anwendungsbeispiele

Aktuell sind einige MAN-Stadtbusse mit Brennstoffzellen in Berlin für die Berliner Verkehrsgesellschaft im Einsatz. Berlin ist eine Großstadt, die bereits über einige Wasserstoff-Tankstellen verfügt. Auch Hamburg und Stuttgart haben im öffentlichen Linienverkehr nachgezogen. In Köln setzen die Verkehrsbetriebe Wasserstoff-Busse vom Typ „Phileas“ ein. Die Brennstoffzellen dieses Busses erzeugen bereits eine Leistung von 150 kW.

Mit dem Modell FCX Clarity stellt Honda seit 2008 einen PKW her, der ausschließlich von Brennstoffzellen angetrieben wird. Einige wenige Automobil-Hersteller vorher verzichteten noch nicht auf den Verbrennungsmotor als Antriebsaggregat. Toyota plant für 2015 die serienmäßige Fertigung von Wasserstoff-Fahrzeugen, vorerst jedoch nur für einige Metropolen. Auch in Japan muss das Netz an Wasserstofftankstellen erst noch ausgebaut werden. Seit 2010 liefert Mercedes-Benz einige Wasserstoff-Autos der B-Klasse mit Brennstoffzellen-Antrieb als Serie aus.

Opel kündigt für 2015 erste Serienmodelle mit Brennstoffzellen-Antrieb an und will sich gleichzeitig um einen flächendeckenden Ausbau des Wasserstoff-Tankstellen-Netzes kümmern. Daimler hat angekündigt, noch in diesem Jahr, also vor Opel, in Serie gefertigte Brennstoffzellen-Fahrzeuge zu vermarkten. Sie werden von der Preisstrategie her etwas teurer als die konventionellen Modelle sein.