Brennstoffzelle: Wasserstoff als Energieträger

Brennstoffzellen-Autos nutzen Wasserstoff als Energieträger. Wasserstoff entsteht bei der Elektrolyse, also der Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Für die Elektrolyse wird Strom benötigt. Wasserstoff ist klimafreundlich und lässt sich flüssig oder gasförmig lagern und transportieren.

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie des Wasserstoffs direkt in Strom um. Sie haben einen sehr hohen Wirkungsgrad von theoretisch 70 bis fast 100 Prozent. Bei Verbrennungsmotoren liegt der Wirkungsgrad bei etwa 40 Prozent, bei Elektromotoren bei circa 90 Prozent. In einem Brennstoffzellen-Auto wird der Strom für den Elektromotor des Autos mit einer Brennstoffzelle erzeugt.

Schnell tanken und weit kommen – Vorteile von Brennstoffzellen-Autos

Brennstoffzellen-Autos verursachen keine Abgase, sondern nur unbedenklichen Wasserdampf. Ihre Reichweite ist zudem wesentlich höher als die von batteriebetriebenen Elektroautos: rund 500 Kilometer mit einer Tankfüllung gegenüber 200 bis 300 Kilometern. Der nötige Wasserstoff kann in wenigen Minuten nachgetankt werden. Das Laden eines Elektroautos dauert dagegen mindestens eine halbe Stunde.

Teuer und Tankstellen fehlen – Nachteile von Brennstoffzellen-Autos

Leider kosten Brennstoffzellen-Autos fast doppelt so viel wie vergleichbare Verbrenner-Modelle. Das liegt unter anderem daran, dass die Technik sehr aufwändig und in den Brennstoffzellen das teure Edelmetall Platin verbaut ist. Weiterer Nachteil: Auch die nötige Infrastruktur ist sehr teuer und deswegen kaum vorhanden. 2016 gab es in Deutschland weniger als 30 öffentliche Wasserstoff-Tankstellen. Mindestens 1.000 wären nötig für ein flächendeckendes Netz.

So funktioniert eine Brennstoffzelle

  • Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ist eine Redox-Reaktion: Wasserstoff wird oxidiert (gibt Elektronen ab), Sauerstoff wird reduziert (nimmt Elektronen auf), es wird Energie freigesetzt und es entsteht Wasser.
  • In einer Brennstoffzelle werden diese beiden Teilreaktionen zum Beispiel durch eine Membran so getrennt, dass die Elektronen über einen äußeren Stromkreis fließen. Die nutzbare Energie wird also in Form von elektrischem Strom frei und kann einen Elektromotor antreiben.
  • Das Prinzip, das der Brennstoffzelle zugrunde liegt, wurde bereits 1838 entdeckt. Erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden Brennstoffzellen auch in größerem Umfang technisch genutzt, wobei ihre Nutzung aber lange auf Nischenanwendungen beschränkt blieb, beispielsweise in der Raumfahrt oder im militärischen Bereich.

Wasserstoff – überall vorhanden, nur nicht in Reinform

  • Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum. Auch auf der Erde ist es in größeren Mengen vorhanden, vor allem als Wasser, aber auch in nahezu allen organischen Verbindungen, z. B. auch in Erdöl.
  • Auf der Erde kommt Wasserstoff praktisch ausschließlich chemisch gebunden vor und muss unter Energieaufwand aus seinen Verbindungen freigesetzt werden – z. B. durch die Elektrolyse von Wasser – H2O.
  • Für die Elektrolyse wird Strom benötigt. Kommt dieser aus erneuerbaren Energien, ist Wasserstoff einer der umweltfreundlichsten Energieträger.

Brennstoffzellen in Autos

  • Brennstoffzellen-Autos brauchen nicht nur die Brennstoffzelle zur Energieerzeugung, sondern auch einen Elektromotor und Wasserstofftanks.
  • Die Brennstoffzelle im Auto ist eigentlich ein ganzer Brennstoffzellen-Stapel aus mehreren Hundert einzelnen Brennstoffzellen.
  • Der Elektromotor wird für den Antrieb des Autos gebraucht.
  • Die Hochdruck-Tanks im Heck des Fahrzeuges sind mit gasförmigem Wasserstoff gefüllt. Sie müssen besonders robust sein, da Wasserstoff leicht entzündlich und in Verbindung mit Luft explosiv ist. Deswegen bestehen sie aus mehreren Schichten und Verbundmaterialien.

 

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