Stell Dir vor, Du könntest die Flüssigkeit, die aus Deinem Auto kommt, trinken. Das könnte bei Pkws mit Wasserstoffantrieb durchaus möglich sein. Die Entwicklung von umweltfreundlichen Antriebsarten für Pkws nimmt einen immer größeren Raum ein. Neben Großbritannien möchte auch Deutschland langfristig keine Pkws mit Verbrennungsmotor auf der Straße fahren haben. Eine Möglichkeit ist das Wasserstoffauto. Diese Antriebsart wird im nachfolgenden Artikel näher beschrieben.
Wasserstoffantrieb Grundlagen
Der Wasserstoffantrieb bezeichnet ein Triebwerk, welches mit Wasserstoff als Antriebsmittel beziehungsweise Energiequelle arbeitet.
Beim Wasserstoffantrieb unterscheidet man verschiedene Arten. Es gibt den Wasserstoffverbrennungsmotor, die Verbrennung von Wasserstoff in einer Gasturbine, die Nutzung des Wasserstoffs in Raketen und die Brennstoffzelle mit anschließendem Elektromotor. Letzteres ist das bekannte "Wasserstoffauto". Diese Erklärung befasst sich mit der Brennstoffzelle, die in Wasserstoffautos verwendet wird.
Erzeugung von Wasserstoff
Fast alle organischen Verbindungen bestehen aus Wasserstoff. Wasserstoff gilt als das häufigste chemische Element in unserem Universum. Er kommt immer in gebundener Form vor. Als Wasser (H2O) oder auch in Erdgas. Bei der Erzeugung wird Wasserstoff also aus Verbindungen abgespalten, wofür es unterschiedliche Verfahren gibt:
Methode | Beschreibung |
Dampfreformierung | Wasserdampf reagiert mit Methan zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Anschließend wird Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert. |
Elektrolyse | Wasserstoff wird mithilfe von elektrischem Strom von Wasserstoffverbindungen abgespalten. |
Methan-Pyrolyse | Aus Erdgas und Biomasse wird Wasserstoff gewonnen. In einem Reaktorbehälter fließt der Trägerstoff mit Methan auf flüssige Salze oder Plasma. |
Tabelle 1: Methoden zur Wasserstofferzeugung
Die Methode der Dampfreformierung ist zwar kostengünstig, aber nicht klimaneutral, da bei der Herstellung Kohlendioxid entsteht. Durch die Elektrolyse kann Wasserstoff klimaneutral hergestellt werden, wenn der Strom aus erneuerbaren Energien stammt. Hier kann das entstehende Kohlendioxid für die Synthese von weiteren Produkten genutzt werden. Bei der Methan-Pyrolyse kann der Strom ebenfalls aus regenerativen Energien bezogen und der entstehende Kohlenstoff kann zum Beispiel im Straßenbau weiterverwendet werden.
Wasserstoffarten
Es gibt unterschiedliche Arten von Wasserstoff, die mit verschiedenen Farben beschrieben werden. Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse gewonnen. Die Farbe spiegelt dabei die Umweltfreundlichkeit wider. Das Gegenteil von grünem Wasserstoff ist grauer Wasserstoff. Grauer Wasserstoff ist nicht nachhaltig und wird meist durch Dampfreformierung erzeugt.
Blauer Wasserstoff wird so ähnlich erzeugt wie grauer Wasserstoff. Jedoch wird das bei blauem Wasserstoff entstehende CO2 gespeichert und wiederverwendet. Die Speicherung kann etwa in Carbon-Capture-and-Storage-Anlagen (CCS) erfolgen. Türkiser Wasserstoff ist Wasserstoff, der durch Methan-Pyrolyse erzeugt wurde.
Wasserstoffantrieb Funktion
Die Brennstoffzelle stellt eine galvanische Zelle dar. Bei dieser werden konstant ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel zugeführt. Es findet eine chemische Reaktion statt, bei der chemische Energie in elektrische Energie überführt wird.
Die bekannteste und weitverbreitete Brennstoffzelle ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff stellt hierbei der Brennstoff dar. Alternativ können auch andere Substanzen, wie beispielsweise Methanol, genutzt werden. Sauerstoff ist das Oxidationsmittel. Brennstoffzellen wandeln Energie um, sie speichern sie nicht.
Das unten beschriebene Prinzip bezieht sich auf die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC).
Funktionsweise einer Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle umfasst zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten separiert werden. Zwischen den Elektroden gibt es eine semipermeable Membran, die nur von bestimmten Ionen durchdringt werden kann. Protonen können etwa die Membran passieren, größere Ionen hingegen nicht.
Wasserstoff und Sauerstoff werden permanent über die Elektroden eingeleitet. An der Anode findet die Oxidation von Wasserstoff statt. Es werden Elektronen frei, die über einen äußeren Stromkreis zur Kathode wandern. Durch die Oxidation entstehen Protonen.
An der Kathode nimmt der Sauerstoff die Elektronen auf und wird somit zu Anionen reduziert. Die an der Anode entstanden Protonen können die Membran passieren. Die Protonen reagieren unmittelbar mit den negativ geladenen Sauerstoffionen zu Wasser. Somit gibt es einen geschlossenen Stromkreislauf.
Es ereignet sich zusammenfassend als Reaktionsgleichung folgende Reaktion:
Die Spannung, die bei einer Brennstoffzelle theoretisch entstehen kann, beträgt bei 25 °C etwa 1,23 V. In der Praxis sind es jedoch lediglich 0,5 bis 1 V. Die Spannung wird von der Temperatur, vom Brennstoff (hier Wasserstoff) und von der Qualität der Zelle beeinflusst.
Die Elektroden einer Brennstoffzelle bestehen meist aus Grafit, welches mit Platin oder einer Platinlegierung beschichtet ist. Die Beschichtung hat eine große Oberfläche und wirkt katalytisch. Bei den Elektroden ist es wichtig, dass diese hinsichtlich des Elektrolyten widerstandsfähig sind. Außerdem soll mit den Elektroden auch eine Reaktion bei niedrigen Temperaturen möglich sein.
Der Elektrolyt ist häufig Kalilauge. Es kommen jedoch auch andere Laugen und Säuren sowie Alkalicarbonatschmelzen zum Einsatz.
Wasserstoffantrieb Auto
In Wasserstoffautos produziert die Brennstoffzelle elektrische Energie. Diese Energie treibt den Elektromotor in den Wasserstoffautos an.
Häufig werden in Wasserstoffautos mehrere Zellen hintereinander geschaltet. Somit lässt sich eine größere Spannung erzielen. Diese Konstruktion wird Stack (englisches Wort für Stapel) genannt.
Um Wasserstoffautos wirtschaftlich und für die breite Masse verwendbar zu machen, wird noch eine längere Lebensdauer, ein günstigerer Preis und ein niedrigeres Gewicht benötigt.
Ein weiterer problematischer Punkt ist die Lagerung des Wasserstoffs im Wasserstoffauto. Zum Transport einer ausreichenden Menge Wasserstoff werden Speicher beziehungsweise Tanks benötigt, die oft sehr schwer sind und viel Volumen einnehmen. Neben Druckbehältern mit Wasserstoff kommen auch Metallhydride und Wasserstoff infrage, der bei niedrigen Temperaturen verflüssigt wurde.
Um den Wasserstoff zu komprimieren oder zu verflüssigen, wird sehr viel Energie benötigt. Dieser hohe Energieeinsatz erniedrigt den Gesamtwirkungsgrad von Wasserstoffautos stark. Zudem sollte in diesem Zusammenhang beachtet werden, wie die benötigte Energie produziert wird – mithilfe fossiler Brennstoffe oder mit regenerativen Energiequellen.
Wasserstoffantrieb Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle beziffert sich auf 40 bis 65 %. Dabei schwankt der Wirkungsgrad je nach Art der Brennstoffzelle. Denn es gibt unterschiedliche Membransysteme und Temperaturbereiche, die bei der Reaktion vorliegen.
Zudem haben auch die Herstellung und Bereitstellung des Brennstoffs, in diesem Fall Wasserstoff, sowie der Elektroantrieb und andere Teile des Wasserstoffautos Einfluss auf den Wirkungsgrad des Antriebs mit einer Brennstoffzelle.
Gefahren des Wasserstoffantriebs
Der Antrieb des Wasserstoffautos bringt einige Risiken mit sich. Zum einen müssen der Tank für den Wasserstoff und die Rohrleitung gut abgedichtet sein, da Wasserstoff eine winzige Molekülgröße hat. Lecks und undichte Lagerung können schnell gefährlich werden, denn Wasserstoff ist leicht entzündbar.
Zum anderen sollten geschlossene Räume, wie beispielsweise in Garagen, ausreichend belüftet werden. Hintergrund ist die Bildung von entzündlichen Gemischen von Sauerstoff und Wasserstoff. Bereits ab einem Volumenanteil von 4 % Wasserstoff kann sich dieses Gemisch entzünden.
Wasserstoffantrieb Vor- und Nachteile
Vorteile | Nachteile |
Durch das unmittelbare Umsetzen des Wasserstoffs in Energie ist der Wirkungsgrad vergleichsweise hoch. | Die Technik hat hohe Anforderungen und somit sind die Kosten auch recht groß. |
Wasserstoffautos haben kaum Verschleiß und brauchen kaum Wartung. | Es ist nur wenig Erfahrung mit der Wasserstoffautos vorhanden. |
Die Ressource Wasserstoff ist endlos produzierbar. | Es gibt noch kaum Wasserstofftankstellen. |
Die hohe Energiedichte erlaubt eine hohe Reichweite der Wasserstoffautos. | Die Komprimierung beziehungsweise Verflüssigung des Wasserstoffs benötigt viel Energie. |
Lediglich Wasserdampf wird produziert, somit ist es prinzipiell ein schadstofffreier Antrieb. | Es muss sichergestellt werden, dass unterhalb des Gefrierpunkts das Wasser nicht gefrieren kann und somit den Antrieb blockiert. |
Tabelle 2: Vor- und Nachteile des Wasserstoffantriebs
Wasserstoffantrieb Ausblick in die Zukunft
Derzeit gibt es nur wenige Wasserstoffautos auf der Straße. Auch in Zukunft sehen die Prognosen von Experten schlecht aus. Grund hierfür ist eine ungenügende Energieeffizienz und Probleme mit dem Lagern und Transportieren des Wasserstoffs. Für den Güterverkehr, Landmaschinen, Schiffe und Flugzeuge ist der Wasserstoffantrieb eher eine Möglichkeit, so Experten.
Auch bei Bussen kann die Brennstoffzelle eine Lösung sein. Brennstoffzellen in Bussen haben den Vorteil, dass sie langlebiger sind und das Gewicht, im Vergleich zu Akkumulatoren, recht niedrig ist. Weiterhin ist das Auftanken mit Wasserstoff recht einfach. Bereits heutzutage fahren einige mit Wasserstoff betriebene Busse durch Europa.
Aktuell sind die Preise für ein Wasserstoffauto noch sehr hoch. Die Preise liegen bei mehr als 60.000 €. Jedoch wird erwartet, dass die Preise durch eine höhere Menge an produzierten Wasserstoffautos sinken. Wasserstoffautos sind unter anderem der Hyundai Nexo und Toyota Mirai. Zudem gibt es derzeit noch kaum Wasserstofftankstellen. Diese Infrastruktur müsste erst geschaffen werden.
Wasserstoffantrieb – Das Wichtigste
- Wasserstoffantrieb Auto: Der Wasserstoffantrieb bezeichnet ein Triebwerk, welches mit Wasserstoff als Antriebsmittel beziehungsweise Energiequelle arbeitet.
- Wasserstoffantrieb Funktion: Die Brennstoffzelle ist ein galvanisches Element, bei dem chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
- Am bekanntesten ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, bei der an der Anode Wasserstoff oxidiert und an der Kathode Sauerstoff reduziert wird, wobei Wasser entsteht.
- Wasserstoffantrieb Vor- und Nachteile: Beim Wasserstoffantrieb sollten die Gefahren durch den leicht entzündlichen Wasserstoff und dessen kleine Molekülgröße beachtet werden.
- Wasserstoffantrieb Wirkungsgrad: Um den Wasserstoffantrieb in Autos attraktiver zu machen, wird noch eine längere Lebensdauer, ein kostengünstigerer Preis und ein niedrigeres Gewicht benötigt.
Nachweise
- Mortimer; Müller (2015). Chemie: Das Basiswissen der Chemie. Thieme Verlag.
- Wissen.de: https://www.wissen.de/wasserstoffantrieb. (14.10.2022)
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