Brennstoffzellenfahrzeug

Brennstoffzellenfahrzeuge sind Transportmittel mit Elektroantrieb, bei denen die benötigte elektrische Energie aus den Energieträgern Wasserstoff oder Methanol durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird. Derzeit sind fast ausschließlich Automobile und Omnibusse mit Brennstoffzellen in Betrieb.

Diese Antriebsform gilt zwar überwiegend als noch experimentell und steht in der aktuellen Entwicklung in Konkurrenz zu akkumulatorgespeisten Elektroantrieben (siehe auch Elektroauto), allerdings ging im Juni 2008 mit dem Honda FCX das erste Fahrzeug in Serienproduktion.

Probleme mit der Reichweite und der Wirtschaftlichkeit der Akkumulatoren (Preis und Lebensdauer) führten dazu, dass derzeit die Brennstoffzelle von einigen Automobilherstellern als Zukunftstechnologie favorisiert wird. Allerdings ist der Aufbau einer Infrastruktur für die Wasserstoffherstellung, Wasserstoffspeicherung und Betankung im Wesentlichen noch offen. Auch schreitet die Entwicklung bei Akkumulatoren zügig voran.

Potenzial des Wasserstoffs

Wasserstoff (H2) besteht aus einem Proton und einem Elektron. Es ist ein farbloses, geschmacks- und geruchsloses, ungiftiges Gas. In der Natur findet man es praktisch nicht in freier Form. Es liegt ausschließlich in gebundener Form, z.B. als Wasser (H2O), in Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle, Biomasse) oder in anderen organischen Verbindungen vor. Wasserstoff wird unter Einsatz von Energie freigesetzt. Es wird fast ausschließlich aus fossilen Energieträgern gewonnen. Allerdings entsteht bei der Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Quellen CO2 als Nebenprodukt. Doch dem Klimaschutz zu Gute ist das Ziel Wasserstoff möglichst ganz ohne CO2- Emission herzustellen. Die klimafreundlichere Variante ist Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser zu produzieren. Unter Elektrolyse versteht man die Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung des elektrischen Stroms. Wasserstoff ist ein kohlenstofffreier Kraftstoff und kann so bei der CO2-Reduktion beitragen. Dieses Potenzial des Wasserstoffs kann aber nur ausgeschöpft werden, wenn die Herkunft des Stroms aus erneuerbaren Energieträgern Vorraussetzung dafür ist. Der für die Elektrolyse erforderliche Strom kann also aus Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser gewonnen werden. Die Energiedichte des Wasserstoffs (33,3 kWh/kg) ist etwa dreimal so hoch wie die des Benzin. Anders ist es beim volumenbezogenen Energiegehalt. Bei Umgebungstemperatur- und Druck würde der Energiegehalt von 1 m³ Wasserstoff (m³=Normkubikmeter ist die Menge, die einem Kubikmeter Gas bei einen Druck von 1 bar, einer Luftfeuchtigkeit von 0 % und einer Temperatur von 0° entspricht) ca. dem von 0.3 l Diesel entsprechen , was von großem Nachteil ist. Wasserstoff kann komprimiert oder tiefkalt verflüssigt werden, um den volumenbezogenen Energieinhalt zu erhöhen. Es kann in flüssiger Form bei ca. -250° C gespeichert werden. Diese Form hat im Gegensatz zur gasförmigen Speicherung bei hohem Druck eine wesentlich höhere Energiedichte pro Volumen. Deswegen ist Flüssigwasserstoff besser für den Antrieb von Fahrzeugen geeignet. (Ein Akkumulator ist ein AKKU)

Funktionsprinzip

Eine Brennstoffzelle kann chemisch gebundene Energie mit einem Wirkungsgrad von 38 -65 Prozent (siehe Alkalische Brennstoffzelle) direkt in elektrische Energie umwandeln. Der so gewonnene Strom wird in Elektromotoren, die oft ohne Getriebe direkt an zwei oder vier Rädern montiert (Radnabenmotor) sind, in Bewegungsenergie umgewandelt. Damit sind derzeit in den Konzeptfahrzeugen Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 145 km/h und Reichweiten mit einer Tankfüllung von bis zu 450 Kilometer möglich. Die verwendeten Brennstoffzellen arbeiten mit Betriebsdrücken zwischen 0,3 und 2,0 bar.

Treibstoffe und Tank

Heute wird eindeutig die Mitnahme von Wasserstoff in Tanks bevorzugt, entweder als Druckgas (700 bar, compressed H₂) oder in tiefkalter flüssiger Form (−253 °C, liquid H₂). Die Dichte von Druckgas kommt dabei schon zu 75 Prozent an die Dichte von flüssigem Wasserstoff heran. An Umwandlungsverlust muss für die Kompression auf 700 bar etwa 12 Prozent der an Wasserstoff gebundenen Energie aufgewendet werden, bei der Verflüssigung sind 28 bis 46 Prozent aufzuwenden. Die meisten Automobilfirmen bevorzugen inzwischen Druckgas-Tanks. Die Betankung erfolgt ähnlich zur herkömmlichen Betankung mit flüssigen Treibstoffen.

Es ist zum anderen aber auch möglich, die Vielfalt an energiehaltigen Substanzen als Kraftstoff zu nutzen, doch einige müssen für die Nutzung in der Brennstoffzelle zuvor chemisch in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt werden. Unmittelbar nutzen Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) den flüssigen Treibstoff Methanol, sie weisen jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad auf.

Betankungssysteme mit flüssigen Treibstoffen und einem Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff haben sich jedoch nicht bewährt, so dass letztendlich zum Fahren wohl doch der Wasserstoff aus mitgeführten Tanks bereitgestellt werden wird.

Ausblick

Derzeit wird mit Hilfe von Prototypen und Kleinserienfahrzeugen die Praxistauglichkeit dieser Fahrzeuge getestet. Nachteilig ist jedoch, dass der Energiespeicher wesentlich größer als bei Benzin- und Dieselfahrzeugen ausfällt und vor allem Wasserstoffspeicher sehr aufwändig hinsichtlich ihrer Dichtheit, Wärmeisolierung und Sicherheit zu konstruieren sind.

Ein großer Vorteil der Brennstoffzelle sind die geringen Geräuschemissionen bei der Umwandlung von chemischer in mechanische Energie. Ein weiterer Vorteil ist, dass Elektrofahrzeuge selbst bei schwacher Motorisierung eine hohe Anfangsbeschleunigung haben. Das liegt daran, dass beim Elektroantrieb das volle Drehmoment schon im Stand zur Verfügung steht. Dieser Vorteil ist jedoch nicht nur auf Brennstoffzellenfahrzeuge beschränkt, sondern trifft auch auf Fahrzeuge zu, die ihre Energie aus Akkumulatoren beziehen.

Wann der Brennstoffzellenantrieb in Deutschland erstmals in Serie erhältlich sein wird, ist noch unklar. Mercedes will die B-Klasse ab 2010 mit Brennstoffzelle für einen ausgewählten Kundenstamm anbieten.

Bilanz der Energiebereitstellungskette

Die Wasserstoffherstellung geschieht derzeit vorzugsweise durch Dampfreformierung aus Methan. Erfolgt die Dampfreformierung mit Hilfe von Erdgas wird genauso viel Treibhausgas Kohlendioxid frei, wie bei unmittelbarer Verbrennung des Erdgases entstehen würde aber es wird zusätzliche Energie für den Umwandlungsprozess benötigt. Insgesamt ist diese Methode klimaschädlicher als die direkte Verbrennung. Der gleiche Mehraufwand entsteht bei Wasserstoffherstellung aus Methan, welches aus Biogas stammt.

Wasserstoff müsste nachhaltig durch Elektrolyse aus Wasser hergestellt (Wirkungsgrad nur 43 %) und der elektrische Strom aus erneuerbaren Energieformen gewonnen werden, um Kohlendioxidemissionen oder Atommüll zu vermeiden. Zumal sich aus Wasserstoff nur 20-25% der investierten elektrischen Energie zurückgewinnen lassen. Forscher am Forschungszentrum Karlsruhe sehen deshalb für die Brennstoffzelle, schon wegen dieses geringen Wirkungsgrades, keine Zukunft. Die deutsche Politik schließt sich diesem Urteil, in Bezug auf den öffentlichen Nahverkehr, an:

„Die Verwendung von Wasserstoff im Verkehr ist wegen der hohen Energieverluste und Kosten der Produktion, der Aufbereitung und des Transportes nicht zu befürworten. Auch die Herstellung von Methanol vor allem aus Erdgas ist nicht sinnvoll, da das Erdgas auch ohne die Verluste der Methanolherstellung direkt genutzt werden könnte. Selbst sofern regenerative Energieträger im Straßenverkehr eingesetzt werden könnten, wäre der Ersatz von alten hochemittierenden fossilen Kraftwerken durch diese regenerative Energie (Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft) wesentlich sinnvoller als der Ersatz von benzinbetriebenen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor durch Wasserstoffantriebe. Würde diese regenerative Energie direkt genutzt werden, könnten auch kabelgebundene Transportmittel, wie Straßenbahn, Fernbahnen und Oberleitungsbusse als „Nullemissionsfahrzeug“ betrieben werden.“

– Umweltbundesamt

Brennstoffzellen-Konzeptfahrzeuge

Personenkraftwagen

Honda FCX

Einige Hersteller stellten bereits mehrere Generationen oder mehrere verschiedene Konzeptfahrzeuge vor:

• Daimler: Mercedes-Benz NECAR (1994 bis 2002), Mercedes-Benz F-Cell (2003), Mercedes-Benz F600 Hygenius (2005)
• Chrysler: Chrysler Natrium (2001), Jeep Commander II (2000), Jeep Treo (2003)
• Fiat: Seicento Elettra H2 Fuel Cell, Seicento Hydrogen, Fiat Panda Hydrogen (2005)
• General Motors: GM/Opel HydroGen, GM HydroGen4, GM HyWire, GM Sequel
• Honda: Honda FCX Clarity, die Serienproduktion startete im Juni 2008.
• Hyundai: Santa Fé FCEV, Tucson FCEV
• Toyota: Toyota FCHV (2001), Toyota Fine-N (2003)
• Volkswagen: VW Bora Hy-motion (2000), VW Bora Hy-power (2002), VW Touran Hy-motion (2004)

Des Weiteren wurde vorgestellt: Audi A2H2 (2004), BMW 750hl (2002), Ford Focus FCV Hybrid, Morgan LifeCar, Nissan X-Trail FCHV, Peugeot Quark.

Nutzfahrzeuge

• DaimlerChrysler entwickelte einen Sprinter, sowie 1997 den Mercedes-Benz NEBUS (O405N2-Bus mit Brennstoffzelle), 2002 einen Mercedes-Benz Citaro fuel CellBus.
• Van Hool und UTC-Fuel Cell, ISE Corporation präsentierten 2005 gemeinsam den Van Hool newA330 Fuel Cell.
• HYdrogenics baute auf dem Modell Gulliver 520ESP von Tecnobus (Italien) mehrere Midibusse.
• CNH Global präsentiert auf der Landwirtschaftsausstellung Sima 2009 in Paris den Traktor „NH²“ auf Basis des New Holland-Modells „T6000“. Der Traktor hat 120 PS.

Schiffe/Boote

• Fahrgastschiffe: Hamburger Fahrgastschiff, HDW
• Unterseeboote: U-Boot-Klasse 212, DeepC

Weblinks

Commons: Brennstoffzellenfahrzeug – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Aktuelle Liste von Brennstoffzellenfahrzeugen (im Internet)
• Aktuelle Liste von Brennstoffzellenfahrzeugen
• Neue Infrastruktur für zukunftsweisenden Stapler-Antrieb
• Seminarfacharbeit Klimawandel [1]