Die Brennstoffzelle erscheint auf den ersten Blick wie der ideale Fahrzeugantrieb: leise, sauber und unabhängig vom Erdöl. In einem Brennstoffzellenfahrzeug wandelt in den meisten Fällen eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle Sauerstoff und Wasserstoff in elektrische Energie mit Wärme und Wasser als Beiprodukten um.
Die Brennstoffzelle an sich nutzt eine chemische Reaktion, um elektrische Energie zu erzeugen. Jede Brennstoffzelle hat zwei Elektroden, eine positive und eine negative, welche als Anode bzw. Kathode bezeichnet werden. An diesen Elektroden finden die chemischen Reaktionen statt. Die Elektroden sind durch eine semipermeable Membran oder einen Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt. In einer PEM-Brennstoffzelle (siehe nächster Abschnitt) wird ein edelmetallhaltiger Katalysator eingesetzt, meistens handelt es sich hierbei um Platin. Bis heute wurden mehrere Typen der Brennstoffzelle entwickelt, die sich vor allem im Elektrolyt, dem Brennstoff (Anode), dem Gas der Kathode und dem mobilen Ion unterscheiden.
Funktionsweise einer Brennstoffzelle
Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle wird hier an dem Beispiel der Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC) dargestellt: Der Brennstoff, hier Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch zu Protonen oxidiert, das heißt, ihm werden Elektronen entzogen. Die Protonen gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektrolytmembran ist nur für Protonen durchlässig, die Elektronen müssen einen Umweg über den Stromkreislauf nehmen. Hierbei werden die Elektronen aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen (die vorher dem Wasserstoff entzogen wurden) zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Wasserstoffionen zu dem harmlosen Beiprodukt Wasser reagieren. Damit wird der Stromkreislauf geschlossen. Bei diesem Prozess wird zudem Wärme freigesetzt.
Eine einzelne Brennstoffzelle generiert nur sehr wenig elektrische Energie. Daher werden mehrere einzelne Brennstoffzellen zu einem sogenannten “stack” zusammengefügt. Je nach Energiebedarf des Fahrzeugs (Pkw oder Bus) werden mehrere dieser stacks verbaut. Laut Studie der Unternehmensberatung Roland Berger werden für ein Brennstoffzellen-System im Jahr 2014 etwa 45.000 Euro pro Pkw fällig. Insbesondere das Katalysator-Metall Platin ist ein starker Kostentreiber.
Der Deutsche Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband (DWV) entgegnet, dass der Platinbedarf stetig sinke. So waren laut DWV 2007 noch etwa 80 Gramm des Edelmetalls für den Bau des 100 kW starken Motors HydroGen4 von General Motors vonnöten, 2014 würden entsprechende Systeme theoretisch mit der Hälfte auskommen. Die Kosten pro Auto liegen demnach bei 1 000 Euro bis 1 500 Euro. In den kommenden Jahren soll der Bedarf weiter sinken; auf 15 Gramm bis 2020 und weniger als zehn Gramm für die Kommerzialisierung im großen Maßstab (bis 2025). Gelingt dies und steigt der Platinpreis pro Gramm von derzeit 34 Euro nicht erheblich liegen die Kosten je Pkw bei maximal 300 bis 350 €.
Der DWV gibt außerdem zu bedenken, dass auch Autos mit Verbrennungsmotor künftig wegen strenger werdender Emissionsgrenzwerten mehr Platin für die Katalysatoren benötigen werden. In Dieselmotoren fallen heute schon etwa sieben Gramm Platin bei einem 100 kW-Motor an, was etwa 240 Euro kostet. Bei Benzinern kostet das verwendete Palladium/Rhodium pro Katalysator derzeit knapp 50 Euro. Durch strengere Abgasvorschriften sollen sich die Kosten von Pkw mit konventionellen Antrieben denen mit Brennstoffzellenantrieb schrittweise nähern (bezüglich der Rohstoffbedarfe von Brennstoffzelle, batterieelektrischem Fahrzeug und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und der Nutzung von synthetischen Kraftstoffen (PtX) siehe: Batterieelektrisch vs. Brennstoffzelle (H2) vs. Power-to-X im Straßenverkehr: Energieeffizienz, Wirkung auf das Energiesystem, Infrastruktur, Kosten und Ressourcen).
Die Speicherung des Wasserstoffs
In Brennstoffzellenfahrzeugen wird die in der Brennstoffzelle erzeugte Energie entweder direkt in Elektromotoren in Bewegung umgewandelt oder zeitweise in einer Traktionsbatterie zwischengespeichert. Der notwendige Brennstoff (meistens Wasserstoff) wird in Drucktanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (350–800 bar) mitgeführt. Diese ermöglichen eine Reichweite von 500-800 Kilometer. Das komplette Wasserstoff-Tanksystem eines Pkw mit Druckwasserstoffspeicherung wiegt heutzutage etwa 125 kg. Der Energieaufwand für die Komprimierung auf 700 bar beträgt ca. 12 % des Energieinhaltes des Wasserstoffs. Ein Nachteil der Gasform ist, dass sich der Tankinhalt eines Wasserstoffautos schon nach kurzer Zeit in Luft auflöst. Denn das Wasserstoffatom ist so klein, dass es kaum gelingt, alle Bauteile gegen ein Austreten in Dampfform abzudichten.
Bei hohem Wasserstoffbedarf wird tiefkalter Flüssigwasserstoff (−253 °C, liquid H2) eingesetzt. Dazu wird der Wasserstoff verflüssigt (LH2) und unter Umgebungsdruck bei tiefen Temperaturen (Siedepunkt −252,8 °C, 20,4 K) gelagert. Flüssiger Wasserstoff besitzt im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff bei Umgebungsdruck eine um den Faktor 800 höhere Dichte. Der Energieaufwand für die Verflüssigung beträgt ca. 20 % des Energieinhaltes des Wasserstoffs.
In der Entwicklung befinden sich unter anderem Metall-Hydridspeicher, bei denen der Wasserstoff durch Druck in kalte Metallstrukturen eingelagert und mittels Wärmezufuhr wieder freigegeben wird. In einem Metallhydridspeicher kann fünfmal mehr elektrische Energie gespeichert werden als in einem Bleiakkumulator gleichen Gewichts. Sie erwiesen sich aber als so teuer und schwer, dass sie nur in U-Booten verwendet werden, wo beide Faktoren keine Rolle spielen.
Als Wasserstoffspeicher könnten auch Kohlenstoff-Nanofasern dienen. Diese bestehen aus übereinandergestapelten Graphitebenen, in die Wasserstoff unter Umgebungstemperatur und bei einem Druck von ca. 20 bar eingelagert wird. Unter einem Druck von ca. 40 bar soll der Wasserstoff wieder aus dem Material entweichen. Die Kapazität blieb jedoch weit hinter den Prognosen zurück: Statt zwei Drittel speichern sie nur zwei Prozent ihres Eigengewichts an Wasserstoff.
Energieinhalte von verschiedenen Energieträgern im volumenspezifischen Vergleich in MJ / Liter
| Stoff | Energiedichte |
|---|---|
| Benzin | 34,6 MJ / l |
| Dieselkraftstoff | 38,7 MJ / l |
| Wasserstoff gasförmig, Temperatur: 26° Celsius, Druck p = 1 bar | 0,01079 MJ / l |
| Wasserstoff gasförmig, Temperatur: 26° Celsius, Druck p = 200 bar | 2,2 MJ / l |
| Wasserstoff flüssig Temperatur: -253,15° Celsius, Druck p = 1 bar | 8,5 MJ / l |
Die Herausforderungen
Bis der Brennstoffzellenantrieb zu einer wirklichen Alternative zum Verbrennungsmotor werden kann, müssen jedoch noch eine Vielzahl von Problemen gelöst und Fragen geklärt werden: Werden Brennstoffzellenfahrzeuge zu einem vom Verbraucher akzeptierten preis hergestellt werden können? Wo beziehen Verbraucher den benötigten Wasserstoff her? Wird eine entsprechende Infrastruktur mit Wasserstoff-Tankstellen errichtet werden? Und die vielleicht wichtigste Frage: Ist Wasserstoff wirklich umweltfreundlich und der Energieträger der Zukunft?
Problem: Die Produktion des Wasserstoffs und deren Energieintensität
Wasserstoff kommt in der freien Natur nicht vor, sondern muss aus Wasser, Biomasse oder fossilen Kohlenwasserstoffen wie Kohle und Erdgas herausgelöst werden. Dieser Prozess ist sehr energieintensiv. Zudem kann nur ein gewisser Teil des freigesetzten Wasserstoffs gespeichert werden.
Die Dampfreformierung ist derzeit die wirtschaftlichste und am weitesten verbreitete (~90 %) Methode, Wasserstoff zu erzeugen. Hierbei wird aus Kohlenwasserstoffen in zwei Prozessschritten Wasserstoff erzeugt. Als Rohstoffe können verwendet werden: Erdgas, Biomasse, aber auch langkettigere Kohlenwasserstoffe aus Erdöl wie etwa die Mittelbenzinfraktion.
Im ersten Schritt werden langkettige Kohlenwasserstoffe in einem Pre-Reformer unter Zugabe von Wasserdampf bei einer Temperatur von etwa 450–500 °C und einem Druck von etwa 25–30 bar zu Methan, Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid sowie Kohlenstoffdioxid aufgespalten. Diese Vorstufe vermeidet eine zu starke Verkokung des Reformerkatalysators. Im zweiten Schritt wird im Reformer das Methan bei einer Temperatur von 800 bis 900 °C und einem Druck von etwa 25-30 bar an einem Nickelkatalysator mit Wasser zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umgesetzt.
Durch die Verwendung fossiler Energieträger wird dabei aber genauso viel des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid CO2 freigesetzt wie bei deren Verbrennung. Durch Verwendung von Biomasse kann die Klimabilanz verbessert werden, da dann nur das Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird, das zuvor beim Wachstum der Pflanzen aus der Atmosphäre aufgenommen wurde.
Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff ist die Elektrolyse. Mit Hilfe von elektrischem Strom werden in einem Elektrolyseur aus dem Wasser der Energieträger Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Anders als bei der Verwendung von fossilen Energieträgern wird bei der Elektrolyse kein CO2 freigesetzt. Dies gilt allerdings nur, wenn der verwendete Strom nicht aus fossilen Energieträgern erzeugt wurde. Wissenschaftler des MIT haben einen Katalysator entwickelt, der die Effizienz der Elektrolyse von Wasser auf nahezu 100 % steigern soll.
Die Wasserelektrolyse wird aber bisher technisch nur genutzt, wenn günstige Energie zur Verfügung steht. Die Erzeugung von Wasserstoff ist derzeit ausgehend von Erdöl oder Kohle günstiger. Wenn diese Rohstoffe und Energieträger knapp werden, könnte die Wasserelektrolyse im Rahmen der Wasserstoffwirtschaft, die Wasserstoff als Energieträger nutzt, bedeutsam werden.
Es stellt sich jedoch generell die Frage, ob regenerative Energie für die Elektrolyse von Wasserstoff verwendet werden sollten, wenn diese auch direkt in batterieelektrischen Fahrzeugen verwendet werden könnte. Aus gesamtenergetischer Sicht wäre eine Verwendung im Rahmen von Elektrofahrzeugen mit Akku laut University of California, Irvine, sinnvoller:
Der Energieverbrauch und konkurrenzfähige Preise regenerativer Energieerzeugung entscheiden über den Erfolg der Brennstoffzelle
Aufgrund des hohen Energiebedarfs bei der Herstellung von Wasserstoff ist zweifelhaft, ob dieser Energieträger bei derzeitiger Technologie wirklich ideal ist (für einen detaillierteren Vergleich zwischen Brennstoffzelle, batterieelektrischem Fahrzeug und synthetischen Kraftstoffen (PtX) siehe: Batterieelektrisch vs. Brennstoffzelle (H2) vs. Power-to-X im Straßenverkehr: Energieeffizienz, Wirkung auf das Energiesystem, Infrastruktur, Kosten und Ressourcen)
Der gesamte Energieverbrauch von Diesel und Benzin im Verkehrsbereich entspricht der Energie etwa der gesamten Stromerzeugung Deutschlands.
– Dipl.-Ing. Helmut Geipel, Ministerialrat a.D, 1996 – 2007 Referatsleiter „Neue Energieumwandlungstechniken“ im Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI) / BMBF
Eine Konkurrenzfähigkeit des Wasserstoffs wird sich nur ergeben, wenn dieser günstiger in Herstellung, Transport und Verwendung wird als vergleichbare fossile Energieträger. Für einen ökologisch verträglicheren Verkehr muss vor allem die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse und regenerativ erzeugten Energien konkurrenzfähig werden. Es deutet sich ähnlich wie bei Elektrofahrzeugen an, dass dies nur erreicht werden kann, wenn fossile Energieträger und Rohstoffe knapp und entsprechend teuer werden. Letztlich muss damit gerechnet werden, dass Wasserstoff als Betriebsstoff für Fahrzeuge teurer sein wird als Benzin oder Diesel zu heutigen Preisen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass der motorisierte Verkehr in Zukunft gezwungenermaßen teurer sein muss, als er es heute ist.
Hohe Verluste bei der Erzeugung, schwierige Speicherbarkeit, teure Brennstoffzellen – es stellt sich durchaus die Frage, ob der Brennstoffzellenantrieb wirklich der Antrieb der Zukunft wird.
