Brennstoffzelle

Brennstoffzelle als alternativer Antrieb

In einer Brennstoffzelle wird mittels chemischer Reaktion elektrische Energie erzeugt. Diese Energie wird in Strom umgewandelt und treibt schließlich den Elektromotor eines Fahrzeugs an. In der Regel wird Wasserstoff als Kraftstoff verwendet. Weil der Verbrennungsvorgang vollkommen emissionsfrei geschieht, gelten Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle) während des Betriebs als besonders umweltfreundlich. Dem Erfolg stehen allerdings hauptsächlich noch zwei Faktoren im Weg: die enormen Herstellungskosten der Brennstoffzellen-Stacks sowie die aktuell noch ernüchternde Umweltbilanz für die Produktion von Wasserstoff als Kraftstoff.

Funktion einer Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus einer Anode und einer Kathode. Beide Elektroden sind durch einen Ionenleiter (Elektrolyt) voneinander getrennt. Dieser ist für den Ionen-Transport zwischen Anode und Kathode zuständig. Durch die chemische Reaktion eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs (z.B. Wasserstoff) mit einem Oxidationsmittel (Sauerstoff) entstehen Wasser, Wärme und Strom. Der so erzeugte Strom treibt den Elektromotor eines Fahrzeugs an.

Die Geschichte der Brennstoffzelle

Im Jahr 1839 entdeckte der walisische Physiker Sir William Robert Grove, dass sich mit der Umkehrung der Elektrolyse (Umwandlung von Wasser zu Wasserstoff) Strom erzeugen lässt. Seine Entdeckung taufte er „galvanische Gasbatterie.“ Der Vorgänger der heutigen Brennstoffzelle bestand lediglich aus zwei Platindrähten, die in eine Elektrolytlösung getaucht und mit Wasserstoff und Sauerstoff umspült wurden. Weil die so erzeugte elektrische Spannung sehr gering war, konnte sich die galvanische Batterie damals nicht gegen den Verbrennungsmotor und den Elektrodynamo durchsetzten.

Brennstoffzellenfahrzeuge

Ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle) wird immer von einem Elektromotor angetrieben. Jedes Brennstoffzellenfahrzeug ist somit automatisch auch ein Elektrofahrzeug. Im Gegensatz zu einem batterieelektrisch betriebenem Fahrzeug kommt die Energie aber nicht vom Ladestrom, sondern von Strom, der mittels chemischer Reaktion gewonnen wird. Der Verbrennungsvorgang geschieht nahezu schadstofffrei. Wasserdampf ist die einzige Emission, die aus dem Auspuff kommt. Daher gelten Brennstoffzellenfahrzeuge während des Betriebs als besonders umweltfreundlich.

Das erste Brennstoffzellenfahrzeug der Welt wurde 1959 präsentiert. Der Traktor des US-Maschinenbaukonzern „Allis-Chalmers“ diente allerdings nur zu Demonstrationszwecken und blieb ein Einzelstück. Ein Brennstoffzellenantrieb wurde in der Vergangenheit auch in folgenden Fahrzeugen und Verkehrsmitteln verwendet:

  • In den 1960er Jahren setzte die NASA Brennstoffzellen als Antrieb ein der Raumfahrt ein: 1963 im Gemini-Programm, dem zweiten bemannten Raumfahrtprogramm der USA; um 1968 im Mondfahrtprojekt „Apollo“
  • 1994 stellt Mercedes-Benz das NECAR (New Electric Car) vor. Der umgerüstete Mercedes-Benz MB 100 Transporter gilt als das erste Brennstoffzellenauto der Welt. Nach mehreren NECAR-Prototypen folgte ab 2003 mit dem Mercedes-Benz A-Klasse F-Cell die erste Kleinserie eines Autos mit Brennstoffzellenantrieb. Die Reichweite pro Wasserstoff-Tankfüllung lag damals bei bis zu 270 Kilometern.
  • 1999 wurde mit „Hydra“ das erste Passagierboot mit Brennstoffzellenantrieb eingesetzt. Es wurde von der Bonner Firma etaing GmbH gebaut und war bis 2001 hauptsächlich zu Demonstrationszwecken im Einsatz. 

Brennstoffzellenautos in Serienproduktion

Ab 2000 starteten mehrere Autohersteller (z.B.: Audi, General Motors/Opel, VW, Fiat) erstmals Anstrengungen, den Brennstoffantrieb für Fahrzeuge zu etablieren. Jedoch blieb es bei Prototypen und Kleinserien. Die Weiterentwicklung von Brennstoffzellen als Fahrzeugantrieb nahm erst wieder in den vergangen Jahren Fahrt auf. Vor allem Toyota und Hyundai forcieren seitdem ihre Bemühungen, die Brennstoffzelle als alternativen Antrieb der Zukunft massentauglich zu machen.

Das erste Serienfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb ist der Toyota Mirai, der seit 2014 auf dem Markt ist. Er ist eines von lediglich drei Fahrzeugmodellen, die im Jahr in Deutschland erhältlich sind. Die aktuell auf dem deutschen Markt angebotenen Autos mit Brennstoffzellenantrieb heißen:

  • Toyota Mirai (Preis laut Hersteller: 78.600 Euro)
  • Hyundai Nexo (Preis laut Hersteller: 69.000 Euro)
  • Mercedes GLC F-Cell (nur als Leasing-Fahrzeug erhältlich)
Mercedes-Benz GLC F-Cell | Foto: Daimler AG

Weitere Verkehrsmittel mit Brennstoffzellenantrieb

Im Vergleich zum Elektroantrieb punkten Brennstoffzellenfahrzeuge vor allem mit einer wesentlich höhere Reichweite. Aus diesem Grund ist die Technik vor allem für Lang- und Mittelstreckenverkehrsmittel interessant.

  • Lkw: Mittlerweile setzen mehrere Hersteller auf Brennstoffzellen als Lkw-Antrieb der Zukunft. Vor allem die Nikola Motor Company sorgt seit einigen Jahren für Aufsehen. Die für den nordamerikanischen Markt vorgesehenen Nikola „One“ und „Two“ werden voraussichtlich ab 2021 produziert. Der Nikola „Tre“ ist speziell für den europäischen Markt konzipiert und ab 2023 erhältlich. Die ersten Toyota Fuel Cell Electric Trucks (FCET) kommen voraussichtlich ab Ende 2019 in den Häfen von Long Beach und Los Angeles zum Einsatz. Die Premiere der ersten Hyundai Brennstoffzellen-Lkw namens „Fuel Cell Electric Truck“ ist für Anfang 2020 angekündigt.
  • Zug: Der Alstom Coradia iLint ist der erste Wasserstoff-Brennstoffzellenzug der Welt. Er ist seit September 2018 auf einem fast 100 Kilometer langen Streckenabschnitt im Elbe-Weser-Dreieck im Einsatz. Ab 2021 will die Landesnahverkehrsgesellschaft Niedersachsen (LNVG) weitere 14 Coradia iLint Wasserstoffzüge einsetzen.
    Im Zugverkehr liegt vielleicht die größte Chance für den flächendeckenden Einsatz der Brennstoffzellentechnik. Ein Großteil des deutschen Schienennetzes ist nicht elektrifiziert und kann somit nur mit Dieselloks befahren werden. Weil die deutschlandweite Nachrüstung mit Oberleitungen immense Kosten und Bauzeit verschlingen würde, scheint die Brennstoffzelle hierfür die ideale Lösung zu sein.
  • Schiffe/Boote: Die erste hochseetaugliche Fähre mit Brennstoffzellenantrieb soll ab 2021 für den Personen- und Fahrzeugtransport zwischen den Orkney-Inseln und dem schottischen Festland eingesetzt werden. Der benötigte Wasserstoff wird zu 100 Prozent aus erneuerbarer Energie erzeugt – und zwar direkt vor Ort.
    Seit 2017 ist die Energy Observer als erstes Brennstoffzellenschiff der Welt auf Weltumseglung. Der ehemalige Rennkatamaran wird ausschließlich mit regenerativen Energien versorgt, fährt komplett emissionsfrei und erzeugt selbständig Wasserstoff aus Meerwasser.

Vorteile und Nachteile der Brennstoffzelle

Vorteile:

  • Brennstoffzellenautos verfügen über eine ähnliche Reichweite wie herkömmliche Diesel oder Benziner. Die Reichweite ist somit deutlich höher als bei den meisten Elektroautos.
  • Die Betankungszeit ist nur geringfügig länger als bei Verbrennern.
  • Brennstoffzellenautos fahren nahezu geräuschlos.
  • Beim Betrieb fallen keine Schadstoffemissionen an.
  • Die Brennstoffzelle hat einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als ein Verbrennungsmotor.

Nachteile:

  • Für die Herstellung von Brennstoffzellen werden sehr teure Rohstoffe wie Nickel und Platin benötigt. Diese sorgen für einen hohen Endpreis der Fahrzeuge.
  • Die Herstellung von Wasserstoff ist noch sehr teuer und energieintensiv.
  • Der weitaus größte Teil des verfügbaren Wasserstoffs stammt aus der chemischen Industrie.
  • Das Netz an Wasserstofftankstellen ist sehr klein. Stand Oktober 2019 gab es in Deutschland lediglich 76 H2-Tankstellen.

Die Brennstoffzelle als Antrieb der Zukunft?

Weil der weltweite Mobilitätsbedarf nicht alleine mit Strom bewältigt werden kann, führt wohl kein Weg an der Brennstoffzelle vorbei. Damit die Brennstoffzelle als Antriebstechnologie tatsächlich eine Zukunft hat, sind jedoch einige wesentliche Veränderungen zu meistern. So muss der für den Betrieb nötige Wasserstoff aus regenerativen Energiequellen erzeugt werden. Auch der Anschaffungspreis für Brennstoffzellenfahrzeuge muss deutlich sinken. Der vielleicht wichtigste Schritt zur Kostenreduzierung ist es, einen Ersatz für das teure Platin zu finden.

Auch das Wasserstoff-Tankstellennetz ist aktuell noch sehr überschaubar. Das Gemeinschaftsunternehmen H2 Mobility kümmert sich seit 2015 um den flächendeckenden Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur in Deutschland. Mittelfristig soll das Tankstellennetz landesweit auf 400 Anlagen anwachsen. Aktuell liegt die Zahl allerdings noch weit unter 100.

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