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Die Brennstoffzelle - der Antrieb der Zukunft?

Auf den ersten Blick scheint die Brennstoffzelle der perfekte Fahrzeugantrieb zu sein: Sie wandelt Sauerstoff und Wasserstoff in elektrische Energie um. Der Vorgang ist leise und sauber – als Nebenprodukte entstehen lediglich Wärme und Wasser. Warum ist diese Technologie dann noch nicht großflächig in Verwendung?

Wir haben die wichtigsten Argumente für und gegen diese Antriebsart zusammengestellt.

Doch zuerst die Basics:

So funktioniert eine Brennstoffzelle

Der Prozess der Energieerzeugung funktioniert im Prinzip ähnlich wie in einer Batterie: Die Brennstoffzelle hat zwei Elektroden – die positiv geladene Anode und die negativ geladene Kathode – an welchen die chemischen Reaktionen stattfinden. Die Elektroden sind durch einen Elektrolyten oder eine semipermeable Membran voneinander getrennt. Im Fall der Wasserstoff-Sauerstoff basierten Brennstoffzelle kommt außerdem ein edelmetallhaltiger Katalysator, meist Platin, zum Einsatz.

Wasserstoff bildet in dem Fall den Brennstoff, der an der Anode katalytisch oxidiert – ihm wird dabei das Elektron entzogen. Das nun positiv geladene Wasserstoffion (=Proton) gelangt durch die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel, in unserem Beispiel ist das Sauerstoff. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher zur Kathode. Dort befindet sich der Sauerstoff, der die Elektronen aufnimmt. Er wird dadurch negativ geladen und reagiert unmittelbar mit den positiv geladenen Wasserstoffionen zu Wasser (H2O). Damit schließt sich der Stromkreislauf. Beim gesamten Prozess wird außerdem Wärme freigesetzt.

Eine einzelne Brennstoffzelle erzeugt zu wenig elektrische Energie, um damit ein Auto anzutreiben. Daher werden in Fahrzeugen mehrere Brennstoffzellen zu einem „Stack“ zusammengesetzt.

my image Bild: Der Hyundai Nexo mit den Brennstoffzellen-Stacks. © Shutterstock

Vorteile der Brennstoffzellentechnik

  • Höherer Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren. Otto- oder Dieselmotoren erzielen den höchsten Wirkungsgrad im mittleren Teillastbereich bei mittleren Drehzahlen und mit ca. 80% durchgedrücktem Pedal. Bei Volllast und im unteren Teillastbereich sind sie sehr ineffizient, beispielsweise im Stadtverkehr, wo die meiste Zeit nur eine geringe Antriebsleistung benötigt wird. Hier weist die Brennstoffzelle einen meist doppelt so hohen Wirkungsgrad auf. Das „Aber“ folgt bei den Nachteilen.
  • Sehr guter Energiespeicher. Wasserstoff ist ein idealer Träger von Energie: leicht, effizient, gut kontrollierbar. Somit lässt sich Energie auch in schweren Fahrzeugen wie Bussen oder LKW sowie über weite Strecken transportieren.
  • Längere Betriebszeit als Batterien. Da in einem Fahrzeug große Mengen an Brennstoff mitgeführt werden können, ist ein kontinuierlicher Betrieb über eine längere Zeit gewährleistet als bei einem batterieelektrischen Fahrzeug. Im Vergleich zur Batterie ist der Brennstoffzellenantrieb außerdem leichter. Beide Faktoren machen die Brennstoffzelle im direkten Vergleich mit batterieelektrischen Antrieben zum Gewinner im Reichweitenduell.
  • Lautloser Betrieb ohne Luftschadstoffe. Bei Wasserstoff-Sauerstoff basierten Brennstoffzellen entstehen als Produkte der chemischen Reaktion lediglich Wasserdampf und Wärme. Letztere kann im Fahrzeug nutzbringend verwendet werden.
  • Tanken ähnlich einfach und schnell wie bei Verbrennern. Das Brennstoffzellenfahrzeug wird einfach an eine Tanksäule angedockt und in drei bis fünf Minuten mit Wasserstoff betankt. Ein batterieelektrisches Fahrzeug hat viel längere Ladezeiten (mindestens 30 bis 45 Minuten).
  • Sichere Technologie. Hartnäckig hält sich das Gerücht, dass Brennstoffzellenautos aufgrund des verwendeten Wasserstoffs gefährlich seien. Es stimmt, dass Wasserstoff mit Sauerstoff heftig reagieren kann (Knallgasexplosion), wenn beide Elemente gemischt werden. Das passiert aber erst, wenn der Wasserstoff in ausreichender Konzentration (ab 18%) vorliegt. Da Wasserstoff 14-mal leichter als Luft ist, verflüchtigt er sich schnell. Tritt er beispielsweise aus dem Drucktank eines Autos aus, steigt er so schnell auf und davon, dass er sich mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft gar nicht erst vermischen kann.

Nachteile der Brennstoffzellentechnik

  • Kein flächendeckendes Tankstellennetz. Derzeit gibt es in Deutschland insgesamt 84 Wasserstofftankstellen, die von H2 Mobility betrieben werden. Für Verbrenner stehen rund 15.000 Tankstellen zur Verfügung. In Österreich gibt es ganze 5 H2 Mobility Wasserstofftankstellen.
  • Hoher Fahrzeugpreis – begrenzte Modellauswahl. Derzeit sind weltweit gerade einmal fünf verschiedene Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb erhältlich: von Hyundai der ix35 sowie der Nexo, der Toyota Mirai, der Mercedes GLC F-Cell und der Honda Clarity Fuel Cell (nur in Japan und den USA). Am erschwinglichsten davon ist der Hyundai ix35 Fuel Cell, der erstmals 2015 auf den Markt kam und seit letztem Jahr als Gebrauchtwagen am Markt erhältlich ist. Die für einen Neuerwerb günstigste Option stellt der Hyundai Nexo dar, ein Mittelklassefahrzeug mit Wasserstoffantrieb ab 78.000 Euro.
  • Wasserstofferzeugung. Wasserstoff selbst ist ein sekundärer Energieträger, keine Energiequelle. Im Gegensatz zu Erdöl oder Kohle wird er nicht direkt aus der Natur entnommen, sondern muss künstlich hergestellt werden. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten, von der Reformierung von Erdgas über Elektrolyse bis zu allen möglichen noch in der Versuchsphase befindlichen Lösungen. Allen Methoden gemein ist, dass sie sehr energieaufwändig sind, was dem Brennstoffzellenantrieb ins Summe einen schlechten Well-to-Wheel Wirkungsgrad (gesamter Energieaufwand von der Gewinnung der Rohstoffe bis zum tatsächlichen Fahren) beschert.

Fazit

Die Brennstoffzellentechnik ist faszinierend einfach und hat viel Potential. Sie bietet wichtige Vorteile wie CO2-freies und lärmarmes Fahren, hohe Reichweiten und schnelles Betanken. Solange aber die Wasserstofferzeugung, das Tankstellennetz und die Skalierbarkeit der verfügbaren Fahrzeuge nicht ausreichend ökonomisch und ökologisch sind, bleiben Fuel Cell-Autos leider einzelne Prestigeprojekte.

Von Nicolas Jany   |   18.07.2020