Wasserstoff Brennstoffzellen

Ob sich künftig Wasserstoff Brennstoffzellen als Energiewandler für die Automobilindustrie im großen Stil etablieren werden können, das ist im Jahr 2023 noch ungewiss. Obwohl viele Aspekte dafür sprechen und Automobilkonzerne, wie Toyota, Hyundai, Honda, Mercedes und BMW bereits Wasserstoffautos produzieren, gibt es auch einige Aspekte, die aktuell auch gegen ein Durchsetzen dieser Technologie sprechen.

Herausforderungen und aktuelle Nachteile von Wasserstoffautos

Obwohl Wasserstoffautos viele Vorteile haben, gibt es derzeit auch einige Herausforderungen und Nachteile, die gegen ihre breite Einführung sprechen. Hier sind einige davon:

Hohe Kosten: Wasserstoffautos sind im Allgemeinen teurer als vergleichbare Benzin- oder Elektrofahrzeuge. Die Herstellung von Brennstoffzellen und Wasserstofftankstellen ist noch immer sehr teuer, was sich auf den Verkaufspreis von Wasserstoffautos auswirkt.
Begrenzte Infrastruktur: Es gibt immer noch eine begrenzte Anzahl von Wasserstofftankstellen, was die Reichweite und die allgemeine Verfügbarkeit von Wasserstoffautos einschränkt. Die meisten Wasserstofftankstellen befinden sich in Ballungsräumen, was die Verbreitung von Wasserstoffautos auf ländlichen Gebieten behindert.
Energieintensive Herstellung: Wasserstoff wird in der Regel durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt, die viel Energie verbraucht. Wenn die Energie aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird, kann dies den Vorteil von Wasserstoffautos gegenüber Benzin- oder Elektrofahrzeugen verringern.
Sicherheitsbedenken: Wasserstoff ist ein hochentzündliches Gas und muss unter hohem Druck gespeichert werden, was Sicherheitsrisiken bei der Handhabung und Lagerung darstellt. Obwohl die Sicherheitsstandards für Wasserstoffautos hoch sind, gibt es immer noch Bedenken hinsichtlich der Sicherheit im Falle eines Unfalls oder einer Beschädigung der Tanks.
Geringe Energieeffizienz: Obwohl Brennstoffzellen eine hohe Energieeffizienz aufweisen, ist der Wirkungsgrad der Wasserstoffherstellung und -bereitstellung im Vergleich zur direkten Nutzung von Strom als Energiequelle geringer. Dies bedeutet, dass die Effizienz des Wasserstoffantriebs durch Verluste in der Produktion und dem Transport von Wasserstoff reduziert wird.

Es wird erwartet, dass viele dieser Herausforderungen in Zukunft überwunden werden können, da die Technologie und Infrastruktur für Wasserstoffautos weiterentwickelt werden.

Vorteile von Wasserstoffautos mit Brennstoffzellen

Wasserstoffautos bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Benzin- oder Dieselautos sowie gegenüber Elektrofahrzeugen mit Batterieantrieb. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile von Wasserstoffautos:

Umweltfreundlichkeit: Wasserstoffautos emittieren bei ihrer Nutzung keinerlei schädliche Treibhausgase, sondern lediglich Wasserdampf. Bei der Produktion von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien entstehen ebenfalls kaum Emissionen.
Hohe Reichweite: Wasserstoffautos haben eine vergleichsweise hohe Reichweite im Vergleich zu reinen Elektroautos mit Batterieantrieb. Einige Modelle erreichen eine Reichweite von über 500 Kilometern.
Kurze Betankungszeit: Die Betankung eines Wasserstoffautos dauert in der Regel nicht länger als das Betanken eines Benzinautos und ist somit wesentlich schneller als das Aufladen eines Elektrofahrzeugs.
Effizienz: Brennstoffzellen, die den Wasserstoff in Strom umwandeln, haben einen hohen Wirkungsgrad und können so Energie sehr effizient in Bewegungsenergie umwandeln.
Vielseitige Einsatzmöglichkeiten: Wasserstoff kann nicht nur in Autos, sondern auch in anderen Fahrzeugen wie Lastwagen, Bussen und Zügen sowie in stationären Anwendungen zur Energieversorgung eingesetzt werden.
Energiespeicherung: Wasserstoff kann als Energiespeicher genutzt werden, um überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen zu speichern und bei Bedarf abzurufen.
Langlebigkeit: Brennstoffzellen haben eine lange Lebensdauer und sind weniger anfällig für Verschleiß als herkömmliche Verbrennungsmotoren.

Obwohl es noch einige Herausforderungen gibt, wie zum Beispiel die begrenzte Verfügbarkeit von Wasserstofftankstellen, haben Wasserstoffautos das Potenzial, eine wichtige Rolle in der zukünftigen nachhaltigen Mobilität zu spielen. Es liegt mit Sicherheit an der globalen Ausrichtung und einem flächendeckenden Ausbau der Infrastruktur für diese Energieform.

Was ist Wasserstoff und warum steckt so viel Energie darin?

Wasserstoff (H) ist das erste und einfachste Element des Periodensystems. Es besteht als Protium nur aus einem Proton und einem Elektron und liegt üblicherweise molekular als H₂ vor. Wasserstoff ist hochentzündlich und kann in Verbindung mit Sauerstoff explosiv reagieren.

Wasserstoff hat aufgrund seiner chemischen Eigenschaften so viel Energie, weil es das leichteste Element im Periodensystem ist und eine sehr hohe Energiedichte aufweist. Wasserstoff ist ein Element, das sich in der Regel nicht in reiner Form in der Natur findet, sondern in Verbindungen mit anderen Elementen wie Sauerstoff, Kohlenstoff oder Stickstoff vorliegt. Um Wasserstoff zu gewinnen, muss es durch chemische Reaktionen oder Elektrolyse aus Wasser oder anderen Quellen extrahiert werden.

Viel Energie rein durch Reaktion mit Sauerstoff

Die hohe Energie von Wasserstoff kommt hauptsächlich von der Tatsache, dass es bei der Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser verbrennt und dabei viel Energie in Form von Wärme und elektrischer Energie freisetzt. Diese Energie kann durch Wasserstoff Brennstoffzellen genutzt werden, um Elektromotoren anzutreiben.

Reines Wasser / Wasserdampf als Abfallprodukt

Ein weiterer Vorteil von Wasserstoff als Energieträger ist, dass bei seiner Verbrennung oder Reaktion mit Sauerstoff kein schädliches Kohlendioxid ausgestoßen wird, sondern nur Wasser und Wasserdampf. Dies macht Wasserstoff zu einer sehr umweltfreundlichen Energiequelle, wenn er aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird.

Wie funktioniert ein Wasserstoffauto mit einer Brennstoffzelle?

Ein Wasserstoffmotor wird von einer Wasserstoff Brennstoffzelle angetrieben. Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in Wasser und elektrische Energie um, die dann den Elektromotor des Fahrzeugs antreibt. Die chemische Reaktion findet in der Brennstoffzelle statt, die aus mehreren übereinander gestapelten Zellen besteht.

In einer Brennstoffzelle wird der Wasserstoff an der Anode (positiver Pol +) durch Elektrolyse in positive Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen gespalten. Die Protonen durchqueren die Membran der Brennstoffzelle und wandern zur Kathode (negativer Pol -), während die Elektronen durch einen externen Stromkreislauf zur Kathode fließen und dabei elektrischen Strom erzeugen.

An der Kathode trifft der Wasserstoff auf den Sauerstoff und es kommt zur chemischen Reaktion, bei der Wasser und Wärme freigesetzt werden. Diese Reaktion erzeugt auch den nötigen Strom, um den Elektromotor des Fahrzeugs anzutreiben.

Die ersten Wasserstoffautos

Das erste Wasserstoffauto wurde von General Motors produziert und war der GM Electrovan. Es handelte sich um einen experimentellen Prototyp, der im Jahr 1966 entwickelt und hergestellt wurde. Der GM Electrovan verwendete Brennstoffzellen, um Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität umzuwandeln und so den Elektromotor des Fahrzeugs anzutreiben. Der Electrovan hatte eine Reichweite von etwa stolzen 200 Kilometern und eine Höchstgeschwindigkeit von rund 105 km/h.

Obwohl der GM Electrovan das erste Wasserstoffauto war, blieb es ein experimentelles Fahrzeug und es wurden nur wenige Stück gebaut. Es dauerte noch viele Jahrzehnte, bis die Technologie der Brennstoffzellen und Wasserstoffautos ausgereift und marktreif wurde, so wie es heute der Fall ist.

Das erste „moderne“ Wasserstoffauto: Toyota Mirai (Start: 2014)

Das erste „moderne“ Wasserstoffauto auf dem Markt war der Toyota Mirai, der von Toyota produziert und im Dezember 2014 in Japan eingeführt wurde. Der Mirai verwendet eine Brennstoffzelle, um Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität umzuwandeln und den Elektromotor des Fahrzeugs anzutreiben. Im Gegensatz zu den früheren experimentellen Wasserstoffautos hat der Toyota Mirai eine praktische Reichweite und ist für den alltäglichen Einsatz konzipiert.

Seit seiner Einführung hat Toyota den Mirai weltweit vermarktet und ist einer der führenden Hersteller von Wasserstoffautos. Der Mirai hat auch andere Autohersteller dazu inspiriert, ihre eigenen Wasserstoffautos zu entwickeln und auf den Markt zu bringen.

Honda folgt im Jahr 2016

Honda produziert den Honda Clarity Fuel Cell, der seit dem Jahr 2016 in Kalifornien und Japan erhältlich ist. Dann tut sich diesbezüglich einmal zwei Jahre nicht viel, bis zum Jahr 2018.

Hyundai, Mercedes-Benz und BMW folgen

Hyundai und Mercedes-Benz folgen offiziell im Jahr 2018 dem Wasserstoff-Trend. Hyundai produziert den Hyundai Nexo, der in einigen Ländern erhältlich ist und Mercedes-Benz punktet mit dem Mercedes-Benz GLC F-CELL, der in ausgewählten europäischen Ländern erhältlich ist. BMW produziert nun auch seit dem Jahr 2022 den BMW iX5 Hydrogen, der derzeit in einer begrenzten Anzahl von Ländern getestet wird.

Es gibt auch andere Unternehmen, die Wasserstoffautos produzieren oder in der Entwicklung haben, darunter Audi, General Motors und Ford.