Brennstoffzellenfahrzeuge


Brennstoffzellenfahrzeuge
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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.

Inhaltsverzeichnis

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 zugute 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 Voraussetzung 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 von 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 einem 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.

Funktionsprinzip

Eine Brennstoffzelle kann chemisch gebundene Energie mit einem Wirkungsgrad von 38 -48 Prozent) 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.

Energiekreislauf beim Wasserstoffantrieb

An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, das heißt, ihm werden Elektronen entzogen. Die Protonen durchdringen die Elektrolytmembran und fließen zu einer Kathode. Die Elektrolytmembran ist nur für die Wasserstoffprotonen durchlässig, das heißt, dass die Elektronen gezwungen werden einen Umweg über den Stromkreislauf zu nehmen. An der Kathode wird der mit dem Luftstrom herab geführte Sauerstoff reduziert, das heißt, Elektronen (die vorher dem Wasserstoff entzogen wurden) werden hinzugefügt. Danach treffen die negativ geladenen Sauerstoffionen auf die Protonen und reagieren zu Wasser. Damit wird der Stromkreislauf geschlossen. Gleichzeitig wird Wärme frei, die im Fahrzeug z.B. im Winter zu Heizzwecken genutzt werden kann.

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.

Speicherung von Wasserstoff

Momentan wird noch an Möglichkeiten geforscht, Wasserstoff effektiv und sicher zu speichern, damit eine möglichst große Reichweite garantiert wird. Für gasförmigen Wasserstoff sind große Hochdruckzylinder notwendig. Verflüssigter Wasserstoff beansprucht weniger Volumen, muss dafür aber vorher auf – 250°C gekühlt werden.

Eine im Moment erprobte Möglichkeit ist beispielsweise die Verwendung von Metallhybriden. Sie setzt darauf, dass bestimmte Metallhybrid- Legierungen durch eine thermische Behandlung Wasserstoff aufnehmen und wieder freisetzen können. Es wird also Wasserstoff durch Druck in Metallpulver eingelagert und durch Wärmezufuhr wieder freigegeben. Dieses Verfahren bietet Vorteile in der volumenbezogenen Speicherdichte. Nachteilig sind jedoch die hohen Materialkosten und dass Hybridspeicher nur ca. 2 % ihres Eigengewichts an Wasserstoff aufnehmen und somit sehr schwer für Personenkraftwagen sind, denn diese Aggregate wiegen rund 300 kg. Ziel in der Forschung ist es, die gewichtsbezogenen Speicherdichten durch den Einsatz neuer Legierungen zu steigern.

Neue Perspektiven zeigt ein noch sehr junges Forschungsthema: die Speicherung von Wasserstoff in Kohlenstoff- Nano- Fasern. Kohlenstoff- Nano- Fasern bestehen aus übereinander gestapelten Graphitebenen, in die der Wasserstoff eingebettet wird. Trotz hoch geschätzten gewichtsbezogenen Speicherdichten (8- 20 %) bedarf dieser Ansatz noch eingehender wissenschaftlicher Untersuchungen. Momentan begnügt man sich mit einer einfacheren Methode: man speichert Wasserstoff als komprimiertes Gas.

Da Wasserstoff schwer zu transportieren und zu speichern ist, besteht eine mögliche Lösung darin, Bioethanol für den Transport zu nutzen. Das Ethanol wird dann katalytisch in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid getrennt und der Wasserstoff wird in eine Brennstoffzelle übertragen. Doch auch bei diesem Verfahren zeigen sich einige Probleme, wie z.B. die Entstehung von giftigem Kohlenmonoxid bei der Umwandlung von Ethanol zu Wasserstoff. Dieses Verfahren ist also noch im Forschungsprozess und nur eine mögliche Lösung. Ihre Umsetzung bleibt fraglich.

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.[1]

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.[2] Forscher am Forschungszentrum Karlsruhe sehen deshalb für die Brennstoffzelle, schon wegen dieses geringen Wirkungsgrades, keine Zukunft.[3] 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[4]

Brennstoffzellen-Konzeptfahrzeuge

Personenkraftwagen

Honda FCX

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

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

Nutzfahrzeuge

Schiffe/Boote

Weblinks

Referenzen

  1. derwesten.de: Mercedes überarbeitet B-Klasse - Brennstoffzelle folgt 2010
  2. Wasserstoff: Der Kraftstoff der Zukunft? - Telepolis -Artikel
  3. forschung-zentrum-karlsruhe: Wasserstoff löst keine Energieprobleme
  4. Bewertung alternativer Treibstoffe und Antriebe (Stand: 1. September 2006)
  5. http://www.welt.de/wirtschaft/article2109199/Aus_diesem_Auto_kommt_nur_noch_Wasserdampf.html
  6. New Holland NH2 Wasserstoff-Traktor
  7. New Holland präsentiert Wasserstoff-Traktor

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