Können Wasserstoff-Brennstoffzellen die Batterien von Elektrofahrzeugen als zukünftige Energiequelle überholen?

In der Automobilindustrie besteht ein wachsender Konsens darüber, dass die Zukunft des Landtransports im Elektroantrieb liegt. Doch als die E-Mobilität als Konzept wieder auftauchte (vergessen Sie nicht, dass zu Beginn des Automobilzeitalters Verbrennungsmotoren und Elektroautos nebeneinander existierten), gibt es eine Debatte darüber, wie der Elektromotor mit Strom versorgt werden kann. Die erste Option ist die Verwendung von Batteriepaketen an Bord des Autos – heutzutage eindeutig die beliebtere Option. Es gibt jedoch noch einen anderen Weg: die Wasserstoff-Brennstoffzelle.

Was ist eine Brennstoffzelle?

Einige bemerkten den geringen Energiegehalt der aktuellen Batterietechnologie und schlugen einen anderen Ansatz vor. Den Strom an Bord des Autos erzeugen, ohne dass schwere und sperrige Batterien erforderlich sind. Die Technologie ist nicht wirklich neu, da sie erstmals in den 60er Jahren von der NASA zur Stromerzeugung bei den Gemini- und Apollo-Missionen zum Mond eingesetzt wurde. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, in der Automobilindustrie werden jedoch fast ausschließlich Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) eingesetzt.

Wie erzeugen wir also Strom in einer Brennstoffzelle? Es ist ein relativ unkomplizierter Prozess. Die Brennstoffzelle besteht aus drei Hauptteilen. Die Anode, die Kathode und der Separator. In die Anode wird H2 aus einem Tank eingespeist. H2 besteht aus zwei Elektronen und zwei Protonen. Positiv geladene Protonen passieren den Separator, während negativ geladene Elektronen durch einen externen Stromkreis wandern und so elektrischen Strom erzeugen.

An der Kathode trifft atmosphärischer Luftsauerstoff auf die Protonen des Wasserstoffs, die zuvor den Separator passiert haben, und die Elektronen des äußeren Kreislaufs. Diese Kombination erzeugt Wasser, das dann aus dem Auspuff des Autos ausgestoßen wird. Ein Endrohr, aus dem man trinken kann!

Wasserstoffproduktion

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum, kommt aber auf der Erde nicht in freier Form vor. Das bedeutet, dass wir einen Weg finden müssen, es zu erlangen. Derzeit gibt es 3+1 Möglichkeiten, Wasserstoff herzustellen.

Der sogenannte graue Wasserstoff wird durch Dampfreformierung von Erdgas hergestellt. Erdgas wird mit sehr heißem und unter hohem Druck stehendem Wasserdampf beschossen. Bei dieser Reaktion entstehen H2 und CO2. Diese Art der Wasserstofferzeugung ist die am wenigsten umweltfreundlich.

Blauer Wasserstoff ähnelt stark dem grauen Wasserstoff, außer dass in den Produktionsprozess Systeme zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) integriert sind, die verhindern, dass das freigesetzte CO₂ in die Atmosphäre gelangt.

Der dritte Produktionsweg ist die Elektrolyse, die grünen Wasserstoff erzeugt. Diese Methode funktioniert im Gegensatz zu einer Brennstoffzelle: Ein elektrischer Strom spaltet Wassermoleküle in ihre Gasbestandteile – Wasserstoff und Sauerstoff.

Der „+1“-Ansatz ist als türkisfarbener Wasserstoff bekannt. Bei dieser Technik wird Erdgas durch ein Bad aus geschmolzenem Metall geleitet, wodurch Wasserstoff und fester Kohlenstoff entstehen. Obwohl das Konzept vielversprechend ist, wurde es noch nicht im kommerziellen Maßstab eingesetzt.

Von den bestehenden Optionen verspricht grüner Wasserstoff die größte Aussicht auf eine nachhaltige, schonende Produktion – vorausgesetzt, dass der Strom, der den Prozess antreibt, aus erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Solarenergie stammt.

Wasserstoffzustände

Es gibt zwei mögliche Zustände von Wasserstoff, die verwendet werden können. Gasförmige und flüssige Form, die beide ihre Vor- und Nachteile haben.

Da Wasserstoff das Element mit der geringsten Dichte im Universum ist, muss er für den Einsatz in einem Auto stark komprimiert werden. In aktuellen Anwendungen wird Wasserstoff auf 700 bar komprimiert. Das ist ein hoher Druck und dafür sind spezielle und teure Tanks nötig.

Die andere Alternative ist die flüssige Form. Doch um Wasserstoff zu verflüssigen, muss er auf 20 °C über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden – das sind minus 253 °C. Es liegt auf der Hand, dass wir zur Herstellung beider Formen von Wasserstoff Energie aufwenden müssen – entweder für die Superhochkompression oder für die Kühlung.

Der Vorteil der Verwendung von Wasserstoff ist jedoch enorm: 1 kg Wasserstoff transportiert 33,3 kWh Energie. Das bedeutet, dass er 167-mal mehr Energie pro kg transportiert als der fortschrittlichste aktuelle Akku!

Batterien vs. Wasserstoff

Was ist also der bevorzugte Weg? Ihren Strom mitnehmen oder an Bord des Autos produzieren? Die Automobilindustrie scheint derzeit aus mehreren Gründen den Batteriepacks den Vorzug zu geben.

Zunächst einmal liegt der Wirkungsgrad von PEMFC bei etwa 60 %. Die Dampfreformierung von Erdgas hat einen Wirkungsgrad von 70 %, während die Elektrolyse einen Wirkungsgrad von 75 % hat. Die Komprimierung von Wasserstoff hat einen Wirkungsgrad von etwa 89 %, während die Verflüssigung einen Wirkungsgrad von etwa 66 % hat. In der folgenden Tabelle sind alle Verluste zusammengefasst und zwischen den Batteriepaketen und Wasserstoff verglichen. Für Wasserstoff wurden die effizientesten Szenarien verwendet.

Die aus der vorstehenden Tabelle abgeleiteten Daten zeigen, dass die Brennstoffzellentechnologie ein Effizienzprofil liefert, das nahezu mit dem von Benzinfahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE) identisch ist. Aus heutiger Sicht bietet der Einsatz von Brennstoffzellen in Pkw kaum praktische Vorteile. Daher bevorzugen die meisten Autohersteller trotz der inhärenten Einschränkungen den Batteriepack-Ansatz.

Hervorzuheben ist auch, dass die Betankung mit Wasserstoff für das Zurücklegen einer entsprechenden Strecke sieben- bis achtmal höhere Kosten verursacht als das Aufladen eines Elektrofahrzeugs zu Hause. Während Wasserstoff aufgrund seiner außergewöhnlichen Energiedichte möglicherweise eine Nische im Schwerlastverkehr finden könnte, hängt dieses Potenzial von der Entwicklung nachhaltiger Methoden zu seiner Herstellung ab.