Grundlagen über Wasserstoff-Fahrzeuge

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Grundlagen über Wasserstoff-Fahrzeuge Zunächst muss geklärt werden, worum es sich bei Wasserstoff (H2) eigentlich handelt, denn Wasserstoff ist kein Primärenergieträger wie Benzin, Diesel, Erdgas oder Biodiesel. Er wird zwar gerne als Kraftstoff der Zukunft bezeichnet, aber er ist kein Brennstoff, der abgebaut, gefördert oder raffiniert werden kann, wie es bei anderen Energieträgern der Fall ist. Wasserstoff liegt in der Natur kaum in elementarer Form vor, sondern er muss durch Energiezufuhr erst einmal erzeugt werden und dient dann als Energiespeicher.

Wie entsteht Wasserstoff?

Für die H2-Herstellung bieten sich momentan zwei Verfahren an: die Reformierung von Erdgas sowie die Elektrolyse von Wasser. Bei der Reformierung können alle fossilen Kraftstoffe eingesetzt werden, die über einen ausreichend hohen Prozentsatz an H2-Molekülen verfügen (z. B. Erdgas, Methanol, Biogas). Am weitesten verbreitet ist die Erdgasreformierung, die derzeit zu über 50 % für die Wasserstofferzeugung verantwortlich ist und einen Wirkungsgrad von über 80 % aufweist. Gemeinsam mit heißem Wasserdampf wird dabei aus dem eingesetzten Energieträger ein wasserstoffreiches Gasgemisch erzeugt. Wird auf diese Weise erzeugter Wasserstoff im Kfz-Bereich eingesetzt, fiele die Umwelt- und Energiebilanz äußerst schlecht aus, da als Endprodukt auch Kohlendioxid entsteht. Sehr viel sinnvoller wäre es eigentlich, das Methangas direkt in Erdgasfahrzeugen einzusetzen. Dennoch greifen viele Entwicklungsfirmen auf dieses Herstellungsverfahren zurück, da dieser Wasserstoff vergleichsweise günstig ist und es zunächst vorrangig um Erfahrungssammlung und weniger um Bilanzen geht.

Demgegenüber arbeitet ein Elektrolyseur wirklich nachhaltig, solange der benötigte Strom aus erneuerbaren Energien kommt. Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) mit Hilfe von Elektrizität vollkommen schadstofffrei in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Wenn Sonnenenergie zur H2-Herstellung herangezogen wird, spricht man auch von der solaren Wasserstoffwirtschaft. Anstelle der Sonnenenergie können aber auch andere erneuerbare Stromquelle genutzt werden (z. B. Windenergie, Wasserkraft, Geothermie). Der Wasserstoff fungiert dabei dann als Zwischenspeicher, damit Fahrzeuge indirekt mit Wind- oder Solarenergie fahren können.

Pro & Kontra Wasserstoff

+ Unabhängigkeit vom Mineralöl
+ unbegrenzte Verfügbarkeit
+ hohe volumetrische Energiedichte
+ kaum Emissionen
+ hohe Effizienz von Brennstoffzellen

- hoher Herstellungsaufwand
- geringe gravimetrische Energiedichte
- ungewohnter Umgang
- keine Infrastruktur
- geringe Reichweite

Ungelöstes Speicherproblem

Aber wie speichert man einen Stoff, der über die kleinsten Atome aller bekannten chemischen Elemente verfügt? Da Wasserstoff bei Umgebungstemperatur gasförmig vorliegt, erscheint zunächst die Speicherung in Druckbehältern ähnlich wie bei Erdgasfahrzeugen adäquat. Problematisch ist jedoch, dass die volumentrische Energiedichte von Wasserstoff noch geringer ist als bei Methan, weswegen die Drucktanks recht groß und schwer ausfallen, selbst wenn GH2 (engl.: Gaseous Hydrogen) bis auf 350 bar verdichtet wird.

Als zweite Option dient der Einsatz von LH2-Speichern (engl.: Liquid Hydrogen). Da Wasserstoff jedoch erst bei so genannten kryogenen Temperaturen von -253 °C flüssig wird, bedarf es einer ausgefeilten Tanktechnik, um LH2 nutzen zu können. Die Kryogentanks konnten zwar innerhalb der letzten Jahre deutlich verbessert werden, aber es gibt immer noch Probleme mit der Abdampfrate. Spätestens nach zwölf Tagen muss bei Nichtbetrieb des Fahrzeugs gasförmiger Kraftstoff abgeblasen werden, um dem stetigen Druckaufbau infolge der schleichenden Erwärmung entgegenzuwirken. Von Vorteil hingegen ist das sehr viel niedrigere Druckniveau dieser Kraftstoffvariante (ca. 8 bar). Dies ermöglicht weitaus mehr Gestaltungsfreiraum bei der Wahl der Tankgeometrie, so dass das Ladevolumen der Fahrzeuge nicht so stark eingeschränkt wird. Dennoch liegt die Reichweite mit etwa 400 Kilometern noch weit unter dem heutigen Standard (GH2: ca. 250 km).

Brennstoffzellenentwicklung dauert an

Das wichtigste Element bleibt aber auch bei Wasserstofffahrzeugen der Antrieb. Hier setzen fast alle Automobilkonzerne auf neue, effiziente Energiewandler, die den Verbrennungsmotor nach und nach verdrängen könnten: Brennstoffzellen (BZ; engl.: Fuel Cell) sollen zukünftig in Verbindung mit Elektromotoren für den notwendigen Vortrieb sorgen. Deren größter Vorteil ist der vergleichsweise hohe Wirkungsgrad - der größte Nachteil ist die mangelnde Marktreife. Bis Otto Normalverbraucher mit einem brennstoffzellenbetriebenen Pkw umher fahren kann, werden voraussichtlich noch acht bis zahn Jahre vergehen. Geforscht wird an dieser Technik schon seit vielen Jahren, obwohl die Technik nach der Erfindung durch Sir William Grove im Jahr 1839 zunächst lange Zeit brach lag. Erst in den 1960er Jahren konnten diese Aggregate ihren ersten Frühling verzeichnen, als alkalische Brennstoffzellen (AFC) ihre generelle Eignung bei der Strom- und Wasserversorgung der Astronauten bei Raumflügen bewiesen. General Motors begann damals ebenfalls seine Forschungsarbeiten in diesem Bereich, was 1967 in der Vorstellung eines Elektro-Vans resultierte (s. Abb. 1). Der Transporter verfügte über ein 160 kW AFC-System, das mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff versorgt wurde und mit Hilfe des Elektromotors 32 Kilowatt leistete. Zuvor (1959) hatte die amerikanische Firma Allis-Chalmers das erste BZ-Straßenfahrzeug entwickelt: ein ebenfalls mit einer AFC angetriebener D-12-Traktor (Leistung: 15 kW, s. Abb. 1).

Lange Zeit war es dann - abgesehen von einigen Forschungsprojekten - eher ruhig in diesem Segment. Erst seit etwa 20 Jahren werden die Entwicklungsarbeiten wieder verstärkt und man kann sagen, dass mittlerweile der zweite Frühling ausgebrochen ist. Um die Jahrtausendwende gab es einen regelrechten Brennstoffzellen-Hype. Es hieß vollmundig, der elektrochemische Energiewandler würde die einhundertjährige Vorherrschaft des Verbrennungsmotors beenden. Zahlreiche Vertreter der Automobilbranche verkündeten Ende des letzten Jahrzehnts, dass die Technik bis 2004 marktreif sei. Doch es kam anders: Anfang dieses Jahrzehnts wurde der Zeitplan kleinlaut bis auf 2007 erweitert. Mittlerweile reden die Verantwortlichen bei der Kommerzialisierung über das nächste Jahrzehnt.

Die grundlegenden technischen Probleme gelten zwar als gelöst, aber neben Gewicht und Kosten, die beide noch zu hoch sind, ist auch die Zuverlässigkeit noch verbesserungswürdig. Bei der Erhöhung der Strom- und Leistungsdichte gibt es noch erheblichen Entwicklungsbedarf und auch in punkto Wasserstoffspeicherung sind die Zielvorgaben noch nicht zufrieden stellend erfüllt. Die Entwicklungsarbeiten der Autokonzerne konzentrieren sich daher vorerst auf die Konstruktion von Forschungs- und Konzeptfahrzeugen, die sich stufenweise

einer marktreifen Version annähern.

Autor: Dipl.-Ing. Sven Geitmann Leiter des Hydrogeit Verlages www.hydrogeit-verlag.de

Abb. 1: D-12-Traktor erstes BZ-Straßenfahrzeug
Quelle: National Museum of American History

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