Schlüsseltechnologien für Elektrofahrzeuge: Die Wasserstoff-Brennstoffzellen

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Der Siegeszug des batterieelektrischen Autos scheint zumindest in Deutschland als beschlossene Sache angesehen zu werden. Doch eine Frage bleibt offen: Könnten Technologien wie Wasserstoff die BEVs ersetzen, noch bevor jene konventionelle Benzin- und Dieselfahrzeuge verdrängt haben?

Unter den Alternativen zu den herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben die BEVs (Battery Electric Vehicle) in den Medien bislang die meiste Aufmerksamkeit erregt. Das ist zum Teil auch dem großen Rummel um jede Tesla-Neuvorstellung zu zuschreiben. Neben den BEVs steht jedoch ein weiterer ernstzunehmender Konkurrent für den Ersatz von Benzin- und Dieselmotoren bereit: Wasserstoff.

Wasserstoff ist das Element, das auf der Erde am häufigsten vorkommt. Das macht ihn im Prinzip zu einer der wichtigsten Quellen für preiswerte Energie. Zudem ist er sauber: Bei seiner Verbrennung entsteht lediglich Wasser. Er ist jedoch leicht entflammbar. Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge verbrennen den Wasserstoff nicht so, wie man Benzin verbrennt, um einen Kolben anzutreiben. Stattdessen verfügen sie über eine Brennstoffzelle, die den Wasserstoff zur Stromerzeugung nutzt. Fahrzeuge mit dieser Technologie werden als Fuel Cell Electric Vehicle(FCEVs) bezeichnet.

Die Brennstoffzelle erzeugt aus dem Wasserstoff mittels umgekehrter Elektrolyse Elektrizität. Dabei reagiert der Wasserstoff mit einem Katalysator, typischerweise Platin, und erzeugt dabei die gewünschte Elektrizität sowie Abwärme und Wasser. Für den Antrieb eines Fahrzeugs müssen mehrere Brennstoffzellen kombiniert werden. Sobald die umgekehrte Elektrolyse beginnt, kann überschüssige Energie in einer Batterie gespeichert werden, die allerdings kleiner ist als die Antriebsbatterien in BEVs. Diese Batterie kann auch zur Rückgewinnung und Speicherung der beim Bremsen erzeugten Energie verwendet werden.

Die Speicherung

Ein kürzlich erzielter Durchbruch in der Gasspeichertechnologie könnte es nun einfacher und billiger machen, Wasserstoff in einem Fahrzeug zu speichern. Normalerweise wird das Gas bei hohem Druck (etwa 700 bar) gespeichert, aber Forscher der Northwestern University in Evanston (USA) glauben, nun eine Lösung parat zu haben, die im Prinzip wie ein Schwamm funktioniert und große Mengen Wasserstoff bei wesentlich niedrigerem Druck speichern kann. Das hochporöse Material NU-1501 wird als metallorganisches Gerüst beschrieben, das Wasserstoff und andere Gase potenziell bei viel niedrigeren Drücken speichern kann, wodurch die erforderliche Tankgröße reduziert wird. Wenn dieses Material in der Automobilindustrie einsetzbar sein soll, muss es jedoch von den Automobilherstellern unterstützt werden.

Der Sicherheits-Aspekt

Wasserstoff ist sehr leicht entflammbar, doch Experten aus der Automobilindustrie betonen, dass dies auch für Benzin gilt. Sie weisen außerdem darauf hin, dass sich Wasserstoff bei einem Leck im Tank schnell in der Luft verflüchtigt, wohingegen ausgelaufenes Benzin weiterhin als leicht entflammbare Flüssigkeit auf dem Boden verbleibt. Eine Untersuchung der Universität Miami verglich die Schwere eines Kraftstofflecks und einer Zündung sowohl bei einem Benzin- als auch bei einem Wasserstofffahrzeug und kam zu dem Schluss, dass „der Schaden am Benzinfahrzeug schwerwiegend war, während das wasserstoffbetriebene Fahrzeug unbeschädigt war“.

Hyundai hat einige der Tests, die es an seinen Wasserstofftanks durchgeführt hat, dargelegt und erklärt, dass sie einem Fall aus 1,8 m Höhe standhielten. Das Unternehmen erläuterte weiter, dass der Wasserstoff aus einem Tank, der entweder von einer Kugel oder bei einem Heckaufpralltest perforiert bzw. beschädigt wurde, schnell in die Atmosphäre entwichen ist, ohne eine Explosion zu verursachen. Das Hyundai-Modell Nexo FCEV hat bei unabhängigen Crash-Sicherheitstests sehr gut abgeschnitten.

Die Reichweite

Aktuelle FCEV-Modelle können beeindruckende Reichweiten erzielen. Hyundai gibt an, dass beispielsweise der Nexo mit einer einzigen Tankfüllung eine Reichweite von über 660 km erreichen kann und dabei von einem 120-kW-Elektromotor mit einem Drehmoment von 395 Nm angetrieben wird. Und wie konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor können auch FCEVs innerhalb von wenigen Minuten betankt werden. Dies führt zu einem Fahrerlebnis, das der bislang gewohnten Fahrzeugnutzung sehr nahe kommt, wobei durch die Nutzung des Fahrzeugs selbst kein Kohlendioxid (CO2) erzeugt wird.

Die Herausforderungen

Bei der weiteren Verbreitung gibt es derzeit drei große Herausforderungen, mit denen FCEVs konfrontiert sind: Zum einen ist es die Art und Weise, wie der Wasserstoff erzeugt wird. Bei der so genannten Dampfreformierung werden aus Methan zahlreiche Gase erzeugt, die mit der globalen Erwärmung in Zusammenhang stehen. Alternative Methoden wie die Elektrolyse können jedoch sehr kohlenstoffarm sein, sofern der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt.

Die zweite Herausforderung ist die Betankung: Solange es keine größere Verbreitung von FCEVs gibt, sind scheinbar nur wenige Unternehmen bereit, die erheblichen Investitionen zu tätigen, die für den Aufbau einer flächendeckenden Betankungsinfrastruktur erforderlich sind. Und solange die Betankungsmöglichkeiten begrenzt bleiben, sind FCEVs für die Fahrer natürlich weniger attraktiv.

Die dritte Herausforderung ist zumindest zum gegenwärtigen Zeitpunkt der Preis: FCEVs beginnen derzeit bei etwa 60.000 €, während BEVs ab etwa 21.000 € erhältlich sind. Ohne die Nachfrage nach FCEVs erreicht das Angebotsvolumen nicht ein Niveau, das zu sinkenden Preisen führt.

Der Ausbau des Tankstellennetzes

Um einen Teil dieses „Henne-oder-Ei-Problems“ zu lösen, unterstützen Länder wie Deutschland die koordinierte Einführung von Wasserstofftankstellen. Traditionelle Energieversorger und automobile Schwergewichte haben hierfür das Unternehmen H2 MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG gegründet. Das erste Ziel dieses Unternehmens ist der Betrieb von 100 Wasserstoff-Stationen im Laufe des Jahres 2020. Mit dem Hochlauf der Fahrzeugzahlen folgen dann noch weitere 300. Eine Studie des Forschungszentrums Jülich zeigt außerdem, dass die Implementierung der Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur für FCEVs 11 Milliarden Euro weniger kostet als die Infrastruktur zum Laden von BEVs.

Da Wasserstoff im Überfluss vorhanden ist und die Kosten für seine Umwandlung in Elektrizität sinken, ergeben sich neue Möglichkeiten für den Automotivebereich. Wie wir bereits gesehen haben, ist für DC-Schnellladestationen mit einer Leistung von 350 kW für BEVs eine anspruchsvolle elektrische Infrastruktur erforderlich. Die Kosten dafür können vor allem in abgelegenen Regionen unerschwinglich sein. Unternehmen wie AFC Energy sehen dies als eine Gelegenheit, wasserstoffbetriebene Ladestationen für BEVs zu schaffen. Das CH2ARGE-System des Unternehmens könnte als Ladelösung an bestimmten Orten installiert werden oder als Versuchsplattform dienen, um zu ermitteln, ob an einem Ort genügend Nachfrage besteht, die umfangreiche Investitionen in die elektrische Infrastruktur rechtfertigt.

Werden FCEVs die BEVs verdrängen?

FCEVs bieten ein Fahrerlebnis, das dem von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor näher kommt als BEVs. Ihre Reichweite und Betankungszeit sind vergleichbar mit konventionellen Benzin- oder Dieselmotoren und ihr Einsatz führt zu geringeren Kohlenstoffemissionen als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor – vorausgesetzt, der Wasserstoff wird durch Elektrolyse und erneuerbare Energie erzeugt. Da sie im Kern elektrisch betrieben werden, bieten sie ähnliche Fahreigenschaften wie BEVs und können von vielen Fortschritten in der BEV-Motor- und Elektroniktechnologie profitieren. Aber welche Technologie wird gewinnen? Um das herauszufinden, müssen der Blick in die Zukunft gerichtet werden – und genau das passiert im sechsten und letzten Teil der Serie.

Teil 1: Die Elektromobilität und ihre Herausforderungen

Teil 2: Die Akku-Packs

Teil 3: Der elektrische Antriebsstrang

Teil 4: Die Ladekonzepte

Teil 6: Ein Ausblick auf das Jahr 2030

* Mark Patrick ist für Mouser Electronics als Technical Marketing Manager tätig.

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