Wasserstoffmotor zusammengefasst
Wasserstoffantriebe werden auch als Brennstoffzellenantriebe bezeichnet. Sie gelten als emissionsfreie Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, da sie lediglich Wasser ausstoßen. Bislang sind Wasserstoff Autos jedoch nicht klimaneutral, denn die Herstellung von Wasserstoff ist sehr energieintensiv. Von einer klimafreundlichen Produktion von Wasserstoff kann erst gesprochen werden, wenn diese mithilfe von Erneuerbaren Energien erfolgt. Mit diesem Beitrag möchten wir Sie mit der Funktionsweise des Wasserstoffverbrennungsmotors vertraut machen.
Wie funktioniert ein Wasserstoffmotor?
Was allgemein als Wasserstoffauto bezeichnet wird, basiert eigentlich auf demselben Antriebsprinzip wie ein Elektrofahrzeug. Allerdings wird die Batterie im Gegensatz zu gängigen E-Autos nur als Kurzzeitspeicher genutzt. Dieser wird vor allem bei erhöhtem Energiebedarf in Beschleunigungsphasen benötigt. Des Weiteren wird die Batterie eingesetzt, um Bewegungsenergie zu speichern, welche durch das Abbremsen des Fahrzeugs freigesetzt wird.
Die eigentliche Energie wird in der Brennstoffzelle mittels umgekehrter Elektrolyse gewonnen. Die im Auto eingebaute Brennstoffzelle erzeugt Strom aus Wasserstoff, indem Wasserstoff und Sauerstoff miteinander zu Wasser reagieren und sowohl Wärme als auch elektrische Energie freisetzen. Dabei ist die Technologie der Brennstoffzelle sehr leistungsfähig und erreicht einen Wirkungsgrad von mehr als sechzig Prozent. Verglichen mit einer Effizienz von 25 bis 35 Prozent bei regulären Benzin-PKW erweist sich der Gesamtwirkungsgrad eines Wasserstoffautos als erheblich effektiver.
Wasserstoffmotor im Detail
Der Kern einer Brennstoffzelle setzt sich aus zwei Elektroden zusammen. Diese heißen Anode und Kathode. Sie sind voneinander durch einen Elektrolyten (Membran) getrennt. Für Gase ist diese Membran nicht durchlässig. Wasserstoffautos verfügen über PEM-Brennstoffzellen. PEM steht für Polymer-Elektrolyt-Membran. Diese sind auf beiden Seiten mit einer Schicht aus Kohlenstoff und einem Katalysator beschichtet. In den meisten Fällen kommen hier Platin und Platingemische oder auch Nickel infrage. Bei einer Elektrolyse wird Wasser unter Einwirkung von elektrischer Ladung in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Die Brennstoffzelle hingegen kehrt den Vorgang um und mischt die beiden Elemente zu Wasser.
Was ist umgekehrte Elektrolyse?
Dieser Vorgang geschieht durch eine Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff, welche in der Membran erfolgt. Wasserstoff wird vom Tank zur Anode geleitet, während der Kathode kontinuierlich Sauerstoff zugeführt wird. In der Folge spalten sich die Wasserstoffmoleküle in Ionen und Elektronen auf. Die Ionen gelangen nun durch die Membran zum Sauerstoff an die Kathode und reagieren gemeinsam zu Wasser. Für die Wasserstoffelektronen bleibt die Membran jedoch undurchdringlich. Sie werden über eine separate Leitung von der Anode zur Kathode geleitet. Dadurch entsteht elektrischer Strom, der sowohl den Elektromotor des Autos antreibt, als auch die Batterie lädt. Die Umkehrung der Elektrolyse innerhalb einer Brennstoffzelle produziert also Wärmeenergie, Strom und Wasser.
Vorteile von kalter Verbrennung
Da Wasserstoff und Sauerstoff auf natürlichem Weg miteinander reagieren, wird dieser Prozess auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet. Ein wichtiger Aspekt bei der kalten Verbrennung ist das Ausbleiben unerwünschter Rückstände wie Stickoxiden. Aktuell werden fast ausschließlich Brennstoffzellen verbaut, die bei Temperaturen bis 100° Celsius arbeiten.
Was ist Wasserstoff und wozu wird er benötigt?
Wasserstoff wird als das älteste Element im Universum bezeichnet. In seiner häufigsten Form, dem Isotop Protium, enthält er nur ein Proton und ein Elektron. Unter gewöhnlichen Bedingungen ist Wasserstoff geruch- und farblos und leichter als Luft. In der Natur kommt Wasserstoff ausschließlich in Verbindung mit anderen chemischen Elementen vor.
Wasserstoff gelangt in vielen unterschiedlichen Industriezweigen zum Einsatz. In der Glasfaserproduktion wird er benötigt, um rußfreie Flammen zu bewerkstelligen. Die Lebensmittelindustrie setzt Wasserstoff bei der Herstellung von Margarine ein. Zudem findet Wasserstoff in folgenden Bereichen Anwendung:
- Chemische Industrie
- Herstellung von Metallen
- Raffinierung von Mineralöl
- Produktion von Düngemitteln
- Herstellung synthetischer Kraftstoffe
- Stromspeicherung und Rückverstromung
Wie wird Wasserstoff hergestellt?
Wasserstoff wird durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen. Bislang ist der für die Elektrolyse nötige Energiebedarf zu hoch und nicht aus Regenerativer Energie zu leisten. Nur etwa 2 Prozent des gesamten Wasserstoffbedarfs weltweit werden unter Einsatz erneuerbarer Energien erzeugt. Hauptsächliche Energieträger zur Produktion von Wasserstoff sind Kohle, Erdöl und Erdgas. Allerdings entstehen 40 Prozent der benötigten Wasserstoffmenge als Abfallprodukte bei Prozessen wie Erdölraffinierung oder Erdgassynthese. Der bislang ökonomisch sinnvollste Weg zur Gewinnung von Wasserstoff erfolgt mithilfe von Dampfreformierung. Diese ist ein chemisches Verfahren, bei dem Wasserdampf und Kohlenstoffmonoxid miteinander reagieren und dabei Wasserstoff freisetzen.
Gibt es in Deutschland Wasserstofftankstellen?
Da die Brennstoffzelle bislang noch ein Schattendasein unter den E-Autos fristet, existieren in Europa derzeit nur 130 Wasserstofftankstellen, wovon 91 in der Bundesrepublik zu finden sind. Eine Ausführliche Liste mit Karte finden Sie auf dem H2 Portal. Der Tankvorgang selbst dauert kaum länger als das Betanken mit gewöhnlichen Kraftstoffen, was einen enormen Vorteil gegenüber langen Ladezeiten bei E-Autos darstellt. Prinzipiell gilt Wasserstoff als hervorragender Energieträger und kann dauerhaft gelagert werden. Allerdings stellt die geringe Dichte des Gases hohe Anforderung an dessen Komprimierung. Die Tanks von Wasserstoffautos nehmen zwischen 4 und 5 Kilogramm Wasserstoff auf, bei einem Preis von 9,50 Euro pro Kilogramm. Die Reichweite eines durchschnittlichen Brennstoffzellenautos beträgt 500 Kilometer.
Wie wird ein Wasserstoffauto betankt?
Wasserstofftanks unterscheiden sich deutlich von Tanks für fossile Kraftstoffe. Denn Wasserstoff wird entweder bei extremer Kälte (minus 253° Celsius) flüssig gespeichert oder aber unter hohem Druck von 350 bis 700 bar in gasförmigem Zustand transportiert. Aufgrund der hohen Energiedichte sind spezielle doppelwandige, superisolierte Speicher nötig. Zwischen den beiden Tankwänden befindet sich eine in ein Vakuum eingefügte Isolierschicht, die sowohl vor Temperaturschwankungen als auch Abdampfverlusten schützt.
Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle
Vorteile
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Wasserstoff gilt als erneuerbar und auch als sauberster Energieträger, der derzeit zur Verfügung steht. Bei seiner Nutzung in der Brennstoffzelle entstehen keinerlei Abgase, sondern Wasser. |
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Wasserstoff ist deutlich leistungsfähiger als fossile Kraftstoffe. Die Effizienz der Brennstoffzelle liegt dreimal höher als diejenige konventioneller Brennstoffe wie Diesel und Benzin. |
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Anders als andere Elektrofahrzeuge können Brennstoffzellenautos innerhalb von wenigen Minuten aufgetankt werden. |
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Brennstoffzellen erzeugen keinerlei Lärmbelästigung, wie dies beispielsweise bei der Windkraft der Fall ist. |
Nachteile
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Obwohl Wasserstoff das häufigste Element in der Natur ist, kommt es nur in Verbindung mit anderen Elementen vor und muss daher unter hohem Energieaufwand von diesen getrennt werden. Die gängigen Verfahren zur Extraktion von Wasserstoff verbrauchen mehr Energie als der gewonnene Wasserstoff anschließend liefert. |
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Da für die Produktion von Brennstoffzellen wertvolle Materialien wie Platin erforderlich sind, ist die Anschaffung eines Wasserstoffautos oft mit hohen Kosten verbunden. |
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Die Wasserstoffspeicherung ist ebenfalls noch mit hohen Ausgaben verbunden. Sowohl die Druckerzeugung als auch das Kühlverfahren sind Prozesse, die einen großen technischen Aufwand erfordern. Darüber hinaus kann Wasserstoff weder durch Leitungen gepumpt, noch auf LKW verladen werden. |
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Zurzeit ist die Wasserstoffinfrastruktur nicht ausgereift und daher für Autofahrer wenig zuverlässig und kaum praktikabel. Die Umrüstung auf neue Energieträger erfordert Zeit und hohe Investitionen. |
Fazit zum Wasserstoffmotor
Die Technik der Brennstoffzelle gilt als besonders effizient und leistungsfähig. Das Element Wasserstoff ist in der Natur reichlich vorhanden, muss allerdings in energieintensiven Verfahren aus chemischen Verbindungen extrahiert werden. Geschieht dies nicht unter Nutzung von erneuerbaren Energien, kann die Brennstoffzelle nicht als klimaneutral bezeichnet werden. Es bleibt abzuwarten, ob neue Methoden der Wasserstoffgewinnung der Brennstoffzelle auf dem Automarkt zum Durchbruch verhelfen.
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