Brennstoffzellenfahrzeug

Brennstoffzellenfahrzeuge sind Transportmittel mit Elektroantrieb, bei denen die benötigte Energie durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird. Als Energieträger wird Wasserstoff oder Methanol verwendet. Derzeit sind fast ausschließlich Automobile und Omnibusse mit Brennstoffzellen in Betrieb, es werden jedoch auch Brennstoffzellen in U-Booten und Segelschiffen verbaut.

Diese Antriebsform ist noch experimentell. Sie steht in der aktuellen Entwicklung in Konkurrenz zu akkumulatorgespeisten Elektroantrieben. Probleme mit der Reichweite und der Wirtschaftlichkeit der Akkumulatoren (Preis und Lebensdauer) führten dazu, dass derzeit die Brennstoffzelle von den Automobilherstellern als Zukunftstechnologie favorisiert wird. Es wird hauptsächlich Wasserstoff als Energieträger erprobt. Die aus einem in der Breite eingeführten Wasserstoffantrieb resultierenden Systemaspekte wie beispielsweise der Aufbau einer Infrastruktur für die Herstellung, Speicherung und Betankung sind im Wesentlichen noch offen.

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Funktionsprinzip

Der Vorteil einer Brennstoffzelle besteht darin, dass sie die chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. Dabei werden am Anwendungsort hohe Wirkungsgrade von bis zu 80 % erzielt. Der so gewonnene Strom kann in kleinen Elektromotoren, oft ohne Getriebe direkt an zwei oder vier Rädern montiert (Radnabenmotor), in Bewegungsenergie umgewandelt werden, wie bei anderen Elektromobilen auch. Damit sind derzeit in den Konzeptfahrzeugen Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 145 km/h und Reichweiten mit einer Tankfüllung von bis zu 450 km möglich. Die verwendeten Brennstoffzellen arbeiten mit Betriebsdrücken zwischen 0,3–2,0 bar.

Treibstoffe und Tank

Heute wird eindeutig die Mitnahme von Wasserstoff in Tanks bevorzugt, entweder als Druckgas (700 bar CH₂) oder in tiefkalter flüssiger Form (LH₂) bei −253 °C. Die Dichte von Druckgas kommt dabei schon zu 75 % an die Dichte von flüssigem Wasserstoff heran. Für die Kompression auf 700 bar muss etwa 10 % der an Wasserstoff gebundenen Energie aufgewendet werden, bei der Verflüssigung sind 20–30 % aufzuwenden. Die meisten Automobilfirmen bevorzugen inzwischen 700 bar 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. Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) können den flüssigen Treibstoff Methanol jedoch unmittelbar nutzen. DMFCs haben jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad und besitzen zudem den Nachteil, dass das Methanol giftig ist.

Betankungssysteme mit flüssigen Treibstoffen und einem Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff haben sich jedoch nicht bewährt, sodass letztendlich zum Fahren wohl doch der Wasserstoff aus mitgeführten Tanks bereitgestellt werden wird.

Ausblick

Derzeit wird mit Hilfe von Prototypen und Kleinserienfahrzeugen die Praxistauglichkeit dieser Fahrzeuge getestet. Obwohl die Entwicklung solcher Fahrzeuge sehr kostspielig ist, bemühen sich alle Automobilkonzerne darum, das beste Fahrzeug-Gesamtkonzept zu entwickeln. Dabei haben die Entwicklungsingenieure hier viel Handlungsspielraum, weil bei Elektrofahrzeugen übliche Bauteile wie Getriebe wegfallen und der Motor platzsparend in den Radnaben untergebracht werden kann. Somit lässt diese Technik auch eine große Designvielfalt zu. 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 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 und selbst bei hohen Drehzahlen nicht schwächer wird.

Wann der Brennstoffzellenantrieb in Deutschland erstmals serienmäßig eingesetzt wird, ist noch unklar. In Japan und den USA ist der Honda FCX voraussichtlich ab 2009 erhältlich.

Brennstoffzellen-Konzeptfahrzeuge

Personenkraftwagen

Audi

• Audi A2H2; 2004

BMW

• BMW 750hl; 2002

DaimlerChrysler

• Mercedes-Benz F-Cell; 2003
• Mercedes-Benz F600 Hygenius; 2005
• Mercedes-Benz NECAR; 1994-2002
• Chrysler Natrium; 2001
• Jeep Commander II|Jeep Commander II; 2000
• Jeep Treo

Fiat

• Fiat Seicento Elettra H2 Fuel Cell
• Fiat Seicento Hydrogen
• Fiat Panda Hydrogen; 2005

Ford

• Ford Focus FCV Hybrid

General Motors

• GM/Opel HydroGen
• GM HydroGen4
• GM HyWire
• GM Sequel

Honda

• Honda FCX 

Hyundai

• Hyundai Santa Fé FCEV
• Hyundai Tucson FCEV

Morgan

• Morgan LifeCar

Nissan

• Nissan X-Trail FCHV

Peugeot

• Peugeot Quark

Toyota

• Toyota FCHV; 2001
• Toyota Fine-N; 2003

Volkswagen

• VW Bora Hy-motion; 2000
• VW Bora Hy-power; 2002
• VW Touran Hy-Motion; 2004

Nutzfahrzeuge

DaimlerChrysler

• Mercedes-Benz Sprinter mit Brennstoffzelle
• Mercedes-Benz NEBUS; 1997 (O405N2-Bus mit Brennstoffzelle)
• Mercedes-Benz Citaro fuel CellBus; 2002 (Citaro-Bus mit Brennstoffzelle)

Van Hool, UTC-Fuel Cell, ISE Corporation

• Van Hool newA330 Fuel Cell; 2005 (newA330-Bus mit Brennstoffzelle)

Schiffe/Boote

• Fahrgastschiffe: Hamburger Fahrgastschiff, HDW
• Unterseeboote: U-Boot-Klasse 212

Treibstoffherstellung

Wasserstoff

Wasserstoff wird im Wesentlichen aus Erdgas hergestellt. Im Zuge des Reformationsprozesses, etwa mit der Dampfreformierung, wird eine große Menge Kohlendioxid, welches ein Treibhausgas ist, frei. Aufgrund der zusätzlich anfallenden Transportverluste ist die Verwendung von Erdgas oder Methan aus natürlichen Quellen zur Wasserstoffherstellung und anschließender Verwendung in einer Brennstoffzelle weniger effizient, als die direkte Verbrennung von Erdgas bzw. Methan aus Fäulnisprozessen in einem Verbrennungsmotor betriebenen Fahrzeug.

Um Wasserstoff nachhaltig herstellen zu können muss dieser mit Hilfe der Elektrolyse aus Wasser hergestellt werden. Dieser Prozess ist jedoch wenig effizient. Eine direkte Speicherung der elektrischen Energie in Batterien von batteriebetriebenen Fahrzeugen erscheint hierbei sinnvoller (siehe Alternativen). Zudem muss die elektrische Energie aus erneuerbaren Energieformen gewonnen werden, da sonst wieder hohe Kohlendioxidemmissionen anfallen. Im Endeffekt wird jedoch die dreifache Energiemenge benötigt als bei Batteriefahrzeugen.^[1]

Um die Effizienz von Brennstoffzellenfahrzeugen zu erhöhen müsste der Wasserstoff, welcher die Brennstoffzelle versorgt, direkt aus genetisch manipulierten Algenkulturen erzeugt werden.^[2] Alternativ können auch Brennstoffzellen zum Einsatz kommen, welche mit natürlichem Traubenzucker betrieben werden. Diese Ansätze sind jedoch einerseit erst in ihrer Entwicklung und können andererseits selbst mit weiteren Effizienzsteigerungen auf der Fahrzeugseite voraussichtlich nicht den gesamten Energiebedarf abdecken.

Methanol

Methanol kann aus natürlichen Quellen gewonnen werden. Eine großindustrielle Herstellung konkurriert jedoch mit der Lebensmittelherstellung. Eine großindustrielle Herstellung geht daher mit den Nachteilen von Monokulturen – wie etwa hohem Pestizitverbrauch – und steigenden Lebensmittelkosten einher^[3]. Das Prinzip zeigt sich besonders an dem Beispiel der mexikanischen Tortilla-Krise^[4], wobei die Maispreise aufgrund der Verwendung von Mais zur Herstellung von Bioalkohol stark gestiegen ist und damit ein Grundlebensmittel für viele unerschwinglich wurde.

Prinzipielle Kritik

Eine Brennstoffzelle mit Wasserstofftank ist nur eine exotische Bauform eines Akkumulators. Solange das Gewicht, der Wirkungsgrad der Speicherung, die Lebensdauer und die Kosten nicht unter die Werte von anderen Akkumulatoren oder Energiespeichersystemen fallen, sollte die Nutzung nicht in Betracht gezogen werden. Der „Brennstoffzellen-Hype“ scheint hauptsächlich politisch und ideologisch begründet zu sein. Auch weit weniger gewöhnlich als die Brennstoffzelle, die als bekannteste Technologie geradezu „Synonym“ für eine emissionsfreie „Wasserstoffwirtschaft“ steht, ist die reine H₂/O₂-Verbrennung in so genannten Außenluftunabhängigen Kreislaufmotoren, da durch diese Gestaltung der Verbrennung schließlich auch die NOx-Emissionen entfallen. Neben der hohen Verbrennungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs, sowie die weit auseinander liegenden Zündgrenzen und seine verschwindende Trägheit, sind es umfassendere Gründe, ihn nicht in „herkömmlichen“ Motoren (wie sie für Kohlenwasserstoffe geeignet sind) zu verwenden. Die Technologie erreicht gegenüber Benzinbetrieb ansehnliche Wirkungsgrade und ist neben den stationären (Motor-BHKW) zur Stromerzeugung, auch für den mobilen Einsatz geeignet. Sie ist direkt aus der Entwicklung von Raketentriebwerken abgeleitet, und bereits seit den 40iger Jahren ausschließend vereinzelt realisiert worden.

Alternativen

In einem Artikel des Scientific American mit dem Titel „Hybrid Vehicles Gain Traction“ vom April 2006, geschrieben von Joseph J. Romm and Prof. Andrew A. Frank, wird argumentiert, dass Plug-in-Hybridfahrzeuge, welche einfach an das bestehenden Stromnetz angeschlossen werden können anstatt auf Tankstellen angewiesen zu sein, sich als Standard in der Automobilindustrie durchsetzen werden^[5].

Batteriefahrzeuge, wie der EV1 weisen typischerweise eine vierfach höhere Effizienz auf als etwa Wasserstofffahrzeuge^[6], wenn die Herstellung des Wasserstoffs mit einberechnet wird. Elektrofahrzeuge werden zudem mit neueren Modellen wie dem Tesla zunehmend populär.^[7]

Referenzen

1. ↑ Wasserstoff: Der Kraftstoff der Zukunft? - Telepolis -Artikel
2. ↑ Plexiglasröhren statt Raffinerien? - Telepolis-Artikel
3. ↑ Biosprit und die Angst vor steigenden Bierpreisen - Telepolis-Artikel
4. ↑ Tortilla-Krise in Mexiko - Telepolis-Artikel
5. ↑ „Hybrid Vehicles Gain Traction“
6. ↑ Vergleich der Energie Effizienz verschiedener Antriebsformen - Tesla Motors (englisch)
7. ↑ Information from cta.ornl.gov