Gleich vorweg, das Thema ist sehr komplex und ich strebe in diesem Beitrag danach, die Zusammenhänge mit der Brennstoffzelle in einfacher Weise zu beschreiben. Der Beitrag behandelt nur die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.
Für viele Personen, welche sich nicht genauer mit der Materie befassen, ist das Wasserstoffauto das Fahrzeug der Zukunft. Hauptargumentation dafür ist meist die größere Reichweite, das schnelle Tanken und es „kommt ja nur Wasser hinten raus“. Bei den Reichweiten ist mit der neuen Generation von Elektrofahrzeugen der Vorteil praktisch weg, das schnelle Tanken ist aber nach wie vor ein Vorteil. Die Ladezeiten werden zwar auch immer schneller, aber in den nächsten Jahren ist keine 5-Minuten Ladung in Sicht. Eine kleine Ausnahme ist der kommende Porsche Taycan, der als erstes Elektroauto die 800V Technik nutzen wird und dadurch in etwa 15 Minuten auf 80% Laden wird. Aber wann solche Ladezeiten für die Masse an E-Autos Standard sein wird, steht in den Sternen.
Um Wasserstoff zu produzieren, gibt es viele Verfahren. Ich möchte nur die Wichtigsten vorstellen:
Dampfreformierung
Etwa 90% des Wasserstoffs werden mit dieser Methode hergestellt. Meist werden fossile Energieträger wie Erdgas oder langkettige Kohlenwasserstoffe aus Erdöl (Mittelbenzinfraktion) verwendet. Werden fossiler Energieträger verwendet, wird dabei aber genau wie bei deren Verbrennung Kohlendioxyd (CO2) freigesetzt. Verwendet man Biomasse, kann die Klimabilanz verbessert werden, da nur CO2 freigesetzt wird, welches zuvor während der Wachstumsphase von den Pflanzen aus der Atmosphäre aufgenommen wurde. Am häufigsten ist die Dampfreformierung durch Erdgas, sie hat etwa einen Wirkungsgrad von 60 -70%.
Elektrolyse von Wasser
Der große Vorteil dieser Methode (oft auch als Power-to-Gas bezeichnet) ist, dass kein CO2 freigesetzt wird. Dies gilt aber nur dann, wenn der verwendete Strom nicht durch fossile Energieträger erzeugt wurde. Um wirklich frei von CO2 zu bleiben, dürfen nur regenerative Energien wie Photovoltaik, Wind- oder Wasserkraft verwendet werden. Diese Methode ist im Moment noch sehr selten zu finden, sie wird aber in Zukunft große Bedeutung erlangen. Lagen die Wirkungsgrade vor einigen Jahren noch bei etwa 40%, werden nun schon Wirkungsgrade zwischen 70 und 80% erzielt.
Lagerung und Transport des Wasserstoffs
Leider sind die Wasserstoffmoleküle sehr klein, dies bedeutet, sie kommen wirklich fast überall durch. Durch diese Eigenschaft ergibt sich ein erhöhter Aufwand bei der Lagerung und dem Transport. Für die Lagerung gibt es prinzipiell 2 Methoden: Die Druckwasserstoffspeicherung und die Flüssigwasserstoffspeicherung.
Druckwasserstoffspeicherung
Die Probleme bei der Druckspeicherung gelten heute als gelöst, durch den Einsatz neuer Materialien konnte der Druck in den Tanks mittlerweile von 200 bis 350bar um das Jahr 2000 auf nun 700 bis 800bar erhöht werden. Auch der Schwund durch Diffusion konnte stark vermindert werden. Ein Wasserstoff-Tanksystem wiegt mittlerweile nur noch etwa 125kg. Es werden allerdings 12% der vorhandenen Energie für deren Druckspeicherung benötigt.
Flüssigwasserstoffspeicherung
Eine weitere Möglichkeit der Lagerung des Wasserstoffs ist die Verflüssigung. Diese erfolgt bei −252,8 °C. Je nach Methode und Menge werden allerding etwa um die 20% des Energieinhalts des Wasserstoffs dafür benötigt. Es bestehen dann keine großen Ansprüche an die Drucktauglichkeit, allerdings ist ein großer Aufwand zur Wärmedämmung des Tanks und der Leitungen notwendig. Vorteilhaft für die Lagerung in flüssiger Form ist auch die um den Faktor 800 höhere Dichte gegenüber gasförmigem Wasserstoff bei Normaldruck. Trotz der flüssigen Form benötigt der Wasserstoff aber immer noch sehr viel Platz. In einen 20-Liter-Kübel passen nur 1,42kg Flüssigwasserstoff.
Transport des Wasserstoffs
Der Transport des Wasserstoffs ist sehr aufwendig und teuer. Daher ist es sinnvoll, Wasserstofftankstellen an jenen Orten zu errichten, wo er produziert wird. In Zukunft könnte ein Pipelinenetz für Wasserstoff entstehen oder der Wasserstoff wird über die normalen Erdgasleitungen transportiert indem er dem Erdgas erst beigemischt und danach mit einem speziellen Verfahren wieder heraus gefiltert wird: Link. Ob und wie ein großflächiges Netz an Wasserstofftankstellen entsteht und wie diese dann versorgt werden, wird die Zukunft weisen.
Wirkungsgrad und Zukunft des Wasserstoffantriebs
Einer der größten Nachteile des Wasserstofffahrzeugs ist sein schlechter Wirkungsgrad gegenüber einem rein batterieelektrischen Fahrzeug. Geht man bei beiden Antrieben von einer Stromproduktion aus regenerativen Quellen aus, ist das rein batterieelektrische Fahrzeug etwa um den Faktor 3 effizienter. Für 100km Reichweite benötigt ein BEV (Battery Electric Vehicle) etwa 20kWh, ein FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) etwa 60kWh. Ein weiterer Nachteil ist die höhere Wartungsintensität gegenüber einem BEV.
Trotzdem könnte der Antrieb vor allem im Schwerverkehr, bei Schiffen, nicht elektrifizierten Eisenbahnstrecken u.v.m. in Zukunft interessant sein, wenn man den Wasserstoff in Phasen der Überproduktion mit der Energie der erneuerbaren Energielieferanten herstellt. Besser Windräder welche Wasserstoff produzieren, als stillstehende Windräder. Oder tagsüber beleuchtete Stadtautobahnen wegen Photovoltaik Überproduktion.
