Was ist ein Brennstoffzellenfahrzeug?
Definition
Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist ein Typ von Elektrofahrzeug, das eine Brennstoffzelle nutzt, um chemische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie umzuwandeln, die dann den Elektromotor antreibt. Im Gegensatz zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, die elektrische Energie in Batterien speichern, erzeugen FCEVs die Elektrizität direkt an Bord.
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle im Auto?
Das Herzstück eines Brennstoffzellenfahrzeugs ist die Brennstoffzelle selbst. Sie besteht aus zwei Elektroden, der Anode und der Kathode, die durch eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) getrennt sind. An der Anode wird Wasserstoff zugeführt, der dort in Protonen und Elektronen aufgespalten wird. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode, während die Elektronen über einen äußeren Stromkreis fließen und so den elektrischen Strom erzeugen. An der Kathode verbinden sich die Protonen und Elektronen wieder mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, dem einzigen „Abgas“ der Brennstoffzelle.
Welche Arten von Brennstoffzellen gibt es?
Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich hauptsächlich in der verwendeten Membran und dem Elektrolyten unterscheiden. Die wichtigsten sind:
- PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran): Für Fahrzeuge am häufigsten verwendet
- SOFC (Oxidkeramische Brennstoffzelle): Für stationäre Anwendungen
- MCFC (Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle): Für stationäre Anwendungen
- DMFC (Direktmethanol-Brennstoffzelle): Für portable Geräte
Welche Komponenten hat ein Brennstoffzellenfahrzeug?
Die Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenfahrzeugs sind:
- Brennstoffzelle: Wandelt Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie um
- Wasserstofftank: Speichert den Wasserstoff unter hohem Druck (350-700 bar)
- Luftzufuhr: Liefert den für die Reaktion benötigten Sauerstoff
- Elektromotor: Wird vom Strom aus der Brennstoffzelle angetrieben
- Leistungselektronik: Regelt die Energieverteilung
- Batterie: Puffert Leistungsspitzen und rekuperiert Bremsenergie
Wie wird der Wasserstoff gespeichert?
Der Wasserstoff wird in speziellen Drucktanks im Fahrzeug gespeichert. Diese bestehen aus mehreren Schichten und sind darauf ausgelegt, den Wasserstoff sicher unter hohem Druck (700 bar) zu speichern. Alternativ kann der Wasserstoff auch in flüssiger Form bei -253°C in superisolierten Tanks mitgeführt werden, was aber technisch aufwendiger ist. Die Tanks sind so konstruiert, dass auch bei einem Unfall kein Wasserstoff unkontrolliert entweichen kann.
Sind Brennstoffzellenfahrzeuge wirklich emissionsfrei?
Lokal stoßen Brennstoffzellenfahrzeuge außer Wasserdampf keine Emissionen aus. Allerdings hängt die Gesamtbilanz stark davon ab, wie der Wasserstoff hergestellt wird. Wird er durch Elektrolyse aus erneuerbarem Strom gewonnen, kann die Bilanz tatsächlich sehr gut sein. Stammt der Wasserstoff jedoch aus fossilen Quellen, verschiebt sich die Emission nur an den Ort der Herstellung. Hier besteht also noch Optimierungspotenzial, um Brennstoffzellenfahrzeuge wirklich nachhaltig zu machen.
Welche Vorteile bieten Brennstoffzellenfahrzeuge?
Brennstoffzellenfahrzeuge bieten mehrere Vorteile:
- Emissionsfreiheit: Sie emittieren nur Wasser und Wärme, keine schädlichen Abgase.
- Hohe Energieeffizienz: Brennstoffzellen sind effizienter als herkömmliche Verbrennungsmotoren.
- Schnelles Tanken: Das Betanken mit Wasserstoff dauert nur wenige Minuten.
- Hohe Reichweite: Mit einer Tankfüllung können Brennstoffzellenautos mehrere hundert Kilometer zurücklegen, vergleichbar mit konventionellen Fahrzeugen.
- Gute Heizleistung: Die bei der Reaktion entstehende Abwärme kann effizient zum Heizen des Innenraums genutzt werden.
Welche Nachteile haben Brennstoffzellenfahrzeuge?
Trotz ihrer Vorteile haben Brennstoffzellenfahrzeuge auch einige Nachteile:
- Hohe Kosten: Brennstoffzellenautos sind derzeit noch deutlich teurer in der Anschaffung als vergleichbare Verbrenner oder Elektroautos.
- Begrenzte Infrastruktur: Das Netz an Wasserstofftankstellen ist bisher noch sehr dünn, was die Nutzung einschränkt.
- Energieintensive Herstellung: Die Produktion von Wasserstoff ist derzeit noch sehr energieintensiv und oft nicht CO2-neutral.
- Geringerer Wirkungsgrad: Brennstoffzellen haben einen geringeren Wirkungsgrad als Batterien, da bei der Umwandlung von Wasserstoff in Strom Energie verloren geht.
Welche Brennstoffzellen-Fahrzeuge gibt es?
Aktuell bieten nur wenige Hersteller Brennstoffzellenfahrzeuge in Kleinserie an, darunter:
- Toyota Mirai
- Hyundai Nexo
- Honda Clarity Fuel Cell
Einige andere Hersteller wie Mercedes-Benz oder BMW haben Brennstoffzellen-Prototypen und Kleinserien vorgestellt, bieten aber derzeit keine Serienmodelle an. Im Bereich der Nutzfahrzeuge und Busse gibt es ebenfalls erste Modelle mit Brennstoffzellenantrieb.
Wie sieht die Zukunft der Brennstoffzellentechnik aus?
Die Zukunft der Brennstoffzellentechnik im Automobilbereich ist noch offen. Einerseits bietet sie Vorteile wie schnelles Tanken und hohe Reichweiten. Andererseits ist die Technologie noch teuer und die Infrastruktur begrenzt. Studien sehen die Brennstoffzelle eher im Bereich der Nutzfahrzeuge und Spezialanwendungen wie Schiffen oder Flugzeugen, wo die hohe Energiedichte von Vorteil ist. Im Pkw-Bereich könnte die Batterie-Technologie mittelfristig die Oberhand behalten. Entscheidend wird sein, die Herstellung von grünem Wasserstoff zu skalieren und die Kosten zu senken. Dann könnte die Brennstoffzelle langfristig eine wichtige Säule der Mobilität werden.