Die Brennstoffzelle – Toyota „Mirai“ ist Marktführer – Grüne Energie mit Zukunft

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Flug-und Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnologie

Erstflug des Wasserstoffflugzeugs HY4 am Flughafen Stuttgart: Am 29. September 2016 flog das erste Flugzeug mit Brennstoffzellen-Antrieb über dem Flughafen Stuttgart. © DLR, Felix Oprean für Wikipedia
Erstflug des Wasserstoffflugzeugs HY4 am Flughafen Stuttgart: Am 29. September 2016 flog das erste Flugzeug mit Brennstoffzellen-Antrieb über dem Flughafen Stuttgart. © DLR, Felix Oprean für Wikipedia
Aus unserer Umweltredaktion von Andreas Cattarius

Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle ist schon über 150 Jahre alt. Das erste Wasserstoff-Fahrzeug, ein Traktor, fuhr bereits in den 1960-igern über die Felder. 1996 war es ein Mercedes-Transporter, der mit einer Reichweite von 250 km, kurz vor der Serienreife stand. Mittlerweile rückt das Verfahren wieder in den Fokus der Entwickler …

Ist das Elektroauto noch die Zukunft?

Elektroautos mit Batterietechnologie sieht man immer häufiger in unserem Straßenverkehr. Sie scheinen die Zukunft der Fortbewegung zu sein, und diese Technologie wird auch als solche verkauft. Doch das gesamte, auf der Erde vorhandene Lithium würde für die Batterien aller E-Mobile weltweit niemals ausreichen. Außerdem ist die Gewinnung dieses Alkalimetalls, moderat formuliert, problematisch.

Natrium oder Zinkakkus sollen da eine Alternative werden. Doch die befinden sich noch in der Entwicklung; während weltweit schon etwa 18.000 Brennstoffzellenfahrzeuge als Serienmodell über die Straßen gondeln. Der „Mirai“  von Toyota  ist in Deutschland zur Zeit der Marktführer.

Funktionsweise eines Brennstoffzellenfahrzeugs

Wasserstoffautos funktionieren im Prinzip wie ein Elektroauto: ein Elektromotor treibt dessen Räder an. Nur dass eine Brennstoffzelle den dafür nötigen Strom während der Fahrt erzeugt und der Motor nicht durch eine Batterie gespeist wird.

Vereinfacht gesagt „oxidieren“ die Wasserstoffatome H2  an einer Anode, d.h. die Elektronen lösen sich vom Atom und wandern über einen äußeren Stromkreis zur Kathode und erzeugen Gleichstrom. Das Wasserstoff-Ion diffundiert durch eine Elektrolyt-Membrane zur Kathode. An der Kathode „reduziert“ ein Luftstrom Sauerstoff, d.h. die Elektronen werden mit den Wasserstoff-Ionen wieder zusammengefügt und es verbindet sich mit den Sauerstoff-Atomen O2  zu Wasserdampf. Diesen Prozess nennt man Redoxreaktion: Reduktion und Oxidation.

Schema der Redoxreaktion in einer galvanischen Zelle (Brennstoffzelle) © Andy C.
Schema der Redoxreaktion in einer galvanischen Zelle (Brennstoffzelle) © Andy C.

Im Gegensatz zu Strom kann Wasserstoff direkt in einem Kohlenstofffaser-Kunststoff-Drucktank gespeichert werden. Und mit der Hilfe der Photovoltaik wird grüner Wasserstoff hergestellt; die potenzielle Energie dieses „Treibstoffes“ ist dann jederzeit abrufbar. Das Schönste bei der Geschichte: als „Abgas“ bläst die Brennstoffzelle nur reinen Wasserdampf in die Luft.

Schnelle Betankung

Im Gegensatz zum E-Auto ist ein Brennstoffzellengefährt wesentlich schneller aufgetankt. Während sich eine Elektroauto-Batterie im Schnitt innerhalb einer Std. auflädt dauert die Betankung eines Wasserstoffautos lediglich ein paar Min.

Die Infrastruktur ist jedoch noch ein Problem

Seit Mai 2021 gibt es in Deutschland jetzt 91 Wasserstofftankstellen. Bis Ende 2021 soll sich diese Zahl auf 130 erhöhen. Für ein flächendeckendes Netz jedoch werden ca. 1.000 Tankstellen benötigt. Europaweit gab es im Februar 2020 erst 177 einsatzbereite Wasserstofftankstellen.

Ob sich die Zahl der Wasserstofftankstellen in den nächsten Jahren deutlich erhöht bleibt abzuwarten. Auch sind die drastisch höheren Erstellungskosten im Vergleich zu Ladepunkten rein batterieelektrischer Fahrzeuge zu berücksichtigen.

Der Wirkungsgrad ist geringer

Hauptkritikpunkt bei Brennstoffzellen-PKWs ist der deutlich geringere Gesamtwirkungsgrad und damit ein höherer Energieverbrauch gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen.

Vergleich der Effizienz eines Wasserstoff- und eines Elektro-Antriebes © Tesla, MovGP0 für Wikipedia
Vergleich der Effizienz eines Wasserstoff- und eines Elektro-Antriebes © Tesla, MovGP0 für Wikipedia

Stand Januar 2021 setzt der Großteil der Automobilhersteller weltweit auf batterieelektrische Konzepte. Nur noch vier Hersteller (Toyota, BMW, Honda und Hyundai) verfolgen die Brennstoffzellenkonzepte weiter. Mercedes und VW dagegen haben ihre Brennstoffzellenpläne erstmal beendet. Doch wie sagte Michail  Gorbatschow einmal: „Wer zu spät kommt, den bestraft das Leben!“

Diese Technologie hat zwar gegenüber E-Autos nur einen Wirkungsgrad von  50%, doch der liegt immer noch deutlich höher als der Wirkungsgrad fossiler Treibstoffe. Der liegt bei nur max. 35%, da das Meiste in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Sprechen Sie mal mit Ihrem Toyota-Händler in Katzweiler  darüber:

Autohaus Henn

Ist die Brennstoffzelle also die Energie der Zukunft?

Im Einsatz in Blockheizkraftwerken werden z. Z. Wirkungsgrade zwischen 60% und 70% erzielt. Das ist aber noch nicht das Ende der Fahnenstange.

Die Energieerzeugung mit den Brennstoffzellen und grünem Wasserstoff ist absolut klimaneutral und damit 100% nachhaltig. Eine Batterieherstellung bleibt umweltschädlich, auch wenn Natrium- oder Zink-Akkus die Lithium-Ionen-Akkus ablösen werden.

Auch wenn sich die Reichweite der E-Autos noch ein wenig erhöhen wird und deren Akkus noch an Wirkungsgrad zunehmen werden, steht die Entwicklung der Effizienz der Brennstoffzellen-Technologie gerade am Anfang! In Israel wird an der hocheffizienten Gewinnung von grünem Wasserstoff geforscht: In der Negev-Wüste steht ein riesiges Solarkraftwerk mit über 16.000 Spiegeln, das nicht nur Wärme sondern über die Elektrolyse auch Wasserstoff herstellen kann.

Zum Schluss möchte ich Ihnen noch ein Video von Harald Lesch ans Herz legen: