Autos mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren weichen langsam anderen, moderneren und umweltfreundlicheren Lösungen. Dazu gehören Elektroautos und Hybride. Doch in den letzten Jahren erfreuen sich auch Brennstoffzellenfahrzeuge wachsender Beliebtheit. Wie funktionieren solche Autos und was sind ihre wichtigsten Vorteile?
Was ist ein Auto mit Wasserstoff-Brennstoffzellen?
FCEV, oder „Fuel Cell Electric Vehicle“, ist das Akronym für Wasserstoffautos. Zurzeit können wir eine sehr dynamische Entwicklung in diesem Segment des Automobilmarktes beobachten. Bislang wurde der Brennstoffzellenantrieb nur bei einigen wenigen ausgewählten Modellen angeboten – Vorreiter waren hier die japanischen Marken Toyota mit dem Modell Mirai und Hyundai mit dem Nexo SUV. Heute ist der Markt für solche Fahrzeuge jedoch weitaus umfangreicher, was unter anderem auf ihre Umweltfreundlichkeit und Effizienz zurückzuführen ist.
Die Funktionsweise von Wasserstoffautos ähnelt derjenigen von Elektroautos sehr. Der wichtigste Unterschied liegt in der Art und Weise, wie die Energie erzeugt wird. In FCEVs wird die zum Antrieb des Motors benötigte Energie durch eine chemische Reaktion erzeugt, bei der sich Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser verbindet. Damit eine solche Reaktion stattfinden kann, muss der Wasserstoff zuvor im Tank gelagert werden – er kann genau wie Benzin oder Diesel getankt werden.
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Wie funktionieren Brennstoffzellen?
Bemerkenswert ist, dass obwohl eine solche Lösung gerade erst in der Welt der Automobile an Popularität gewinnt, das Prinzip der Brennstoffzellen bereits 1838 erstmals beschrieben wurde. Es wurde von dem deutsch-schweizerischen Chemiker Christian Friedrich Schönbein entwickelt. Die Zelle besteht aus zwei Elektroden – einer Anode und einer Kathode in Form von aufgekohltem mit Platin beschichtetem Papier. Die Elektroden sind durch einen Elektrolyten oder eine spezielle elektrolytische Membran getrennt. Sobald sich in der Zelle Wasserstoff befindet (der vorher zugeführt werden muss), findet eine Oxidation statt. Dies ist eine chemische Reaktion, bei der die Atome oder Ionen eines Elements – in diesem Fall Wasserstoff – Elektronen abgeben.
Infolge der Oxidation entstehen Wasserstoffkationen und Sauerstoffanionen. Aufgrund des vorhandenen Elektrolyt im Inneren ist unter anderem der Fluss von Protonen von der Kathode zur Anode und die Blockierung von Sauerstoffanionen möglich. Sobald die Wasserstoffkationen mit der Kathode in Kontakt kommen, reagieren sie mit den Sauerstoffanionen und es entsteht Wasser. Die Elektronen der Anode hingegen erzeugen, nachdem sie einen Stromkreis durchlaufen haben, Energie, die für den Antrieb des Motors genutzt wird.
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Brennstoffzellen kontra galvanische Zellen – grundlegende Unterschiede
In einer Brennstoffzelle wird durch den Oxidationsprozess von Wasserstoff Strom erzeugt. Obwohl das Ziel bei galvanischen Zellen dasselbe ist, unterscheiden sich die beiden Technologien in ihren Prozessen erheblich. Im Gegensatz zu Batterien und Akkumulatoren, die in galvanischen Systemen zum Einsatz kommen, müssen Brennstoffzellen nicht wieder aufgeladen werden. Das bedeutet, dass sie praktisch unmittelbar nach dem Einfüllen des Kraftstoffs einsatzbereit sind. Das Betanken mit Wasserstoff sieht praktisch genauso aus wie das Betanken mit Benzin oder Diesel. Der wichtigste Unterschied liegt jedoch darin, dass Wasserstoff in Kilogramm und nicht in Litern berechnet wird. Außerdem ist es wichtig, die Geschwindigkeit zu kontrollieren, mit der der Wasserstoff durch die Zapfanlage fließt – wenn die Zufuhr zu schnell erfolgt, kann es zu einem sehr gefährlichen Temperaturanstieg kommen.
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Die Zukunft des Wasserstoffs im Auto
Lange Zeit – bis in die 1960er Jahre – waren Wasserstoffzellen kaum verbreitet. Mit der Zeit erkannte man jedoch ihr Potenzial und begann, sie unter anderem in Raumfahrzeugen der NASA einzusetzen. Heutzutage sind sie vor allem in den Batterien von Elektroautos zu finden und haben enorme Vorteile. Zu den Hauptvorteilen dieser Lösung gehört vor allem die Reduzierung der Schadstoffemissionen. Außerdem ist die Wasserstofftankfüllung extrem leicht: 120 Liter Wasserstoffgas wiegen gerade einmal 5 kg, was für die Effizienz, den Betrieb und die Reichweite des Autos von Bedeutung ist.
Die dynamische Entwicklung des Segments der Wasserstoffautos in den letzten Jahren ist kaum zu übersehen. Sowohl in Polen als auch weltweit haben solche Lösungen ein enormes Potenzial – es ist durchaus denkbar, dass sie die heutigen Technologien in Zukunft vollständig ersetzen werden. Allerdings sind einige Einschränkungen zu bedenken, die gegenwärtig noch eine große Herausforderung darstellen. An erster Stelle steht die geringe Verfügbarkeit von Wasserstoff, die sich in einem hohen Preis niederschlägt. Obwohl er das häufigste Element im Universum ist, ist seine Gewinnung auf der Erde mit den derzeitigen Technologien recht problematisch. Eine weitere Herausforderung ist die Betriebstemperatur des Gases, die in Niedertemperaturzellen ungefähr 250 °C erreichen sollte. Daher muss der Motor jedes Mal, bevor er gestartet wird, aufgeheizt werden, was je nach Modell mehrere Sekunden dauern kann.
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