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Innovation, Autobatterie, Wasserstoffbetriebene Autos

Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie: Vorteile, Nachteile und Anwendungen

24 Januar 2022

Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie könnte sich als die derzeit kostengünstigste Option zur Stromerzeugung in Kraftfahrzeugen erweisen. Was ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle und wie funktioniert sie?

Was ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

In naher Zukunft könnten Wasserstoffbrennstoffzellen in Kraftfahrzeugen weit verbreitet sein. Diese Lösung hat zahlreiche Vorteile, und vieles deutet darauf hin, dass sich wasserstoffbetriebene Autos zunehmend durchsetzen werden. Gleichzeitig ist zu bedenken, dass Wasserstoffbrennstoffzellen wie jede andere Technologie gewissen Einschränkungen unterliegen. Doch zunächst lohnt es sich herauszufinden, wie ein solches System aussieht und wie es den Motor eines Fahrzeugs mit Energie versorgen kann.

Die Funktion einer Brennstoffzelle – unabhängig von ihrem Typ – besteht darin, durch die Oxidation des zugeführten Brennstoffs Strom zu erzeugen. Die Funktionsweise von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist jedoch völlig anders als die von galvanischen Zellen, zu denen auch Batterien und Akkumulatoren gehören. Im Gegensatz zu solchen Komponenten müssen Brennstoffzellen nicht nachgeladen werden und können ihren Betrieb fast sofort aufnehmen, wenn sie mit Brennstoff versorgt werden.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind die am weitesten verbreitete Variante. Die Elektroden sind in einen Elektrolyten getaucht und nutzen Wasserstoff (an der Anode) und Sauerstoff (an der Kathode). Dadurch entfallen unter anderem die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe – stattdessen wird nur Wasserdampf an die Umwelt abgegeben.

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Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Dank der Verwendung von Wasserstoff ändert der Verbrennungsprozess des Kraftstoffs die chemische Zusammensetzung der Elektrolyte oder Elektroden nicht. Dies ist ein weiterer wichtiger Aspekt bezüglich der Unterschiede zwischen Brennstoffzellen und galvanischen Zellen. Batterien beruhen auf Reaktionen, die zu Veränderungen der verwendeten Stoffe führen können – daher die Notwendigkeit des Ladens, bei dem diese Prozesse umgekehrt werden.

Das Prinzip einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ist recht einfach: Wasserstoff setzt Elektronen frei, die dann mit Sauerstoff reagieren und Strom erzeugen, wobei nur Wasserdampf als Nebenprodukt der Reaktion übrig bleibt. Einige Zellen verwenden anstelle von reinem Wasserstoff Verbindungen mit einem hohen Anteil an Wasserstoff wie Methan oder Methanol – in diesen Fällen ist der Wirkungsgrad etwas geringer, und der Verbrennungsprozess erzeugt auch eine geringe Menge Kohlendioxid.

Anwendungen von Wasserstoff-Brennstoffzellen

Wasserstoff-Brennstoffzellen finden zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Industrien:

  • Energietechnik – für die Energieversorgung an Orten, an denen ein freier Zugang zum Stromnetz nicht möglich ist,
  • Konstruktion von autonomen Robotern,
  • Notstromanlagen,
  • Raumfahrttechnik – Schiffe und Sonden,
  • Automobilbranche.

Vor allem der letzte Punkt ist erwähnenswert. Wasserstoff-Brennstoffzellenmotoren sind eine Lösung, die von immer mehr Automobilherstellern übernommen wird. Es gibt bereits mehrere Modelle von Top-Marken mit einem solchen Antrieb – der Wirkungsgrad von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist recht hoch, sodass sie auch in Bussen eingesetzt werden können.

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Wasserstoffbetriebene Autos: Technologie, Infrastruktur und andere Faktoren, die ihre Einführung beeinflussen

Obwohl die Technologie sowohl für Wasserstoff-Brennstoffzellen als auch für Wasserstoff-Motoren inzwischen recht weit fortgeschritten ist, sind wir noch weit davon entfernt, diese Art von Technologie in großem Maßstab einzusetzen. Ihre Zahl nimmt jedoch stetig zu, und die wachsende Beliebtheit ist das Ergebnis einer Kombination mehrerer wichtiger Faktoren. Dabei sind unter anderem die geltenden Regelungen zu beachten – die Europäische Union legt derzeit gemeinsam mit anderen Organisationen großen Wert auf Umweltfreundlichkeit im Straßenverkehr, unterstützt Initiativen zu alternativen Kraftstoffen und klärt rechtliche Fragen rund um die Elektromobilität.

Ein entscheidender Vorteil im täglichen Betrieb eines Wasserstoffautos ist die breite Verfügbarkeit dieses Elements – es ist fast überall zu finden, so dass die Kosten gering bleiben. Mit einem "Tank" in den neuesten Wasserstoffautos kann man sogar mehr als 700 km weit fahren, was einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen Elektrofahrzeugen darstellt.

Mehr erfahren: Arten von Elektroautos vs. Entwicklung der Elektromobilität – was sind die Vorteile von HEV, PHEV, FCEEV Autos?

Ein großes Hindernis stellt derzeit jedoch die fehlende Infrastruktur für die Versorgung von Wasserstoffautos dar. In Polen wurde die erste Station dieser Art erst vor einigen Monaten eingerichtet, und in ganz Europa wird ihre Zahl auf etwas mehr als 200 geschätzt. Allerdings gibt es viele Projekte, die in den kommenden Jahren den Bau neuer Wasserstofftankstellen voraussetzen.

Wie betanke ich ein Wasserstoffauto?

Aus der Sicht des Fahrers sieht der Betankungsvorgang ähnlich aus wie bei einem Verbrennungsfahrzeug. Es gibt jedoch einige wichtige Unterschiede. Einer davon ist, dass der Wasserstoff an den Tankstellen in der Regel in Kilogramm und nicht in Litern gemessen wird. Darüber hinaus erfordert das Betanken eines Wasserstoffautos eine sorgfältige Kontrolle der Pumprate, da ein zu schnelles Betanken des Fahrzeugs zu gefährlich hohen Temperaturen führen kann. Die Ladezeit für ein neues Wasserstoffauto an einer typischen Tankstelle beträgt etwa 3 Minuten.

Preise von Wasserstoffautos

Derzeit sind Wasserstoffautos noch recht teuer – die Preise für die in Polen erhältlichen Modelle liegen bei etwa 65.000 Euro. Mit dem Ausbau der Infrastruktur und der wachsenden Beliebtheit alternativer Kraftstoffe werden die Preise jedoch allmählich sinken, wie dies auch bei anderen Elektroautos der Fall ist. Dabei können gesetzliche Regelungen der Europäischen Union und der Mitgliedstaaten eine wichtige Rolle spielen – schon jetzt können Autofahrer vielerorts mit Erleichterungen bei der Nutzung dieses Autotyps rechnen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen: Vor- und Nachteile

Der Aufbau von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist relativ einfach, ebenso wie ihr Funktionsprinzip, mit dem chemische Energie sehr schnell und einfach in Strom umgewandelt werden kann. Gleichzeitig ist das Risiko von Ausfällen und Anomalien sehr gering. Ein großer Vorteil des Einsatzes dieser Art von Brennstoffzelle ist ihre neutrale Wirkung auf die Umwelt. Das Nebenprodukt der Wasserstoffverbrennung ist nur Dampf, im Gegensatz zu einer Reihe von Schadstoffen, die bei der Verwendung fester Brennstoffe entstehen. Darüber hinaus erzeugt die Wasserstoff-Brennstoffzelle einen niedrigen Geräuschpegel. Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie ermöglicht auch einen effizienten Betrieb über lange Zeiträume und die Möglichkeit großer momentaner Überlastungen. Eine einzelne Zelle erzeugt eine sehr niedrige Stromspannung (zwischen 0,5 und 1 V), aber sie können in fast beliebiger Anzahl kombiniert werden, was eine beträchtliche Skalierbarkeit und breite Anwendung ermöglicht.

Der Nachteil von Wasserstoff-Brennstoffzellen sind die recht hohen Materialkosten für die Herstellung der Katalysatoren. Außerdem ist der Wirkungsgrad dieser Art von Systemen geringer als bei der Energiespeicherung in Batterien. Auch die Herstellung von Wasserstoff ist mit einem gewissen Energieaufwand verbunden. Trotzdem wird dem Wasserstoff ein erhebliches Potenzial als Energiequelle sowohl für Autos als auch für stationäre Anwendungen zugeschrieben. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen eine Technologie sind, die sich noch in der Entwicklungsphase befindet, der Wert der Unternehmen in dieser Branche jedoch stetig steigt.

Modernste Elektromobilität-Lösungen mit Knauf

Die sich ständig weiterentwickelnde Technologie der Wasserstoffkraft wird immer beliebter. Aus diesem Grund ist es durchaus sinnvoll, sich Lösungen zuzuwenden, die sich in diesem schnell wachsenden Markt gut behaupten. Moderne Zellen verwenden EPP-Schaumkomponenten, die eine wirksame Wärmedämmung und gleichzeitig Schutz vor Stößen und Beschädigungen bieten. Einer der führenden Hersteller solcher Teile ist Knauf Industries, der auch eine Reihe weiterer innovativer Elektromobilitätslösungen anbietet.

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