Wasserstoffautos, mit Brennstoffzellen in die Zukunft?

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Wasserstoffautos: die echte, grüne Alternative?

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Elektroautos und Hybridfahrzeuge sind in aller Munde, wie sieht es aber mit Wasserstoffautos, die mit Brennstoffzellen funktionieren aus?

In meinem früheren Artikel über den Toyota Mirai habe ich euch bereits ein Wasserstoffauto welches in Serie gegangen ist vorgestellt, technisch eine Innovation, preislich eher ein Desaster.

Auf dem Markt für alternative Antriebe für Autos tut sich jedoch etwas, mit dem Hyundai Nexo kommt beispielsweise ein weiteres Modell mit Brennstoffzellen in Serie.

Wichtige Daten und Fakten zu Wasserstoffautos mit Brennstoffzellentechnik und ob eine Alternative für Elektroautos gefunden ist, lest ihr im heutigen Autoblog Artikel.

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Die Wasserstofftechnik und Vorgang der Brennstoffzellen

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Die Wasserstofftechnik selbst ist nicht neu und wird bereits seit geraumer Zeit erprobt und erforscht, auch Busse wurden bereits mit dieser Technik ausgestattet und erprobt.

Brennstoffzellenfahrzeuge werden auch mit FCEV ( Fuel Cell Electric Vehicle ) abgekürzt, ein Busprojekt von Toyota zeigte 2005 auf der EXPO bereits ein Brennstoffzellenfahrzeug, den Toyota FCHV-Bus.

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Hier eine kurze Erklärung zur Technik, Quelle: Wikipedia:

Energiebereitstellung durch Brennstoffzellen
Eine Brennstoffzelle konnte nach einem Bericht von 2011 chemisch gebundene Energie mit einem Wirkungsgrad von bis zu 60 % direkt in elektrische Energie umwandeln. Die so gewonnene elektrische Energie wird in Traktionsbatterien gespeichert, die auch durch Rekuperation zurückgewonnene Bremsenergie speichern.

Mit Elektromotoren wird die elektrische Energie wieder in Bewegungsenergie umgewandelt. Die Brennstoffzelle lädt im Betrieb die Fahrbatterie nach und arbeitet so als “Range Extender” zur Vergrößerung der Reichweite eines Fahrzeuges mit Elektroantrieb.

Durch die zusätzliche Energieumwandlung liegt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenfahrzeuges unter dem eines reinen batterieelektrischen Elektrofahrzeugs. Während batterieelektrische Fahrzeuge bis zu 70–80 % erreichen können, beträgt er bei Brennstoffzellenfahrzeugen Tank-to-Wheel rund 40–50 % hierzu kommen weitere Verluste bei der Wasserstoffherstellung (siehe unten).

Während der Elektroantrieb bei reinen Elektroautos außer dem Reifenabrollgeräusch praktisch keine Lärmemissionen aufweist, entstehen beim Brennstoffzellenfahrzeug, vor allem durch Lüfter, die die Luft zuführen, und Zusatzaggregate wie Pumpen, geringe zusätzliche Geräusche.

Die Betriebsgeräusche der Brennstoffzellenfahrzeuge liegen dabei deutlich unter denen verbrennungsmotorgetriebener Fahrzeuge. Die direkten Abgas-Fahrzeugemissionen bestehen bei reinem Wasserstoffbetrieb vor allem aus Wasserdampf, bzw. Wasser. Somit erfüllen die Fahrzeuge die Kriterien, um zur Verbesserung der Luftqualität in verkehrsreichen Gebieten beizutragen.

Je nach Energiequelle werden bei der Herstellung und beim Transport des Kraftstoffes möglicherweise weitere Emissionen freigesetzt.

Vorgänge in der Brennstoffzelle
An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, das heißt, ihm werden Elektronen entzogen. Die Protonen durchdringen die Elektrolytmembran und fließen zur Kathode. Die Elektrolytmembran ist nur für die Protonen durchlässig, das heißt, dass die Elektronen „gezwungen“ sind, den äußeren Stromkreis (mit der Pufferbatterie bzw. dem Elektromotor) zu durchlaufen.

An der Kathode wird der mit dem Luftstrom herab geführte Sauerstoff reduziert, das heißt, Elektronen (die vorher dem Wasserstoff entzogen wurden) werden hinzugefügt. Danach treffen die negativ geladenen Sauerstoffionen auf die Protonen und reagieren zu Wasser. Damit wird der Stromkreislauf geschlossen. Gleichzeitig wird Wärme frei, die im Fahrzeug z. B. im Winter zu Heizzwecken genutzt werden kann.

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Liste aktueller Brennstoffzellenautos in Serie

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Neben dem Toyota Mirai, der auch das erste Brennstoffenzellenfahrzeug in Großserie war, gibt es mittlerweile weit aus mehr Autohersteller, die Wasserstoffautos anbieten.

Konzeptfahrzeuge und Prototypen für Brennstoffzellenfahrzeuge gibt es bereits seit 1966 mit dem General Motors Electrovan, danach folgten einige weitere Prototypen.

Als Wasserstoffautos mit Brennstoffzelle die in Serie gingen gibt es heute folgende Fahrzeuge:

Modell	MarktSTART	Reichweite (km).	Vmax(km/h)	kW (PS)		Drehmoment	Verb. komb. in kg/100 km	Tank in kg
Honda FCX Clarity	2008 (1. Gen)	650	165	44 (60)			0,87	1,78/2,09
Hyundai ix35 FCEV	2013	594	160	100 (136)		300	0,95	5,64
Toyota Mirai	2014	500	175	114 (155)		335	0,76	5
Honda Clarity Fuel Cell	2016 (2. Gen)	650	165	130 (176)		300	0,77	5
Renault Kangoo Z.E. H2	2017	290	130	44 (60)			0,87	1,78/2,09
Hyundai Nexo	2018	756	179	120 (163)		395	0,84	6,33
Mercedes GLC F-Cell	Dez. 2018	437 + 49 (Batt.)	160	147 (200)		350	0,97	4,4 + 9,3 kWh

Quelle: Wikipedia.de

Damit gibt es bereits 6 namhafte Autohersteller, die Wasserstoffautos anbieten, Hyundai trägt dazu alleine schon mit zwei Modellen, dem ix35 FCEV und dem Hyundai Nexo bei. Insgesamt kann man hier beobachten, das der asiatische Markt in Sachen Technik und Innovation eine Vorreiterstellung einnimmt.

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Wasserstoffautos: Hyundai Nexo, der neue Star am Himmel?

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Hyundai bringt mit dem Nexo ein modernes und intensiv erprobtes Wasserstoffauto auf den Markt, welches im ix35 bereits erfolgreich getestet wurde.

Die Preisproblematik bei Autos mit Brennstoffzelle bleibt weiterhin bestehen, obwohl der Hyundai Nexo gegenüber dem Toyota Mirai immerhin knapp 10.000,- EUR preiswerter ist.

Ein nagelneuer Hyundai Nexo mit guter Ausstattung kommt knapp unter 70.000 EUR in den Handel, preislich gehört das Wasserstoffauto damit in die Liga der deutschen Premiummarken und Premiummodelle, wie etwa dem Mercedes-Benz GLC.

Neben dem etwas günstigeren Preis, sprechen drei weitere Punkte für den neuen Hyundai Nexo:

1. Crossover-SUV
2. Reichweite von 666 KM
3. neben der Brennstoffzelle auch eine Elektrobatterie verbaut

Der Nexo bedient die derzeitige, starke Nachfrage bei SUVs und Crossover-Modellen, optisch und innovativ kommt er daher und bietet zudem gute Platzverhältnisse, obwohl alleine unter dem Fahrzeug, drei Wasserstofftanks verbaut sind und Platz wegnehmen.

Die Reichweite von 666 KM nach WLTP ist schon das nonplusultra, nur Honda kommt mit seinen beiden Brennstoffzellenautos in diese Regionen bei der Reichweite. Wasserstofftankstellen sind nach wie vor rar gesäht, etwa 60 gibt es aktuell in Deutschland. Mit einer Reichweite von knapp 700 KM kann man aber ohne weitere von Nord- nach Süddeutschland kommen, ohne eine Tankstelle aufsuchen zu müssen.

Zusätzlich zu den 440 Brennstoffzellen, hat der Hyundai Nexo auch noch eine Elektrobatterie mit 1,56 kWh verbaut. Zum Beschleunigen lässt sich so die Elektrobatterie nutzen und entlastet dabei die Brennstoffzellen, beim Bremsen und Abrollen wir wiederum Energie zurückgeführt und in der Batterie gespeichert.

Einen Test und weitere Daten und Fakten im Alltag zum Hyundai Nexo gibt es hier.

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Vorteile und Nachteile eines Wasserstoffautos

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Wasserstoffautos haben natürlich Vorteile, aber auch die Nachteile oder nennen wir es aktuellen Probleme sollte man sich vor Augen führen.

Vorteile:

• leise im Betrieb
• CO2 emissionslos im Betrieb
• hohe Reichweiten (~700KM) möglich
• steuerliche Vorteile durch den Staat
• Ein Tankvorgang dauert etwa nur 5 Minuten
• Sicherheitsvorkehrungen höher als bei Verbrennermotoren
• gegenüber Öl, ist Wasserstoff theoretisch unbegrenzt verfügbar, da Nebenprodukt

Nachteile:

• sehr schwaches Tankstellennetz (etwa 60)
• relativ teuer in der Anschaffung ab etwa 70.000 EUR
• Brennstoffzelle, Batterie und Tanks nehmen mehr Platz weg
• umweltschonend nur dann, wenn die Energie aus erneuerbaren Quellen stammt z.B. Windkraft
• ein Kg Wasserstoff H2 kosten etwa 10,- EUR und liegen damit in der Bilanz etwa auf dem Niveau eines Benziners

Man muss die Vorteile und Nachteile eines Wasserstoffautos mit Brennstoffzellen schon abwägen und sich Gedanken machen, in der Fortbewegung ist diese Technik auf jeden Fall fortschrittlich, da emissionslos und unsere Städte macht es nicht nur leiser, sondern es vermeidet auch den bekannten Feinstaubausstoß.

Welche Vorteile oder Nachteile während der Fahrt entstehen können, lest ihr hier im ADAC Fahrbericht mit dem Hyundai ix35 FuelCell auf über 2.000 KM Teststrecke.

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Fazit zu Wasserstoffautos

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Die Technik ist selbst nicht ganz neu, mittlerweile kann man jedoch sagen, ist sie sehr reif und weitreichend erprobt.

Im Fahrbetrieb ist ein Wasserstoffauto alles andere als ein Klimasünder, wie so gerne Benziner und vor allem Dieselfahrzeuge betitelt werden, entscheidend ist lediglich woher die Energie kommt und wie das Fahrzeug selbst hergestellt wurde.

Die Problematik bei Elektrofahrzeugen wird heiß diskutiert und nicht wenige nennen die heutigen Elektroautos als Klimasünder, denn der Prozess von Gewinnung der Bestandteile und Herstellung eines Elektroautos sind alles andere als klimafreundlich.

Die Wasserstofftechnik muss noch effizienter gemacht werden und die Bestandteile noch preiswerter in Gewinnung und Herstellung werden, alleine die Platin-Bestandteile in einem Wasserstoffauto sind immens und machen ihn auch dadurch teurer.

Automodelle wie der Nexo von Hyundai sind hier schon einen Schritt weiter, die Kombination mit Elektromotor macht ihn bereits effizienter und auch der Anschaffungspreis liegt heute immerhin bereits auf dem Niveau von Premiummarken wie Mercedes-Benz. Dennoch muss der Preis in Zukunft noch weiter sinken, damit es eine echte Alternative auch für den Ottonormalverbraucher werden kann.

Ein weiteres Problem besteht in der “Tankstellenstruktur” derzeit sind es etwas über 60 Wasserstofftankstellen, bis Mitte/Ende 2019 sollen es über 100 Wasserstofftankstellen werden, im Vergleich dazu, in Deutschland gibt es über 1.000 Erdgastankstellen, was dem ein oder anderen bereits als zu gering vorkommt, wenn es um alternative Antriebe geht.

Für die Nutzung von Wasserstoff an Tankstellen wird ein Wasserstoffkompressor benötigt. Dieser verdichtet den Wasserstoff, was für die Betankung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen mit dem Gas notwendig ist. Auch in anderen Bereichen der Mobilität und Industrie spielt Wasserstoff zunehmend eine größere Rolle. Unter anderem ist die Kompression von Wasserstoff in der Schifffahrt, im Schienenverkehr oder der Gebäudetechnik von Bedeutung.

Methoden zur Kompression samt Aspekte

Die Kompression von Wasserstoff ist ein entscheidender Prozess in der Nutzung dieses vielseitigen Energieträgers. Wasserstoff hat eine sehr geringe Dichte, was bedeutet, dass er in seinem gasförmigen Zustand ein großes Volumen einnimmt. Um Wasserstoff effizient zu speichern und zu transportieren, muss er komprimiert werden.

Es gibt verschiedene Methoden zur Kompression von Wasserstoff, wobei mechanische Kompressoren am häufigsten verwendet werden. Zu den gängigen Typen gehören Hubkolbenkompressoren, Membrankompressoren und Schraubenkompressoren. Diese Geräte arbeiten nach unterschiedlichen Prinzipien, erreichen jedoch alle eine Volumenreduktion durch Druckerhöhung.

Ein innovativer Ansatz ist die elektrochemische Kompression, bei der Protonenaustauschmembranen verwendet werden. Hierbei wandern Wasserstoffionen durch eine Membran und rekombinieren auf der Hochdruckseite zu Wasserstoffmolekülen. Diese Methode bietet hohe Effizienz und Reinheit und eignet sich besonders für Anwendungen wie Brennstoffzellen.

Die Kompression von Wasserstoff stellt jedoch auch Herausforderungen dar. Ein großes Problem ist die Wasserstoffversprödung, bei der Wasserstoffatome in die Materialien diffundieren und diese spröde machen. Daher müssen spezielle Materialien wie Edelstahl oder fortschrittliche Legierungen verwendet werden. Zudem sind Leckagen und Sicherheitsaspekte von Bedeutung, da Wasserstoff aufgrund seiner geringen Molekülgröße leicht entweichen kann und hochentzündlich ist. Fortschrittliche Dichtungstechnologien und regelmäßige Wartung sind daher unerlässlich.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Energieeffizienz. Die Kompression von Wasserstoff erfordert erhebliche Energiemengen, was die Gesamteffizienz dieses Energieträgers beeinflusst. Dennoch ist die Kompression notwendig, um Wasserstoff in verschiedenen Anwendungen nutzbar zu machen, sei es zur Betankung von Brennstoffzellenfahrzeugen oder zur Einspeisung ins Erdgasnetz.

Insgesamt ist die Kompression von Wasserstoff ein komplexer, aber unverzichtbarer Prozess für die Nutzung dieses sauberen Energieträgers. Mit fortschreitender Technologie und Innovationen in der Materialwissenschaft wird die Effizienz und Sicherheit der Wasserstoffkompression weiter verbessert werden.

Erst wenn dieses Problem schnell angegangen wird, kann es sich langfristig auch durchsetzen, denn diese Problematik, neben dem Preis, schreckt doch noch sehr viele Käufer von einem Wasserstoffauto als Kaufoption ab.

Steigt das Interesse, wird auch die Produktion effizienter und günstiger, der Kreislauf könnte sich schließen. Wir werden sehen, welche Technik sich in Zukunft bei den alternativen Antrieben durchsetzt.

Autor im Blog: Janus Schulz

Bildquelle: Hyundai.de