Die Brennstoffzelle

Obwohl schon seit den 1970er Jahren im Gespräch, scheinen mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge weiterhin eher Forschungsgegenstand als Alltagspraxis zu sein. Dabei erweckt die Weiterentwicklung des vom Verbrenner initiierten Prinzips der „Energieerzeugung an Bord“ die Impression, effizient und sparsam zu funktionieren. Was genau verbirgt sich dahinter?

In der Diskussion um alternative Antriebe, die im Sinne der Nachhaltigkeit den Verbrennungsmotor als Standardantrieb des Automobils ablösen sollen, nimmt der batterieelektrische Motor stets die prominenteste Rolle ein. In diesem wirkt eine Batterie als Speichermedium der zur Fortbewegung aufgewendeten Energie. Mit der Brennstoffzelle besteht allerdings die Möglichkeit, diese erst an Bord zu erzeugen und somit nicht mehr auf das Volumen der Batterie angewiesen zu sein, um hohe Reichweiten zu erzielen. Die Gemeinsamkeit: Beide Antriebsarten funktionieren leise, sauber und unabhängig vom Erdöl. Während das Elektroauto jedoch teils stundenlang laden muss, wenn die Batterie leer ist, wird die Brennstoffzelle schnell und klassisch an der Zapfsäule betankt – mit Wasserstoff statt Benzin.

Die Funktionsweise der „kalten Verbrennung“ basiert auf chemischen Reaktionen. In der Zelle reagiert ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff – Wasserstoff – mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff. In diesem Fall spricht man von einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEFC). Hierbei werden dem Wasserstoff an der Anode Elektronen entzogen, die Protonen gelangen durch eine semipermeable Austauschmembran in die Sauerstoffkammer. Die Elektronen werden über den Stromkreislauf umgeleitet und fließen zur Kathode, in der sie der Sauerstoff aufnimmt – es entstehen Strom, Wasser und Wärme.

Da eine Brennstoffzelle allein nur etwa 1 Volt erzeugt, wird ein Stack aus hunderten Zellen eingesetzt, um die benötigte Leistung zu liefern. Die erzeugte Energie wird entweder direkt in Bewegung umgewandelt oder zeitweise in einer Traktionsbatterie zwischengespeichert, was Fahrzeugen mit Brennstoffzellantrieb Reichweiten von 500 bis 800 Kilometern ermöglicht. Diese hängt nun nicht, wie bei klassischen Elektroautos, von der Größe der Batterie ab, sondern vom Volumen des Tanks und der dementsprechenden Zellenmenge.

Aufgrund der Tatsache, dass der Prozess der Wasserstoffgewinnung sehr energieintensiv ist, hängt das Einsparpotenzial vor allem mit den hierbei angewandten Methoden ab. Das mit etwa 90% meistgenutzte Verfahren ist die Dampfreformierung, bei der fossile Energieträger zum Einsatz kommen. Dadurch wird allerdings genauso viel CO2 freigesetzt wie bei deren Verbrennung, die Einsparung geht also gegen Null.

Anders verhält es sich bei Wasserelektrolyseverfahren wie der obengenannten PEFC – sofern der genutzte Strom ökologisch erzeugt wurde. Dennoch: Bisher werden solche klimaschonenden Verfahren nur dann genutzt, wenn günstige Energie zur Verfügung steht. Die Kosten bestimmen also die Ressourceneffizienz.

Zusätzlich gehen beim Elektrolyseverfahren an zwei Stellen große Teile der aufgewendeten Energie verloren: Nur 50% des zur Elektrolyse an sich benötigten Stroms kann hinterher noch abgerufen werden, zusätzliche 25% entschwinden bei der Umwandlung des Wasserstoffs in Elektrizität. So bleibt ein Viertel der investierten Energie. Wenngleich am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Katalysator entwickelt wurde, der die Effizienz der Elektrolyse auf nahezu 100% steigern soll, ist der Energieverlust Stand jetzt ein relevanter limitierender Faktor.

Während des Betriebs des Kraftfahrzeugs ist die Brennstoffzelle jedoch praktisch schadstofffrei und erzielt einen immens hohen Wirkungsgrad. Es ist ebenfalls ein Vorteil, dass neben der elektrischen auch Wärmeenergie erzeugt wird, die mit entsprechender Technik anderweitig genutzt werden kann. Zusätzlich ist der Brennstoffmotor verschleiß- und wartungsarm.

Die technischen Anforderungen, die mit dem Betrieb von Brennstoffzellen einhergehen, sind allerdings sehr hoch und komplex, was sich auch in den Kosten niederschlägt und die Konkurrenzfähigkeit schmälert. Diese wird sich nur ergeben, wenn Wasserstoff in Herstellung, Transport und Verwendung günstiger wird als vergleichbare fossile Energieträger. Gerade bei der umweltfreundlichen Elektrolyse muss die Kostendifferenz zu Verbrennungsmotoren schrumpfen, was wohl nur passieren wird, wenn letztere teurer werden . Zudem müssen sich Verbrauchende darauf einstellen, dass eine handlungsfähige Wasserstoffwirtschaft zu einer Preiserhöhung des gesamten motorisierten Verkehrs führen werde. Am Ende bleibt die Frage, ob es nicht sinniger wäre, den zur Elektrolyse optimalerweise

Obwohl Hersteller wie Honda, Hyundai, Mercedes-Benz, Renault und Toyota bereits wasserstoffbetriebene Fahrzeuge herstellen, kommt die Brennstoffzelle bisher eher im Personentransport zum Einsatz. So gelang es Forschenden des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Universität Ulm, ein PEFC-Flugzeug zu entwickeln, das eine Reichweite von 2.000 Kilometern erzielt und etwa 80 Mitreisenden Platz bietet. Ab 2030 soll es serienmäßig nutzbar sein.

Vor allem der öffentliche Personennahverkehr wird bereits vereinzelt mit Brennstoffzellantrieben ausgerüstet. Zwischen 2012 und 2020 wurden in Europa rund 150 Wasserstoffbusse in Betrieb genommen, 15 davon in Köln und 10 in Wuppertal, wo der Strom für die Elektrolyse aus Abfällen der Bevölkerung gewonnen wird. In Niedersachsen und Bremen verkehren bereits Züge mit Wasserstoffantrieb, Testläufe sind ab Mitte 2021 auch im Raum Tübingen/Sigmaringen geplant. Die Deutsche Bahn plant, ab 2022 testweise Brennstoffzellenzüge von Siemens in Baden-Württemberg einzusetzen.

In Kombination mit ökologischen Methoden der Wasserstoffgewinnung kann die Brennstoffzelltechnologie eine Alternative zur klassischen Batterieelektrik darstellen – jedoch unter Vorbehalt. Für eine Zukunfts- und Konkurrenzfähigkeit im privaten Sektor müssen vor allem die Kosten stimmen, was im Konsens der Expertendiskussion nur durch eine Angleichung der Bepreisung anderer Antriebe geschehen kann. Im Transportbereich scheint die Rentabilität bis dato höher zu sein. Die Zukunft wird zeigen, ob sich die Mobilität per Elektrolyse auf den Straßen etablieren wird. Noch scheint es, als läge die Zukunft der Mobilität in der Lade-, nicht in der Zapfsäule.