Wie funktioniert ein Wasserstofffahrzeug?

Auch wenn der Begriff „Brennstoffzelle“ den Eindruck einer für die breite Öffentlichkeit schwer zugänglichen Spitzentechnologie erwecken mag, liegt das Geheimnis dieser neuen Art der Energieerzeugung in einer einfachen chemischen Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff. Was zeichnet also ein Wasserstofffahrzeug aus? Wie funktioniert es? Was sind seine Vorteile? Und ganz konkret: Welche Einsatzmöglichkeiten gibt es für das Wasserstoffauto?

Die Herausforderungen des Wasserstoff-Elektroautos

Zunächst einige Hintergrundinformationen. Der Begriff „Wasserstoff-Elektroauto“ bezeichnet ein Fahrzeug, das mit einer besonderen Energiequelle, nämlich Wasserstoff, betrieben wird – und zwar mithilfe eines speziellen Systems: der Brennstoffzelle. Das Auto mit „Wasserstoff-Brennstoffzelle“ gehört zurgroßen Familie der Elektroautos. Sein Antrieb wird nämlich durch einen elektrischen Antriebsstrang gewährleistet.

Bei einem Elektrofahrzeug mit Lithium-Ionen-Batterie wird die elektrische Energie bei jedem Aufladen am Stromnetz in der Batterie gespeichert. Bei einem Wasserstofffahrzeug hingegen wird der für den Antrieb erforderliche Strom sowohl von der Batterie als auch von der Brennstoffzelle geliefert, wobei diese den im Fahrzeug gespeicherten Wasserstoff nutzt. Die meisten Wasserstofffahrzeuge, die derzeit von den Automobilherstellern angeboten werden, basieren auf diesem Prinzip.

Das Wasserstoffauto teiltmit dem rein elektrischen Auto das Ziel, mit geringer CO₂-Belastung zu fahren. Es gibt jedoch noch zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen, um die Umweltauswirkungen der Wasserstoffproduktion so weit wie möglich zu verringern. Derzeit basiert das Verfahren zur Gewinnung dieses Moleküls auf der Reformierung organischer Kohlenstoffverbindungen. Man spricht dabei von „grauem“ Wasserstoff, da er durch die Verarbeitung fossiler Brennstoffe gewonnen wird.
Es gibt jedoch noch eine andere Möglichkeit, Wasserstoff zu gewinnen: durch die Elektrolyse von Wasser. Wenn der für diese Elektrolyse benötigte Strom aus einer nachhaltigen Energiequelle wie Photovoltaik oder Windkraft stammt, ist es möglich, „grünen“ Wasserstoff zu produzieren. Diese Gewinnungsmethode stellt eine zukunftsweisende Lösung dar.

So funktioniert ein Wasserstoff-Elektroauto dank der Brennstoffzelle

Wie funktioniert ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug konkret? Seine elektrische Energie wird von einer Brennstoffzelle geliefert. Der Wasserstoff wird unter Druck in speziellen Tanks an Bord des Fahrzeugs gespeichert. Dieses Gas (H₂) sowie der Sauerstoff (O₂) aus der Umgebungsluft versorgen die Brennstoffzelle. Diese beiden Gase reagieren im Inneren der Brennstoffzelle elektrochemisch miteinander. Bei dieser Reaktion entstehen Strom, Wärme und Wasserdampf (H2O), der in Form eines Wasserstrahls durch einen unter dem Fahrzeug angebrachten Auspuff austritt.

Die so erzeugte Energie sowie die Energie aus der Batterie versorgenden Elektromotor des Fahrzeugs. Es fährt somit geräuschlos und ohne Schadstoff- oder CO₂-Emissionen. Das Fahrzeug kann an speziellen Tankstellen mit Wasserstoff betankt werden, dank Pumpen, die in der Lage sind, sehr schnell (in 5 Minuten) Wasserstoff in Form von Druckgas in den Tank zu füllen.

Der Verbrauch eines Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugs

Man muss bedenken, dass das Wasserstoffatom, aus dem das Dihydrogenmolekül (H₂) besteht, zu den einfachsten und leichtesten natürlichen Elementen des Periodensystems gehört (d. h. der Klassifizierung, die alle auf der Erde vorkommenden chemischen Elemente auflistet). Seine Volumendichte ist sehr gering. Um die für den ordnungsgemäßen Betrieb eines Fahrzeugs erforderliche Wasserstoffmenge zu erhalten, muss daher eine große Menge unter hohem Druck in großen Tanks gespeichert werden.

Das Wasserstoff-Elektroauto nach den Vorstellungen der Renault Group

Ein Elektroauto mit Wasserstoff-Brennstoffzelle ist für die Renault Group ein Elektrofahrzeug, bei dem unter einer Motorhaube sowohl eine Lithium-Ionen-Batterie als auch eine Brennstoffzelle zum Einsatz kommen. Durch diese Entscheidung für Komplementarität vereint Renault das Beste aus beiden Welten.

Bei dieser typischen Bauweise wird der Elektromotor von der Lithium-Ionen-Batterie mit Strom versorgt. Die Brennstoffzelle dient ihrerseits als zusätzliche Energiereserve, um die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen, was zu einer längeren Fahrzeit und kürzeren Ladezeiten führt.

Die Vorteile des Wasserstoffautos

An Bord seines Wasserstofffahrzeugs profitiert der Fahrer in erster Linie von einer fast doppelt so großen Reichweite. Der durch die Brennstoffzelle mithilfe der Wasserstoffspeicherung erzeugte Strom ergänzt die Speicherkapazität der Hauptbatterie. Insofern kann das Wasserstoffsystem als „Reichweitenverlängerer“ betrachtet werden.
Das Tüpfelchen auf dem i: die schnelle Betankung. Zusätzlich zum Aufladen am Stromnetz reichen wenige Minuten (maximal 5 Minuten) aus, um Wasserstoff zu „tanken“, die Brennstoffzelle zu versorgen und so die Reichweite sofort zu verlängern.
Und das sind nicht die einzigen Vorteile: Das Wasserstofffahrzeug behält alle Vorzüge eines Elektroautos bei, angefangen beim geräuscharmen Betrieb über den Fahrkomfort bis hin zum Zugang zu verkehrsberuhigten Zonen in bestimmten Innenstädten.

Das Betanken eines Wasserstofffahrzeugs

Wie läuft das Aufladen eines Wasserstoff-Elektroautos konkret ab? Die Antwort variiert je nach Hersteller. Bei der von der Renault Group untersuchten Lösung bietet das Fahrzeug zwei Möglichkeiten, seine Energiereserven wieder aufzufüllen. Erstens das Aufladen an einer „klassischen“ Ladestation, um die Lithium-Ionen-Batterie zu versorgen (was durch die große Anzahl verfügbarer Ladestationen erleichtert wird). Zweitens das Aufladen an einer Wasserstofftankstelle, um die Gastanks in wenigen Minuten zu füllen, falls die Fahrt verlängert werden muss.

Die Speicherung von Wasserstoff

Auch wenn sich der Begriff „Brennstoffzellenauto“ noch nicht vollständig im allgemeinen Sprachgebrauch etabliert hat, sollte er keinesfalls den Eindruck einer risikobehafteten Technologie erwecken. Natürlich ist Wasserstoff, der unter hohem Druck im Tank steht, ein brennbares und flüchtiges Element, doch das gilt für jeden Kraftstoff. Bei Überhitzung oder Ausfall der Brennstoffzelle wird der Wasserstoff innerhalb von weniger als einer Minute abgelassen und entspannt.

Seit mehr als zwanzig Jahren haben sich Technologien, die auf Wasserstoff basieren, unter oft extremen Bedingungen (Raumfahrttechnik, U-Boote, Baumaschinen) vielfach bewährt.

Die Renault Group arbeitet zudem an Hybrid-Elektroantrieben (aufladbare Batterie und Wasserstoff-Brennstoffzelle), insbesondere mit ihrer Marke Renault und demDemonstrationsfahrzeug „Emblème“.

Erwähnenswert sind auch die Arbeiten von Alpine im Bereich Wasserstoff, insbesondere die 2024vorgestelltenPrototypen Alpenglow Hy4 und Hy6. 

Wasserstoffauto oder Elektroauto mit Lithium-Ionen-Batterie: Vergleich

Diese Technologien scheinen diametral entgegengesetzt zu sein, stellen jedoch zwei sich ergänzende Mobilitätsangebote dar.Ob Wasserstoff oder Elektroauto – diese Frage hängt in erster Linie vom Einsatzzweck und vom Fahrzeugtyp ab. Bei einem leichten Nutzfahrzeug mit hoher Nutzlast ist Wasserstoff besonders sinnvoll. Auch wenn der Tank, in dem er gespeichert wird, groß ist, bleibt sein Gewicht dennoch überschaubar. Wasserstoff eignet sich besonders für den intensiven Einsatz im geschlossenen Kreislauf, mit einer klar definierten und während einer Tour leicht erreichbaren Tankstelle oder direkt auf dem Firmengelände.
Elektrofahrzeuge, die ausschließlich mit Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet sind, eignen sich hingegen für alle Einsatzzwecke und Zielgruppen, von kurzen Fahrten in der Stadt bis hin zu Fernstrecken. Ist die Batterie jedoch leer, besteht die einzige Lösung darin, sie am Stromnetz aufzuladen. Die Ladegeschwindigkeit ist geringer als bei Wasserstoff, aber es gibt mehr Ladestationen, sowohl auf privaten Grundstücken als auch auf öffentlichen Straßen. Es ist einfach, die Parkzeit des Fahrzeugs zum Aufladen zu nutzen.
Es handelt sich also um zwei Technologien, die sich in ihrer Nutzung ergänzen und beide auf nachhaltige Mobilität abzielen.

Wasserstofffahrzeuge: Wie sieht die Verbreitung in Europa und Frankreich aus?

Im Jahr 2020 entfallen die Neuzulassungen von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen vor allem auf Deutschland, gefolgt von den Niederlanden und Frankreich**. Wasserstofftankstellen werden in Europa nach und nach eingerichtet. In Frankreich sind im Jahr 2023 23 Tankstellen in Betrieb, mit einem Ziel von 900 bis 2030. In Deutschland befinden sich derzeit 109 Tankstellen im Aufbau, bis 2030 sollen es 300 sein, in Spanien sind es derzeit 3 und bis 2030 sollen es 150 sein. In den Niederlanden sind im Jahr 2023 12 Tankstellen in Betrieb, mit einem Ziel von 150 bis 2025. Die Einführung der ersten serienmäßigen Wasserstoff-Elektroautos, einschließlich Nutzfahrzeugen, die derzeit hauptsächlich in ihren Unternehmen aufgeladen werden, könnte den Ausbau dieser Infrastruktur beschleunigen und zum Wachstum der Wasserstofftechnologie beitragen.

*WLTP: Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures. Der standardisierte WLTP-Zyklus besteht zu 57 % aus Stadtfahrten, zu 25 % aus Vorortfahrten und zu 18 % aus Autobahnfahrten. Die angegebenen Reichweitenwerte basieren auf der WLTP-Studie. Sie können je nach den tatsächlichen Einsatzbedingungen und verschiedenen Faktoren wie Geschwindigkeit, Temperaturkomfort im Fahrzeug, Fahrstil und Außentemperatur variieren. 

** Zahlen für das dritte Quartal 2020, veröffentlicht von der ACEA (Europäischer Automobilherstellerverband)

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