Brennstoffzellenfahrzeug

Brennstoffzellenfahrzeuge sind Transportmittel mit Elektroantrieb, bei denen die benötigte elektrische Energie aus den Energieträgern Wasserstoff oder Methanol durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird. Derzeit sind fast ausschließlich Automobile und Omnibusse mit Brennstoffzellen in Betrieb.

Diese Antriebsform ist noch experimentell und steht in der aktuellen Entwicklung in Konkurrenz zu akkumulatorgespeisten Elektroantrieben (siehe auch Elektroauto). Probleme mit der Reichweite und der Wirtschaftlichkeit der Akkumulatoren (Preis und Lebensdauer) führten dazu, dass derzeit die Brennstoffzelle von einigen Automobilherstellern als Zukunftstechnologie favorisiert wird. Allerdings ist der Aufbau einer Infrastruktur für die Wasserstoffherstellung, Wasserstoffspeicherung und Betankung im Wesentlichen noch offen. Auch schreitet die Entwicklung bei Akkumulatoren zügig voran.

Funktionsprinzip

Eine Brennstoffzelle kann chemisch gebundene Energie mit mäßigem Wirkungsgrad von 38 Prozent direkt in elektrische Energie umwandeln. Der so gewonnene Strom wird in Elektromotoren, die oft ohne Getriebe direkt an zwei oder vier Rädern montiert (Radnabenmotor) sind, in Bewegungsenergie umgewandelt. Damit sind derzeit in den Konzeptfahrzeugen Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 145 km/h und Reichweiten mit einer Tankfüllung von bis zu 450 Kilometer möglich. Die verwendeten Brennstoffzellen arbeiten mit Betriebsdrücken zwischen 0,3 und 2,0 bar.

Treibstoffe und Tank

Heute wird eindeutig die Mitnahme von Wasserstoff in Tanks bevorzugt, entweder als Druckgas (700 bar, compressed H2) oder in tiefkalter flüssiger Form (−253 °C, liquid H2). Die Dichte von Druckgas kommt dabei schon zu 75 Prozent an die Dichte von flüssigem Wasserstoff heran. An Umwandlungsverlust muss für die Kompression auf 700 bar etwa 12 Prozent der an Wasserstoff gebundenen Energie aufgewendet werden, bei der Verflüssigung sind 28 bis 46 Prozent aufzuwenden. Die meisten Automobilfirmen bevorzugen inzwischen Druckgas-Tanks. Die Betankung erfolgt ähnlich zur herkömmlichen Betankung mit flüssigen Treibstoffen.

Es ist zum anderen aber auch möglich, die Vielfalt an energiehaltigen Substanzen als Kraftstoff zu nutzen, doch einige müssen für die Nutzung in der Brennstoffzelle zuvor chemisch in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt werden. Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) können den flüssigen Treibstoff Methanol jedoch unmittelbar nutzen. DMFCs weisen jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad auf.

Betankungssysteme mit flüssigen Treibstoffen und einem Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff haben sich jedoch nicht bewährt, sodass letztendlich zum Fahren wohl doch der Wasserstoff aus mitgeführten Tanks bereitgestellt werden wird.


Umweltfreundlichkeit

„Die Verwendung von Wasserstoff im Verkehr ist wegen der hohen Energieverluste und Kosten der Produktion, der Aufbereitung und des Transportes nicht zu befürworten. Auch die Herstellung von Methanol vor allem aus Erdgas ist nicht sinnvoll, da das Erdgas auch ohne die Verluste der Methanolherstellung direkt genutzt werden könnte. Selbst sofern regenerative Energieträger im Straßenverkehr eingesetzt werden könnten, wäre der Ersatz von alten hochemittierenden fossilen Kraftwerken durch diese regenerative Energie (Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft) wesentlich sinnvoller als der Ersatz von benzinbetriebenen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor durch Wasserstoffantriebe. Würde diese regenerative Energie direkt genutzt werden, könnten auch kabelgebundene Transportmittel, wie Straßenbahn, Fernbahnen und Oberleitungsbusse als „Nullemissionsfahrzeug“ betrieben werden.“

– Umweltbundesamt[1]

Ausblick

Derzeit wird mit Hilfe von Prototypen und Kleinserienfahrzeugen die Praxistauglichkeit dieser Fahrzeuge getestet. Nachteilig ist jedoch, dass der Energiespeicher wesentlich größer als bei Benzin- und Dieselfahrzeugen ausfällt und vor allem Wasserstoffspeicher sehr aufwändig hinsichtlich ihrer Dichtheit, Wärmeisolierung und Sicherheit zu konstruieren sind.

Ein großer Vorteil der Brennstoffzelle sind die geringen Geräuschemissionen bei der Umwandlung von chemischer in mechanische Energie. Ein weiterer Vorteil ist, dass Elektrofahrzeuge selbst bei schwacher Motorisierung eine hohe Anfangsbeschleunigung haben. Das liegt daran, dass beim Elektroantrieb das volle Drehmoment schon im Stand zur Verfügung steht. Dieser Vorteil ist jedoch nicht nur auf Brennstoffzellenfahrzeuge beschränkt, sondern trifft auch auf Fahrzeuge zu, die ihre Energie aus Akkumulatoren beziehen.

Wann der Brennstoffzellenantrieb in Deutschland erstmals serienmäßig eingesetzt wird, ist noch unklar. In Japan und den USA ist der Honda FCX voraussichtlich ab 2009 erhältlich. Mercedes will die B-Klasse ab 2010 mit Brennstoffzelle anbieten.[2]

Bilanz der Energiebereitstellungskette

Wasserstoff wird derzeit vorzugsweise durch Dampfreformierung aus Erdgas hergestellt. Dabei wird genauso viel Treibhausgas Kohlendioxid frei, wie bei unmittelbarer Verbrennung des Erdgases entstehen würde. Insgesamt ist also die Methode klimaschädlich.

Wasserstoff müsste nachhaltig durch Elektrolyse aus Wasser hergestellt werden (Wirkungsgrad nur 43 %) und der elektrische Strom muss aus erneuerbaren Energieformen gewonnen werden, da sonst wieder Kohlendioxidemmissionen oder Atommüll anfallen. Im Endeffekt wird dreimal mehr Energie benötigt als bei Batteriefahrzeugen.[3]

Methanol kann aus natürlichen Quellen gewonnen werden. Eine großindustrielle Herstellung konkurriert jedoch mit der Lebensmittelherstellung. Eine großindustrielle Herstellung geht daher mit den Nachteilen von Monokulturen – wie etwa hohem Pestizidverbrauch – und steigenden Lebensmittelkosten einher[4]. Das Prinzip zeigt sich besonders an dem Beispiel der mexikanischen "Tortilla-Krise"[5], wobei der Maispreis aufgrund der Verwendung von Mais zur Herstellung von Bioalkohol stark gestiegen ist und damit ein Grundlebensmittel für viele unerschwinglich wurde. Das ist ein grundsätzliches Problem nachwachsender Rohstoffe.

Brennstoffzellen-Konzeptfahrzeuge

Personenkraftwagen

Honda FCX

Einige Hersteller stellten bereits mehrere Generationen oder mehrere verschiedene Konzeptfahrzeuge vor:

Des Weiteren wurde vorgestellt: Honda FCX, Audi A2H2 (2004), BMW 750hl (2002), Ford Focus FCV Hybrid, Morgan LifeCar, Nissan X-Trail FCHV, Peugeot Quark.

Nutzfahrzeuge

DaimlerChrysler entwickelte einen Sprinter, sowie 1997 den Mercedes-Benz NEBUS (O405N2-Bus mit Brennstoffzelle), 2002 einen Mercedes-Benz Citaro fuel CellBus. Van Hool und UTC-Fuel Cell, ISE Corporation präsentierten 2005 gemeinsam den Van Hool newA330 Fuel Cell.

Schiffe/Boote

Referenzen

  1. ↑ Bewertung alternativer Treibstoffe und Antriebe (Stand: 1. September 2006)
  2. ↑ derwesten.de: Mercedes überarbeitet B-Klasse - Brennstoffzelle folgt 2010
  3. ↑ Wasserstoff: Der Kraftstoff der Zukunft? - Telepolis -Artikel
  4. ↑ Biosprit und die Angst vor steigenden Bierpreisen - Telepolis-Artikel
  5. ↑ Tortilla-Krise in Mexiko - Telepolis-Artikel
Quelle: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Brennstoffzellenfahrzeug&oldid=47074282