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Wasserstoff im Auto: die Technik dahinter

Was steckt hinter dem grünen Gas? Technologische Betrachtung eines Brennstoffzellenfahrzeuges (FCEV).  

Green NCAP 2021 - Hyundai Nexo © ÖAMTC/Green NCAP
Green NCAP 2021 - Hyundai Nexo -   © ÖAMTC/Green NCAP

So ziemlich jeder ist, zumindest über die Medien, mit einem Wasserstoffauto in Berührung gekommen. Bei den aktuellen Spritpreisen klingt diese Treibstoffalternative für viele plötzlich sehr attraktiv – und dabei wird auch noch umweltfreundlich getankt. Oder?

Mysterium Wasserstoff

Die Frage, die als erstes aufkommt, aber nur von wenigen wirklich beantwortet werden kann: Was ist Wasserstoff?

Die Schulbuchantwort: Wasserstoff ist ein chemisches Element, im Periodensystem mit H abgekürzt. Der hochentzündliche Stoff ist in seiner reinen Form, also als alleinstehendes Element, nirgends in der Natur aufzufinden. Jedoch ist Wasserstoff überall im Universum als Teil von anderen chemischen Verbindungen, wie etwa Kohle oder Erdgas, vorhanden. Besonders häufig findet sich das Element in Verbindungen, die sich aus vielen organischen Materialien zusammensetzen.
Obwohl es nur in Kombination mit anderen Verbindungen zu finden ist, macht dieses Element 75% des Volumens unseres ganzen Universums aus. Also eine ganze Menge Treibstoff für unseren zukünftigen Individualverkehr.

In Wasserstoffautos stecken Brennstoffzellen, die aus der Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff Strom herstellen, der dann wiederum in die Batterie fließt. Dieser chemische Vorgang ähnelt stark einer sogenannten Knallgasreaktion, bei der ein Gemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff zur Explosion gebracht wird. Die freigewordene Energie wird in der Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt.
Am Ort ihrer Nutzung erzeugen Brennstoffzellen keine schädlichen Abgase – daher zählt Wasserstoff zu den wahren Könnern in Sachen Umweltschutz. Prinzipiell stimmt das auch und das Potenzial ist enorm. Doch bei der Herstellung liegen noch Probleme begraben. 

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Derzeit werden 95% des genutzten Wasserstoffes durch das sogenannte „Methan-Hochtemperaturdampfverfahrens“ aus Erdgas gewonnen. Unter sehr starker Hitze wird das Gas in Wasserstoff und CO² umgewandelt. Diesen Vorgang wird „Dampfreformierung“ genannt.

Doch wo liegt hier der große Schaden für die Umwelt? Die Antwort liegt im Ergebnis des Verfahrens: Es entstehen Wasserstoff und CO². Während der Wasserstoff für grüne Zukunftsmobilität einen guten Zweck erfüllt, wandert das CO² wieder in die Atmosphäre, gemeinsam mit allen anderen Abgasen aus regulären Motoren und der Treibhauseffekt wird verstärkt.

Bei einer Tonne Wasserstoff entstehen ungefähr 10 Tonnen Co².

Wie kann also wirklich „Grüner Wasserstoff“ erzeugt werden?

Um grünen Wasserstoff herzustellen, muss auf eine neue Herstellungsmethode zugegriffen werden, die sogenannte „Elektrolyse“. Anstatt Erdgas zu CO² und Wasserstoff umzuwandeln, wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. So wird kein CO² in die Luft geschleudert.

Damit das Verfahren aber wirklich „grün“ ist, darf der für die Herstellung benötigte Strom nur aus rein erneuerbaren Energien kommen, also Wind - oder Solarenergie. Um 1 Kilo Wasserstoff herzustellen sind rund 55 kWh Ökostrom vonnöten.

Zusammengefasst muss ein Brennstoffzellenauto nicht nur im Auto selbst, sondern in allen drei Prozessen umweltfreundlich sein, bis er wirklich vollständig "grün" ist:

  • Die Quelle des Stroms, der für die Herstellung von Wasserstoff benötigt wird 
  • Das Verfahren, mit dem Wasserstoff hergestellt wird 
  • Die Brennstoffzelle, die den Wasserstoff CO²- frei wieder zu Strom für das Fahrzeug verarbeitet

Die Herstellung aus Erdgas ist allerdings deutlich kostengünstiger, weshalb trotz der umweltschädlichen Wirkung weltweit überwiegend auf dieses Verfahren zurückgegriffen wird.

Vorteile und Herausforderungen der Brennstoffzelle

Trotz der Luft nach oben in Sachen Umwelt bei der Wasserstoffherstellung, bietet die Brennstoffzelle als Energiewandler von Wasserstoff zu Strom eindeutige Vorteile, die das starke Potenzial der futuristischen Technik beweisen.

  • Direkte Umwandlung von chemisch gebundener Energie in elektrische Energie
  • Vermeidung von Schadstoffen und Lärm bei lokaler Nutzung
  • Entfall von beweglichen Bauteilen direkt in der Brennstoffzelle
  • Hohes Potenzial für geringe Herstellungskosten bei hohen Stückzahlen

Doch bevor der Erfolg des Wasserstoffautos gesichert ist, stehen noch Lösungsansätze für diverse Herausforderungen an, die die Brennstoffzellentechnologie mit sich bringt.

  • Die Brennstoffzelle weist – vor allem aktuell noch - bei geringen Stückzahlen hohe Herstellungskosten auf
  • Die Lebensdauer und der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen sind weiter zu erhöhen
  • Es bedarf zukünftig noch einer deutlichen Verbesserung des dynamischen Betriebsverhaltens

Das Brennstoffzellenfahrzeug im Detail

1) Wasserstoffspeichersystem (Wasserstofftanks)
Speziell beschichtete Verbundtanks, die mit gasförmigem Wasserstoff befüllt werden. Der maximale Druck für die Betankung liegt bei 700 bar. Die Sicherheit bei den Tanks steht stets an erster Stelle. Dazu werden Fall-, Brand- und Aufpralltests mit den Tanks durchgeführt.

Hochvoltbatteriesystem © Heinz Henninger Hochvoltbatteriesystem

2) Hochvoltbatteriesystem
Die Hochvoltbatterie versorgt den Elektromotor in bestimmten Situationen mit Strom. Diese zusätzliche Energiezufuhr wird z.B. bei Beschleunigungsvorgängen zur Spannungsanhebung („Boosten“) benötigt, da die Brennstoffzelle bei der Umwandlung des Wasserstoffs in elektrische Energie für den Antrieb träge ist und nicht sofort ihre gesamte Leistung bereitstellen kann. Die Hochvoltbatterie speichert außerdem die beim regenerativen Bremsen erzeugte elektrische Energie und versorgt diverse Bauteile wie z.B. den Antriebselektromotor oder auch den Klimakompressor mit Strom.


3) Antriebsmotor mit Reduktionsgetriebe

4) Peripherie mit Wasserstoff- und Luftmanagementsystem

5) Temperaturmanagementsystem

Brennstoffzellenblock © Heinz Henninger Brennstoffzellenblock

6) Brennstoffzellenblock
Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie durch ein chemisches Verfahren. Die Basiselemente dieses Prozesses sind Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff gelangt zur negativen Elektrode, wo er auf einem Katalysator aktiviert wird. Elektronen setzen sich frei und wandern zur positiven Elektrode. Dabei entsteht elektrischer Strom. Die Wasserstoff-Atome verwandeln sich durch die Abgabe der Elektronen in Wasserstoff-Ionen. Die Ionen fließen durch die Polymer-Elektrolyt-Membran zur negativen Elektrode. Dort entsteht aus Sauerstoff, Wasserstoff-Ionen und Elektronen durch eine chemische Reaktion schließlich Wasser.

Betankung

Auch nicht so klar: Wie kommt der Wasserstoff eigentlich ins Fahrzeug?

  © ÖAMTC © ÖAMTC

 

Das Betankungsventil am Betankungsschlauch verfügt über eine mechanische Sicherung. So wird während des Tankvorgangs die nötige Sicherheit garantiert. Zusätzlich wird durch die Sicherung für eine optimale Kopplung mit dem Einfüllstutzen des Fahrzeugs gesorgt.
Sobald diese ordnungsgemäß eingerastet ist, beginnt der Tankvorgang. Lecks im System zwischen Zapfsäule und Fahrzeug sind zwar möglich, werden aber durch Druckimpulse identifiziert. Sollte tatsächlich eine Störung vorhanden sein, wird der Tankvorgang sofort gestoppt.

Infrarot-Sensoren in den Wasserstofftanks sowie an Betankungsventil und Pumpe kontrollieren beim Tanken kontinuierlich Temperatur und Druck. Dadurch ist die genaue Steuerung der Füllmenge bei der Zufuhr von Wasserstoff möglich. Steckt der Schlauch zum Betanken noch im Fahrzeug, bewegt sich das Brennstoffzellenauto keinen Meter vorwärts. Eine Weiterfahrt ist erst dann möglich, wenn der Fahrer das Zapfventil abnimmt und den Tankdeckel schließt.

Video: Betankung eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges

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