Wasserstoff-Brennstoffzelle . . . . . S

Wasserstoff-Brennstoffzelle

IST DAS WASSERSTOFFAUTO EINE REALISTISCHE OPTION?

Der Verbrennungsmotor hat durch die Umweltkrise an Glanz verloren. Aber sind Elektrofahrzeuge – mit ihren großen, schweren Batterien – zwangsläufig die Zukunft? Ist eine andere Lösung, etwa das Wasserstoffauto, eine Alternative?

Es ist wenig von Wasserstoff- oder Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEVs) die Rede, obwohl diese Technologie, die derzeit noch weniger ausgereift ist als Elektrofahrzeuge mit Batterie (BEVs), Antwort auf einige der Nachteile von BEVs bietet:

• begrenzte und je nach Witterung schwankende Autonomie

• lange Ladezeiten

• problematische Beschaffung der Rohstoffe

• Gewicht und Größe der Batterien

Frankreich stellt sein Interesse an Wasserstoff unter Beweis und plant, 7 Mrd. € in diesen Sektor zu investieren, während Deutschland Investitionen von 9 Mrd. € in diese Technologie angekündigt hat.

WOZU?

Im Gegensatz zu den Materialien, aus denen Batterien hergestellt werden, ist Wasserstoff überall auf der Erde verfügbar und „unerschöpflich“. Die ergiebigste Quelle? Wasser natürlich, denn es bedeckt 70 % unseres Planeten! Ein Wassermolekül (H2O) besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Um Wasserstoff zu gewinnen, werden diese Atome einfach durch elektrischen Strom getrennt: das Verfahren der Elektrolyse.

2H2O —› 2H2 + O2

Wenn der für diesen Schritt genutzte Strom zudem aus erneuerbaren Energiequellen stammt, kann Wasserstoff umweltfreundlich und ohne CO2-Emissionen erzeugt werden. Man spricht dann von „grünem“ Wasserstoff.

Dossier Wasserstoff- Brennstoffzelle

Obwohl Wasserstoff eine sehr hohe massebezogene Energiedichte von 120 MJ/kg aufweist, ist seine auf das Volumen bezogene Dichte mit nur 0,08 kg/m3 äußerst gering. Bei Umgebungsdruck hat Wasserstoff eine Energiedichte von 0,0096 MJ/dm3 – im Vergleich zu 34 MJ/ dm3 bei Benzin oder 2,2 MJ/dm3 bei Lithiumbatterien. Daher muss Wasserstoff komprimiert werden (auf 350 oder 700 bar), damit dem Fahrzeug je nach verfügbarem Platz und erwarteter Reichweite genügend Energie zur Verfügung steht. Bei einem Druck von 700 bar erreicht die volumenbezogene Energiedichte 6,72 MJ/dm3. Das ist dreimal mehr Energie pro dm3 als bei einer Lithiumbatterie. Und da Wasserstoff fast nichts wiegt, ist das wirklich interessant!

Komprimiert auf 700 bar verfügt Wasserstoff über 6,72 MJ/dm3 , d.h. eine Energie von 120 MJ in einem 18-Liter-Tank.

Eine Lithiumbatterie bietet bei gleichem Volumen und einem viel höheren Gewicht gerade einmal 40 MJ.

WIE FUNKTIONIERT'S?

Durch Oxidation und Reduktion an ihren Elektroden erzeugt die Brennstoffzelle (BZ) Strom. Für eine Redoxreaktion benötigt die Brennstoffzelle einen Brennstoff als Reduktionsmittel und Sauerstoff als Oxidationsmittel. In unserem Fall handelt es sich um das Paar Wasserstoff H2/ Sauerstoff O2.

Wassersto

H2 H2

Wärme

ee- e-

e-

e-

H+

Anode

H+

H+ H+ H+

H+ H+

H+

Elektrolyte

Katalysatoren

e-

e-

e-

O

H H

O

Kathode

Sauersto

O2 O2

Wärme

Wasser

H2O H2O

Kurz gesagt: Wasserstoffmoleküle (H2) zersetzen sich an der Anode, wenn sie mit einem Katalysator in Kontakt kommen. Bei dieser Oxidation werden Elektronen (e-) freigesetzt, die elektrischen Strom erzeugen. 2H2 —› 4 H+ + 4e-

Auf der anderen Seite der Brennstoffzelle, an der Kathode, reagiert der Sauerstoff (O2) mit den bei der Oxidation freigesetzten Elektronen (e-). Das ist die Reduktion. O2 + 4e- —› 2O-2

Nachdem sie durch die Katalysatoren und den Elektrolyten zur Kathode gelangt sind, verbinden sich die Wasserstoffprotonen (H+) schließlich mit den Sauerstoffionen (O-2). Bei der letztgenannten Reaktion entsteht Wasser. 4H+ + 2O-2 —› 2H2O

Bei der Nutzung des Fahrzeugs entstehen daher keine Schadstoffemissionen es wird lediglich Wasserdampf ausgestoßen.

Derzeit liegt der Wirkungsgrad einer Wasserstoff-Brennstoffzelle bei etwa 50 % (zum Vergleich: 95 % bei einem BEV, 40 % beim besten Verbrennungsmotor und 50 % bei F1-Motoren). Darüber hinaus entsteht im Zuge der Reaktionen der Brennstoffzelle Wärme, die dann bei Bedarf zum Beheizen des Fahrgastraums oder von Bauteilen genutzt werden kann – bei einem Elektrofahrzeug mit Batterie (BEV) unmöglich. Eine funktionierende Brennstoffzelle benötigt folglich Wasserstoff (in Tanks) und Sauerstoff (aus der Umgebungsluft). Der Unterschied zu einem Elektrofahrzeug mit Batterie (BEV) liegt in der Art der Energiespeicherung:

• in chemischer Form in der Batterie mit Aufladung an einem

Stromanschluss • in gasförmiger/flüssiger Form im Wasserstofftank mit Aufladung an einer Tankstelle wie beim herkömmlichen Verbrennungsmotor

Ein Wasserstofffahrzeug besteht aus folgenden Komponenten: einem Wasserstofftank, einem Luftkompressor, einer kleinen Lithium-Pufferbatterie*, der Brennstoffzelle (BZ), einem Elektromotor und der Leistungs-/Steuerelektronik.

Wassersto

Wärme

H2O

Wassersto tank

Abgasanlage Brennsto zelle

LithiumPu erbatterie

Strom

Luftkompressor

Elektromotor

O2 * Gemeinsam mit der Brennstoffzelle dient diese kleine Batterie zur Versorgung des Elektromotors bei starker Beschleunigung und ermöglicht zudem die Nutzung der regenerativen Bremsfunktion beim Abbremsen (Energie-Rekuperation).

FÜR WEN?

Nachteile dieser Technologie sind aktu Hydrogène ell sowohl die mangelhaft entwickelte H2 H2 Ladeinfrastruktur als auch die kostspie-Oxygène lige Herstellung von grünem Wasserstoff. O2 O2 Es wird viel geforscht, um die Brennstoffzellen zu optimieren (höherer Wirkungsgrad und Miniaturisierung der Komponenten) und um die Herstellung von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse erschwinglich zu machen. Das Verbesserungspotenzial ist vielfältig und wir stehen erst am Anfang der Entwicklung dieser Lösung, die Batterien (und synthetische Kraftstoffe) ergänzt.

Die Technologie wird zwar bereits in kleinem Maßstab produziert, findet aber eher im Transportsektor Anwendung. In der Tat scheint Wasserstoff im Moment die beste Lösung für schwere Fahrzeuge zu sein, die lange Strecken zurücklegen und zügig betankt werden müssen. Aktuell werden unterschiedliche Modelle wasserstoffbetriebener Lastkraftwagen und anderer Nutzfahrzeugen entwickelt, die schon bald marktreif sein sollten.

Darüber hinaus ist Wasserstoff nicht nur für den Mobilitätssektor interessant, denn mit dem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien ist die Elektrolyse auch eine Lösung für die Speicherung alternativer Energien. Diese Option könnte sich als Schlüssel erweisen, um unser Versorgungsnetz im Gleichgewicht zu halten. Denn im Gegensatz zu Batterien ist es bei Wasserstoff relativ einfach, große Energiemengen über einen langen Zeitraum zu speichern. Zu guter Letzt handelt es sich auch noch um eine Energiequelle, die leicht zu transportieren ist … mittels Tankwagen, in Flaschen und sogar Pipelines.

WANN?

Wie schon gesagt: Diese Technologie muss noch weiterentwickelt werden, um sich als ernsthafte Alternative zum Batteriespeicher zu behaupten. Aber sie funktioniert bereits, ist absolut zuverlässig und kommt in einigen Bereichen immer mehr zum Einsatz. So haben Renault und PSA für Ende 2021 eine Reihe wasserstoffbetriebener Nutzfahrzeuge angekündigt. Hyundai und Toyota bieten bereits wasserstoffbetriebene Pkw und Lkw an (Xcient-Programm) und auch bei Mercedes wird in den kommenden Jahren eine entsprechende Nutzfahrzeugreihe (GenH2-Programm) im Angebot sein.

FAZIT

Verschiedene technische Lösungen sind bereits auf dem Markt oder stehen kurz davor, die zur wirksamen Reduzierung unserer CO2-Emissionen beitragen könnten. Was die Mobilität betrifft, so zeichnen sich aktuell drei Lösungen ab, die jeweils ihre eigenen Vorteile und Schwächen haben:

• Elektrofahrzeuge mit

Antriebsbatterie

• Elektrofahrzeuge mit

Wasserstoff-Brennstoffzellen

• Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor oder Hybridfahrzeuge mit E-Kraft stoff (synthetischem Kraftstoff)

Obwohl es scheint, dass sich der Elektroantrieb (Motor) in Zukunft durchsetzen wird, ist es vermutlich zu früh, das batteriebetriebene Elektrofahrzeug als alleinige Lösung zu etablieren, wie es die Europäische Kommission gerne hätte. Durch die stetigen technologischen Fortschritte wird klarer ersichtlich werden, welche Lösungen am vielversprechendsten sind. Wasserstoff scheint offensichtlich das Potenzial zu haben, in naher Zukunft zur echten Alternative zu werden. Am Ende zählt die alte Weisheit, dass die Lösung in der Vielfalt und Komplementarität der Technologien liegt, um eine verantwortungsvolle, nachhaltige und realistische Mobilität zu erreichen.

Antonio DA PALMA FERRAMACHO/ Denis HUBERT

SYNTHETISCHER KRAFTSTOFF IN CHILE

Siemens Energy und Porsche bauen in Chile eine CO2-neutrale Kraftstoffanlage (eFuel). Ab dem nächsten Jahr werden 130.000 Liter eFuel produziert. Seine Kapazität wird bis 2024 auf 55 Millionen Liter und bis 2026 auf 550 Millionen Liter erhöht. Das Projekt nutzt die Windenergie zur Herstellung eines CO2-neutralen Kraftstoffs. Der Strom wird verwendet, um Wasser durch Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff zu trennen. Das Kohlendioxid wird dann aus der Luft gefiltert und zusammen mit dem Wasserstoff in eFuel umgewandelt. Neben Siemens Energy, Porsche und HIF sind auch Enel, ExxonMobil, Gasco und ENAP an dem Projekt namens Haru Oni beteiligt.

WIR HABEN GETESTET … DEN TOYOTA MIRAI UND DEN HYUNDAI NEXO

Unsere Experten hatten Gelegenheit, sich hinter das Steuer von zwei Fahrzeugmodellen mit Brennstoffzellenantrieb – bisher noch eine Seltenheit – zu setzen: den Toyota Mirai und Hyundai Nexo. Sehen Sie sich ihren Videobericht an. Scannen Sie dazu den QR-Code.

Toyota Mirai

Hyundai Nexo

Während die Entwicklung moderner Elektroautos bei den meisten Herstellern erst nach 2010 richtig Fahrt aufgenommen hat, reicht die Erforschung der Brennstoffzellen (BZ) bis in die 1990er-Jahre zurück. Damals waren viele Hersteller an Wasserstoff in unterschiedlichsten Formen interessiert. So entwickelten beispielsweise Mercedes, GM, Honda, Toyota und Hyundai Brennstoffzellen. Andere wie BMW und Mazda passten ihre Verbrennungsmotoren für die Verbrennung dieses Gases an. Das Ergebnis dieser Forschung sind zahlreiche Prototypen, einige Mietwagen auf Versuchsbasis (Honda Clarity, Mercedes GLC F-Cell), aber auch Modelle, die derzeit im Handel zu finden sind, wie der Toyota Mirai und der Hyundai Nexo aus unseren Videotests.

Denis HUBERT

Audi e-tron GT

EINE ELEKTRISIERENDE ABENTEUERFAHRT MIT DEM AUDI E-TRON GT!

Wie kann man seinen fließenden Linien nur widerstehen? Der Audi e-tron GT scheint fast zu schön, um wahr zu sein. Doch mit diesem GT wird nunmehr ein Traum Wirklichkeit!

Unsere Tour startet an der Cloche d‘Or. Es ist 10 Uhr morgens, als ein kleiner Konvoi mehrerer Audi e-tron GT sich in Richtung Schengen auf den Weg macht.

Wir testen auf den kurvenreichen Strecken die Agilität des Fahrzeugs. Schnelle Inbetriebnahme und stabile Kurvenlage – der Audi e-tron GT beschert echtes Fahrvergnügen. Nach einer kurzen Strecke durch ein Waldgebiet finden wir uns inmitten von Weinbergen wieder. Die Landschaft ist atemberaubend. Von den Bergkämmen blicken wir hinab auf die Mosel, während wir mit optimalem Tempo die Straße entlangfahren. Wenige Augenblicke später erreichen wir unser erstes Reiseziel an diesem Tag: die Stiftung Valentiny. Das Gebäude mit seiner modernen, klaren Linienführung ist dem futuristischen Stil des Audi e-tron GT sehr ähnlich – die zwei scheinen wie füreinander geschaffen. Nun ist es an der Zeit, sich von dem architektonischen UFO zu verabschieden und die Fahrt mit unserem dynamischen Kunstwerk fortzusetzen. Fahrzeuge mit dem GT-Label müssen eine Reihe von Auflagen erfüllen. Fahrleistung und Fahrverhalten müssen ausgezeichnet und dynamisch sein und die Linienführung elegant und einladend. Der Audi e-tron GT erfüllt alle diese Kriterien. Mit 350 kW bzw. 476 PS unter der Haube ist sein sehr dynamischer Antrieb direkt spürbar.

Gegen Mittag muss nicht etwa der Audi etron GT aufgeladen werden, sondern wir, die Autofahrer, müssen neue Kraft und Energie tanken. In der einzigartigen Umgebung des Kikuoka Country Clubs mit seinem weitläufigen Golfplatz lassen wir uns daher in dem hiesigen Bistro verwöhnen. Das Grün des Golfplatzes bietet für die zu diesem Anlass ausgestellten Audis erneut einen perfekten Rahmen.

EINE ANSPIELUNG AN HENRI TUDOR

Gut gestärkt machen wir uns danach in Richtung Rosport auf. Die Straßen sind weniger breit, aber deutlich kurvenreicher. Trotz seiner Länge von fast 5 Metern meistert der Audi e-tron GT jedoch schwerelos eine Kurve nach der nächsten.

In der Gemeinde Rosport finden wir uns für eine Präsentation am Tudor-Museum ein. Der Luxemburger Henri Tudor gehörte im 19. Jahrhundert zu den Vorreitern bei der Entwicklung der Stromspeicherung. Er hätte es wahrlich genossen, die Audi e-tron GT parkend unter seinem Fenster erblicken zu können!

Leider haben wir hiermit die letzte Station unserer elektrischen Abenteuerfahrt erreicht. Wir genießen die letzten Momente im Beisein dieses Automobils. Wie alle modernen Audis ist der e-tron GT vollständig vernetzt und unter anderem mit Infotainment, OnlineDiensten und Assistenzsystemen ausgestattet – alles ist auf den Komfort der Fahrgäste ausgerichtet.

Audi erbringt mit dem e-tron GT den Beleg dafür, dass elektrische Mobilität faszinierend sein kann. Das viertürige Coupé kombiniert markantes Design, das der Blickfang eines jeden Passanten ist, mit elektrisierender Leistung und dynamischem Fahrverhalten. Ihr Interesse ist geweckt? Dann sollten Sie allerdings mindestens 101.200 € für den Kauf einplanen.

Florian BROUIR

ICH KONTROLLIERE MEIN FAHRRAD >>>

Finden Sie hier die Straßenverkehrsordnung für die Radfahrer

1. Klingel

2. Bremsen

3. Weißes oder gelbes Licht vorne

4. Mindestens zwei Reflektoren pro Rad oder durchgehender reflektierender Streifen an den Reifen

5. Reflektoren an den Pedalen

6. Roter Rückstrahler

7. Rotes Rücklicht

8. Fahrradhelm

9. Warnweste