Elektromobilität: Die Brennstoffzelle als Alternative zur Batterie

Batteriebetriebene Elektroautos gelten als Fortbewegungsmittel der Zukunft. Sie besitzen dennoch einige Schwächen, die der Verbreitung der Elektromobilität im Weg stehen. Die Brennstoffzelle stellt eine mögliche Alternative zum Akku dar. Aber wo liegen ihre Vor- und Nachteile gegenüber der Batterie? Und: Gibt es brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge bereits im Handel?

Probleme der Elektromobilität

Zu teuer, zu geringe Reichweite, zu lange Ladezeiten. Das sind wohl die drei häufigsten Kritikpunkte, die zum Thema Elektroauto geäußert werden. Trotz staatlicher Subventionierung und technischem Fortschritt bleibt das Elektroauto in Deutschland bisher eher eine Randerscheinung. Doch woran liegt das? Die drei bereits genannten Kritikpunkte gehen allesamt auf die Akkumulatoren zurück. Sie begrenzen derzeit noch die Reichweite und sind sowohl für den hohen Preis als auch die langen Ladezeiten der E-Autos verantwortlich.

Hinzu kommen weitere Probleme wie das enorme Gewicht der Akkus sowie die alles andere als grüne Umweltbilanz eines E-Fahrzeugs. Das liegt am nur zum kleinen Teil regenerativ erzeugten Strom und an den vielen seltenen Erden, wie zum Beispiel Neodym, welche zum Bau des Akkus benötigt werden. Mithilfe von Brennstoffzellen als Stromquelle für das Elektroaggregat könnten einige dieser Probleme gelöst werden.

Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist im Gegensatz zu einem Akkumulator kein Energiespeicher. Sie wandelt, vereinfacht dargestellt, Wasserstoff und Sauerstoff unter Zuhilfenahme eines Katalysators (z. B. Platin) in Strom, Wasser und Wärme um. Die Brennstoffzelle besteht aus zwei mit dem Katalysator beschichteten Elektroden, die jeweils von Wasserstoff (Anode) und Sauerstoff (Kathode) umgeben sind. Der Wasserstoff wird mithilfe des Katalysators oxidiert und die frei werdenden Elektronen fließen in den Stromkreislauf und versorgen den Motor oder einen vorgeschalteten Akku mit Strom.

An der Kathode wird der Sauerstoff reduziert und verbindet sich mit den Wasserstoffprotonen zu Wasser, welches dann aus der Zelle abgeführt wird. Der Strom muss noch mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgerichtet werden, damit er für den Motor nutzbar wird. Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe Spannung von etwa 0,5 Volt aufbringt, werden Brennstoffzellen in sogenannten „Stacks“ in Reihe geschaltet um eine höhere Gesamtspannung zu generieren.

 Das erste Brennstoffzellenauto in Großserienfertigung

Wasserstoffbetriebene Autos sind an sich nichts Neues. Bereits seit den neunziger Jahren untersuchen Autohersteller die Nutzung der Brennstoffzelle im Fahrzeugbau. Der japanische Hersteller Toyota möchte mit dem ersten in Großserie gefertigten Brennstoffzellenfahrzeug, dem Mirai, den nächsten Schritt in Richtung allgemeiner Massenproduktion wagen. Die Limousine verfügt über einen Elektromotor mit einer Leistung von 114 kW (155 PS) und beschleunigt in 9,6 Sekunden auf einhundert Stundenkilometer. Die Spitzengeschwindigkeit liegt bei 176 Kilometern pro Stunde. Die beiden Wasserstofftanks im Inneren des Fahrzeugs fassen jeweils ca. 2,5 Kilogramm Wasserstoff unter einem Druck von 700 bar. Damit besitzt der Mirai eine Reichweite von bis zu 500 Kilometern.

Wasserstoff, 700 bar, kann das bei einem Unfall gut gehen? Laut Toyota: ja! Die beiden Wasserstofftanks bestehen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und sind so in das Chassis integriert, das die Aufprallenergie bei einem möglichen Unfall von der Karosserie absorbiert wird und die Tanks geschützt bleiben. Billig ist der seit Ende 2015 in Deutschland erhältliche Wagen jedoch nicht. Der Neupreis liegt bei 78.540 Euro, allerdings ist er nur als Leasing erhältlich. Die monatliche Nettorate beträgt stolze 1219 Euro. Auch wenn Toyota ihn als „Großserienfahrzeug“ tituliert ist er immer noch ein Spezialfahrzeug für betuchte Kunden statt für die breite Masse. Toyota plant mit einem Jahresabsatz von lediglich 400 Einheiten.

Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle

Die geringen Absatzzahlen waren vorhersehbar. Die Gründe dafür sind ebenfalls schnell ersichtlich. Neben dem hohen Preis ist vor allem das extrem dünne Tankstellennetz mit gerade einmal 34 Wasserstoffzapfsäulen in ganz Deutschland ein Hemmnis für viele potenzielle Kunden. Auch die bereits erwähnte Hochdruckspeicherung des explosiven Treibstoffs dürfte trotz der versprochenen Sicherheit seitens Toyota viel Skepsis hervorrufen. Dennoch glaubt der Hersteller an eine Zukunft mit Wasserstoff als alternative Energiequelle.

Die Vorteile des Mirai gegenüber herkömmlichen batteriebetriebenen Autos sind vor allem die hohe Reichweite und die geringe Nachtankzeit. Während eine Batterie selbst mit Schnellladung häufig mehr als eine Stunde an die Steckdose muss, sind die Wasserstofftanks in ca. drei Minuten aufgefüllt. Ein enormer Vorteil auf Langstrecken, da keine längeren Pausen nötig sind. Um den Ausbau von Wasserstofftankstellen voranzutreiben hat Toyota mit Vertretern aus Politik und Wirtschaft die Initiative „Wasserstoff Brennstoffzelle Deutschland“ gegründet. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit soll das H-Tankstellennetz bis zum Jahr 2023 auf ca. 400 Tankstellen anwachsen.

Umweltbilanz des Wasserstoffautos

Die Theorie des emissionsfreien Fahrens klingt, ähnlich wie beim batteriebetriebenen E-Auto, bei der Brennstoffzelle sehr vielversprechend. Das Auto stößt lediglich Wasser aus, welches als Abfallprodukt in der Brennstoffzelle entsteht. Doch das Wasserstoffauto kann ebenfalls keine grüne Umweltbilanz vorweisen. Die Probleme liegen auch hier in der Produktion des Treibstoffes. Wasserstoff wird fast ausschließlich aus Erdgas gewonnen. Bei der Produktion entsteht ein ähnlicher CO₂-Ausstoß wie bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Alternativen bestehen zum einen in der Gewinnung von Wasserstoff aus Biomasse, da das bei der Produktion emittierte Kohlendioxid vorher von den Pflanzen aus der Atmosphäre aufgenommen wurde. Zum anderen ließe sich auch mithilfe von Elektrolyse Wasserstoff gewinnen. Dabei wird Wasser in seine beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Vorgang ist allerdings sehr stromintensiv und macht dadurch energiewirtschaftlich nur Sinn, wenn der Strom regenerativ erzeugt wurde.

Also gehört die Zukunft doch der Batterie? Nicht unbedingt, denn beide Technologien haben noch hohes Entwicklungspotenzial. Die Infrastruktur für alternative Fahrzeugkonzepte kann ebenfalls geschaffen werden, was der amerikanische Autohersteller Tesla mit seinem Netzwerk aus Schnellladestationen beweist. Der Entwicklungsfortschritt der nächsten Jahre wird darüber entscheiden, ob sich eine Technologie durchsetzt oder vielleicht sogar Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge in Zukunft nebeneinander auf den Straßen unterwegs sind.

Wie steht die deutsche Autoindustrie zu Wasserstoff-Autos?

„Die deutsche Autoindustrie hat die Elektromobilität verschlafen“ war der allgemeine Tenor der letzten Jahre aus Bevölkerung, Wirtschaft und Politik zum Thema E-Autos. Gilt das auch für die Brennstoffzellentechnologie? Blickt man in die Vergangenheit sticht vor allem Daimler mit ersten Erprobungsfahrzeugen hervor. Bereits 1994 testete der Konzern den Einsatz einer Brennstoffzelle in einem Van. Seit 2003 produziert Mercedes-Benz unter dem Namen F-Cell ein eigenes Wasserstoffauto in Kleinserie für ausgewählte Kunden. Zunächst auf Basis der A-, ab 2007 auf Basis der B-Klasse. Bereits für 2017 hat Daimler die Präsentation eines neuen Brennstoffzellenfahrzeugs auf Basis des SUV-Modells GLC angekündigt. Aber auch BMW und der Volkswagen Konzern forschen zurzeit an der Nutzung von Brennstoffzellen im Automobilbereich. Hinweise auf den Markstart eines eigenen Brennstoffzellenautos der beiden Hersteller gibt es jedoch noch nicht.

Hier noch ein kleines Video zur Funktionsweise der Brennstoffzelle.