Auto füllt Wasserstoff an einer Zapfsäule auf.
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Wasserstoffantriebe werden auch als Brennstoffzellenantriebe bezeichnet. Sie gelten als emissionsfreie Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, da sie lediglich Wasser ausstoßen. Bislang sind Wasserstoff Autos jedoch nicht klimaneutral, denn die Herstellung von Wasserstoff ist sehr energieintensiv. Dabei handelt es sich erst um eine klimafreundliche Produktion von Wasserstoff, wenn diese mithilfe von Erneuerbaren Energien erfolgt. Mit diesem Beitrag möchten wir Sie mit der Funktionsweise des Wasserstoffverbrennungsmotors vertraut machen.

Das erwartet Sie in diesem Artikel

(Lesedauer ca. 5 Min.)

Wie funktioniert ein Wasserstoffmotor?

Was allgemein als Wasserstoffauto bezeichnet wird, basiert eigentlich auf demselben Antriebsprinzip wie ein Elektrofahrzeug. Allerdings wird die Batterie im Gegensatz zu gängigen E-Autos nur als Kurzzeitspeicher genutzt. Dieser kommt vor allem bei erhöhtem Energiebedarf in Beschleunigungsphasen zum Einsatz. Zusätzlich speichert die Batterie die durch das Abbremsen freigesetzte Bewegungsenergie.
 
Die eigentliche Energie entsteht in der Brennstoffzelle mittels umgekehrter Elektrolyse. Die im Auto eingebaute Brennstoffzelle erzeugt Strom aus Wasserstoff, indem Wasserstoff und Sauerstoff miteinander zu Wasser reagieren. Hierbei entsteht sowohl Wärme als auch elektrische Energie. Dabei ist die Technologie der Brennstoffzelle sehr leistungsfähig und erreicht einen Wirkungsgrad von mehr als sechzig Prozent. Verglichen mit einer Effizienz von 25 bis 35 Prozent bei regulären Benzin-PKW erweist sich der Gesamtwirkungsgrad eines Wasserstoffautos als erheblich effektiver.

Wasserstoffmotor im Detail

Der Kern einer Brennstoffzelle setzt sich aus zwei Elektroden zusammen. Diese heißen Anode und Kathode. Sie sind voneinander durch einen Elektrolyten (Membran) getrennt. Für Gase ist diese Membran nicht durchlässig. Wasserstoffautos verfügen über PEM-Brennstoffzellen. PEM steht für Polymer-Elektrolyt-Membran. Diese sind auf beiden Seiten mit einer Schicht aus Kohlenstoff und einem Katalysator beschichtet. In den meisten Fällen kommen hier Platin und Platingemische oder auch Nickel infrage. Bei einer Elektrolyse wird Wasser unter Einwirkung von elektrischer Ladung in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Die Brennstoffzelle hingegen kehrt den Vorgang um und mischt die beiden Elemente zu Wasser.

Was ist umgekehrte Elektrolyse?

Dieser Vorgang geschieht durch eine Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff, welche in der Membran erfolgt. Wasserstoff wird vom Tank zur Anode geleitet, während der Kathode kontinuierlich Sauerstoff zugeführt wird. In der Folge spalten sich die Wasserstoffmoleküle in Ionen und Elektronen auf. Die Ionen gelangen nun durch die Membran zum Sauerstoff an die Kathode und reagieren gemeinsam zu Wasser. Für die Wasserstoffelektronen bleibt die Membran jedoch undurchdringlich. Sie werden über eine separate Leitung von der Anode zur Kathode geleitet. Dadurch entsteht elektrischer Strom, der sowohl den Elektromotor des Autos antreibt, als auch die Batterie lädt. Die Umkehrung der Elektrolyse innerhalb einer Brennstoffzelle produziert also Wärmeenergie, Strom und Wasser.

Vorteile von kalter Verbrennung

Da Wasserstoff und Sauerstoff auf natürlichem Weg miteinander reagieren, nennt sich dieser Prozess auch „kalte Verbrennung“. Ein wichtiger Aspekt bei der kalten Verbrennung ist das Ausbleiben unerwünschter Rückstände wie Stickoxiden. Aktuell werden fast ausschließlich Brennstoffzellen verbaut, die bei Temperaturen bis 100° Celsius arbeiten.

Was ist Wasserstoff und wozu wird er benötigt?

Wasserstoff wird als das älteste Element im Universum bezeichnet. In seiner häufigsten Form, dem Isotop Protium, enthält er nur ein Proton und ein Elektron. Unter gewöhnlichen Bedingungen ist Wasserstoff geruch- und farblos und leichter als Luft. In der Natur kommt Wasserstoff ausschließlich in Verbindung mit anderen chemischen Elementen vor.
 
Wasserstoff gelangt in vielen unterschiedlichen Industriezweigen zum Einsatz. In der Glasfaserproduktion zum Beispiel, um rußfreie Flammen zu bewerkstelligen. Die Lebensmittelindustrie setzt Wasserstoff bei der Herstellung von Margarine ein. Zudem findet Wasserstoff in folgenden Bereichen Anwendung:
  • Chemische Industrie
  • Herstellung von Metallen
  • Raffinierung von Mineralöl
  • Produktion von Düngemitteln
  • Herstellung synthetischer Kraftstoffe
  • Stromspeicherung und Rückverstromung

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Wasserstoff wird durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen. Bislang ist der für die Elektrolyse nötige Energiebedarf zu hoch und nicht aus Regenerativer Energie zu leisten. Nur etwa 2 Prozent des gesamten Wasserstoffbedarfs weltweit werden unter Einsatz erneuerbarer Energien erzeugt. Hauptsächliche Energieträger zur Produktion von Wasserstoff sind Kohle, Erdöl und Erdgas. Allerdings entstehen 40 Prozent der benötigten Wasserstoffmenge als Abfallprodukte bei Prozessen wie Erdölraffinierung oder Erdgassynthese. Der bislang ökonomisch sinnvollste Weg zur Gewinnung von Wasserstoff erfolgt mithilfe von Dampfreformierung. Diese ist ein chemisches Verfahren, bei dem Wasserdampf und Kohlenstoffmonoxid miteinander reagieren und dabei Wasserstoff freisetzen.

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Gibt es in Deutschland Wasserstofftankstellen?

Da die Brennstoffzelle bislang noch ein Schattendasein unter den E-Autos fristet, existieren in Europa derzeit nur 130 Wasserstofftankstellen. Davon 91 in der Bundesrepublik. Eine Ausführliche Liste mit Karte finden Sie auf dem H2 Portal. Der Tankvorgang selbst dauert kaum länger als das Betanken mit gewöhnlichen Kraftstoffen. Das ist ein enormer Vorteil gegenüber langen Ladevorgängen bei E-Autos darstellt. Prinzipiell gilt Wasserstoff als hervorragender Energieträger und lässt sich dauerhaft lagern. Allerdings stellt die geringe Dichte des Gases hohe Anforderung an dessen Komprimierung. Die Tanks von Wasserstoffautos nehmen zwischen 4 und 5 Kilogramm Wasserstoff auf, bei einem Preis von 9,50 Euro pro Kilogramm. Die Reichweite eines durchschnittlichen Brennstoffzellenautos beträgt 500 Kilometer.

Wie wird ein Wasserstoffauto betankt?

Wasserstofftanks unterscheiden sich deutlich von Tanks für fossile Kraftstoffe. Der Wasserstoff wird bei extremer Kälte (minus 253° Celsius) flüssig gespeichert. Alternativ unter hohem Druck von 350 bis 700 bar in gasförmigem Zustand. Aufgrund der hohen Energiedichte sind spezielle doppelwandige, superisolierte Speicher nötig. Zwischen den beiden Tankwänden befindet sich eine in ein Vakuum eingefügte Isolierschicht. Diese schützt sowohl vor Temperaturschwankungen als auch vor Abdampfverlusten.

Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle

Vorteile

  • Nachhaltigkeit

Wasserstoff gilt als erneuerbar und auch als sauberster Energieträger, der derzeit zur Verfügung steht. Bei seiner Nutzung in der Brennstoffzelle entstehen keinerlei Abgase, sondern Wasser.
  • Effizienz

Wasserstoff ist deutlich leistungsfähiger als fossile Kraftstoffe. Die Effizienz der Brennstoffzelle liegt dreimal höher als diejenige konventioneller Brennstoffe wie Diesel und Benzin.
  • Kurze Tankzeiten

Anders als andere Elektrofahrzeuge lassen sich Brennstoffzellenautos innerhalb von wenigen Minuten volltanken.
  • Geringe Lärmbelästigung

Brennstoffzellen erzeugen keinerlei Lärmbelästigung, wie dies beispielsweise bei der Windkraft der Fall ist.


Nachteile

  • Wasserstoffgewinnung

Obwohl Wasserstoff das häufigste Element in der Natur ist, kommt es nur in Verbindung mit anderen Elementen vor. Deshalb gilt es diesen unter hohem Energieaufwand von den anderen Elementen zu trennen. Die gängigen Verfahren zur Extraktion von Wasserstoff verbrauchen mehr Energie als der gewonnene Wasserstoff anschließend liefert.
  • Teure Rohstoffe

Für die Produktion von Brennstoffzellen sind wertvolle Materialien wie Platin erforderlich. Dadurch ist die Anschaffung eines Wasserstoffautos mit hohen Kosten verbunden.
  • Speicherung

Die Wasserstoffspeicherung ist ebenfalls noch mit hohen Ausgaben verbunden. Sowohl die Druckerzeugung als auch das Kühlverfahren sind Prozesse, die einen großen technischen Aufwand erfordern. Darüber lässt sich Wasserstoff weder durch Leitungen pumpen, noch auf einen LKW verladen.
  • Fehlende Infrastruktur

Zurzeit ist die Wasserstoffinfrastruktur nicht ausgereift und daher für Autofahrer wenig zuverlässig und kaum praktikabel. Die Umrüstung auf neue Energieträger erfordert Zeit und hohe Investitionen.


Fazit zum Wasserstoffmotor

Die Technik der Brennstoffzelle gilt als besonders effizient und leistungsfähig. Das Element Wasserstoff ist in der Natur reichlich vorhanden, muss allerdings in energieintensiven Verfahren aus chemischen Verbindungen extrahiert werden. Geschieht dies nicht unter Nutzung von erneuerbaren Energien, kann die Brennstoffzelle nicht als klimaneutral bezeichnet werden. Es bleibt abzuwarten, ob neue Methoden der Wasserstoffgewinnung der Brennstoffzelle auf dem Automarkt zum Durchbruch verhelfen. Mit HVO als Alternative zu Diesel oder E-Fuels als syntethische Kraftstoffe gibt es zusätzliche Möglichkeiten des Antriebs.

Häufige Fragen 

Warum kein Wasserstoff Verbrennungsmotor?

Der Wasserstoffverbrennungsmotor ist weniger effizient als Elektromotoren und Brennstoffzellen. Es gibt noch keine weit verbreitete Infrastruktur für die Wasserstoffversorgung und Wasserstoff ist ein hochexplosives Gas, was die Handhabung und Lagerung gefährlich macht. Die Herstellung von Wasserstoff ist teuer und der Preis für Wasserstoff ist derzeit noch sehr hoch.

Hat der Wasserstoffmotor eine Zukunft?

Wasserstoffverbrennungsmotoren haben aufgrund ihrer geringeren Effizienz und der teuren und aufwendigen Wasserstoffherstellung und Infrastruktur derzeit keine vielversprechende Zukunft im Bereich der individuellen Mobilität.  Allerdings kann der Wasserstoffverbrennungsmotor in einigen Nischenanwendungen, wie zum Beispiel im Schwerlastverkehr, eine Rolle spielen.

Kann man einen Benziner auf Wasserstoff umrüsten?

Für den Umbau wird ein elektronisch gesteuerter Wasserstoffadapter der Firma Komaxl in den Maschinenraum des Fahrzeugs eingebaut und von der Autobatterie mit Strom versorgt. Sobald der Motor läuft, beginnt der Adapter mit der Elektrolyse von Wasser, wodurch der Wasserstoff freigesetzt wird.