Die Entwicklungsstufen der Brennstoffzelle für den Honda FCX-Clarity (von rechts).
Statt Strom in die Batterie kommt Wasserstoff in den Tank und die Brennstoffzelle macht an Bord daraus dann wieder Strom für den Elektromotor. Und statt zum Aufladen der Batterie stundenlang an der Steckdose zu hängen, ist ein Auto mit Wasserstoffantrieb nach wenigen Minuten an der Tankstelle wieder startklar. Und das für Strecken von 600 Kilometer und mehr mit nur einer Tankfüllung. Zudem entfallen die umweltschädlichen Abgase, denn als Abfallprodukt der chemischen Reaktion kommt nur noch Wasserdampf aus dem Auspuffrohr. Beste Voraussetzungen also für eine neue Massen-Motorisierung mit umweltfreundlichen Automobilen.
Zudem gilt die Brennstoffzelle mit ihrem Wirkungsgrad als unschlagbar. Unter dem Wirkungsgrad versteht man das Verhältnis von dem, was an Energie in den Tank eingefüllt wird, im Verhältnis zu dem, was davon schließlich an den Rädern ankommt. Ein Benzinmotor bringt es dabei auf rund 25 Prozent, das heißt, drei Viertel der Energie geht wirkungslos für den Antrieb als Wärme verloren. Ein Diesel kann da schon mit etwa 30 Prozent aufwarten. Die Brennstoffzelle dagegen kommt in diesem Vergleich auf unschlagbare 60 Prozent.
Was allerdings noch fehlt, ist ein gewaltiger Überschuss an Öko-Strom
Blickt man allerdings genauer auf die Produktions- und Transportkette von Wasserstoff, den die Brennstoffzelle nun mal für die Erzeugung von elektrischem Strom benötigt, dann ist die Energiebilanz von Wasserstoff schlichtweg eine Katastrophe. Wasserstoff wird elektrisch aus Wasser abgespalten. Durch hohen Energieeinsatz bei der Elektrolyse entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Anschließend wird der Wasserstoff mit elektrischen Pumpen auf 700 bar verdichtet und an die Tankstelle transportiert, bevor die Brennstoffzelle im Auto den Wasserstoff dann wieder in Strom zurückverwandeln kann.
So gehen bereits 70 Prozent der eingesetzten Energie durch Herstellung und Transport verloren, bevor der Wasserstoff überhaupt im Fahrzeugtank angekommen ist, d.h., nur 30 Prozent der für die Herstellung einer Tankfüllung benötigten Energie stehen schließlich für den Antrieb des Autos zur Verfügung. Hier sind Autos mit Elektroantrieb bislang noch deutlich im Vorteil, denn nach dem Laden des Akkus stehen 70 Prozent der eingesetzten Energie im Auto für den Fahrbetrieb zur Verfügung.
Will man also Wasserstoff wirklich klimaneutral und in ausreichender Menge für einen größeren Fahrzeugbestand produzieren, erfordert das einen gewaltigen Überschuss an Öko-Strom aus Wasser, Wind, Sonne oder Biomasse.
Der Toyota „Mirai“ (japanisch für „Zukunft“) ist eine viertürige Mittelklasse-Limousine, 4,90 Meter lang, mit Frontantrieb und Platz für vier Personen. Bei Fahrleistung und Reichweite soll die Fuel Cell-Limousine auf dem Niveau ähnlich großer Modelle mit Benzin- oder Dieselmotor liegen. Die Brennstoffzelle mit mehr als 100 kW Leistung hat Toyota in Eigenregie entwickelt. Im April 2015 ist die Markteinführung des „Mirai“ in Japan geplant.
Wie die Brennstoffzelle elektrischen Strom liefert
Die Brennstoffzelle ist älter als das Automobil. Erfunden wurde sie bereits 1839 in Wales von dem Juristen und Physiker Sir William Robert Growe (1811-1896). Mit einer Brennstoffzelle lässt sich elektrischer Strom erzeugen, indem man in ihr (vereinfacht gesagt) Wasserstoff und Sauerstoff zusammenführt.
Das Problem dabei: Wasserstoff, die Voraussetzung für den Betrieb einer Brennstoffzelle, ist zwar das häufigste Element im Universum, kommt aber in reiner Form nicht auf unserem Planeten vor. Wasser, das rund elf (Gewichts-)Prozent Wasserstoff enthält, haben wir genug. Den Wasserstoff daraus zu holen ist allerdings sehr aufwändig und energieintensiv, man muss das Wasser durch den Einsatz von viel Elektrizität in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. In der Brennstoffzelle wird dieser Vorgang dann praktisch wieder umgekehrt.
Daimler und Linde bauen neue Tankstellen für Wasserstoff. Bis Ende 2015 sollen in Deutschland 20 neue Tankstellen für Wasserstoff in Betrieb gehen, um die Infrastruktur für Fahrzeuge mit Brennstoffzelle zu verbessern. Dafür wollen der Autobauer Daimler und der Gasproduzent Linde jeweils zehn Millionen Euro investieren. An dem Projekt beteiligt sind auch die Mineralölunternehmen Total, Avia, OMV und Hoyer. Die erste neue Tankstelle wurde bereits 2014 in Berlin eröffnet. Experten rechnen bis 2018 mit mehr als 10.000 Fahr- zeugen, die dann mit Brennstoffzellenantrieb auf Europas Straßen unterwegs sind. Bisher gibt es in Deutschland nur 27 Tankstellen für Wasserstoff, von denen nur knapp die Hälfte auch für Privatkunden zugänglich ist.
Prinzipiell sind alle Brennstoffzellen gleich aufgebaut. Zwischen zwei Elektroden befindet sich als Leiter ein Elektrolyt, der bei der chemischen Reaktion zwischen beiden den Austausch der Ionen ermöglicht. Die Elektroden sind dabei über einen äußeren Stromkreis verbunden. Sie bestehen aus Metall oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die mit einem (noch sehr teuren) Katalysator wie Platin oder Palladium beschichtet sind.
Für den Betrieb in einem Auto wird der Wasserstoff in Tanks mitgeführt und der erforderliche Sauerstoff der Umgebungsluft entnommen. Kommt Wasserstoff mit Luftsauerstoff in Kontakt und wird die erforderliche Zündenergie zugeführt, „verbrennt“ beides zu Wasser. Damit erzeugt die Brennstoffzelle in einer sogenannten „kalten Verbrennung“ Strom, der dann den Elektromotor antreibt. Als Abgas entsteht dabei lediglich Wasserdampf.
Das Hyfive-Projekt
Die Serienproduktion von Fahrzeugen mit Brennstoffzelle ist nur eine Etappe auf dem Weg zur neuen Mobilität mit dem Energieträger Wasserstoff. Um die Einführung von Fahrzeugen mit dieser Technik in Europa zu beschleunigen, haben sich 15 Automobilhersteller und Energieunternehmen dem Hyfive-Projekt (Hydrogen for Innovative Vehicles) angeschlossen. Im Rahmen des Projekts soll ein leistungsfähiges Netz von Wasserstoff-Tankstellen entstehen. Die beteiligten Hersteller, neben Toyota auch noch BMW, Daimler, Honda und Hyundai, stellen insgesamt 110 Fahrzeuge mit Brennstoffzelle bereit, die für Mobilitätsprojekte in sechs europäischen Städten (Bozen, Kopenhagen, Innsbruck, London, München und Stuttgart) eingesetzt werden. Zur Versorgung dieser Metropolen sowie für den Verkehr im Grenzgebiet von Dänemark und Schweden ist gleichzeitig ein Netz von Wasserstoff-Tankstellen geplant.
