Wasserstoff im Auto: die Technik dahinter

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. 

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.

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.

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

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.

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.