Wasserstoffantrieb als Technologie für die nachhaltige Fortbewegung

Die Welt verschreibt sich zunehmend dem Klimaschutz. In diesem Kontext gewinnt der Wasserstoffantrieb an Bedeutung und gilt als wichtige Technologie für eine saubere Zukunft. Dieser Artikel beleuchtet die Vorteile von Wasserstoffmotoren.

Sie verwenden Wasserstoff als Kraftstoff, um Emissionen drastisch zu senken. Zusätzlich revolutionieren die Motoren die Art und Weise, wie wir Energie erzeugen und nutzen. Erfahre jetzt mehr über Wasserstoffantriebe, ihre Funktionen und Vorteile. Sie haben das Potenzial, die Transport- und Energiebranche zu transformieren und nachhaltige Mobilität entscheidend zu fördern.

Was ist ein Wasserstoffantrieb?

Der Wasserstoffantrieb ist ein Antrieb, der Wasserstoff als primäre Energiequelle nutzt. Im Kern funktioniert er durch das Umwandeln von Wasserstoff in elektrische Energie, meist mittels einer Brennstoffzelle. In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft, sodass dabei Strom, Wasser und Wärme entstehen. Die Energie wird anschließend dafür verwendet, um einen Elektromotor anzutreiben, der das Fahrzeug mit Wasserstoffantrieb in Bewegung bringt.

Antriebe mit Wasserstoff sind eine besondere Variante eines Antriebs mit Brennstoffzelle, deren funktionales Grundprinzip bereits im Jahr 1838 entdeckt wurde. Es basiert auf einer Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff, blieb allerdings als Technologie jahrelang unberücksichtigt. Grund dafür war die Erfindung des Verbrennungsmotors. Erst in der Mitte des 20. Jahrhunderts begann erneut die Forschung an alternativen Antriebsarten. Verschiedene Firmen stellten einzelne Prototypen von Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb her.

Aufbau und Funktion eines Wasserstoffmotors

Ein Antrieb mit Wasserstoff besteht aus zwei Bestandteilen: aus einer Brennstoffzelle und einem elektrischen Motor. Das Herzstück ist die Brennstoffzelle. Sie nutzt die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff und Sauerstoff, um elektrische Energie zu erzeugen. Es handelt sich hierbei um eine kalte Verbrennung. Wasserstoff oxidiert durch Sauerstoff und als Endprodukt entsteht Wasser. Es ist keine zusätzliche Zufuhr von Energie von außen erforderlich.

Spannend ist, wie der Wasserstoffantrieb funktioniert. In der Brennstoffzelle reagiert der Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft und es bleibt Wasser als Endprodukt übrig. Um den Wasserstoff im Fahrzeug aufzubewahren, existieren spezielle Tanks. Sie speichern den Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen flüssig oder gasförmig. Dies ist wichtig, da es sich bei Wasserstoff in seiner natürlichen Form um ein sehr leichtes Gas handelt.

In den meisten aktuell verwendeten Brennstoffzellen arbeiten eine Anode, eine Kathode sowie dazwischen eine Protonen-Elektrolyt-Membran (PEM). An der Anode und Kathode befinden sich jeweils Katalysator-Materialien. Die Membran trennt beide Bereiche voneinander. Außerdem gibt es einen elektrischen Leiter, der von der Wasserstoff-Zelle zur Sauerstoff-Zelle führt. Durch die PEM gelangen nur Protonen, aber keine Elektronen.

Die Energie aus einer einzelnen Brennstoffzelle reicht jedoch nicht aus, um ein Fahrzeug anzutreiben. Die Zellen werden deshalb zu „Stacks“ zusammengefasst, sodass teilweise bis zu 100 von diesen als Kombination in einem Antrieb vorkommen. Durch die gemeinsame Leistung aller „Stacks“ steht genügend Energie für den Antrieb des Elektromotors bereit.

Eine kleine elektrische Batterie dient bei den meisten Wasserstoffautos als Puffer. Diese dient dazu, beim Start des Fahrzeugs die Zeit zu überbrücken. Sie ist so lange in Gebrauch, bis die Brennstoffzelle einsatzbereit ist.

Antriebe mit Wasserstoff im Vergleich zu herkömmlichen Motoren

Der Wasserstoffantrieb mit Brennstoffzelle bietet gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren einige Vorteile. Das beste Argument für einen Antrieb mit Wasserstoff ist überzeugend. Als einziges Endprodukt des chemischen Verfahrens bleibt nur noch Wasser übrig. Daneben entstehen außerdem elektrische Energie und Wärme, aber keinerlei umweltschädliche Emissionen.

Zudem gewinnt bei der Frage, ob Wasserstoff oder Elektro die bessere Wahl eines elektrischen Antriebs ist, auch das Wasserstoffauto. Es bietet eine erheblich größere Reichweite als ein reines Elektroauto. Als Beispiel für diesen Vorteil ist die produzierte Wärme zu nennen, die sich für Heizprozesse im Wasserstoffauto nutzen lässt. Dadurch sinkt etwa der Stromverbrauch für die Sitzheizung.

Abhängig von der Größe des Tanks für den Wasserstoff wären Reichweiten von über 500 Kilometer pro Füllung kein Problem für wasserstoffbetriebe Autos. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält etwa so viel Energie wie vier Liter Benzin oder Diesel. Gegenüber reinen elektrischen Autos punktet das Wasserstoffauto auch beim Tankvorgang. Innerhalb von nur drei bis fünf Minuten ist der Tank wieder voll.

Eine weitere Stärke des Wasserstoffantriebs ist sein hoher Wirkungsgrad. Während Benziner und Dieselfahrzeuge einen Wirkungsgrad zwischen 30 und 40 Prozent erreichen, erreichen die Autos mit Wasserstoffantrieb mindestens 60 Prozent. Sie sind also wesentlich effizienter, weil bei konventionellen Motoren überschüssige Energie als Wärme einfach verlorengeht.

Doppelte Aufgabe: Effizienz und ökologische Nachhaltigkeit

Trotz vieler Vorteile bestehen rund um Wasserstoffantriebe mehrere Probleme, die einer Antwort bedürfen. Hier steht vordergründig der Aspekt im Fokus, woher der Wasserstoff kommt und welche Energiequellen bei seiner Herstellung genutzt werden. Abhängig von der Wasserstoffart hängt maßgeblich seine Eigenschaft ab, klimafreundlich zu sein.

Da die natürlichen Vorkommen von Wasserstoff nicht ausreichend sind, ist dessen Herstellung unter Einsatz von Energie erforderlich. Wenn die notwendige Energie aus erneuerbaren Quellen kommt, ist es grüner Wasserstoff, der als sauber gilt. In Deutschland existieren bereits Tankstellen für Wasserstoff, die von ökologischen Energien profitieren.

Als weitere Hürde gilt die Infrastruktur zum Betanken von Wasserstoffautos. Die Anzahl der Tankstellen steigt jedoch zunehmend und es ist einzig eine Frage der Zeit, bis ausreichend eine Infrastruktur aufgebaut wurde. In den nächsten Jahren sollen etwa 400 Tankstellen für Wasserstoffautos entstehen. Bis dahin ist das Tanken eine Frage der Strategie, die dennoch aufgrund der hohen Reichweiten von Wasserstoffautos gut vorbereitet kein Problem darstellen.

Eine letzte Aufgabe zu einer wirklichen Wasserstoff-Gesellschaft ist das Bereitstellen der Rohstoffe für die Brennstoffzellen. Als Grundstoff besitzt Platin gute chemische Qualität, ist allerdings teuer in der Anschaffung. Erste Forschungsprojekte beschäftigen sich damit, den Anteil des Metalls zu senken oder es durch günstigere Alternativen zu ersetzen.

Wo werden Wasserstoffantriebe eingesetzt?

Wasserstoffantriebe werden bereits in mehreren Bereichen eingesetzt. Dazu zählen eine Reihe von Fahrzeugen wie Autos, Busse, Lastkraftwagen und Züge. Ebenso ist Wasserstoff in der Luftfahrt für Flugzeuge in der Testphase. Anwendungsbeispiele hierfür sind der erste Wasserstoffzug zwischen Leipzig und Grimma sowie das HY4-Flugzeug von H2Fly. Außerdem werden Antriebe mit Wasserstoff in städtische Projekte integriert. So ist die von Toyota entwickelte „Woven City“ eine Stadt in Japan, in der Wasserstoff als Energieträger zum Einsatz kommt.

Der Wasserstoffantrieb wird ebenfalls in der Automobilindustrie eingesetzt. Toyota brachte mit dem Mirai das erste serienmäßige Modell auf den Markt. Bei den olympischen Spielen kam der Wasserstoffbus Sora zum Einsatz. Von der Technologie profitieren vor allem Fahrzeuge, die eine größere Strecke zurücklegen. Die mit Wasserstoff gefüllten Tanks ermöglichen eine hohe Reichweite und sind daher ideal für Langstreckenfahrzeuge.

In früheren Jahren kamen Wasserstoffantriebe bereits in U-Booten und in der Raumfahrt zur Anwendung, da sie keine Abgase ausstoßen und sehr wartungsarm sind. In anderen Projekten ist Wasserstoff die Grundlage, um Wohnhäuser zu beheizen. Derzeit verwenden viele der genannten Beispiele noch Wasserstoff, der durch zugeführtes Erdgas entsteht. Es gibt jedoch Anstrengungen, baldmöglich für diese Nutzungen vorwiegend grünen Wasserstoff heranzuziehen.

Großes Potenzial besitzt Wasserstoff als Energiespeicher. Aktuell ist es schwierig, grün erzeugten Strom über lange Strecken zu transportieren und zu speichern. Hierfür wäre der Aufbau einer umfangreichen Infrastruktur erforderlich. Interessant wären dann auch Anwendungen in der Industrie, die erhebliche Mengen an Energie für die Produktion benötigt.

Zukunftsaussichten: Welche Potenziale hat der Wasserstoffantrieb noch?

Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb sind für die Energiewende sehr vielversprechend, da sie effizient sind und weit fahren können. Wie Elektroautos erzeugen sie vor Ort fast keine Abgase, was hilft, die Luftverschmutzung in Städten zu verringern. Sie eignen sich gut für lange Fahrten, da sie durch den Wasserstofftank eine große Reichweite haben.

Viele Wachstumschancen gibt es aktuell noch im Bereich der Infrastruktur. Die Bundesregierung legte im Juni 2023 die nationale Strategie für Wasserstoff vor. Ziel ist es, in Deutschland eine Elektrolyse-Infrastruktur aufzubauen, die es ermöglicht, das chemische Element beispielsweise aus Meerwasser herzustellen. Zusätzlich ist geplant, eine Infrastruktur zum Transport von Gas zu errichten. Dazu gehören auch Tankstellen für Wasserstoff. Auch die Anwendungsforschung rückt stärker in den Fokus. Bereits in den nächsten Jahren, teilweise aber auch bis 2030 sollen die Förderungen und Projekte umgesetzt sein.

* Die Werte für die elektrische Reichweite und den Stromverbrauch Ihres Fahrzeugs können von den gemessenen oder berechneten Werten abweichen, da das Fahrverhalten sowie andere Faktoren (wie Außentemperatur, Einsatz von Komfort-/Nebenverbrauchern, Straßenverhältnisse, Verkehr, Fahrzeugzustand, Reifendruck, Zuladung, Anzahl der Mitfahrer usw.) einen Einfluss auf die elektrische Reichweite und den Stromverbrauch haben.