Brennstoffzelle: Funktion und Einsatzorte der Wasserstoff-Technik

Das Prinzip der Brennstoffzelle – auch Fuel Cell genannt – gilt als alternative Antriebstechnologie zur Batterie in Elektrofahrzeugen. Zwar stellen beide Konzepte Strom für einen E-Motor bereit, allerdings auf unterschiedliche Weise. Bei E-Mobilen wird die Batterie an der Steckdose wieder aufgeladen, Brennstoffzellen gewinnen Energie aus einer elektrochemischen Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff.

Während Sauerstoff über die Luft praktisch jederzeit und kostenlos zur Verfügung steht, muss Wasserstoff aufwendig und (noch) vergleichsweise teuer hergestellt werden. Das geschieht mittels einer Wasserelektrolyse – und, zwecks Schonung der Umwelt, möglichst mit regenerativen Energien. Aus dem Auspuff kommt später reiner Wasserdampf.

Ist der Wasserstoff hergestellt, lässt er sich in flüssiger Form wie übliche fossile Treibstoffe (Benzin, Diesel) tanken. Das dauert nur wenige Minuten. Langwieriges und häufiges Aufladen von Batterien erübrigt sich, weil sogenannte Wasserstoff-Autos auch bei der Reichweite mit üblichen Verbrennungsmotoren mithalten können.

Wegen der hohen Herstellungskosten des Wasserstoffs kommen Brennstoffzellen derzeit hauptsächlich in gewerblich genutzten Fahrzeugen (Lkw) oder im öffentlichen Personennahverkehr zum Einsatz, zum Beispiel in Bussen. In manchen Städten sind solche Modelle bereits im Linienverkehr unterwegs. Für Pkw ist die Technik im Vergleich zum batteriebasierten Elektromotor noch zu teuer. Das dürfte sich allerdings dank weiterer Forschung ändern.

Bereits seit längerer Zeit treiben Brennstoffzellen kleine Flugzeuge sowie Raketen in der Raumfahrt an. Ebenso laufen schon manche Schiffe und U-Boote mit dieser Technik.

Studie: Brennstoffzelle mit großem Potenzial für Fahrzeuge

Wie sehen die mittelfristigen Chancen der Brennstoffzellen-Technologie aus und welche Impulse verleihen sie dem Maschinenbau? Diese Frage veranlasste den Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA), sich mit dem Thema näher zu befassen. In einer Studie sagt er dem Antriebsprinzip ein hohes Wertschöpfungspotenzial voraus. So sollen Brennstoffzellen-Komponenten für Pkw allein im Jahr 2040 in Europa ein Umsatzvolumen von 11 Milliarden Euro erreichen. Laut VDMA entspricht das einem Äquivalent von 68.000 Arbeitsplätzen.

Für vorausschauende Einkäufer und Lieferanten gibt vor allem folgende Aussage der Studie Orientierung: “Fast 70 Prozent des Umsatzpotenzials von Antriebssträngen wird im Brennstoffzellensystem – bestehend aus Brennstoffzellenstapeln, zusätzlichen Komponenten (Balance of Plant) und dem Wasserstofftanksystem – verortet.” Die restlichen 30 Prozent entfallen auf Traktionsbatterien und die elektrischen Antriebseinheiten.

Um die erwartete Nachfrage zu befriedigen, müssen unter anderem entsprechende Maschinen und Produktionsanlagen bereitgestellt werden. Allein dafür rechnet der VDMA mit einem Investitionsvolumen im Jahr 2040 von bis zu 8 Milliarden Euro.

Keimzelle der Entwicklung sind Nutzfahrzeuge. Ihr zunehmender Einsatz wird nach Ansicht des VDMA sowohl die Erzeugung des Wasserstoffs als auch dessen Transport und das Tankstellennetz fördern.

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Brennstoffzelle vs. Batterieelektrik

Die Technologie der Brennstoffzelle ist noch nicht ausgereift. Das dürfte sich allerdings im Laufe der Zeit ändern. Auch die Kosten werden auf längere Sicht nicht auf dem momentan hohen Niveau bleiben. Doch ist die Brennstoffzelle eine vielversprechende Technik. Was aktuell für und was gegen sie spricht – ein Überblick.

Vorteile der Brennstoffzelle

  • ökologisch, sofern die Energie für die Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Quellen stammt
  • schadstoffarme bzw. -freie Emissionen, weil das Abgas Wasserdampf ist
  • kurze Tankzeit
  • große Reichweite
  • unempfindlich gegen Witterungseinflüsse (Kälte, Hitze)

Nachteile der Brennstoffzelle

  • Technik ist nicht ausgereift
  • Wasserstoff kommt nicht natürlich vor, sondern muss unter hohem Kosten- und Energieaufwand hergestellt werden
  • kleines Tankstellennetz
  • erste Pkw-Modelle (Toyota Mirai, Hyundai Nexo und Hyundai ix35 Fuel Cell) sind sehr teuer

Im Vergleich zu Brennstoffzellenautos sind Pkw mit Batterie-Antrieb bereits in zunehmender Anzahl auf dem Markt. Dennoch ist auch diese Technologie noch nicht perfekt.

Vorteile von Elektroautos

  • umweltfreundlich, da im Betrieb keine Abgase entstehen
  • Aufladen ist vergleichsweise günstig
  • Betriebskosten sind geringer als bei Autos mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren
  • beim Bremsen wird Energie zurückgewonnen (rekuperiert)
  • gute Beschleunigung
  • leiser Betrieb

Nachteile von Elektroautos

  • Batterien bestehen aus wertvollen, ökologisch fragwürdig geförderten und weiter verarbeitenden Rohstoffen, z. B. Lithium
  • Akkuleistung sinkt bei hohen und niedrigen Außentemperaturen
  • Reichweite ist bis auf Ausnahmen (z. B. Tesla bis zu 500 Kilometer) relativ gering
  • Netz mit Ladesäulen ist noch stark ausbaufähig
  • lange Ladezeiten