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Elektromobilität mit Wasserstoff

Der Schutz und der Erhalt unserer Umwelt ist ein immer größer werdendes Thema. Dabei spielt die Elektromobilität eine große Rolle. Durch den Wechsel auf regenerative Energieträger kann der Ausstoß von klimaschädlichen Gasen drastisch reduziert werden. Aber noch immer werden Kohle und Erdöl durch invasive Methoden gefördert, um unsere Mobilität zu gewährleisten. Den Verbrennungsmotor zugunsten der Elektromobilität komplett aufzugeben, ist eine der Forderungen unserer Tage. Doch die Frage, wie die generelle Elektromobilität zu erreichen ist, kann längst noch nicht befriedigend beantwortet werden: Batterie oder Brennstoffzelle? Beide bieten Vor- und Nachteile, doch kombiniert könnten beide Technologien der Schlüssel für eine saubere Zukunft sein.

Vom Weltall zum Straßenverkehr

Dass Brennstoffzellen als saubere Energiequelle genutzt werden können, ist ein alter Hut. Bereits in den 60er Jahren wurden sie bei den Apollo-Missionen eingesetzt und auch in Elektroautos und Bussen sind diese schon zu finden. Da in Brennstoffzellen Wasserstoff und Sauerstoff genutzt werden, um Energie zu gewinnen, entstehen keine schädlichen Abgase wie beim Verbrennungsmotor, sondern lediglich Wasser.

Werden hingegen kohlenstoffhaltige Energieträger, wie Methan (CH4) oder Methanol (CH3OH) als Brennstoff genutzt, ist Kohlenstoffdioxid (CO2) als Abgas selbstverständlich unvermeidlich.

Der Vorgang wird, analog zum Verbrennungsmotor, auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet. Üblicherweise wird im Verbrennungsmotor ein Energieträger, z.B. Benzin, verbrannt. Die entstehende thermische Energie wird genutzt, um mechanische Energie für den Antrieb zu erzeugen. In Brennstoffzellen entfällt der Zwischenschritt, die thermische Verbrennung. Vielmehr wird der Brennstoff direkt in elektrische Energie umgesetzt, mit der die entsprechenden Elektroantriebe unmittelbar gespeist werden.

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Die Bereitstellung von Wasserstoff für die Nutzung in Brennstoffzellen ist allerdings nicht ganz unproblematisch. Im Gegensatz zum Sauerstoff, welcher durch die Luft zugeführt werden kann, muss dieser für ein störungsfrei arbeitendes System sehr rein sein. Um Elektrofahrzeuge mittels Energie aus Brennstoffzellen zuverlässig antreiben zu können, stellen sich dementsprechend folgende Fragen: Woher kommt der Wasserstoff und wie kann er gespeichert werden? Eine Möglichkeit der Wasserstoff-Gewinnung ist die Elektrolyse von Wasser.

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Hier findet die umgekehrte Reaktion statt, die in einer Brennstoffzelle abläuft, indem Wasser durch elektrische Energie in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird. Wird die elektrische Energie aus regenerativen Quellen wie der Windkraft bezogen, kann so Wasserstoff als ein „grüner“ Energieträger gewonnen werden, welcher für die Elektromobilität unverzichtbar ist.

Die Flüchtigkeit des Wasserstoffs

Wasserstoff als Energieträger hat jedoch einige Nachteile: Es ist das leichteste Element und hat als Gas eine sehr geringe Energiedichte. Einem Liter Wasserstoff entsprechen etwa drei Wattstunden (Dieselkraftstoff liefert im Vergleich dazu mehr als das dreitausendfache). Außerdem muss der Wasserstoff auch so gespeichert werden, dass er für das Auto der Zukunft an Tankstellen zur Verfügung steht und von dort unmittelbar entnommen werden kann.

Für die Speicherung des Gases gibt es vier grundsätzliche Möglichkeiten:

  1. Die Speicherung unter hohem Druck
  2. Die Speicherung in verflüssigter Form
  3. Die Speicherung in adsorbierter Form
  4. Die Speicherung in chemisch gebundener Form

Hieraus erwachsen unterschiedliche Strategien, den Wasserstoff für die Elektromobilität nutzbar zu machen. Denn Wasserstoff besitzt einige Eigenschaften, die beim Umgang mit ihm berücksichtigt werden müssen. So bildet er mit Luft das allbekannte Knallgas, dessen Explosibilität von etwa 4 Volumen-% bis 77 Volumen-% Wasserstoff in der Luft reicht.

Weiterhin diffundiert Wasserstoff auf Grund der geringen Größe seiner Moleküle durch viele Materialien. Bei der Speicherung unter hohem Druck wird dieser Prozess noch begünstigt. Und schließlich verspröden viele Materialien, vor allem Stähle, durch den Kontakt mit Wasserstoff und werden so noch durchlässiger.

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Der Aufwand, der zur Speicherung als verflüssigter Wasserstoff betrieben werden muss, ist erheblich und stellte die Konstrukteure vor die schwierige Aufgabe, stabile, dichte und dabei leichte Tanks zu entwickeln.

Das Problem haben sie inzwischen gelöst. Dennoch sind die Verluste während der Speicherung durch Verdampfen unvermeidbar. Daher liegt der wissenschaftliche Fokus vor allem auf der physikalischen und chemischen Speicherung. Dies würde die Handhabung und Rentabilität deutlich erhöhen.

Speicherung auch ohne Druck und tiefe Temperaturen

Zur physikalischen Speicherung werden poröse Materialen genutzt, an die der Wasserstoff adsorbiert wird. Hierfür kommen metallorganische Gerüste (metal-organic frameworks, MOF) zum Einsatz, aber auch Zeolithe und Kohlenstoffnanoröhrchen.

Das Ziel der Entwicklungen für die physikalische Wasserstoffspeicherung ist es, möglichst große Mengen des Gases an die Materialien zu binden und sie nach der Nutzung erneut „befüllen“ zu können. Hierzu gibt es auch den Ansatz, Brennstoffzellen zu entwickeln, die direkt mit diesen Speichermaterialien arbeiten können.

Unter der chemischen Speicherung versteht man den Prozess, Wasserstoff durch chemische Reaktionen zu binden und ihn anschließend wieder freizusetzen. Hierzu werden flüssige organische Substanzen (liquid organic hydrogen carrier, LOHC) eingesetzt. Diese sind ungesättigte, organische Verbindungen, die leicht zu hydrieren sind. Durch endotherme Dehydrierung kann der daran chemisch gebundene Wasserstoff wieder freigesetzt werden.

Wasserstoffauto-Konzept
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Als ein vielversprechender Kandidat dafür gilt Dibenzyltoluol (Dibenzyl-methylbenzol). Der substituierte, aromatische Kohlenwasserstoff ist nur wenig giftig, chemisch stabil und kann pro Liter bis zu 660 Liter Wasserstoff aufnehmen.

Der so gespeicherte Wasserstoff wird erst bei Temperaturen um 300 °C wieder abgegeben. Grundsätzlich kann das Dibenzyltoluol immer wieder genutzt werden, allerdings sind Zersetzungsprozesse nicht auszuschließen, die zu Verunreinigungen führen, die stetig entfernt werden müssten.

Auch Metalle, die sich mit Wasserstoff zu Hydriden umsetzen lassen, wie Magnesium, Lithium sowie Legierungen aus Lithium und Aluminium, sind als Speicher für Wasserstoff geeignet. Beim Erwärmen zerfallen sie wieder in ihre Ausgangsstoffe. Metall-Hydridspeicher kommen trotz ihres hohen Eigengewichts für die Elektromobilität in Betracht, weil sie recht sicher sind, da der Wasserstoff chemisch gebunden und somit das System im Ruhezustand nahezu drucklos ist.

E-Autos für unsere Zukunft

Für Fahrzeuge, bei denen das Gewicht keine größere Rolle spielt, z.B. bei Booten, Bussen oder LKWs, sind Brennstoffzellen eine interessante Möglichkeit.

Hier lassen sich große Tanks realisieren, die dementsprechend eine große Reichweite gewährleisten.

Deshalb werden hauptsächlich Druckgas- oder Flüssiggasspeicher verwendet. Auch in PKWs finden Druckgasspeicher Anwendung, denn heutige Wasserstofftanks sind nicht gefährlicher als herkömmliche Benzintanks. Für den PKW bieten allerdings Batterien die bessere Alternative, da sie leichter und platzsparender sind.

Brennstoffzellen-Passagierboot Hydra
Das weltweit erste Brennstoffzellen-Passagierboot „Hydra“ im Jahr 2000

Voraussetzung für eine umfassende Elektromobilität, egal, ob es sich um Batterien oder Brennstoffzellen handelt, ist der Ausbau entsprechender Tankstellen. Denn um Elektrofahrzeuge im Alltag jederzeit und sinnvoll nutzen zu können, muss ein breites Netz an Treibstoff-Versorgungsstellen vorhanden sein.

Diese lohnen sich jedoch erst, wenn mehr entsprechende Fahrzeuge auf den Straßen unterwegs sind. Die mangelnde Abdeckung mit Versorgungsstellen wiederum schreckt potenzielle Kunden vom Umstieg ab. Diesen Teufelskreis gilt es zu durchbrechen, damit die Elektromobilität auf unseren Straßen eine Zukunft findet.

Elektromobilität für jedermann

Die Elektromobilität spielt eine entscheidende Rolle beim Wechsel auf regenerative Energien. Auch wenn der Antrieb durch Batterien momentan die Oberhand hat, sind Brennstoffzellen eine wichtige Technologie. Für ihre Anwendbarkeit muss der Wasserstoff jedoch in reiner und handhabbarer Form zur Verfügung gestellt werden.

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Die E-Mobilität wird in absehbarer Zukunft gänzlich ohne Verbrennungsmotor stattfinden. Schon jetzt gibt es hierfür vielversprechende Ansätze und Alternativen. Die unmittelbare Herausforderung für Politik und Wirtschaft ist es, diese anzunehmen und sie beschleunigt weiter zu entwickeln, um die Elektromobilität fest auf unseren Straßen für jedermann zu etablieren.