Technologie und Innovation
Im Jahr 2015 hat die Weltgemeinschaft im Übereinkommen von Paris ihr Engagement bekräftigt, die Erderwärmung auf deutlich unter 2,0 °C und möglichst auf 1,5 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Die EU und Deutschland haben sich im Einklang mit dem Pariser Abkommen ein ambitioniertes Klimaschutzziel gesetzt: Bis 2050 sollen die Treibhausgasemissionen um 80 % bzw. 95 % gegenüber 1990 reduziert werden, um das 2,0 °C- bzw. 1,5 °C-Ziel zu erreichen. Deutschland steht jedoch vor einer enormen Herausforderung, seinen Beitrag zur Erreichung dieser verbindlichen Klimaziele zu leisten. Eine entscheidende Rolle spielt dabei der Verkehrssektor, der für rund 25 Prozent der deutschen CO2-Emissionen verantwortlich ist. Um die notwendige Reduktion der CO2-Emissionen rechtzeitig zu erreichen, ist daher ein revolutionärer Wandel im Verkehrssektor unabdingbar.
Um dieses Ziel zu erreichen, setzt sich die Fachkommission HyMobility für einen Hochlauf der Brennstoffzellenmobilität ein, der im Bereich der Mobilität im Jahr 2045 wie in der folgenden Grafik aussehen könnte.
Im Jahr 2045 wird die straßengebundene Brennstoffzellenmobilität eine etablierte und weit verbreitete Technologie sein. Es wird eine breite Palette von Brennstoffzellenfahrzeugen geben, von PKWs über öffentliche Verkehrsmittel bis hin zu schweren Nutzfahrzeugen.
Die Brennstoffzellentechnologie hat in den letzten Jahrzehnten eine rasante Entwicklung durchlaufen und ist in der Lage, hohe Leistungen und Reichweiten zu erreichen, die mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren und Batterien konkurrieren und diese in einigen Anwendungsbereichen sogar übertreffen können. Die Fahrzeuge werden leiser und sauberer sein als ihre heutigen Pendants und dazu beitragen, die Umweltbelastung durch den Verkehr zu verringern.
Es wird eine breite Infrastruktur von Wasserstofftankstellen geben, die es den Fahrer:innen ermöglichen, ihre Fahrzeuge schnell und einfach aufzutanken. Diese Tankstellen werden mit erneuerbaren Energien betrieben, um eine nachhaltige Energieversorgung zu gewährleisten.
Die Preise für Brennstoffzellenfahrzeuge werden im Vergleich zu heute erschwinglicher sein, da die Produktion von Brennstoffzellen und Wasserstoff deutlich gestiegen ist und Skaleneffekte zu niedrigeren Kosten führen. Insgesamt wird die Brennstoffzellenmobilität im Jahr 2045 eine bedeutende Rolle im Verkehrssektor spielen und einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zur lokalen Umweltentlastung leisten.
Erneuerbare Energien Anlagen
Durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie kann Strom im Gegensatz zur Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen nahezu CO2-frei erzeugt werden. Diese „grüne“ Energie ist ein wichtiger Baustein für den Umbau unseres Energiesystems.
Mit grünem Strom kann Elektrolyse betrieben werden, um grünen Wasserstoff herzustellen. Dieser grüne Wasserstoff dient als Energieträger und -speicher, der eine nachhaltige Alternative zu fossilen Energiesystemen darstellt und dazu beiträgt, Treibhausgasemissionen zu reduzieren.
H2 Produktion
Im ersten Schritt der Wertschöpfungskette zur grünen Wasserstoffmobilität wird Strom aus erneuerbaren Energien mit Hilfe von Elektrolyseuren in Wasserstoff umgewandelt. Dieser grüne Wasserstoff ist klimaneutral, da bei seiner Herstellung keine fossilen Brennstoffe eingesetzt werden. Neben der Emissionsfreiheit bietet grüner Wasserstoff den Vorteil, dass die regenerative Energiebereitstellung für die Mobilität unabhängig von der aktuellen Wettersituation jederzeit und in ausreichender Menge sichergestellt werden kann, da Wasserstoff gut speicherbar ist.
Funktionsweise Elektrolyse
Bei der Wasserstoffelektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Dazu wird elektrischer Strom durch eine wässrige Lösung aus Elektrolyt und Wasser geleitet. Die Elektrolyse findet in einer so genannten Elektrolysezelle statt, in der sich zwei Elektroden befinden. Die Anode gibt Elektronen ab, die die Wasserstoffionen in der Lösung zu Wasserstoff reduzieren. An der Kathode hingegen werden Elektronen aufgenommen, die die Sauerstoffionen zu Sauerstoff oxidieren. Der erzeugte Wasserstoff kann als Energieträger in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung oder als Speichermedium für erneuerbare Energien genutzt werden.
Die drei gebräuchlichsten Elektrolyseverfahren sind die alkalische Elektrolyse, die PEM-Elektrolyse und die Hochtemperatur-Sauerstoff-Elektrolyse (SOEC). Bei der alkalischen Elektrolyse wird eine wässrige Lösung von Kalium- oder Natriumhydroxid als Elektrolyt verwendet, während bei der PEM-Elektrolyse ein Protonenaustauschmembran-Elektrolyt zum Einsatz kommt. Die SOEC arbeitet bei hohen Temperaturen von 800-1000°C und verwendet feste Elektrolyte wie Zirkonoxid. Bei allen drei Verfahren wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Die Wahl des Elektrolyseverfahrens hängt von verschiedenen Faktoren wie Betriebsbedingungen, Leistung, Kosten und Effizienz ab.
Die Wasserstoffelektrolyse ist damit ein wichtiger Baustein für eine nachhaltige Energieversorgung.
Funktionsweise Elektrolyse
Bei der Wasserstoffelektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Dazu wird elektrischer Strom durch eine wässrige Lösung aus Elektrolyt und Wasser geleitet. Die Elektrolyse findet in einer so genannten Elektrolysezelle statt, in der sich zwei Elektroden befinden. Die Anode gibt Elektronen ab, die die Wasserstoffionen in der Lösung zu Wasserstoff reduzieren. An der Kathode hingegen werden Elektronen aufgenommen, die die Sauerstoffionen zu Sauerstoff oxidieren. Der erzeugte Wasserstoff kann als Energieträger in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung oder als Speichermedium für erneuerbare Energien genutzt werden.
Die drei gebräuchlichsten Elektrolyseverfahren sind die alkalische Elektrolyse, die PEM-Elektrolyse und die Hochtemperatur-Sauerstoff-Elektrolyse (SOEC). Bei der alkalischen Elektrolyse wird eine wässrige Lösung von Kalium- oder Natriumhydroxid als Elektrolyt verwendet, während bei der PEM-Elektrolyse ein Protonenaustauschmembran-Elektrolyt zum Einsatz kommt. Die SOEC arbeitet bei hohen Temperaturen von 800-1000°C und verwendet feste Elektrolyte wie Zirkonoxid. Bei allen drei Verfahren wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Die Wahl des Elektrolyseverfahrens hängt von verschiedenen Faktoren wie Betriebsbedingungen, Leistung, Kosten und Effizienz ab.
Die Wasserstoffelektrolyse ist damit ein wichtiger Baustein für eine nachhaltige Energieversorgung.
Betankungsinfrastruktur
Der rasche Aufbau einer flächendeckenden Betankungsinfrastruktur für Wasserstoff ist Voraussetzung für den Hochlauf der Brennstoffzellenmobilität (BZ-Mobilität) und damit für die Erreichung der Klimaziele im Verkehrssektor. Längerfristig ist eine Versorgung der Tankstellen über Pipelines sinnvoll, um einen hohen Wasserstoffdurchsatz und die Versorgung der wachsenden Zahl von BZ-Fahrzeugen sicherzustellen.
Für die Betankung mit Wasserstoff stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Die Tankstellen können mit gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff beliefert werden. Für den kommerziellen Betrieb von Tankstellen erweisen sich die Anlieferung von gasförmigem oder flüssigem H2 durch H2-Trailer, der Anschluss an ein Pipelinenetz oder die lokale Wasserstofferzeugung mit Hilfe von EE-Anlagen und Onsite-Elektrolyse als zukunftsweisend.
Die meisten Nutzfahrzeuge werden heute mit gasförmigem Wasserstoff bei 350 bar betankt. Pkw werden meist mit 700 bar gasförmigem Wasserstoff betankt. Die Druckunterschiede sind hauptsächlich durch die möglichen Tankvolumina und der technischen Umsetzung bedingt. Große Nutzfahrzeuge können mit größeren Tanks ausgestattet werden, wodurch große Reichweiten auch mit dem geringeren Druck, und folglich der geringeren Energiedichte, bei 350 bar erreicht werden.
Ende des Jahres 2022 gibt es weltweit 814 Wasserstofftankstellen. 315 weitere sind schon konkret in Planung. In Europa gibt es Ende 2022 254 Wasserstofftankstellen, wovon 105 in Deutschland stehen.
Speicherung von
grünem Wasserstoff
Die naturbedingten Schwankungen der Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie erfordern die Speicherung überschüssiger Energie, um EE-Anlagen nicht abschalten zu müssen und bei erhöhtem Energiebedarf auf die gespeicherte Energie zurückgreifen zu können. Für die Speicherung von grünem Wasserstoff bieten sich unterirdische Salzkavernen an, da dieser dort unter einem Speicherdruck von 150 bis 200 bar gespeichert werden kann. Um eine solche Kaverne zu schaffen, wird Wasser durch einen Salzstock gepresst, das Salz gelöst und als Sole an die Oberfläche gepumpt. In Norddeutschland liegen die meisten Kavernen in einer Tiefe von 500 bis 2500 m und haben einen Durchmesser von 50 bis 100 m bei einer Länge von 100 bis 500 m. Um die Statik der Kavernen zu erhalten, können 2/3 des gespeicherten Gases genutzt werden, während ein Drittel als Kissengas in der Kaverne verbleibt.
Darüber hinaus können auch bestehende Erdgasnetze als Speicher- und Transportmedium für grünen Wasserstoff genutzt werden, indem Wasserstoff dem bestehenden Erdgasnetz beigemischt wird. Bis zu 20 % Wasserstoff können dem Erdgas beigemischt werden, ohne dass technische Änderungen an den Endgeräten in den Haushalten erforderlich sind. Neben dem Transport des Wasserstoffs zu den Haushalten kann das Erdgasnetz so auch als Wasserstoffspeicher genutzt werden. Langfristig ist sogar eine vollständige Umstellung des Gasnetzes auf reinen Wasserstoff denkbar, für die bereits Versuche zur technischen Umsetzung laufen.
Darüber hinaus können auch bestehende Erdgasnetze als Speicher- und Transportmedium für grünen Wasserstoff genutzt werden, indem Wasserstoff dem bestehenden Erdgasnetz beigemischt wird. Bis zu 20 % Wasserstoff können dem Erdgas beigemischt werden, ohne dass technische Änderungen an den Endgeräten in den Haushalten erforderlich sind. Neben dem Transport des Wasserstoffs zu den Haushalten kann das Erdgasnetz so auch als Wasserstoffspeicher genutzt werden. Langfristig ist sogar eine vollständige Umstellung des Gasnetzes auf reinen Wasserstoff denkbar, für die bereits Versuche zur technischen Umsetzung laufen.
Funktionsweise FCEV
Ein Brennstoffzellenfahrzeug nutzt reinen, gasförmigen Wasserstoff als Treibstoff. Die im Wasserstoff gespeicherte chemische Energie wird mit Hilfe der Brennstoffzelle über eine Reaktion mit Sauerstoff aus der Luft in elektrische Energie umgewandelt. Dieser Strom treibt dann über einen Elektromotor das Fahrzeug an. Ein Brennstoffzellen Fahrzeug ist folglich ein Elektrofahrzeug, bei dem die Energie aus dem Wasserstofftank und nicht aus einer Batterie stammt. Das Fahrgefühl unterscheidet sich dementsprechend auch nicht von batterieelektrischen Fahrzeugen. Im Betrieb setzt ein Wasserstoffauto keine umwelt- oder klimaschädlichen Emissionen frei, lediglich Wasserdampf. Neben dem Wasserstofftank und dem Elektromotor ist die Brennstoffzelle der wesentliche Bestandteil des Fahrzeugs. Aus diesem Grund ist ihr Aufbau im folgenden Abschnitt genauer erläutert.
Der Wasserstoffantrieb
So funktioniert er
Aufbau und Funktionsweise BZ
Die Brennstoffzelle (BZ) besteht aus einem Zellverbund, bei dem die einzelnen Zellen durch Separatoren voneinander getrennt sind. Dieser Zellverbund wird als Stack bezeichnet. Je nach Brennstoffzellentyp ist der Stack planar in Schichten angeordnet. Bei oxidkeramischen BZ kann die Anordnung auch röhrenförmig in einem Röhrensystem erfolgen. Im Kern der BZ befindet sich der flüssige oder feste Elektrolyt, der beidseitig von den bipolaren Elektrodenplatten (mit Anode und Kathode) umgeben ist. Durch eine poröse Diffusionsschicht wird der Wasserstoff über eine Katalysatoroberfläche geleitet.
Im Nieder- und Mitteltemperaturbereich ist dieser Katalysator mit Edelmetallen beschichtet. Für Hochtemperaturanwendungen werden Katalysatoren aus Nickel, Stahl oder Keramik verwendet. Bei den meisten Brennstoffzellen wird der Wasserstoff an der Anode über den Katalysator in einzelne H+-Atome aufgespalten. Die freien Elektronen liefern dem Verbraucher Gleichstrom. Im Falle des BZ-Fahrzeugs ist dies der Elektromotor direkt oder eine zwischengeschaltete kleinere Batterie. Die Wasserstoffprotonen (H+) wandern durch die Membran zur Kathode und reagieren dort mit Sauerstoff zu Wasser (H2O).
Unterschiede FCEV – BEV
Welche Vorteile haben Brennstoffzellenfahrzeuge gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen?
Die Betankungszeiten sind kurz und damit genauso komfortabel wie bei heutigen Verbrennungsfahrzeugen. Durch die hohe Energiedichte des Wasserstoffs sind bereits heute große Reichweiten von ca. 700 km bei Pkw und Lkw möglich.
Die natürliche Schwankung der Strommenge aus erneuerbaren Energien (Stichwort: Dunkelflaute) kann durch die Erzeugung von grünem Wasserstoff gespeichert und zu einem anderen Zeitpunkt nutzbar gemacht werden.
Dadurch kann bei Überproduktion von EE das Abschalten von Anlagen und damit der Verlust von Energie vermieden werden. Damit bietet die Brennstoffzellenmobilität Versorgungssicherheit und zeitliche Unabhängigkeit von der aktuell produzierten Strommenge, auch wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht. Mit der zunehmenden Umstellung auf batterieelektrische Antriebe wird auch die Belastung unseres Stromnetzes steigen. Die Brennstoffzellenmobilität bietet die Chance, die Stromnetze wirksam zu entlasten.
Die Herstellung von Batterien verbraucht große Mengen an Ressourcen. Auch einige kritische Mineralien und seltene Erden werden für die Herstellung benötigt. Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen nur etwa 10 % der Batteriegröße von batterieelektrischen Fahrzeugen, da die Energie zum Fahren aus Wasserstoff gewonnen wird. Dadurch wird der Verbrauch kritischer Elemente bei der Herstellung eines Fahrzeugs deutlich reduziert.
Aktuelle Anwendungen auf dem Markt
Schon heute rollen verschiedene Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb über unsere Straßen. Im Pkw-Segment hat BMW einen neuen SUV entwickelt. Der Mirai II von Toyota ist mittlerweile ein Serienfahrzeug.
Im Schwerlastverkehr sind mehrere Anbieter auf dem Markt oder in der Endphase der Produktentwicklung, wie z.B. Hyundai Hydrogen, Daimler Trucks und Nikola Motors. Auch im ÖPNV werden zunehmend Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb eingesetzt: Die Firma Arthur Bus produziert Brennstoffzellen-Linienbusse mit und ohne Gelenk, die bereits in verschiedenen Städten im Einsatz sind. Auf Spezialfahrzeuge hat sich der Hersteller Faun spezialisiert. In Berlin sind einige dieser Fahrzeuge bei der Stadtreinigung im Einsatz und sorgen leise und emissionsfrei für eine saubere Stadt.
