Image: Die Brennstoffzelle verleiht dem Elektroauto ReichweiteFERCHAUFERCHAUElektromobilität: mit Brennstoffzelletechnik zur Langstrecken-Mobilität | Just_Super
TechnikBrennstoffzellen-Mobilität

Die Brenn­stoff­zelle verleiht dem Elek­tro­auto Reich­weite

Lesezeit ca.: 4 Minuten

Andreas Burkert

Freier Journalist

Die Brennstoff­zelle ist ein wichtiger Teil der Langstre­cken- Elektromo­bi­lität. Bereits nach 350 Kilometern sind hybridisierte Brennstoff­zellen-Fahrzeuge reinen batterie­elek­tri­schen Autos überlegen, so die nationale Organisa­tion „Wasserstoff- und Brennstoff­zel­len­tech­no­lo­gie“. Und die Preise des emissions­freien Antriebs­sys­tems sinken kontinuier­lich.

28. Juni 2018

Der Antrieb von morgen benötigt nicht mehr und nicht weniger als reines Wasser. Dieses lässt sich dann auf vielfältige Art und Weise in Wasserstoff umwandeln, wie er für den Betrieb einer Brennstoff­zelle benötigt wird. Und die wiederum liefert die elektrische Energie für den Elektromotor, der in einem Automobil verbaut, die emissions­freie Mobilität antreibt. Seit der britische Physiker William Grove 1839 das Prinzip der galvanischen Gasbatterie erklärt hat, gilt die Brennstoff­zelle als Hoffnungs­träger einer sauberen Energieer­zeu­gung. Denn der Wasserstoff kann heute mit regenera­tiver Energie durch Elektrolyse oder der industri­ellen Dampfrefor­mie­rung hergestellt werden.

Doch erst die Fortschritte in der Brennstoff­zel­len­tech­no­logie der vergangenen Jahre erlauben die wirtschaft­liche Konstruk­tion eines Brennstoff­zel­len­fahr­zeugs. Und sie haben die Entwickler rein batterie­elek­trisch angetrie­bener Automobile auf eine faszinie­rende Idee gebracht. Mit der Brennstoff­zelle als eine Art Rangeextender soll die Langstre­cken-Elektromo­bi­lität künftig möglich sein. Dieser hybride Ansatz verspricht einen flächende­ckenden Erfolg der Elektromo­bi­lität. Denn die elektrische Reichweite lässt sich damit nun wirtschaft­lich und verbraucher­freund­lich darstellen. Auch wenn ein druckfester Wasserstoff­tank benötigt wird, der sich mit rund 700 bar betanken lässt.

Fahrzeuge mit LI-Akku und Brennstoff­zelle fahren länger

So kann statt eines großen und damit teuren Lithium-Ionen-Akkumula­tors eine kleinere Traktions­bat­terie verbaut werden. Die wird kontinuier­lich von der Brennstoff­zelle geladen, womit auch Ladezeiten der Batterien von mindestens 20 Minuten entfallen. Das Betanken an einer Wasserstoff­tank­stelle hingegen benötigt nur wenige Minuten. Reichweiten von mehr als 600 Kilometer sind dann mit einer Tankfüllung Wasserstoff möglich. Dass zusätzlich ein LI-Akkumulator verbaut wird, hat im Übrigen noch einen weiteren guten Grund wie Professor Dr. Christian Mohrdieck, Leiter Antriebs­ent­wick­lung Brennstoff­zel­len­system der Daimler AG, in einem Interview mit der MTZ erklärt. Seiner Ansicht nach bestehe zum Beispiel die Möglichkeit, Bremsenergie zurückzu­ge­winnen und das Brennstoff­zel­len­system stets im energetisch optimalen Bereich zu betreiben.

Darüber hinaus erlaubt die Kombination Brennstoff­zel­len­system und Batterie, die Betriebs­stra­tegie weiter zu optimieren. Unter anderem durch das Vorkondi­tio­nieren der Brennstoff­zelle. Auch dadurch lassen sich künftig weitere Verbrauchs­sen­kungen und eine Steigerung der Lebensdauer erreichen. Das Ziel sind mindestens 6000 Betriebs­stunden, erklärt ein Sprecher eines japanischen Automobil­her­stel­lers. Und zwar inklusive zahlreicher Kurzstre­cken­fahrten, Froststarts und hoher Umgebungs­tem­pe­ra­turen. Nur dann können die Automobil­her­steller einen ungestörten Betrieb von zehn Jahren beziehungs­weise von rund 100.000 Kilometern garantieren. Dass manche Erprobungs­fahr­zeuge wie das Mercedes-Benz B-Klasse F-CELL-Modell im Dauerlauf bereits mehr als 300.000 Kilometer nachweisen können, zeigt, dass nahezu alle kritischen technolo­gi­schen Hürden überwunden sind.

Wie funktioniert eine moderne Brennstoff­zelle?

Und in der Praxis? Laut Toyota konnte das Brennstoff­zel­len­fahr­zeug Mirai mit einer Lebensdauer von 20 Jahren auch dort die Langlebig­keit nachweisen. Ebenso konnten die japanischen Ingenieure die Leistungs­dichte der Brennstoff­zelle auf 3,1 kW/l steigern. Das ist gegenüber 2005 eine Verdoppe­lung der volumetri­schen Leistungs­dichte. Auch gelang es, die Menge an benötigtem Platin von etwa 100 auf 15 Gramm pro Brennstoff­zelle zu senken. Das Edelmetall ist als Katalysator derzeit noch von großer Bedeutung. Die damit beschich­teten Elektroden sind für den effektiven Betrieb nötig. Ebenso die Protonen­aus­tauschmem­bran, die zwischen den beiden Elektroden­platten Anode und Kathode den Ionenaus­tausch ermöglicht. Dort wird der Wasserstoff sozusagen in seine beiden Bestandteile, zwei Elektronen und zwei Protonen, aufgeteilt.

Da nur die Protonen die Membran (Elektrolyten) passieren können, müssen die Elektronen den Umweg über einen Stromkreis nehmen, um auf die Sauerstoff­seite zu gelangen. Der dort herrschende Elektronen­mangel erwirkt dabei eine Spannung von etwa 1,2 Volt. Die lässt sich mit der Reihenschal­tung einzelner Brennstoff­zellen-Stapel später auf die für den Betrieb des elektrischen Antriebs­strangs nötigen Betriebs­span­nung einstellen. Mittlerweile sind die Brennstoff­zel­len­sys­teme derart optimiert, dass ein Verbrauch von deutlich unter einem Kilo Wasserstoff auf 100 Kilometern möglich ist. Das entspricht im Übrigen hinsicht­lich der Leistungs­aus­beute weniger als drei Litern Diesel.

Das Brennstoff­zel­len­auto ist schon heute wettbewerbs­fähig

Und weil der Tankvorgang ebenso einfach ist wie beim herkömmli­chen Kraftstoff­tanken, dürfte die Wasserstoff­mo­bi­lität deutlich an Attrakti­vität gewinnen. Vor allem weil Fahrzeuge mit der heute gebräuch­li­chen Niedertem­pe­ratur-Protonen­aus­tauschmem­bran-Brennstoff­zelle (PEM) in Kürze preislich mit anderen Antriebs­ag­gre­gaten konkurrieren können. Das zeigt eine Metastudie von ICCT aus dem Jahr 2016 zur Preisent­wick­lung bei PKW-Antrieben. Bei hohen Produkti­ons­mengen (>100.000) sinken die Systemkosten danach unter 60 Euro/kW, so eine Erkenntnis der Analysten.

Eine ähnliche Preisent­wick­lung wird auch für den Kraftstoff Wasserstoff erwartet. Laut einer Untersuchung der Landesagentur für Elektromo­bi­lität und Brennstoff­zel­len­tech­no­logie Baden-Württemberg könnte der Preis für Wasserstoff innerhalb der kommenden zehn Jahre von derzeit etwa 9,90 Euro auf 5,50 Euro pro Kilo im Jahr 2030 fallen. Die Kraftstoff­kosten pro 100 Kilometer wären dann mit denen eines modernen Diesels, der für diese Entfernung etwa vier Liter benötigt, identisch. Vorausge­setzt der Dieselpreis pro Liter bliebe bis dahin bei etwa 1,25 Euro. In der Zeit wird sich auch die Infrastruktur mit Wasserstoff­tank­stellen bundesweit dem Bedarf anpassen.

So geht das Joint Venture H2Mobility davon aus, dass bereits 2020 eine Basisabde­ckung von etwa 100 Wasserstoff­tank­stellen in Deutschland möglich ist. Bis zum Jahr 2030 könnten es dann schon 1.000 Tankstellen sein.