Elektromobilität

Brennstoffzelle statt Akku: Chancen für Elektromobilität und saubere Energieversorgung

von
Arne Schätzle

Die Brennstoffzelle ist nicht nur ein sauberer Antrieb für die Elektromobilität – auch die Heizung oder die Stromversorgung werden durch sie sauberer.

Der Toyota Mirai in Hamburg
Noch ist der Markt für Autos mit Brennstoffzelle sehr klein. Toyota liefert den Mirai in Deutschland seit 2015 aus. Ein Nachfolger ist bereits in Planung. Foto: aio

Das erfahren Sie gleich:

  • Wie eine Brennstoffzelle funktioniert
  • Warum die Brennstoffzelle eine wertvolle Alternative zum Elektromotor darstellt – für E-Autos, Lkw und andere Fahrzeuge
  • Wo die Brennstoffzelle stationär bereits zum Einsatz kommt – Brennstoffzellenheizung oder Stromversorgung netzferner Geräte
  • Warum sie sich bisher noch nicht durchgesetzt hat

Neben dem Akku gibt es auch andere Möglichkeiten, um sein Auto umweltfreundlich auf die Straße zu bringen. Die Brennstoffzelle ist eine davon

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Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, Brennstoffzellen wandeln die Energie aus chemischen Verbindungen in elektrische Energie um. Dies geschieht durch die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle. Dabei entstehen Wasser, Strom und Wärme. Diese Reaktion wird auch als kalte Verbrennung bezeichnet und zeichnet sich durch besonders hohe Effizienz aus. Und sie lässt sich als Antrieb für das Elektroauto der Zukunft nutzen.

Bei einem Brennstoffzellenauto kommt in der Regel Wasserstoff als Energieträger zum Einsatz. Durch die elektrochemische Reaktion gewinnt das System Energie, die direkt in Bewegung umgewandelt wird, um den Elektromotor anzutreiben. Alternativ lässt sich der Strom auch in der Traktionsbatterie des Autos zwischenspeichern. Wasserstoff-Autos benötigen zwar auch eine Batterie für den Motor- und Systemstart und um Spitzenlasten abzufangen und Bremsenergie zu speichern. Doch diese fällt deutlich kleiner aus als in komplett batteriegetriebenen Fahrzeugen

Der Prozess in der Brennstoffzelle lässt sich mit dem Prinzip einer Batterie vergleichen: Durch eine chemische Reaktion zwischen zwei Elektroden entsteht Energie. In der Zelle reagiert ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff – in diesem Fall Wasserstoff – mit einem Oxidationsmittel, zum Beispiel Sauerstoff. In diesem Prozess entstehen Wasser, Strom und Wärme. Autos mit Brennstoffzelle erzeugen so keine Abgase, sondern nur unbedenklichen Wasserdampf.

Blick auf die Brennstoffzelle eines Hyundai Nexo
Die Wasserstofftanks sitzen meist da, wo sonst der Benzintank sitzt. Eine Brennstoffzelle generiert daraus während der Fahrt Strom für den Elektromotor. Foto: Shutterstock / Grzegorz Czapski

Wasserstoff tanken, elektrisch fahren

Vor allem in Japan spielt Wasserstoff eine große Rolle als Antrieb für PKW-Motoren. Das erste in Großserie produzierte Auto mit Brennstoffzelle ist der Mirai, den Toyota seit 2014 herstellt. Deutsche Hersteller geben sich dagegen noch zurückhaltend. Allein Mercedes-Benz bietet ein Auto mit Brennstoffzelle an, allerdings ausschließlich als Leasing-Fahrzeug. In Berlin und Hamburg rüstet derweil Fahrdienstleister CleverShuttle einen Großteil seiner Flotte mit Wasserstoffautos aus.

Mit einem Preis von knapp 80.000 Euro ist Toyotas Auto der Mittelklasse allerdings auch wesentlich teurer als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Der hohe Anschaffungspreis der Autos ist sicherlich auch ein Grund dafür, dass sich die Brennstoffzelle als Antriebsart bislang nicht durchsetzen konnte. Hinzu kommen die geringe Auswahl an Auto-Modellen sowie die recht überschaubare Anzahl an Wasserstoff-Tankstellen.

Ein Vorteil, der dem Brennstoffzellenfahrzeug in Zukunft in die Karten spielen könnte, ist allerdings der gegenüber batteriebetriebenen Elektroautos schnellere Tankvorgang, der lediglich drei bis fünf Minuten dauert.

Auch Gabelstapler, motorisierte Hubwagen und andere Flurförderfahrzeuge, die oft in Lager- oder Fabrikhallen fahren, also in Innenräumen, können von der Elektromobilität profitieren. Da in Innenräumen der Betrieb von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor untersagt ist, sind sie oft mit einem Elektromotor ausgestattet, der per Akku betrieben wird.

Sind die Fahrzeuge allerdings im Schichtbetrieb unterwegs, werden immer häufiger Modelle mit Brennstoffzellen verwendet, da zum Laden keine Zeit bleibt. Dieser Trend ist vor allem in den USA verbreitet, wo die Einführung von Brennstoffzellen staatlich gefördert wurde, beispielsweise mit Steuergutschriften, beschleunigter Abschreibung oder Subventionen.

Ein Toyota Mirai beim Auftanken
Der Tankvorgang mit Wasserstoff geht ähnlich schnell wie an einer normalen Tankstelle. Lange Wartezeiten, wie bei batterielektrischen Autos, gibt es mit der Brennstoffzelle nicht. Foto: aio

Darum sind LKW eine große Chance für die Brennstoffzelle

Interessant ist die Brennstoffzelle auch für LKW, denn Brummis fahren auf der Langstrecke stets über 1000 Kilometer. Dafür reicht die Kapazität von Akkus bisher allerdings nicht. Neben Elektroauto und LKW zählen auch Wohnmobile zu den potentiellen Kandidaten für den Einsatz von Brennstoffzellen – nicht nur zur Fortbewegung, sondern auch, um sie unabhängig zu machen von der Stromzufuhr auf Campingplätzen. Außerdem eignen sich Brennstoffzellen auch als Generatoren für Boote und Wochenendhäuser.

Darüber hinaus hat die Brennstoffzelle in der Vergangenheit die Fantasie vieler Ingenieure beflügelt: So haben sie Fahrräder prototypisch zum Lastenrad mit Brennstoffzelle aufgerüstet oder einfach zum E-Bike umfunktioniert aufgerüstet.

Mobile Anwendungen sind aber weder der einzige noch der größte Anwendungsbereich der Brennstoffzellentechnik. Tatsächlich sind Militär und Raumfahrt historisch die ersten Gebiete, in denen die Technik trotz der im Vergleich zum Dieselgenerator hohen Kosten zuerst eingesetzt wurden. Tatsächlich wurde der Antrieb ursprünglich für die Raumfahrt entwickelt, da Brennstoffzellen leichter sind als Akkus sowie zuverlässiger und leiser als Generatoren.

Brennstoffzellen für Heizung und Strom

Im zivilen Bereich gibt es heute neben den erwähnten mobilen Anwendungen im wesentlichen zwei weitere Anwendungsschwerpunkte der Brennstoffzelle. Den größte Einsatzbereich für die Brennstoffzelle stellen die stationären Anwendungen dar.

Dazu gehört die Energieversorgung einzelner Häuser ebenso wie die ganzer Wohnviertel. Vor allem in Japan werden Gebäude wie Wohnhäuser mit Wärme und Elektrizität aus Brennstoffzellen versorgt. Im März 2018 etwa waren 220.000 Gebäude in Japan mit Brennstoffzellenheizungen ausgestattet, in Deutschland waren es immerhin über 1500.

Zudem kommen Brennstoffzellensystem überall dort zum Einsatz, wo temporär (beispielsweise wegen umfangreicher Baumaßnahmen) oder auch dauerhaft kein Netz zur Verfügung steht um Strom zu erzeugen – also der Stromversorgung netzferner Geräte.

  • So sichert zum Beispiel ein Brennstoffzellensystem während einer zehnmonatigen Bauphase den Betrieb eines Seismographen im Bayerischen Wald
  • Das Überwachungssystem der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe überwacht die Einhaltung des Atomwaffenteststopp-Vertrags

Ebenso lassen sich mit derartigen Generatoren auch Elektrogeräte beim Camping betreiben. Größere Systeme kommen auch in Krankenhäusern, Schwimmbädern oder für die Versorgung von kleinen Kommunen zum Einsatz. Europas größtes Brennstoffzellenkraftwerk steht in Mannheim und wird dort für die Produktion eines Spezialwerkstoffherstellers eingesetzt.

Brennstoffzelle auf einem Chip
Brennstoffzellen gibt es auch im besonders kleinen Maßstab. Chips könnten sich somit selbst mit Energie versorgen. Foto: Getty Images/Westend61

Taugt die Brennstoffzelle zum Massenprodukt?

Das jüngste Arbeitsgebiet der Brennstoffzellentechnologie ist die Entwicklung von Zellen für die Energieerzeugung tragbarer Geräte. Mehrere Unternehmen entwickeln mittlerweile kleine Brennstoffzellensysteme für portable Geräte. Dazu zählen elektronische Kleinverbraucher wie Laptops, Smartphones und MP3-Player. Diese Brennstoffzellensysteme sollen die konventionellen Batterien in Hinblick auf die Kapazität sogar übertreffen und langfristig ersetzen.

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Dass Brennstoffzellen kommerziell noch nicht verbreitet sind, liegt sicherlich an den hohen Kosten. Die rühren auch daher, dass Brennstoffzellen noch kein Massenprodukt sind und die Produktion dementsprechend zeitintensiv und teuer ist. Zusätzlich fallen hohe Kosten für Forschung und Entwicklung dieser recht jungen Technologie an. Ein weiteres Handicap für die Einführung der Brennstoffzelle ist die schwache Infrastruktur zur Versorgung mit dem Energieträger Wasserstoff.

Sind die Startschwierigkeiten der Brennstoffzellen-Technologie gelöst, kann der Einsatz von Brennstoffzellen schnell steigen. Bis dahin wird das Brennstoffzellen-Auto zumindest hierzulande noch auf sich warten lassen. Ob sich die Technologie gegenüber der Batterie durchsetzen kann, ist aktuell noch nicht abzusehen.

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