Brennstoffzelle als Antrieb: So funktioniert ein Wasserstoffauto

Autos mit Brennstoffzellenantrieb gibt es schon. Wirklich durchgesetzt hat sich die potenziell umweltfreundliche Technik, bei der aus Wasserstoff Strom gemacht wird, nicht – dabei ist das Prinzip so simpel wie genial.

Der Toyota Mirai ist ein in Serie gebautes Brennstoffzellenauto, der im Alltag unter anderem mit großer Reichweite beeindruckt. Auf deutschen Straßen ist der Stromer aber ein Exot.

Bild:  Toyota

Seit mittlerweile mehreren Jahrzehnten wird von der Autoindustrie immer wieder die Hoffnung geschürt, dass das Wasserstoff- beziehungsweise Brennstoffzellenauto bald seinen Siegeszug antreten wird. Doch der große Durchbruch blieb der Technik bislang verwehrt.

Zwar wurden einige wenige Modelle in überschaubaren Stückzahlen in Serie produziert und in Deutschland sogar ein grobmaschiges Wasserstofftankstellennetz errichtet. Dennoch sieht es derzeit eher so aus, als würden die batterieelektrischen Stromer das Rennen um die saubere Autozukunft machen. Gründe für das vorläufige Scheitern des Wasserstoffautos gibt es viele. An dem im Kern genialen Prinzip der Antriebstechnik ändert dies jedoch nichts.

Für viele klingt der Begriff Brennstoffzelle noch immer nach Hightech und Zukunft, doch eigentlich sind Prinzip und Funktionsweise einfach und außerdem schon lange bekannt. Entdeckt wurde die Brennstoffzelle 1838 von Christian Friedrich Schönbein. Das Grundprinzip ist nichts anderes als die Umkehrung der Elektrolyse. Bei dieser lassen sich mit Hilfe von Strom, der durch eine Flüssigkeit geleitet wird, verschiedene Stoffe wie Natronlauge, Chlorgas oder Wasserstoff herstellen.

In der Brennstoffzelle geschieht das Gegenteil, denn in ihr lässt sich mit verschiedenen Ausgangsstoffen Strom erzeugen. Damit ist die Brennstoffzelle nicht ein Energiespeicher, sondern ein Energiewandler.

Geeignet für die Umwandlung sind unter anderem Methanol, Butan oder Erdgas. In der Regel aber wird Wasserstoff verwendet – in diesem Fall müsste präziser von einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle die Rede sein; ohne Sauerstoff funktioniert der Prozess nämlich auch nicht.

Schneller schlau: Wasserstoff

Was ist Wasserstoff?

Das chemische Element Wasserstoff (H) gehört zu den ältesten Elementen in unserem Universum. Es ist einer der Grundbausteine von Sternen, die Sonne zum Beispiel besteht zu knapp drei Vierteln aus Wasserstoff und zu knapp einem Viertel aus Helium. Wasserstoff ist in gebundener Form in allen lebenden Organismen zu finden. Auf der Erde ist die molekulare Form des Wasserstoffs (H2) ein geruchsloses, brennbares Gas.

Warum gilt Wasserstoff als Hoffnungsträger der Energiewende?

Weil bei der Verbrennung von Wasserstoff (H) mit Sauerstoff (O) schlicht Wasser, also H2O, entsteht und eben kein klimaschädliches Treibhausgas Kohlendioxid (CO2), wie bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe.

Wird Wasserstoff klimafreundlich hergestellt, soll er dabei helfen, den Ausstoß von CO2 deutlich zu verringern und laut Bundesregierung sogar „bis auf null zu führen“.

Stand: 26. Juli 2023

Wie soll der Wasserstoff hergestellt werden?

Der Wasserstoff soll vorzugsweise mit Hilfe von erneuerbarem Strom in sogenannten Elektrolyseverfahren hergestellt werden. Dabei zerlegt Strom Wassermoleküle in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff. Wird dabei Strom aus regenerativen Energiequellen verwendet, wird der Wasserstoff „grün“ genannt.

Je nach Art der Herstellung werden auch andere Farben zur Bezeichnung verwendet. So spricht man etwa von „grauem“ Wasserstoff, wenn bei der Herstellung aus Erdgas das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) entweicht.

Wird dabei das freiwerdende Kohlendioxid gespeichert, bezeichnet man ihn als „blau“.

Wird dabei fester Kohlenstoff gewonnen, wird der Wasserstoff „türkis“ genannt.

Wo soll Wasserstoff eingesetzt werden?

Mit Ökostrom hergestellter Wasserstoff soll zum einen als chemischer Rohstoff eingesetzt werden. Als Grundstoff für die chemische Industrie wird Wasserstoff schon lange verwendet, etwa zur Herstellung von Ammoniak, einer Ausgangsbasis für Düngemittel. In der Stahlindustrie etwa soll Öko-Wasserstoff künftig eine zentrale Funktion übernehmen: Wo bei der Herstellung von Roheisen bislang Kohle dem Eisenerz den Sauerstoff entzieht, soll künftig Wasserstoff ran.

Zum anderen soll er als Energieträger und damit auch als Energiespeicher dienen. In einigen Jahren soll er etwa als Brennstoff in modernen Gaskraftwerken zur Stromerzeugung verwendet werden. Sie sollen zum Einsatz kommen, wenn nicht genügend erneuerbarer Strom etwa aus Wind- und Sonnenenergie zur Verfügung steht. In Brennstoffzellen wird Wasserstoff schon länger zur Stromerzeugung eingesetzt. Gelagert werden soll Wasserstoff etwa in früheren Erdgasspeichern.

Im Inneren der Brennstoffzelle gibt es zwei gasdurchlässige Elektroden (Anode und Kathode), die mit einem Katalysator (in der Regel Platin) beschichtet und durch eine sogenannten Elektrolytmembran voneinander getrennt sind. Der Anode wird beim Betrieb gasförmiger Wasserstoff zugeführt, der Kathode Sauerstoff. Beides reagiert miteinander und durch die Potenzialdifferenz der beiden Elektronen entsteht eine elektrische Spannung. Die chemische Reaktion dahinter ist deutlich komplexer, Fakt aber ist, dass mit der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Strom entsteht – und Wasser. Letzteres wird dann wie die Verbrennungsabgase aus einem Auspuff einfach in die Umwelt abgeführt.

Brennstoffzelle: Die Frage der Wasserstoff-Erzeugung

Damit ein Brennstoffzellenauto fährt, braucht es noch einen Elektromotor, der dann mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten Strom betrieben wird. Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Akku-Autos: Über 500 Kilometer Reichweite sind mit Wasserstoff kein Problem und das Tanken dauert nur ein paar Minuten. Ganz auf Akkutechnik verzichten Brennstoffzellenautos allerdings nicht. Sie dienen als Puffer, der dann der Brennstoffzelle und dem elektrischen Antriebssystem zwischengeschaltet ist. Unter anderem dient die Hochvoltbatterie dazu, eine verlässliche Versorgung mit Fahrstrom in jeder Fahrsituation zu gewährleisten oder durch Rekuperation erzeugte Energie zu speichern.

Wie grün die Technik wirklich ist, steht auf einem anderen Blatt. In Hinblick auf die im Fahrzeug entstehenden Emissionen ist das Brennstoffzellenauto jedenfalls sauber. Entscheidender ist jedoch die Frage, wie der vom Brennstoffzellenauto verbrauchte Wasserstoff erzeugt wurde. Per Elektrolyse aus Wasser und idealerweise mit Strom aus Solar- oder Windenergie? Dann entsteht grüner Wasserstoff, dessen Öko-Bilanz gut ausfällt. Oft wird der Wasserstoff allerdings aus Erdgas gewonnen, was den grünen Lack abblättern lässt.

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