Motoren aus technischer Sicht/ Brennstoffzelle

Brennstoffzelle

Einleitung

Aufgrund der voraussehbaren Kraftstoffknappheit für Verbrennungsmotoren ist es notwendig, nach alternativen Antriebssystemen zu suchen. Diese Alternativsysteme müssen aber einige Anforderungen erfüllen, damit sie zum Einsatz kommen können. Zum einen darf keine oder nur eine geringe Schadstoffemission vorliegen, zum anderen muss die Energie von unerschöpflichen Quellen stammen. Gute Beispiele für unerschöpfliche Quellen, die zur Energieschöpfung genutzt werden könnten, sind Wind, Wasser und Sonne. Die Brennstoffzelle besitzt diese zwei oben genannten Voraussetzungen. Aus dem Betrieb einer Brennstoffzelle entsteht lediglich der für die Natur unschädliche Wasserdampf. Dieser wird bei günstiger Wetterlage zu Wasser kondensiert, wodurch das Wasser wieder zur Verfügung steht. Nun wird eine Brennstoffzelle aber nicht mit Wasser sondern mit Wasserstoff betrieben, welcher in der Natur nicht rein vorkommt und somit durch Elektrolyse von Wasser oder durch chemische Umwandlung von Erdöl beziehungsweise Erdgas gewonnen werden muss. Diese Prozesse sind aber sehr energieaufwändig, womit der Einsatz von Brennstoffzellen momentan nur in kleinen Mengen denkbar ist. Deshalb wird gegenwärtig eifrig nach rentableren Methoden zur Gewinnung von Wasserstoff gesucht.

Aufbau und Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

Bei der Elektrolyse von Wasser wird dieses in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, wobei Energie erforderlich ist. Die chemische Reaktion, die bei der Brennstoffzelle abläuft, entspricht genau der Umkehrung der Elektrolyse. Dabei entsteht Wasser aus den beiden Bestandteilen Wasserstoff und Sauerstoff. Bei diesem Vorgang wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Einziges Abfallprodukt ist Wasserdampf, welcher für die Natur unschädlich ist. Diese von der Brennstoffzelle gebildete elektrische Energie kann nun von einem Elektromotor ausgenützt werden, um anstelle des bisherigen Verbrennungsmotors ein Fahrzeug anzutreiben. Elektromotoren sind schon seit langem serienreif, allerdings ist noch kein Speicher entwickelt worden, der die für eine übliche Reichweite von 500 km benötigte Energie speichern kann. Hier könnte die Brennstoffzelle zum Zuge kommen, da ihr Betrieb von Ladestationen unabhängig ist und somit dauernd Energie verfügbar ist.

Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle besteht aus einer Proton Exchange Membran, kurz PEM, durch welche nur Wasserstoffionen, also Protonen, in eine Richtung hindurchdiffundieren können. So wird sichergestellt, dass Wasserstoff und Sauerstoff nicht in direkten Kontakt gelangen, weil dabei ein hochexplosives Knallgas entstehen würde. Die Brennstoffzelle wird somit durch die PEM in zwei Hälften eingeteilt. In der linken Hälfte liegen die Wasserstoffatome, in welcher auch die positiv geladene Elektrode, die so genannte Anode liegt. Die negativ geladene Elektrode, die Kathode, befindet sich, so wie auch die Sauerstoffatome, in der rechten Hälfte der Brennstoffzelle. Die Wasserstoffatome geben nun ihre Elektronen ab und es entstehen Protonen, welche durch die PEM hindurchdiffundieren. Die Elektronen werden von der Anode durch einen elektrischen Leiter zur Kathode geführt. Die hindurchdiffundierten Protonen verbinden sich mit den zugeflossenen Elektronen und mit den Sauerstoffatomen, wobei Wasserdampf entsteht. Die Spannung, die durch eine einzige Brennstoffzelle produziert wird, ist minimal, wodurch auch der nutzbare elektrische Strom minimal ist. Der Elektromotor würde bei einem derart kleinen elektrischen Strom kaum zum Betrieb kommen. Deshalb ist es notwendig, dass gleich mehrere Brennstoffzellen nebeneinander in Betrieb sind, denn so entsteht eine Spannung von 300 V, welche für einen genügenden Betrieb des Elektromotors ausreicht.

Probleme beim Einsatz der Brennstoffzelle in Fahrzeugen

Ein erstes Problem liegt in der Herstellung des Wasserstoffs, der für den Betrieb der Brennstoffzelle benötigt wird. Die Elektrolyse des Wassers ist mit einem zu hohen Energiebedarf verbunden. Ein zweites Problem ist der Platzbedarf der Brennstoffzellen. Damit nämlich der Elektromotor mit genügend Spannung und Strom versorgt wird, müssen, wie oben erwähnt, gleich mehrere Brennstoffzellen betrieben werden, die insgesamt sehr viel Platz einnehmen. Ein drittes und letztes Problem stellt die Lagerung des Wasserstoffes dar. Im gasförmigen Zustand ist es auch unter Druck nur möglich, ein Viertel des Wasserstoffes zu speichern. Deshalb sollte Wasserstoff flüssig gehalten werden, was aber nur durch eine Temperatur von -250 °C gelingt. Als Alternative zum Wasserstoff kann Erdgas oder Methanol eingesetzt werden. Dazu ist aber ein Reformer, der den Wasserstoff aus dem Erdgas herausfiltert beziehungsweise das Methanol spaltet, oft notwendig. Die Direkt-Methanolbrennstoffzelle benötigt diesen nicht, hat aber z. Zt. noch ein Entwicklungsdefizit im Ggs. zur PEMFC, die schon beim Gemini-Projekt zum Einsatz kam. Als Nebenprodukte würden CO₂ und Wasser entstehen. Hier wiederum besteht das Problem, dass Erdgas und Methanol nur in begrenzten Mengen auf unserem Globus vorhanden sind.

Demnach wird es noch eine Zeit lang dauern, bis mit niedrigen Kosten Energie aus einem unerschöpflichen Stoff gewonnen werden kann, ohne dass dieser Stoff dabei schädliche Abgase emittiert. Als Endprodukt entsteht Wasser in den Zellen, das bei stehenden Fahrzeugen mit Temperaturen unter Null Grad Celsius gefrieren würde und die Zellen beschädigen würde. Am Ende einer Fahrt muss daher jeweils am Fahrtende das Wasser bzw. der Wasserdampf aus den Zellen abgeführt werden, für die es mittlerweile mehr oder weniger aufwendige Lösungen gibt. In den Hochleistungszellen laufen hochkomplexe chemische Prozesse ab, für die große Lastsprünge eine erhebliche Belastung darstellen. Mittels Akkus geringer Kapazität können diese auf die Dauer erträglich Maße gedämpft werden, die ebenfalls eine Nutzbremsung ermöglichen. Diese Technikentwicklung wird mit geringen Abwandlungen zum Beispiel bei BMW als Rekuperation (Bremsenergie-Rückgewinnung) bei einigen konventionellen Fahrzeugmodellen eingesetzt.

Der Opel Zafira beweist aber, dass bereits Prototypen von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen als Antrieb existieren. Auch BMW hat mit ihrem Clean Energy-Projekt zum Ausdruck gebracht, dass ein Fahrzeug mit Wasserstoff als Antrieb ebenso gute Leistungen erbringen kann wie ein Fahrzeug mit Benzin oder Diesel als Antrieb. Bei diesem Projekt wurde ein Zwölfzylindermotor eines BMW 760i genommen und auf Wasserstoffbetrieb umgerüstet. Resultat dieses Projektes ist der H2R-Renner, der über 285 PS / 210 kW leistet und den Einsitzer in etwa sechs Sekunden auf die Geschwindigkeit von v = 100 km/h beschleunigt.

Insgesamt wurden mit diesem Fahrzeug neun neue Rekorde aufgestellt. Testfahrten haben ergeben, dass das Fahrzeug nach fliegendem Start knapp 12 Sekunden benötigt, um eine Strecke von einem Kilometer mit der Durchschnittsgeschwindigkeit von 300,19 km/h zu absolvieren. BMW zeigt also, dass Wasserstoff die konventionellen Kraftstoffe Benzin und Diesel ablösen kann, ohne dass der Autofahrer auf die Dynamik heutiger Fahrzeuge verzichten muss.