Wie funktionieren Wasserstoffautos?

Möchten Sie Ihre Wärmekraftmaschine lagern? Zwischen Fahrrädern, Rollern, Elektro- oder Wasserstoffautos mangelt es nicht an Alternativen für unsere neuen Mobilitätsformen… auch wenn Elektrofahrzeuge heute noch durch Batterieautonomie eingeschränkt sind – begrenzte Entfernung, lange Ladezeit.

Konzentrieren wir uns in diesem wachsenden Angebot an alternativen Reisen genauer auf Wasserstofftechnologien. Letztere passen tatsächlich in Fahrzeuge mit einem Elektromotor – kein Benzin oder Diesel im Tank -, aber mit einem Fahrradius und einer Ladezeit, die denen unserer herkömmlichen Motoren ähneln.

Ist Wasserstoffantrieb eine neue Technologie?

Die „Brennstoffzelle“ ist das Herz eines Wasserstoffautos. Es wandelt einen Kraftstoff wie Wasserstoff unter Verwendung von Sauerstoff in Elektrizität und Wasser um. In der Batterie findet eine Oxidations-Reduktions-Reaktion statt, um Elektrizität zu erzeugen. Auf Anodenebene zerfällt das Wasserstoffmolekül in Kontakt mit einem Katalysator und setzt Protonen und Elektronen frei, die den elektrischen Strom erzeugen. Auf der Kathodenseite wird Wasser mit Sauerstoff, Protonen und Elektronen erzeugt.

Während dieser Effekt 1839 von William Grove entdeckt wurde, war er für die Automobilhersteller fast zwei Jahrhunderte lang von geringem Interesse: Wasserstoff war lange Zeit schwer zu speichern, notwendigerweise unter Druck (700 bar) und daher tragen.

1994 nahm Chrysler das Konzept auf und entwickelte einen ersten Prototyp. 2005 bot Mercedes das erste Wasserstoff-Serienauto an: die B-Klasse F-Cell (z Brennstoffzelle, auf Englisch).

Heute vervielfachen sich die Entwicklungsprojekte für leichte Fahrzeuge wie den Toyota Mirai, den Renault Kangoo und den Master ZE Hydrogen Vans, den BMW I Hydrogen SUV, aber auch für Busse, zum Beispiel die Strecke zwischen Jouy-en- Josas und Versailles wurden 2019 eingeweiht, oder schwere Nutzfahrzeuge. Die Xcient Fuel Cell von Hyundai ist für 2025 geplant.

Das Wasserstofffahrzeug hat ähnliche Autonomieeinschränkungen wie ein Benzin- oder Dieselfahrzeug: Sie können 500 km mit vollem Tank zurücklegen. Dann gehen wir mit einer Füllzeit von weniger als fünf Minuten zur Pumpe. Bei einem Preis von rund fünfzehn Euro pro Kilo (Wasserstoff wird in Kilo gemessen) dauert das Befüllen Ihres Tanks zwischen 50 und 70 Euro.

Wie funktioniert ein Wasserstoffauto?

Die Verwendung von Wasserstoff im Automobilsektor ist eine vielversprechende Alternative zu Kohlenwasserstoffen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen, da die Brennstoffzelle nur während ihres Betriebs Wasser freisetzt.

Aber wie wandelt man Wasserstoff in Elektrizität um?

Erinnerst du dich an deinen Chemieunterricht an der High School und an die Erfahrung der Wasserelektrolyse? Die, die es dank einer kontinuierlichen Stromversorgung, zwei Elektroden und einer Salzlösung ermöglichte, Wasserstoff und Disauerstoff in Reagenzgläsern zu gewinnen? In einem Wasserstoffauto ist es der gleiche Vorgang… aber in die andere Richtung und mit leicht unterschiedlichen chemischen Reaktionen.

Wir nehmen Wasserstoff und Sauerstoff, erzeugen elektrischen Strom und lehnen Wasser ab. Wenn das Prinzip einfach ausgedrückt wird, bleibt seine technologische Entwicklung komplex.

Prinzip der Stromerzeugung aus Wasserstoff

Wie wir gesehen haben, konzentriert sich die Architektur des Wasserstoffautos um die Brennstoffzelle. Es ist kein Motor, sondern ein Energiewandler. Dank der chemischen Energie von der brennbarDie Batterie erzeugt Strom, der dann in einem externen Stromkreis verwendet wird: einem Elektromotor, einer Batterie.

Wasserstoff ermöglicht es tatsächlich, die Autonomie von Elektrofahrzeugen dank Brennstoffzellen erheblich zu erhöhen, entweder als Ersatz oder als Ergänzung zu Batterien.

Eine sogenannte “Protonenaustauschmembran” -Brennstoffzelle: Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich und Wasser tritt aus der Zelle aus.
Remi Bligny, Autor zur Verfügung gestellt

Es gibt verschiedene Brennstoffzellentechnologien: Der fragliche Brennstoff kann natürlich Wasserstoff sein, aber auch Methanol oder Methan. Die in der Automobilindustrie am weitesten verbreitete Technologie ist die sogenannte Protonenaustauschmembran welches Wasserstoffgas verwendet.

Das Gas wird in einem Hochdrucktank gespeichert, der Ihren Gastank ersetzt und dem 2,5-fachen des erwarteten Drucks von 700 bar standhält. Die Verbundstruktur sorgt für Dichtheit, Druck- und Schlagfestigkeit.

In einem ersten Schritt muss der Wasserstoff in Elektrizität umgewandelt werden. Es wird zu einem Katalysator transportiert – sehr oft zu Platin, wo es in Protonen und Elektronen dissoziiert. Diese kommen aus der Brennstoffzelle, um den Stromkreis mit Strom zu versorgen. Auf der anderen Seite treffen sich Protonen, Elektronen und Sauerstoff in der Luft, um Wassermoleküle H zu bilden20. Dieses Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgelassen und tritt dann durch das Abgas aus.

Um genügend Energie zu erhalten, um die Batterien mit Strom zu versorgen und ein Fahrzeug zu bewegen, werden mehrere Brennstoffzellen gleichzeitig verwendet, die einen Stapel bilden.

Prinzip eines Wasserstoff-Autoantriebssystems

Wasserstofffahrzeuge werden trotz Verwendung eines Kraftstoffs in die Kategorie der Elektrofahrzeuge eingestuft.

Bei einigen Modellen treibt der von der Brennstoffzelle erzeugte Strom einen Elektromotor an, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Elektroauto. Bei anderen Fahrzeugen wird die Brennstoffzelle ausschließlich zum Aufladen der Batterie verwendet, die den Motor antreibt – dies ist beispielsweise beim Renault Kangoo der Fall.

Ein Wasserstofffahrzeug verfügt immer über eine Pufferbatterie, die sich wie eine „Gangreserve“ verhält: Die Leistung wird bei Bedarf bereitgestellt, beispielsweise bei starker Beschleunigung, und die Reserve wird von der Brennstoffzelle aufgeladen, wenn diese die Last aufnimmt. Relais zur Versorgung des Elektromotors.

Wie bei batteriebetriebenen Fahrzeugen ist es möglich, Bremsenergie zum Aufladen der Batterie zurückzugewinnen, um sie beim nächsten Start wiederzuverwenden.

Toyota Mirai in der Länge geteilt, ein Teil, wo wir den Fahrgastraum sehen, der andere mit dem Antriebssystem
Der Innenraum eines Toyota Mirai, präsentiert im Jahr 2016 in São Paulo, Brasilien. Die verschiedenen Teile des Antriebssystems sind gezeigt.
Rémi Bligny (Foto Mariordo), CC BY-SA

Je nach Radantriebsmodus (Traktion, Antrieb, Allradantrieb) variieren Anzahl und Position der Elektromotoren. Es ist nicht ungewöhnlich, den Elektromotor auf dem Antriebsteil des Autos zu positionieren oder in bestimmten Fällen sogar einen Elektromotor pro Rad zu kombinieren.

Elektrofahrzeuge geben während ihres Betriebs nicht nur keine Schadstoffe in die Atmosphäre ab, sondern sind auch leise, linear in der Leistungsabgabe, kostengünstiger in der Wartung und sparsam in der Verwendung.

Andererseits werfen die Herstellung und das Recycling von Batterien erhebliche ökologische und gesellschaftliche Probleme auf – wie die Gewinnung seltener Metalle, die Erschöpfung der Erzressourcen, die virtuelle Unmöglichkeit, die Komponenten einer gebrauchten Batterie zu recyceln … ohne Sprechen Sie über die Kosten für den Kauf eines solchen Fahrzeugs.

Wasserstoffbetriebene Autos scheinen nicht nur von gut etablierten Sicherheitsstandards zu profitieren, sondern scheinen diese Einschränkungen auch zu minimieren, da die Batterie nicht mehr das zentrale Element des Autos ist. Eine große Herausforderung bleibt jedoch: die Produktion von Wasserstoff.

Welche Zukunft für den Wasserstoffantrieb?

Heute setzen 96% der weltweiten Wasserstoffproduktion Kohlendioxid frei. Die Dampfreformierung fossiler Ressourcen wie Erdgas bleibt das Hauptverfahren für diese Produktion.

Der verbleibende Teil stammt aus der Elektrolyse von Wasser, die entgegengesetzte Reaktion zu der in der Brennstoffzelle verwendeten: Wasser wird zur Erzeugung von Sauerstoff und Wasserstoff verwendet.

Der CO2-Fußabdruck kann daher nur unter der Bedingung gut sein, dass Strom aus erneuerbaren Quellen, insbesondere Wind und Photovoltaik, beispielsweise während Produktionsspitzen verwendet wird. Der Preis für diesen sogenannten „grünen“ Wasserstoff ist im Vergleich zu fossilen Ressourcen immer noch sehr hoch.



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Der Aufbau von Netzen von Wasserstofftankstellen in mehreren europäischen Ländern, einschließlich Frankreich, scheint darauf hinzudeuten, dass sich die Technologie allmählich vom Demonstrator in eine kommerzielle Phase verlagert.

2020: Vig’HY-Karten für offene (links) und geplante (rechts) Stationen.
Robin Vivian (Vig’HY-Karten), Autor zur Verfügung gestellt

In dieser Phase müssen jedoch noch einige Herausforderungen angegangen werden, bevor ein großer Markt für Wasserstoffmobilität in Betracht gezogen wird. Im Jahr 2020 sind in Frankreich 158 Stationen gelistet: 86 offen oder im Bau und 71 im Projekt … daher hypothetisch. Diese Zählung steht im Gegensatz zu dem nationalen Plan, der 2023 100 Stationen, 2028 400 bis 1000 Stationen vorsieht und dessen Route nicht mehr nach den Tankstellen wählen müsste.

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