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Wasserstofftechnologie und Wasserstoffautos
 
 

Reiner Wasserstoff verbrennt an einer geregelten Düse zu Wasser. Gemische mit Luft oder mit reinem Sauerstoff reagieren nach einer Zündung explosiv unter sehr lautem Knall. Sie werden als Knallgasgemische bezeichnet. Das brennbare Gas kann zum Heizen oder zum Betrieb eines Automotors eingesetzt werden. Nach heutigem Maßstab ist die Handhabung des gasförmigen Brennstoffs sogar sicherer wie der Umgang mit Benzin. Benzindampf reagiert übrigens mit reinem Sauerstoff genauso heftig wie Wasserstoff. Wasserstoff löst sich in Wasser nur schlecht. Bestimmte Metalle wie Palladium können Wasserstoff aber bis zum 12000fachen ihres Volumens aufnehmen. 
 
     
 
Das Gas Wasserstoff stellt eine ideale Möglichkeit dar, die durch Photovoltaik gewonnene Energie über einen längeren Zeitraum zu speichern. Leitet man den durch Solarzellen erzeugten elektrischen Strom durch mit Schwefelsäure leitfähig gemachtes Wasser, entsteht bei dieser Elektrolyse am Minuspol Wasserstoff und am Pluspol Sauerstoff. Der entstehende Wasserstoff kann in Tanks oder in Metallhydrid-Speichersystemen gespeichert und so transportiert werden.  
 
 
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Quelle: Berechnet mit >Gemis Version 4.6 2011 des Öko-Instituts, Darmstadt
 
 
Statt mit aus fossilen Energieträgern stammenden Treibstoffen wie Benzin, Diesel oder Erdgas kann ein Auto auch mit Wasserstoff betrieben werden. Wie umweltfreundlich das Wasserstoffauto wirklich ist, zeigt die Grafik. Ein Auto mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor schneidet im Jahr 2010 in Deutschland nur wenig besser ab wie ein Auto mit Dieselmotor, obwohl schon berücksichtigt ist, dass der zur Erzeugung und Transport des Wasserstoffs notwendige elektrische Strom mit Hilfe der Photovoltaik gewonnen wird. Erheblich umweltfreundlicher stellt sich ein Wasserstoffauto dar, das mit einem Elektromotor ausgestattet ist und seine Energie aus der Umwandlung der chemischen Energie in den Brennstoffzellen bezieht. Die beste Variante stellt allerdings ein Elektroauto dar, das mit Strom aus Windkraftwerken betrieben wird. Berücksichtig sind sämtliche Produktionswege der Energie einschließlich der Emissionen im laufenden Betrieb. Seit es Autokatalysatoren gibt, sind die anderen Emissionen etwas in den Hintergrund gerückt. Beide Typen des Wasserstoffautos emittieren nur ein Bruchteil des Kohlenstoffmonooxids wie ein vergleichbarer Benziner. Sie erzeugen dagegen deutlich mehr Stickstoffoxide (NOx). Im Motor entstehen diese durch eine chemische Reaktion des Luftstickstoffs mit Sauerstoff, da bei der Verbrennung von Wasserstoff hohe Temperaturen vorliegen. 
  
Bei Wasserstoffautos mit einem Verbrennungsmotor erfolgt die Energieabschöpfung durch eine Verbrennung des Wasserstoffs. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass Hybridmodelle auf Benzinbetrieb umgeschaltet werden können. Da im Wasserstoffauto mit Verbrennungsmotor kein reiner Sauerstoff, sondern Luft zur Oxidation des Brennstoffs eingesetzt wird, entstehen neben dem Wasser als Nebenprodukt geringe Mengen an Stickoxiden. 
 
 
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Querschnitt durch einen BMW aus der 7er-Reihe mit Lithiumhydridtank.
Bild mit freundlicher Genehmigung der >BMW, [Lit BMW group 2001].
   
   
Der Vorgang der Elektrolyse (I) ist umkehrbar: Werden Sauerstoff (oder Luft) und Wasserstoff in einer Brennstoffzelle umgesetzt, kann man die gespeicherte Energie wieder abschöpfen und in elektrischen Strom umwandeln (II). In den Brennstoffzellen strömen Wasserstoff und Luft an Elektroden vorbei. Dabei wird die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgesetzt.  
 
 
I  Energiespeicherung:    Wasser   (+ elektr. Strom)    Wasserstoff + Sauerstoff 
II Energieabschöpfung:   Wasserstoff  +  Sauerstoff   Wasser  (+ elektr. Strom) 
   
  
Man kann Wasserstoffautos bauen, die nur mit einem Elektromotor ausgestattet sind und ihre Energie komplett aus dem in den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom beziehen. Die von Mercedes-Benz gebauten Fahrzeuge des Typs F-Cell basieren auf dieser Technik. Der Elektromotor des ursprünglichen Typs liefert 65kW Leistung, die Höchstgeschwindigkeit beträgt 140km/h. Der Wirkungsgrad dieses Systems liegt höher als bei Wasserstoffautos mit Verbrennungsmotoren. 
  
  
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Prototyp des Wasserstoffautos F-Cell von Mercedes-Benz auf der Intersolar 2003 in Freiburg.
Das Auto mit einer Reichweite von 160km speichert den Wasserstoff in komprimierter Form.
  
  
Bei der Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff für Kraftfahrzeuge muss das Gas möglichst kompakt und einfach gespeichert werden.  Dabei kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung von Hochdrucktanks. Hierfür ist bei der Betankung ein Kompressionsverfahren notwendig, und die Tanks benötigen relativ viel Platz. Flüssiger Wasserstoff zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte aus. Allerdings erfordert das Verflüssigen von Wasserstoff und das Aufrechterhalten der Isolierung viel Energie. Die Linde AG stellte 2015 mit dem "Linde-H2-Bike" erstmals ein Wasserstoff-Fahrrad mit etwa 100 Kilometer Reichweite vor, das mit einer Brennstoffzelle und einem kleinen Wasserstoff-Tank ausgestattet ist. 
   
Bestimmte Metalllegierungen wie Lithiumhydrid (LH2) oder auch Natriumalanat können große Mengen an Wasserstoff aufnehmen. Beim Binden von Wasserstoff durch Natriumalanat entsteht der Hydridkomplex Natriumaluminiumhydrid. Bei diesen Speichersystemen lässt sich der Wasserstoff einfach durch Erwärmen wieder gewinnen. 
  
  
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Bild mit freundlicher Genehmigung der >BMW, siehe auch >Linde-Gas

   
Der Durchbruch wird wohl in Verbindung mit der Nanotechnologie kommen. [Lit Satyapal/ Petrovic/ Thomas und Lukas Schmidt-Mende]  Die Nanotechnologie entwickelt Materialien mit einer extrem großen Oberfläche im Nanobereich. Nanomaterialien auf reiner Kohlenstoffbasis haben zwar eine große Oberfläche, sie können aber keinen Wasserstoff speichern. Verbindet man anorganische Substanzen über organische Streben erhält man poröse, kristalline Materialien. Sogenannte metallorganische Gerüststrukturen (MOFs) haben Oberflächen mit bis zu 5500 Quadratmeter pro Gramm, und sie können auch Wasserstoff speichern. 
 
 

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Metallorganische Gerüststrukturen (MOFs) haben eine sehr große innere Oberfläche.
  
 
Weitere Informationen
Arbeitsblätter   
Brennstoffzellen   
Experimente mit Wasserstoff  
Filme mit Wasserstoff auf DVD 
Treibhauseffekt   
Wasserstoff im Periodensystem  
  
Literaturquellen  
Literaturverzeichnis 
  
Weitere Infos im Internet  
Desertec (Solarprojekt europäischer Konzerne in Afrika)  
Hydrogeit.de - Der Wasserstoff-Guide 
Linde-Gas - Informationen zur Wasserstofftechnologie 
Wasserstoff-Seite des Deutschen Wasserstoff-Verbandes  
Wasserstoff-Zeitalter bei BMW
Wasserstoff-Fahrrad der Linde AG
 
Wikipedia - Mercedes-Benz F-Cell
 
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