Wasserstoff: Der Gamechanger im Transportwesen

Erneuerbare Energiequellen sind für die Eindämmung des Klimawandels von entscheidender Bedeutung, da sie Energie erzeugen, ohne endliche Ressourcen auszubeuten oder Treibhausgase auszustoßen. Sonnen- und Windenergie sind die bei weitem am meisten genutzten erneuerbaren Energieformen, neben Wasserkraft aus Flüssen, Gezeitenenergie aus Meereswellen und geothermischer Energie aus der Erdkruste.

Bereits seit vielen Jahren befassen sich Wissenschaftler und Ingenieure mit dem Konzept der Brennstoffzelle. Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffs durch eine elektrochemische Reaktion direkt in Strom und Wärme um. Das erste praktisch einsetzbare Gerät wurde schon 1839 von dem walisischen Wissenschaftler Sir William Grove entwickelt, aber erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts kam die Brennstoffzellentechnologie richtig in Schwung. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, jede mit ihren eigenen Merkmalen. Der Artikel konzentriert sich auf Anwendungen im Transportwesen.

Das ist die Geschichte der Brennstoffzelle

Wie der Name schon sagt, verwenden alkalische Brennstoffzellen (AFCs) einen alkalischen Elektrolyten und Wasserstoff als Brennstoff zur Energieerzeugung. Tom Bacon, der in der Abteilung für Chemieingenieurwesen und Biotechnologie an der Universität Cambridge arbeitete, machte die Entdeckung, die zu den extrem effizienten Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) führte, die bei der Apollo-11-Mission eingesetzt wurden, was schließlich zur Mondlandung führte (siehe Bild 1).

Diese Brennstoffzellen eigneten sich ideal für die Energieversorgung des NASA-Raumschiffs, da sie damals leichter und kleiner als Batterien und effizienter als Solarzellen waren. Ein zusätzlicher Vorteil war, dass sich Wasserstoff und Sauerstoff als Raketentreibstoff ohnehin bereits an Bord befanden. Außerdem war das einzige Abfallprodukt der Reaktion Wasser, das in der Apollo 11 sowieso für die Besatzung zum Trinken benötigt wurde – so wurden gleich zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen.

Seither wurden PEM-Brennstoffzellen aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer niedrigen Betriebstemperatur und ihrer schnellen Startfähigkeit für den Transportsektor stetig weiterentwickelt. Aktuell werden sie häufig in Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEVs) eingesetzt, wie z. B. in Pkw, Lkw, Bussen und Baumaschinen sowie im Schiffs-, Bahn- und Luftfahrtbereich. Es gibt zwar noch andere Brennstoffzellentechnologien, wie etwa die Phosphorsäure-, Schmelzkarbonat- und Festoxid-Brennstoffzelle, aber diese dienen hauptsächlich für stationäre Anwendungen zur netzunabhängigen Stromerzeugung und als Notstromversorgung.

Wie funktioniert die Technik hinter der Brennstoffzelle?

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. In seinem natürlichen Zustand ist er jedoch fast immer chemisch an andere Elemente gebunden, wie z. B. an Sauerstoff in Wasser (H₂O). Daher muss Wasserstoff erst durch Verfahren wie Dampfreformierung, Elektrolyse oder Vergasung in eine reine Form gebracht werden. All diese Verfahren erfordern einen hohen Energieaufwand. Außerdem können bei der Dampfreformierung und Vergasung Treibhausgasemissionen oder andere negative Auswirkungen auf die Umwelt entstehen.

Bei der Elektrolyse handelt es sich im Grunde um den umgekehrten Prozess, den auch die Wasserstoff-Brennstoffzellen nutzen – bei diesem chemischen Verfahren wird durch Anlegen eines elektrischen Stroms Wasserstoff von Sauerstoff in Wasser getrennt. Solange die Energie für die Herstellung des Wasserstoffs aus einer Wind- oder Solaranlage stammt, ist die Wasserstoffenergie völlig sauber. Mit der Einführung von sauberem Wasserstoff, der als „grüner Wasserstoff“ bezeichnet wird, ist es naheliegend, Wasserstoff aus verschiedenen Energiequellen jeweils unterschiedliche Farben zuzuordnen (siehe Bild 3).

Bei der Elektrolyse wurden seitdem enorme Fortschritte erzielt, sodass sich heute Großanlagen zur Herstellung von CO₂-armem Wasserstoff im industriellen Maßstab im Einsatz befinden. Das Ziel dabei ist, ausschließlich grünen Wasserstoff zu produzieren, indem mehr Anlagen überschüssige Energie aus Wind- und Solarparks nutzen.

Diese Vorteile haben FCEVs gegenüber BEVs

FCEVs erzeugen Strom über eine eingebaute Wasserstoff-Brennstoffzelle, die ähnlich wie bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEVs) als Energiequelle für den Elektromotor dient, der das Fahrzeug antreibt. Im Vergleich zu BEVs bieten Brennstoffzellensysteme jedoch eine hohe gravimetrische Energiedichte (gespeicherte Energie pro Masseneinheit), da in Tanks gespeicherter Druckwasserstoff sowohl leichter als auch energiedichter ist. Dies verschafft FCEVs einen erheblichen Reichweiten- und Gewichtsvorteil, während sie ebenfalls emissionsfrei sind. Außerdem dauert die Betankung der Wasserstoff-Brennstoffzelle – ähnlich wie bei einem herkömmlichen Benzin- oder Dieselfahrzeug – nur ein paar Minuten.

Obwohl die Wasserstoff-Brennstoffzelle bei Pkw es bisher noch schwer hat, sich gegenüber batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEVs) durchzusetzen, die erhebliche Fortschritte bei Technologie und Infrastruktur gemacht haben, bietet diese Technik in Nutzfahrzeugen einen deutlichen Vorteil. So hat der Busmarkt bereits vor Jahren mit der Einführung von Wasserstoff-Brennstoffzellen für Stadtbusse begonnen, und bald werden auch Reisebusse folgen, da diese FCEVs im Vergleich zu ihren batteriebetriebenen Pendants größere Reichweiten haben.

Seitdem haben auch Lkw-Hersteller begonnen, die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie einzusetzen. Was sie für Transportunternehmen attraktiv macht, ist, dass diese damit ihre Ziele zur Verringerung der CO₂-Emissionen erreichen können und dennoch über Lkw verfügen, die eine ähnliche Reichweite haben wie jene mit Verbrennungsmotor, also 400 km und mehr. In jüngster Zeit haben auch die Bau- und Bergbauindustrie die Brennstoffzellentechnologie ernsthaft ins Auge gefasst, weniger für den stationären Betrieb am Einsatzort, sondern für die Fahrt von A nach B. Auch die Bereiche Landwirtschaft, Schifffahrt, Eisenbahn und Luftfahrt befassen sich mit dieser Technologie.

Eine Wasserstoffwirtschaft wird auch große Investitionen in die Infrastruktur erfordern, einschließlich Speicheranlagen und Verteilungsnetze über Pipelines, Schiffe und Transportfahrzeuge. Die Wasserstoffindustrie ist überzeugt, dass all dies innerhalb weniger Jahre erreicht werden kann, sofern entsprechende wirtschaftliche Anreize geschaffen werden. Immerhin kann eine Wasserstofftankstelle mehr Fahrzeuge versorgen als eine entsprechende Ladestation für Elektrofahrzeuge, und die Stromnetze werden weniger beansprucht.

Konstruktion eines FCEV

Bei der Entwicklung eines FCEV gibt es mehrere Designüberlegungen, zu denen einige wichtige Aspekte gehören. Systemarchitekten und Ingenieure, die Brennstoffzellensysteme entwickeln, müssen die Strom-, Spannungs- und Leistungsanforderungen der Steckverbinder berücksichtigen und entscheiden, ob sie Kunststoff- oder Metallverbindungssysteme bevorzugen. Sie müssen auch beurteilen, ob geschirmte oder ungeschirmte Steckverbinder erforderlich sind, welche Kabelstärken benötigt werden, die IP-Dichtungsanforderungen des Systems wählen, und entscheiden, ob eine ATEX-Anschlusstechnik erforderlich ist.

Im Zuge der Sensorintegration ist es von entscheidender Bedeutung, die für das jeweilige System erforderlichen Gassensortypen zu bestimmen. Auch die Überwachung der Systemtemperatur ist für eine optimale Leistung entscheidend. Weitere Überlegungen betreffen die Integration von Hochspannungsschützen und -sicherungen sowie die Beurteilung, ob Notschalter oder Schalttafeln eingebaut werden müssen.

Bei den passiven Komponenten müssen sich die Konstrukteure zwischen Aluminium- und Folienkondensatoren entscheiden. Auch die Art der Hochleistungswiderstände, die im System verwendet werden, müssen sie gut überlegen. Weiterhin ist zu beurteilen, ob spezielle magnetische Lösungen erforderlich sind. Und dann ist da noch die Entscheidung, ob sie DC/DC- oder AC/DC-Leistungswandler benötigen, ein weiterer wichtiger Faktor im gesamten Entwicklungsprozess. Jeder dieser Faktoren trägt zur reibungslosen Funktion und Sicherheit des gesamten Systemdesigns bei.

Ein Ausblick zu FCEVs im Transportwesen

Insgesamt erlebt der FCEV-Transportsektor ein erhebliches Wachstum und bedeutende Innovationen, da große Automobil-, Nutzfahrzeug- und Technologieunternehmen in die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie investieren. Angesichts der weiteren Entwicklung der Infrastruktur für die Wasserstoffproduktion, -verteilung und -betankung wird erwartet, dass FCEVs eine immer wichtigere Rolle beim Übergang zu nachhaltigem Transport spielen werden.

So arbeitet Mercedes-Benz bereits aktiv an der Entwicklung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie für den Einsatz in schweren Lkw. Ballard Power Systems, ein Anbieter von Brennstoffzellentechnologie, hat sich mit mehreren Busherstellern weltweit zusammengeschlossen, um FCEV-Busse zu entwickeln und einzusetzen. Auch Symbio, ein auf Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme spezialisiertes französisches Unternehmen, arbeitet mit Busherstellern wie Safra und Kawasaki Heavy Industries zusammen, während Liebherr und Hyundai Construction den Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen in Baumaschinen wie Baggern und Ladern erforschen.

Zu den wichtigsten Komponenten dabei gehören Hochspannungssteckverbinder von TTI-Zulieferern wie Amphenol, TE Connectivity, Aptiv und Rosenberger sowie Hochspannungsschütze von TE Connectivity, TDK und Omron. Weitere wichtige Bauteile sind Gas-, Strom-, Druck- und Temperatursensoren von Marken wie Amphenol, Honeywell, TE Connectivity, TDK und anderen. Ferner spielen passive und diskrete Komponenten eine wichtige Rolle für die Funktionalität des FCEV-Systems. Stromversorgungsanlagen, hauptsächlich für die grüne Wasserstoffproduktion und Tankstellen, werden von Mean Well, Advanced Energy, OmniOn Power und anderen angeboten.

Die lokalen Produkt- und Technikexperten von TTI Europe können FCEV-Herstellern beim Designprozess helfen – von der Analyse von Komponententrends, nachhaltiger Beschaffung und neuen Produktplänen bis hin zu eingehender technischer Unterstützung durch unsere Entwicklungsexperten. Darüber hinaus ist die Steckermontage eine der wichtigsten wertschöpfenden Dienstleistungen von TTI, ergänzt durch eine globale Vertriebsreichweite, was gleichbleibende Qualität und Zuverlässigkeit gewährleistet. (bs)