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H₂-Brennstoffzellen

Dieser Blog-Artikel sammelt Infos über Wasserstoff H₂ Brennstoffzellen [kurz: H₂BZ] aller Art, deren Technik und Einsatz

EFOY Hydrogen 2.5 Brennstoffzelle
Die SFC Wasserstoff-Brennstoffzelle
für den höheren Leistungsbereich

Was macht eine Brennstoffzelle mit Wasserstoff H₂?

Zur Verstromung von Wasserstoff (H2) wird eine Brennstoffzelle benötigt, konkret handelt es sich dabei genau genommen um eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Man spricht auch oft einfach von der „Wasserstoff-Brennstoffzelle“. Im Folgenden werden „Brennstoffzelle“ und „Wasserstoff-Brennstoffzelle“ synonym verwendet. In Wasserstoff-Brennstoffzellen dient Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff (O2) als Oxidationsmittel. Indem sie chemische Energie direkt in elektrische Energie und Wärme umwandeln, verfügen Wasserstoff-Brennstoffzellen über signifikant höhere Wirkungsgrade als konventionelle Kraftwerke.

In Kombination mit einem Brennstoffspeicher und einer Wasserstoff-Rezyklierung ermöglichen Brennstoffzellsysteme eine schadstofffreie Energieerzeugung. Das Leistungsspektrum von Wasserstoff-Brennstoffzellen reicht vom sub-kW-Bereich einzelner Zellen bis in den MW-Bereich in Form virtueller Kraftwerke. Dabei erstreckt sich das Einsatzgebiet von Wasserstoff-Brennstoffzellen von der Wärme- und Stromversorgung in Gebäuden über netzferne Anwendungen bis hin zum Antrieb von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen. Gerade durch die Diskussionen rund um die Rolle von Wasserstoff für die E-Mobilität sind Brennstoffzellen verstärkt in den Fokus gerückt.

Funktion und Aufbau der Brennstoffzelle

© TÜV / NORD
Wie ist eine Brennstoffzelle aufgebaut und wie funktioniert sie? Was passiert in ihr mit dem Wasserstoff? Das wird in dieser Infografik anschaulich gezeigt.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle und wie ist diese aufgebaut? Eine Brennstoffzelle besteht aus einem Verbund von mehreren Zellen, die durch Separatoren getrennt werden und zu einem Stapel bzw. Stack angeordnet sind. Der Aufbau einer Brennstoffzelle erfolgt planar in Schichten oder bei oxidkeramischen Brennstoffzellen auch tubular als Röhrensystem. Für die Funktionsweise von Brennstoffzellen spielt die Elektrolyse eine entscheidende Rolle: Den Kern einer einzelnen Brennstoffzelle bildet ein flüssiger bzw. fester Elektrolyt, der beidseitig von bipolaren Elektrodenplatten (Anode und Kathode) eingefasst ist.

Diese Platten besitzen eine poröse Diffusionsschicht (GDL – Gas Diffusion Layer), welche die Reaktionsgase über eine edelmetallbeschichtete Katalysatorfläche führen (Nieder- und Mitteltemperaturbereich) bzw. über einen Katalysator aus Nickel, Keramik oder Stahl (Hochtemperaturbereich). Auf diese Weise wird bei den meisten Brennstoffzellentypen anodenseitig der Wasserstoff gespalten und die Elektronen werden zum elektrischen Verbraucher abgeführt. Die Wasserstoffprotonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathodenseite und verbinden sich dort mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser (H2O).

Wirkungsgrad von Wasserstoff H₂BZ-Brennstoffzellen

Zur Stromerzeugung nutzen Brennstoffzellen Wasserstoff. Der Wasserstoffantrieb in einem Brennstoffzellenfahrzeug ist ein bekanntes Beispiel: Der Strom aus der Brennstoffzelle treibt entsprechende Fahrzeuge an, wobei aus dem Auspuff letztlich nur emissionsfreier Wasserdampf ausgestoßen wird. Aktuell beträgt der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle circa 60 %. Diese Technik ist nicht zu verwechseln mit derjenigen eines Wasserstoffmotors, bei dem es sich nämlich um einen Wasserstoffverbrennungsmotor handelt.

Zum Vergleich: Die Elektrolyse besitzt einen Wirkungsgrad von 60 bis 70 %. Ein moderner Ottomotor bzw. Benziner hat einen Wirkungsgrad von etwa 24 %, Dieselmotoren sind dagegen in der Lage, rund 40 % der im Kraftstoff gespeicherten Energie zu nutzen. Auch Flugzeugtriebwerke erreichen je nach Qualität des Triebwerks ähnliche Wirkungsgrade wie Fahrzeugmotoren. Somit spricht vieles für den Einsatz der Brennstoffzelle bei Fahrzeugen, die täglich größere Strecken zurücklegen und größere Lasten bewegen müssen.

Weitere Informationen: TÜV NORD.

Landkreis Rostock: Zwölf neue Wasserstoff-Busse im Einsatz

Seit Mittwoch, 2. Okt. 2024 sind im Landkreis Rostock zwölf neue Busse unterwegs, die ganz ohne Diesel und Benzin auskommen. Betankt werden sie mit lokal produziertem Wasserstoff H₂. Bis Ende des Jahres soll ein Drittel der Busflotte umgestellt werden.
Busfahrer Heiko Arnold: «Im ersten Moment fehlt das Diesel-Geräusch».
https://www.ndr.de/nachrichten/mecklenburg-vorpommern/rostock/Landkreis-Rostock-Zwoelf-neue-Wasserstoff-Busse-im-Einsatz,mvregiorostock1180.html

Renault mit neuartigem Wasserstoff-Elektro-Hybrid

Renault hat ein neues Familienauto-Konzept vorgestellt. Dank Brennstoffzelle als Range-Extender sollen 1.000 Kilometer Strecke im Verbrenner-Tempo gefahren werden können.
Foto: Renault
https://www.auto-motor-und-sport.de/tech-zukunft/alternative-antriebe/renault-embleme-brennstoffzelle-wasserstoff-elektroantrieb-akku/

Wasserstoff-Auto von BMW! BILD-Zeitung fuhr Prototyp

Für 2028 hat BMW sein erstes mit Wasserstoff H₂ betriebenes Auto angekündigt. In Zusammenarbeit mit Toyota sollen die Brennstoffzellen entstehen. Doch der Münchner Automobilkonzern arbeitet schon länger mit dieser Technik, baute knapp hundert BMW ix5 Hydrogen in einer kleinen Prototypen-Serie, die nicht für den Verkauf gedacht sind.
Mit dem BMW ix5 Hydrogen lässt es sich komfortabel über Land cruisen
Foto: Tom Kirkpatrick/BMW AG
https://search.app/YF2NetZeYWgGAjY19

Ende von Schweröl und Diesel – Diese Lösung soll die ganze Schifffahrt grün machen

Schwerölbetriebenen Ozean-Riesen drohen Hafen-Verbote, Reeder müssen bereits für ihren CO₂-Ausstoß bezahlen: Die Schifffahrt wartet sehnsüchtig auf grüne Lösungen. Eine Firma in Norwegen geht nun voran –
und produziert bald H₂BZ-Brennstoffzellen in Serie. Unterstützung kommt aus Deutschland.
Animation des geplanten Brennstoffzellen-Frachters aus NorwegenQuelle: TECO 203
https://www.welt.de/wirtschaft/article253713970/Schifffahrt-Brennstoffzellen-in-Serie-Dieses-Projekt-soll-Frachter-und-Kreuzfahrtschiffe-gruen-machen.html

Erster Wasserstoffzug der Niederbarnimer Eisenbahn startet

Am Bahnhof im Ortsteil Basdorf gibt es dazu einen Festakt. Anschließend ist eine Sonderfahrt geplant. Die batterie-elektrisch und wasserstoff-betriebenen Züge kommen von Siemens Mobility. Ein Batteriezug hat eine Reichweite von rund 120 Kilometer, ein Wasserstoffzug erreicht bis zu 800 Kilometer.
Video: rbb24 Brandenburg aktuell | 25.09.2024 | Michel Nowak | Bild: NEB-FNoack-SiemensMobility
https://www.rbb24.de/panorama/beitrag/2024/09/brandenburg-wandlitz-wasserstoff-zug-niederbarnimer-eisenbahn.html

H₂-Fahrrad mit eigener H₂-Erzeugungsstation

Die Anlage wird mit gereinigtem Wasser befüllt und kann mit Strom aus der heimischen Solaranlage betrieben werden. Bis zu 40 Liter Wasserstoff pro Stunde können hergestellt werden. Die Reinheit des Wasserstoffs gibt Youon mit 99,99 Prozent an.
Dieses E-Bike wird mit Wasserstoff betrieben – den man auf Wunsch auch zuhause herstellen kann.
https://efahrer.chip.de/news/neues-wasserstoff-fahrrad-ist-auf-dem-markt-ein-entscheidender-punkt-enttaeuscht_1017658

MTU Aero Engines testet Wasserstoff-Treibstoffsystem

Das System von MTU Aero Engines wurde mehrere Wochen erprobt – mit rund -250 Grad Celsius kaltem Flüssigwasserstoff.
Foto: MTU Aero Engines
Wasserstoff-Treibstoffsystem im Test

Die H₂BZ-Transporter von Renault und Opel der Sprinter-Klasse

präsentieren leichte Transporter mit Brennstoffzelle. Kleine H₂-Nutzfahrzeuge gibt es von vier Stellantis-Marken und anderen Herstellern. Hier die neuesten Last- und Lieferwagen.
Bild: Renault
https://www.autobild.de/artikel/wasserstoff-nutzfahrzeuge-mit-brennstoffzelle-20700959.html

Hyundai und Skoda Group: Gemeinsam für H₂BZ-Systeme

Skoda Group und Hyundai wollen mit einer Kooperation Wasserstoff als Energieträger voranbringen. Was daraus konkret folgen könnte, bleibt zunächst offen.​
Der Hyundai Nexo ist eines der wenigen Fahrzeuge, die aktuell mit einer Brennstoffzelle angeboten werden. Sein Preis liegt bei 77.490 Euro.
(Bild: Hyundai)
https://www.heise.de/news/Hyundai-und-Skoda-Gemeinsam-fuer-Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme-9937034.html

Mahle stellt neue Lösungen für H₂ Brennstoffzellen [kurz: H₂BZ] vor

Arnd Franz, Chef des Zulieferers Mahle, hat auf der IAA Transportation in Hannover ein neues Gesamtsystem für Brennstoffzellen-Lkw präsentiert, zu dem auch eine separat verwendbare E-Achse sowie Verdunstungskühlung gehören.
Bild: Mahle
https://www.electrive.net/2024/09/17/mahle-stellt-neue-loesungen-fuer-brennstoffzellen-trucks-vor/

Opel zeigt auf der Hannover IAA Transportation den Movano mit H₂BZ Brennstoffzelle

Arnd Franz, Chef des Zulieferers Mahle, hat auf der IAA Transportation in Hannover ein neues Gesamtsystem für Brennstoffzellen-Lkw präsentiert, zu dem auch eine separat verwendbare E-Achse sowie Verdunstungskühlung gehören.
Bild: Opel
https://www.electrive.net/2024/09/17/mahle-stellt-neue-loesungen-fuer-brennstoffzellen-trucks-vor/

Nuvera und Viritech arbeiten bei H₂-Brennstoffzellen-Antrieben zusammen

Die Brennstoffzellen-Spezialisten Nuvera Fuel Cells aus den USA und Viritech aus Großbritannien planen eine Zusammenarbeit. Ziel ist es, bei der Vermarktung, dem Einsatz und der Unterstützung des VPT 60 N-Antriebsstrangs von Viritech für Nutzfahrzeuge zu kooperieren.
Bild: Viritech
https://www.electrive.net/2024/08/22/nuvera-und-viritech-arbeiten-bei-brennstoffzellen-antrieben-zusammen/

Business-Jet mit H₂BZ: Er startet senkrecht und fliegt mit Wasserstoff

Das Schweizer Unternehmen Sirius Aviation bringt 2025 einen Business-Jet in die Luft: Dieser soll mit Wasserstoff H₂BZ betrieben werden.
Die Business-Jet-Version soll Platz für bis zu drei Passagiere bieten und eine maximale Flughöhe von 9000 Metern sowie eine Reisegeschwindigkeit von 520 km/h erreichen können. Sirius Jet
https://www.20min.ch/story/sirius-aviation-wasserstoff-jet-von-schweizer-firma-soll-1800-kilometer-schaffen-103022298

Honda setzt in H₂BZ-Modell auf Vitesco-Antrieb

Vitesco Technologies wird seinen Achsantrieb EMR3 für ein weiteres Modell an Honda liefern. Der neue Auftrag umfasst den Einsatz des E-Antriebs im neuen CR-V e:FCEV, der im Laufe von 2024 in Kalifornien und Japan erhältlich sein wird.
Bild: Vitesco Technologies
https://www.electrive.net/2024/05/29/honda-setzt-in-bz-modell-auf-vitesco-antrieb/

Wasserstoff H₂BZ-Hyundai Nexo kommt 2025

Hyundai hält am Thema Wasserstoff als Energiespeicher für die Mobilität fest und will ab 2025 einen Nachfolger für den H₂BZ-SUV Nexo vorstellen.
Auf der CES in Las Vegas stellt Hyundai seine Wasserstoffstrategie vor. Die richtet sich im Mobilitätssektor vor allem auf die Nutzfahrzeugsparte – allerdings nicht nur. Denn auch beim Pkw lässt Hyundai in Sachen Wasserstoff nicht locker. So verkündete Hyundai CEO Jaehoon (Jay) Chang bei der Pressekonferenz in Las Vegas, dass die Koreaner nicht nur an der kompletten Wertschöpfungskette von Wasserstoff arbeiten wollen, sondern sich auch um einen neuen Brennstoffzellen-Pkw kümmern.
https://www.auto-motor-und-sport.de/neuheiten/zweite-generation-hyundai-nexo-brennstoffzelle-suv-ab-2025/

BMW plant Serieneinsatz von Wasserstoff-H₂BZ-Autos

„Nach unserer Auffassung wird individuelle Mobilität in einer globalen Perspektive ohne Wasserstoff nicht die maximale Wirkung erzielen“, betonte Oliver Zipse.
BMW-Chef Oliver Zipse stellt eine Serienproduktion eines Brennstoffzellenfahrzeugs in Aussicht. (Symbolbild) Imago / Dwi Anoraganingrum
https://www.diepresse.com/18467601/bmw-chef-stellt-serieneinsatz-von-wasserstoff-autos-in-aussicht

Weitere Hinweise und Quellen

Von Louis A. Venetz

Dipl. Ing. FH in Systemtechnik
Freier Fachjournalist BR (VIF, SFJ)