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Antrieb der Zukunft? Aufbau, CO2-Bilanz und Vor- und Nachteile der Polymerelektrolytbrennstoffzelle

Facharbeit (Schule) 2019 34 Seiten

Chemie - Physikalische und Theoretische Chemie

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung

Einleitung

1. Die Brennstoffzelle
1.1. Was ist eine Brennstoffzelle?
1.2. Geschichte der Brennstoffzelle
1.3. Verschiedene Brennstoffzellentypen

2. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle
2.1. Kenndaten
2.2. Aufbau
2.3. Die Membran-Elektroden-Einheit
2.4. Antriebsstrang eines Brennstoffzellenautos
2.5. Eigener Versuch

3. Bedeutung der PEM-Brennstoffzelle in der Automobilindustrie
3.1. Vergleich: Wasserstoff- und Elektroauto
3.2. Welcher Antrieb ist umweltschonender?

4. Experteninterview mit Frau Prof. Dr. R

5. Fazit - Der Antrieb der Zukunft?

Anhang
Experteninterview

Quellen
Literaturverzeichnis
Web-Seiten
Abbildungen

Kurzfassung

Was ist eine Brennstoffzelle? Was ist ihre Geschichte? Wie ist eine Polymerelektrolyt­­brennstoffzelle aufgebaut? Welche elektrochemischen Vorgänge laufen in einer Brennstoffzelle ab? Wie sind die einzelnen Bausteine aufgebaut und welche Funktionen haben sie? Welche Vor- und Nachteile haben Brennstoffzellen- und batteriebetriebene Autos? Wie sieht es mit deren CO2-Bilanz aus? Welchen Herausforderungen stellt sich die heutige Brennstoffzellen­forschung? Und ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der Antrieb der Zukunft? Diese Fragen werde ich in der folgenden Arbeit behandeln und beantworten.

Die Brennstoffzelle ist eine fast 200 Jahre alte Erfindung. Sie ähnelt einer galvanischen Zelle und verstromt mit Hilfe von Redoxreaktionen gespeicherte chemische Energie eines Brennstoffes in nutzbare elektrische Energie. Das Herzstück bildet die Membran-Elektroden-Einheit aus Gasdiffusionsschicht, Elektrode, Katalysator und Membran. Hier, beziehungsweise an der Dreiphasengrenze, laufen die Redoxreaktionen ab und werden katalysiert. Im Brennstoffzellenfahrzeug ist die Brennstoffzelle Teil eines Antriebsstranges aus Wasserstofftank, Batterie und Elektromotor. Im Vergleich zu batteriebetriebenen Autos erzielen Wasserstoffautos deutlich höhere Reichweiten und haben sehr kurze Tankzeiten. Auch Wasserstoff als Energieträger kann in der Zukunft eine wichtige Rolle übernehmen. In Sachen Umweltfreundlichkeit hat das Elektroauto bisher noch einige Probleme, die es bewältigen muss. Die aktuelle Brennstoffzellenforschung fokussiert sich auf alternative Katalysatoren sowie temperaturbeständigere Membranen. Zwar bleibt die zukünftige Entwicklung abzuwarten, jedoch überwiegen für mich die Vorteile des Brennstoffzellenantriebs, was ihn für mich zum Antrieb der Zukunft macht.

Einleitung

Die Erderwärmung. Kaum ein Thema ist präsenter in der Politik. Kaum ein Problem ist so groß und dringend wie dieses. Kaum eine andere Herausforderung und die Art, mit der wir mit ihr umgehen, wird einen vergleichbaren Einfluss auf meine und alle kommenden Generationen haben. „Es gibt ein Thema, welches sich dramatischer auf dieses Jahrhundert auswirken wird als jedes andere. Und das ist die dringende und immer größer werdende Bedrohung eines sich verändernden Klimas.“1, so der amerikanische Präsident Barack Obama beim Klimagipfel in New York City 2014.

Seit 1980 hat sich die globale Durchschnittstemperatur um fast 1°C erhöht2. Laut der Weltorganisation für Meteorologie liegen die 20 wärmsten Jahre seit Anfang der Wetterauf­zeichnung alle in den letzten 22 Jahren3. Seit 1870 stieg die CO2 -Konzentration in der Atmosphäre von 288 ppm auf 404 ppm im Jahr 20144. Die von Eis bedeckte Fläche in der Arktis hat sich seit 1970 nahezu halbiert5. Dadurch ist der Meeresspiegel seit 1880 bereits um 20cm gestiegen6, und die weitere Erwärmung wird durch die neuen Wasserflächen beschleunigt. Weiterhin führt die Erwärmung der Erde auch zu einer rasant ansteigenden Anzahl an Naturkatastrophen wie Hitzewellen, Überschwemmungen, Waldbränden und Dürren. Wenn wir nicht sofort handeln, wird sich die Erde bis 2100 um ca. 3-5°C im Vergleich zu 1980 erwärmen7. Dadurch könnte der Meeresspiegel bis 2100 um weitere 60cm steigen und der PH-Wert des Meeres, aufgrund der Bildung von H2CO3 aus CO2 und H2O, um 0,3 bis 0,4 sinken8. Durch dieses „Versauern“ und Erhitzen der Meere sterben Korallen und Bakterien, die essenziell für das Ökosystem Meer sind.

Leider haben all diese erschreckenden und beängstigenden Entwicklungen ihren Ursprung nicht in irgendeinem Naturphänomen. Nein, die Verursacher sind wir, die Menschen. Durch die Verbrennung von fossilen Rohstoffen, wie Braun- und Steinkohle oder Erdgas zur Gewinnung von elektrischer Energie, sorgen wir für die Bildung großer Mengen an Kohlenstoffdioxid. Dieses sammelt sich dann in der Atmosphäre, sorgt für einen verstärkten Treibhauseffekt und führt letztendlich zur Erwärmung der Erde und zu allen daraus resultierenden Folgen. Und für diese Folgen sind wir alle verantwortlich. Deshalb ist es auch unsere Verantwortung dafür zu sorgen, dass die Erde sich nicht noch weiter erhitzt, als sie es bereits getan hat. Natürlich ist es auch wichtig, dass die Länder handeln und in erneuerbare Energiequellen investieren, aber es gibt eine große CO2-Quelle, die wir selbst vermindern können und müssen. Das Auto.

Der Großteil der Deutschen hat mindestens ein, viele sogar zwei Autos vor der Tür stehen. Sie sind praktisch und bringen uns vergleichsweise schnell von A nach B, aber sie sind in Deutschland für über 18% des gesamten CO2-Ausststoßes verantwortlich9. Sollen wir uns nun alle ein Elektroauto kaufen? Zwar stoßen diese, genau wie das Brennstoffzellenauto, keinerlei Emissionen aus, die Herstellung der Batterien und die Gewinnung der dafür benötigten Rohstoffe ist jedoch sehr umweltschädlich, weshalb sie (noch) keine wirkliche Lösung darstellen. Wir bräuchten also einen Antrieb, der keine schädlichen Abgase ausstößt, der keine fossilen Brennstoffe verbraucht, der auch in der Herstellung kaum der Umwelt schadet, der bestenfalls eine hohe Energieeffizienz besitzt und auch hohe Reichweiten erzielt. Glücklicherweise gibt es bereits genau solch einen Antrieb: Die Brennstoffzelle!

1. Die Brennstoffzelle

1.1. Was ist eine Brennstoffzelle?

In einer Brennstoffzelle werden aus einem dauerhaft zugeführten Brennstoff durch chemische Reaktionen Strom, Wärme und ein oder mehrere Produkte gewonnen10. Im Fall einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle werden H2 und O2 in Strom, Wärme und H2O umgewandelt. Im Fall einer Direktmethanol-Brennstoffzelle werden Methanol (CH3OH) und O2 in Strom, Wärme, H2O und CO2 umgewandelt. Anders als der Name vermuten lässt, wird die gespeicherte chemische Energie jedoch nicht in einer klassischen Verbrennung, sondern durch Redoxreaktionen in nutzbare Energieformen umgewandelt.

Ein großer Vorteil einer Brennstoffzelle im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zur Stromerzeugung ist die um einiges höhere Effizienz. Bei herkömmlichen Kraftwerken, wie Kohlekraftwerken, werden zur Stromgewinnung viele Zwischenschritte mit hohem Energie­verlust benötigt. Dabei wird zuerst der Brennstoff verbrannt, wodurch die gespeicherte chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Diese Wärme wird benutzt, um aus Wasser Wasserdampf zu erzeugen. Der aufsteigende Wasserdampf treibt eine Turbine an, die dadurch in Bewegung versetzt wird. Diese Turbine ist mit einem Generator verbunden, der durch Induktion die Bewegungsenergie zuletzt in elektrische Energie umwandelt. Durch diesen Prozess erhält man am Ende nur ca. 40% der Energie, die ursprünglich im eingesetzten Kraftstoff enthalten war.

Bei einer Brennstoffzelle ist das anders. Hier wird der Brennstoff durch elektrochemische Vorgänge direkt verstromt. Theoretisch wäre damit eine Effizienz von 100% erreichbar. Jedoch wird zum Beispiel durch Erhitzung der Zelle auch Energie an die Umgebung abgegeben. Die Theorie ist somit also nicht erreichbar. Mit einer Effizienz von bis zu 70% ist die Brennstoffzelle trotzdem deutlich effizienter als beispielsweise ein Kohlekraftwerk11. Dies ist einer der Hauptgründe, die die Brennstoffzelle so attraktiv für die Stromerzeugung machen.

Die Brennstoffzelle kann allgemein als eine galvanische Zelle betrachtet werden. Jedoch sind die Elektrodenmaterialien nicht an den Redoxreaktionen beteiligt, die Elektroden nutzen sich also nicht ab. Der Aufbau einer Brennstoffzelle (Abb.1) ist dem einer Batterie sehr ähnlich. Die Hauptbestandteile der Brennstoffzelle sind zwei Elektroden und ein Elektrolyt. Das Herzstück bildet der Elektrolyt, der die zwei Elektroden voneinander trennt und somit einen Kurz­schluss verhindert und den Stromfluss ermöglicht. Der Elektrolyt ist außerdem für den Ionenaustausch während der Reaktion zuständig. Die beiden Elektroden sind vom jeweiligen Brennstoff umgeben und an ihrer Oberfläche finden die Redoxreaktionen statt. Die Elektroden sind außerdem mit einem Katalysator, meist Platin oder Palladium, beschichtet, um die Redoxreaktionen zu fördern, also die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. An der Anode findet die Oxidation statt. Der Brennstoff wird oxidiert und Elektronen werden abgegeben. Diese Elektronen fließen dann über einen Leiter zur Kathode. An ihr findet die Reduktion, die Elektronenaufnahme, statt. Ein zweiter Brennstoff wird reduziert und reagiert mit den oxidierten Ionen, die durch den Elektrolyten gewandert sind, zum Produkt der Redoxreaktion. Durch die räumliche Trennung der zwei Teilreaktionen (Oxidation und Reduktion) sind die Elektronen dazu gezwungen, über einen Leiter zu fließen und können somit für uns nutzbare elektrische Arbeit verrichten. Ohne diese Trennung würden zwar dieselben Reaktionen stattfinden, es würde jedoch kein Strom fließen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer Wasserstoff-Sauerstoff -Brennstoffzelle

1.2. Geschichte der Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle hat bisher im Alltag kaum Verwendung gefunden. Sie wurde jedoch nicht vor wenigen Jahren erfunden, um heutige ökologische Ziele zu erreichen und die CO2-Emissionen zu senken, sondern ist eine fast 200 Jahre alte Erfindung12. Bereits im Jahr 1838 entdeckte der deutsch-schweizerische Chemiker Christian Friedrich Schönbein den sogenannten Polarisationseffekt. Er stellte beim Umspülen zweier Platindrähte mit H2 und O2 in einer Elektrolytlösung eine Spannung zwischen den Drähten fest. 1839 erfand der britische Physiker Sir William Grove dann, basierend auf den Arbeiten seines Freundes Schönbein, die Brennstoffzelle. Er erkannte den Polarisationseffekt als Umkehrung der Elektrolyse und sah das Potential zur Stromerzeugung. Das sogenannte „Grovesche Element“ war die allererste funktionsfähige Brennstoffzelle.

Wieso ist die Brennstoffzelle dann fast 200 Jahre später immer noch nicht als Stromquelle im Alltag angekommen? Der Hauptgrund hierfür ist die Erfindung des Ottomotors im Jahre 186213, der den Personen- und Warentransport revolutionierte. Die Entwicklung des Verbrennungs­motors ließ die Brennstoffzelle als alternativen Antrieb in Vergessenheit geraten. Zwar beschäftigten sich Chemiker wie 1905 Walther Nernst und Wilhelm Ostwald ausführlich mit der Theorie der Brennstoffzelle, jedoch war sie noch lange davon entfernt, einen wirklichen Nutzen zu finden. Erste Anwendung fand die Brennstoffzelle in den Weltraumprogrammen der NASA. Im Rahmen der Programme Gemini und Apollo in den 1960er-Jahren wurden an Bord von Raketen erstmals Brennstoffzellen zur elektrischen Versorgung benutzt. Während der Ölkrise in den 1970er-Jahren wurde die Brennstoffzelle als alternativer Antrieb wiederentdeckt. Die Entwicklung erster mit Wasserstoff betriebener Fahrzeuge nahm von da an rasant Fahrt auf. Es wurden PKWs, U-Boote und Flugzeuge mit Brennstoffzellenantrieb entwickelt. Ein Brennstoffzellenauto war für den Normalverbraucher erstmals 2013 erhältlich (Hyundai ix35 fuel cell) und 2014 kam das erste Brennstoffzellenauto in Großserie auf den Markt (Toyota Mirai). Seitdem haben fast alle großen Automobilkonzerne mindestens ein Brennstoffzellenauto auf den Markt gebracht. Die aktuelle und zukünftige Forschung und Entwicklung in der Brennstoffzellentechnik ist beziehungsweise wird ein spannendes Thema bleiben.

1.3. Verschiedene Brennstoffzellentypen

Der Begriff „Brennstoffzelle“ wird häufig als Synonym für „Sauerstoff-Wasserstoff-Brennstoffzelle“ benutzt. Dies liegt daran, dass der Großteil der Brennstoffzellen, besonders in der Automobilindustrie, Sauerstoff und Wasserstoff als Brennstoffe benutzen. Jedoch ist dieser Gebrauch eigentlich nicht korrekt, denn eine Brennstoffzelle muss nicht immer mit diesen zwei Brennstoffen betrieben werden. Der Begriff „Brennstoffzelle“ beinhaltet strenggenommen nur, dass ein Brennstoff durch Redoxreaktionen direkt verstromt wird.

Verschiedene Brennstoffzellentypen14 werden nach der jeweiligen Arbeitstemperatur inNieder-, Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen eingeteilt. Ein Beispiel für eine Hoch­temperatur­­brennstoffzelle ist die Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC). Diese kann bei einer Betriebstemperatur von circa 800 - 1000°C neben H2 auch Methan (CH4) sowie Kohlenstoffmonoxid (CO) mit O2 verstromen. Aufgrund der sehr großen Leistungsdichte von circa 1000 W/kg und der niedrigen Betriebstemperatur von circa 70°C ist die Polymer­elektrolytbrennstoffzelle der am weitesten verbreitete Brennstoffzellentyp. (Übersicht zu verschiedenen Brennstoffzellentypen: siehe Anhang 2)

2. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle

2.1. Kenndaten

Die Klassifikation und die Namensgebung von Brennstoffzellen basieren meist auf dem verwendeten Elektrolyten oder dem eingesetzten Brennstoff. Die Polymerelektrolyt­brennstoffzelle wird meist als PEM-Brennstoffzelle bezeichnet. Die Abkürzung „PEM“ steht für Polymerelektrolytmembran beziehungsweise Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane), welche die beiden Bezeichnungen für den verwendeten Elektrolyten sind .

Das verwendete Brenngas ist Wasserstoff und das Oxidationsmittel Sauerstoff. Die ablaufende Redoxreaktion lässt sich in Oxidation und Reduktion unterteilen. An der Anode findet die Oxidation von H2 statt: . An der Kathode wird O2 reduziert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die theoretische Zellspannung (∆E), die an der Brennstoffzelle anliegen sollte, lässt sich mit Hilfe der Nernst’schen Gleichung beziehungsweise, bei Annahme von Standardbedingungen, vereinfacht mit der Differenz der Normalpotenziale (E[0]) der Halbzellen berechnen16.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2. Aufbau

Der Aufbau18 der PEM-Brennstoffzelle (Abb.2) entspricht dem in Kapitel 1.1. beschriebenen Grundschema einer Brennstoffzelle. An der Anode (negativer Pol) wird Wasserstoff oxidiert und es werden Elektronen abgegeben. Diese fließen über einen Leiter, wo sie elektrische Arbeit verrichten können, zur Kathode (positiver Pol). Hier wird Sauerstoff reduziert und es entsteht, bei der Reaktion mit den H+-Ionen, Wasser. Der verwendete Elektrolyt ist eine Membran, welche für den Protonenaustausch (Transport von H+-Ionen) verantwortlich ist. Als Katalysator kommt eine dünne Schicht Platin zum Einsatz, an deren Oberfläche die Reaktionen stattfinden. Abgebildet ist hier der Aufbau eines „Stacks“, eines Brennstoffzellenaggregates aus mehreren einzelnen Zellen. Nur so können die notwendigen Leistungen erreicht werden, die in der Automobilindustrie notwendig sind. Um eine Aneinanderreihung mehrerer Zellen zu ermöglichen, werden Bipolarplatten19 benötigt, welche die Kathode der einen mit der Anode der anderen Zelle physisch sowie elektrisch verbinden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle

2.3. Die Membran-Elektroden-Einheit

Die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bildet das Herzstück der Brennstoffzelle (Abb.3)20. Sie vereint alle reaktionsrelevanten Bestandteile (Gasdiffusionsschicht, Elektrode + Katalysator und Elektrolyt). Die äußere Begrenzung der MEA bildet die Gasdiffusionsschicht (GDL). Sie verteilt das zuströmende Gas gleichmäßig, sodass auf der gesamten Fläche der Katalysatorschicht die Reaktionen stattfinden können. Auf der Kathodenseite ist die GDL auch für den Abtransport des entstehenden Wassers zuständig. Die sogenannten Gasdiffusionselektroden21, die meist aus Grafit bestehen, sind für den Ladungstransport verantwortlich. Durch ihre räumliche Trennung fließen die Elektronen über den Leiter und können dort elektrische Arbeit verrichten. Die beiden Elektroden sind porös (angedeutet durch die kammartige Darstellung der Elektroden in Abb.2), tragen also viele Poren, welche einen Gastransport des Brenngases hin zur Membran ermöglichen. Die beiden Elektroden sind außerdem mit einer dünnen Katalysatorschicht, meist Platin, bezogen. An der Oberfläche dieses reaktionsfördernden Katalysators finden die Reaktionen statt. Außerdem sorgen die beiden Elektroden aufgrund der vielen Poren für eine Erhöhung der Elektrodenoberfläche und beschleunigen damit den Ablauf der Redoxreaktion. Hauptfunktion der Poren ist die Erzeugung einer möglichst großen Dreiphasengrenze (Abb.4). Dies ist der Ort, an dem das Gas, die Elektrode (bzw. der Katalysator) und der Elektrolyt zusammenkommen. An diesem Ort herrscht die größte Stromdichte, die Reaktion läuft also hauptsächlich in diesem Bereich ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Die Membran-Elektroden-Einheit

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Abbildung 4: Die Dreiphasengrenze

Als Katalysator wird meist Platin verwendet. Wichtige Ziele in der Katalysatorentwicklung sind die Verringerung der Platinmenge, die verwendet wird, sowie die Erforschung alternativer Materialien. Im Vergleich zu den Anfängen der Brennstoffzellentechnik konnte die verwendete Katalysatormenge bereits deutlich reduziert werden. Zurzeit kommen nur noch 0,1 bis 0,6 mg Platin pro cm[2] zur Verwendung22. Dadurch werden die Kosten gesenkt und die Herstellung der Brennstoffzelle deutlich umweltfreundlicher.

Ein großer Nachteil des klassischen Platinkatalysators ist die CO-Empfindlichkeit23. Durch die Sauerstoffzufuhr über die Umgebungsluft gelangen auch geringe Mengen an CO in die Brennstoffzelle. Kohlenstoffmonoxid wirkt jedoch als Katalysatorgift. Die Adsorption von CO an der Katalysatoroberfläche sorgt für eine Hemmung der Reaktionen und somit über längere Zeit für den Ausfall der Brennstoffzelle. Durch externes Anlegen einer Spannung kann man die Verunreinigungen zwar beseitigen, dies ist jedoch im Gebrauch nicht praktisch. Statt des reinen Platinkatalysators wird deshalb häufig eine Platin-Ruthenium-Legierung als Katalysator verwendet24. Diese verhindert die Adsorption von CO-Molekülen.

2.4. Antriebsstrang eines Brennstoffzellenautos

Der Antriebsstrang eines Autos, welches mit einer Brennstoffzelle betrieben wird, besteht aus vier Hauptbestandteilen: Dem Wasserstofftank, der Brenn­stoff­­zelle, der Batterie und dem Elektromotor (Abb.5)25. Der Wasserstofftank ist für die Energie­speicherung zuständig. Durch das Betanken des Autos mit Wasserstoff wird dem Auto Energie in Form von Wasser­stoff zugeführt. Von diesem Gas werden 5 bis 6 kg in einem Hochdrucktank bei 700 Bar Druck gespeichert26. Dieser Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle, dem Herzstück des Antriebsstranges, verstromt. Ein Großteil des hier erzeugten Stromes, wird direkt im Elektromotor für den Antrieb des Autos genutzt. Außerdem ist eine kleine Batterie mit einer Kapazität von circa 1 bis 2 kWh verbaut. Diese ist lediglich für die Rekuperation, die Rückgewinnung, von Energie beim Bremsen zuständig. Außerdem unterstützt sie die Brennstoffzelle beim Beschleunigen des Autos, da die Brennstoffzelle nur über eine begrenzte Leistung verfügt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Antriebsstrang eines Brennstoffzellenautos

Da es sich bei Wasserstoff um ein leicht entzündliches Gas handelt, bergen solche Mengen Wasserstoff gewisse Risiken und auch eine Explosionsgefahr. Durch Sensoren, ein „Wasserstoff-Sicherheits-System“27 und extrem widerstandsfähige Tanks28 ist die Sicherheit und der Schutz vor Explosionen sowohl bei einem potentiellen Unfall als auch bei einem Fahrzeugbrand gegeben29.

2.5. Eigener Versuch

Um die Funktionsweise einer Brennstoffzelle und die verschiedenen Teilschritte, die notwendig sind, zu verstehen, kann man den Betrieb eines Wasserstoffautos in einem kleinen Maßstab simulieren. Der Ablauf lässt sich anhand dieses Versuchsaufbaus (Abb.6) gut nachvollziehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Versuchsaufbau

Im ersten Schritt wird eine Solarzelle (1) verwendet, um aus dem einfallenden Sonnenlicht Strom zu gewinnen. Dieser Strom wird dann in der Elektrolyse (2) zur Spaltung von Wassermolekülen verwendet. Der entstehende Wasserstoff wird in einen Behälter (3) geleitet, in dem er sich sammelt. Gleichzeitig entsteht bei der Elektrolyse auch Sauerstoff, welcher jedoch nicht benötigt wird, sondern einfach in die Umgebung entweicht (4). Sobald sich genug Wasserstoff gesammelt hat und das Wasser, welches sich zuvor in der Brennstoffzelle befunden hatte, verdrängt hat, kann die Brennstoffzelle (5) anfangen, Strom zu erzeugen. Das Reaktionsprodukt Wasser fließt einfach heraus (6). Der produzierte Strom kann nun genutzt werden. In diesem Fall wird damit ein kleiner Motor (7) betrieben.

Im großen Maßstab sind dieselben Schritte notwendig, um ein Brennstoffzellenauto zu 100% emmisionsfrei zu betreiben. Mit Strom, welcher aus erneuerbaren Energiequellen wie Solarzellen oder Windrädern gewonnen wurde, wird eine großtechnische Elektrolyse betrieben. Somit ist die Herstellung von „grünem Wasserstoff“ gewährleistet. Dieser Wasserstoff kann dann zu den jeweiligen Tankstellen geleitet und dort vom Verbraucher getankt werden. Nur so ist der Brennstoffzellenantrieb wirklich umweltfreundlich.

3. Bedeutung der PEM-Brennstoffzelle in der Automobilindustrie

3.1. Vergleich: Wasserstoff- und Elektroauto

Der Klimaschutzplan der Regierung der Bundesrepublik Deutschland sieht vor, den Ausstoß von Treibhausgasen bis zum Jahr 2030 um mindestens 40% zu senken30. Eine größere Anzahl an Elektroautos31 sollen in großem Maße dazu beitragen. Laut Bundesverkehrsminister Scheuer sind zum Erreichen der Ziele 10 Millionen Elektro-Pkw nötig (zurzeit sind es etwa 85.000). Die Anzahl an öffentlichen Ladestationen für Elektroautos müsste sich von derzeit 16.100 bis 2030 auf 300.000 fast verzwanzigfachen. Allein der Automobilkonzern VW wird in den nächsten fünf Jahren 30 Milliarden Euro in die Entwicklung von Elektroautos investieren32. Das Elektroauto soll also die Klimaprobleme Deutschlands lösen. Die deutsche Politik sieht derzeit im Elektroauto die Zukunft des Personenverkehrs. Ist das die richtige Richtung? Oder ist die Brennstoffzelle nicht eine bessere Alternative?

Die Anzahl an Wasserstoffautos ist noch deutlich geringer. Zurzeit sind nur circa 300 brennstoffzellenbetriebene Autos auf den Straßen unterwegs, welche sich in der gesamten Bundesrepublik nur an gerade einmal 35 Wasserstofftankstellen betanken lassen33. Zwar ist auch hier ein immenser Ausbau der Infrastruktur geplant, jedoch bleibt die Frage offen, ob sich der Brennstoffzellenantrieb schnell genug durchsetzen wird, um die CO2-Emmisionen bis 2030 weit genug zu senken. Welcher Antrieb ist die bessere Alternative? Brennstoffzellen- oder Elektroauto?

Zwei der bisher größten Probleme der Elektroautos, welche den Kauf eines solchen Autos für viele Verbraucher sehr unattraktiv machen, sind Ladezeit und Reichweite (Abb.7). Das Brennstoffzellenauto löst diese beiden Probleme komplett. In diesen beiden Punkten kann das Wasser­stoffauto sogar fast mit einem herkömmlichen Auto mit Verbrennungsmotor mithalten. Während Elektroautos bisher noch 2 bis 4 Stunden an Ladestationen und bis zu 14 Stunden an der heimischen Steckdose zum Aufladen benötigen34, ist ein Brennstoffzellenauto innerhalb weniger Minuten aufgetankt. Wasserstoffautos lassen sich an einer Tankstelle in circa 3 Minuten mit Wasserstoff betanken und sind dann sofort bereit zum Fahren35. Das Ausbleiben des lästigen Wartens beim Tanken ist nicht der einzige Vorteil des Wasserstoffautos im Vergleich zum Elektroauto. So hat der Großteil der Wasserstoffautos, die bereits auf dem Markt sind, eine Reichweite von mindestens 500 km bis sogar 800 km. Bei den Elektroautos hingegen haben nur wenige Modelle diese Reichweite36 (siehe Abb.7). Beim Großteil der Modelle liegt diese bei gerade einmal 100 bis maximal 200 km. Nur Top-Modelle wie der Tesla Model S haben eine Reichweite von über 500 km. Für den Autokäufer hat das Wasserstoffauto im Vergleich zum Elektroauto also deutliche Vorteile. Ob neue Ladetechniken wie die „Supercharger“ von Tesla mit 145 kW Ladeleistung oder Batterien mit höheren Kapazitäten daran viel ändern werden, ist fraglich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Reichweiten in km der im Jahr 2017 meistverkauften Elektroautos in Deutschland

In Sachen Wirkungsgrad (Abb.8) und Stromverbrauch sieht das Ganze jedoch komplett anders aus37. Beim Brennstoffzellenantrieb gibt es deutlich mehr Zwischenschritte. Ob es bei der Gewinnung von Strom mit Wind-, Sonnen- oder Wasserkraft ist, bei der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff oder bei den elektrochemischen Vorgängen in der eigentlichen Brennstoffzelle, überall gibt es „Verluste“. Durch Abwärme, Über­spannungen und Verunreinigungen wird viel Energie unbrauchbar und kann nicht mehr zum Antrieb des Autos verwendet werden. Der Wirkungsgrad von „well to wheel“38 („Quelle zu Rad“) ist beim Brennstoffzellenantrieb bei gerade einmal 30%. Die Brennstoffzelle an sich ist zwar sehr effizient, der „tank to wheel“ („vom Tank zum Rad“) -Wirkungsgrad also sehr hoch, jedoch geht bei der Herstellung von Wasserstoff, also dem „well to tank“-Schritt, viel Energie „verloren“. Mit einem etwa doppelt so großen Wirkungsgrad von 61%, ist das Elektroauto deutlich effizienter. Der Hauptgrund hierfür ist die direkte Stromnutzung ohne den Umweg über Wasserstoff als Energieträger. Eben dieser Unterschied zwischen Elektro- und Brennstoffzellenantrieb ist der Grund für einen weiteren deutlichen Vorteil der Elektroautos, den Strombedarf39. Dieser ist bei einer Brennstoffzelle mit 31 Kilowattstunden (kWh) pro 100 Kilometer mehr als doppelt so groß wie die 15 kWh, die ein Elektroauto auf gleicher Strecke verbraucht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Wirkungsgrad Quelle zu Rad in % n

Ein Aspekt des Energiespeichers Wasserstoff wird in den obigen Statistiken jedoch vernachlässigt. Da Strom nur schwer zu speichern ist, kommt es bei niedrigem Strombedarf häufig zu einem Überschuss an Strom, welcher nicht gespeichert beziehungsweise genutzt werden kann. Deshalb werden heutzutage auch häufig bei geringem Stromverbrauch Windräder abgeschaltet. Wasserstoff könnte dieses Problem lösen. Da sich Wasserstoff einfach lagern lässt und somit ein optimaler Energiespeicher ist, ließe sich mit dem überschüssigen Strom eine Elektrolyse betreiben. Der hergestellte Wasserstoff könnte dann gespeichert und jederzeit wieder verstromt werden. Der Zwischenschritt über Wasserstoff hat somit ein großes Potenzial in der Zukunft, denn Wasserstoff bietet den perfekten Speicher für überschüssige Wind- und Sonnenenergie40. Der Stromverbrauch des Brennstoffzellenautos wird dadurch positiv beeinflusst. Der sonst verloren gegangene Strom kann nämlich jetzt verwendet und gespeichert werden. Nicht nur die Brennstoffzelle, sondern auch Wasserstoff als Energieträger an sich, könnte in Zukunft viele Probleme lösen und möglicherweise auch Akkus als Stromspeicher ersetzen.

3.2. Welcher Antrieb ist umweltschonender?

Was ist umweltschonender? Das Elektroauto oder das Brennstoffzellenauto? Das ist wohl die wichtigste Frage, wenn man sich überlegt, welcher der beiden Antriebe sich in der Zukunft durchsetzen wird. Denn möglichst umweltfreundlich zu sein, ist immer noch das Hauptanliegen dieser beiden Autotypen. Zwar werden beide als „Null-Emissions-Auto“ angepriesen, da beim Betrieb auch keinerlei CO2 entsteht, jedoch wird dabei die Herstellung der Bauteile, insbesondere der Batterien, vernachlässigt. Grundannahme dabei ist natürlich auch, dass der Wasserstoff beziehungsweise die Batterie mit „grünem“ Strom gewonnen beziehungsweise geladen wurde, was zurzeit noch überhaupt nicht gegeben ist. Der Ausbau erneuerbarer Energien ist für beide Antriebe essenziell. Ohne reinen „grünen“ Strom sind beide Antriebsarten kaum umweltfreundlicher als herkömmliche Antriebe.

Ein Elektroauto kommt bereits mit einem immens schweren „ökologischen Rucksack“ auf den Markt, denn bei der Herstellung des Autos und insbesondere bei der Gewinnung von Lithium und Kobalt41 kommt es zu großen Mengen an CO2-Emissionen42. Sie belaufen sich auf circa 150 bis 200 kg CO2 pro kWh Kapazität. Demnach hat ein Elektroauto mit einer durchschnittlich großen Batterie von 25 bis 33 kWh, also einer Reichweite von gerade einmal circa 200 km43, bereits bei der Produktion für einen Ausstoß von fünf Tonnen CO2 gesorgt. Daraus folgt, dass solch ein Elektroauto erst nach über 50.000 km umweltfreundlicher wird als ein sparsamer Verbrennungsmotor44. Bei einem durchschnittlichen Lebenszyklus von circa 150.000 km ist dies eine lange Distanz, die ein Elektroauto zurücklegen muss, um die CO2-Emissionen seiner Herstellung zu kompensieren. Der derzeitige Trend geht sogar in Richtung immer größerer Batterien von bis zu 100 kWh. Bei Teslas Batterieproduktion ist allerdings zu beachten, dass diese umweltschonender ist als andere45, weshalb man die obigen Werte nicht auf Teslas Top-Modelle wie den Tesla Model S mit bis zu 90 kWh Kapazität hochrechnen kann. Trotzdem ist klar, dass dieser Trend von größeren Batterien, um größere Reichweiten zu erzielen, dem Hauptanliegen (geringerer Mengen an CO2-Emissionen) der Elektroautos entgegenwirkt, sodass größere Elektroautos erst ab mehr als 100.000 km mit den herkömmlichen Autos gleichziehen.

Auch eine Studie des ADAC vom März 2018 zeigt genau das46. Diese vergleicht die Klimabilanz von Elektroautos mit verschiedenen anderen Antrieben. Sie unterscheidet hierbei zwischen dem Tanken vom Strommix von 2013 und dem Tanken von 100% regenerativer Energie (Wunschmodell). Zwar hat sich der Anteil an re­generativer Energie am Strom­­­mix Deutschlands seit 2013 von 23,9% auf 35,3% im Jahr 2018 deutlich erhöht47, und in Zukunft sollen regenerative Ener­­gien den gesamten Energie­verbrauch Deutschlands decken. Jedoch werden die wichtigen Problematiken in dieser Studie sehr deutlich. Bei einem Auto der oberen Mittelklasse erreicht ein Elektroauto bei diesem Strommix erst ab 116.000 km (im Vergleich zum Benziner) und erst ab 580.000 km (im Vergleich zum Diesel) eine bessere Klimabilanz als das jeweilige Vergleichsauto. Selbst Kleinwagen brauchen 80.000 km beziehungsweise 111.000 km. Bei der Klimabilanz eines Kleinwagens über einen angenommenen Lebenszyklus von 150.000 km (Abb.9) wird erneut klar, welches Problem dominiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Klimabilanz eines Kleinwagens bei 150.000 km Laufleistung

Ohne eine Stromversorgung aus 100% regenerativer Energie werden weder das Elektroauto noch das Brennstoffzellenauto deutlich umweltfreundlicher als das Auto mit Verbrennungsmotor sein. Die oberste Priorität sollte also der Ausbau regenerativer Energien sein. Erst dann wird die klimaschädliche Batterienherstellung wirklich ausschlaggebend für die CO2-Bilanz werden. Um einen umweltschonenderen Antrieb zu erreichen, muss sich dann aber auch entweder die Batterienherstellung und das Recycling von Batterien grundlegend verändern, oder auf Brennstoffzellenautos umgestiegen werde. Diese sind bei der Herstellung nämlich deutlich umweltfreundlicher. Es werden nur kleine 1-2 kWh Batterien verbaut und die Brennstoffzelle an sich besteht bis auf die kleinen Mengen an Platin, die aber hauptsächlich die Kosten beeinflussen, aus keinen umweltschädlichen Materialien wie Lithium oder Kobalt.

Beide Antriebsarten haben Ihre Vor- und Nachteile und keiner von beiden ist ein perfekter Antrieb. Für mich überwiegen aber die Vorteile des Brennstoffzellenautos, insbesondere für den Verbraucher deutlich, weshalb ich bei der Brennstoffzelle mehr Potenzial für einen zukünftigen CO2-neutralen Antrieb sehe.

4. Experteninterview mit Frau Prof. Dr. R.

48 Um einen Einblick in die aktuelle Brennstoffzellenforschung zu erlangen, habe ich mit Frau Prof. Dr. R. über ihre Ansichten zu diesem Thema und zu ihren Forschungs­tätigkeiten an der Universität gesprochen. Das gesamte Interview befindet sich im Anhang dieser Arbeit.

Frau R. forscht an Katalysatoren und hat unter anderem bereits die Vorgänge an der Katalysatoroberfläche einer Brennstoffzelle sowie den Einfluss von Kohlenstoffmonoxid untersucht. Das Hauptanliegen der aktuellen Brennstoffzellenforschung liegt in der Verringerung der verwendeten Platinmengen und der Suche nach edelmetallfreien Alternativen. So hat sich die verwendete Platinmenge während ihrer Forschungszeit von 1,2 mg/cm[2] auf beiden Elektroden auf 0,05 mg/cm[2] auf der leichter zu katalysierenden Anode und 0,8 mg/cm[2] auf der Kathodenseite deutlich verringert. Somit konnte man die Kosten der Brennstoffzelle deutlich verringern. Ein Problem bleibt jedoch, dass zurzeit nur circa 20% des Platins tatsächlich adressiert werden, also als Katalysator tätig sind.

Auch eine Platinalternative gibt es bereits. Sogenannte FeNC-Katalysatoren könnten, laut Frau R., „eine große Rettung für die Brennstoffzelle“ sein. Dieser Katalysator ist nicht nur effektiver, besonders bei der Sauerstoffreduktion, sondern im Vergleich zu Platin auch deutlich günstiger und nicht toxisch.

Ein weiteres Forschungsthema sind die Polymermembranen. Da diese zurzeit nur im wassergequollenen Zustand die Protonenleitung ermöglichen, sind diese und somit die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle auf unter 100°C begrenzt. Bei höheren Temperaturen ließen sich nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, sondern auch die Kosten senken. Denn bei höheren Temperaturen fällt das Problem der CO-Empfindlichkeit weg und es ließe sich statt dem zurzeit notwendigen teuren reinen Wasserstoff auch ein günstigeres unreines Brenngas verwenden. Hier gibt es auch schon deutliche Fortschritte, die die Brennstoffzelle verbessern könnten. „Bei der Brennstoffzellenforschung oder überhaupt bei der elektro­chemischen Forschung an Batterien und Brennstoffzellen sieht man wirklich, wie der Fortschritt kommt.“, so Frau R..

Die Vor- und Nachteile von Lithiumionen-Batterie und Brennstoffzelle decken sich ziemlich mit meinem obigen Vergleich49. Hauptprobleme sind immer noch die langen Ladezeiten und die kurzen Reichweiten der Lithiumionen-Batterien. Dem gegenüber stehen die weiten Reichweiten und das schnelle Betanken von Brennstoffzellenautos. Somit ist, zumindest bis das Wasserstofftankstellennetz weiter ausgebaut ist, klar, wo die Einsatzgebiete der jeweiligen Antriebsarten sind. Für die Kurzstrecke bietet sich eine Batterie, für die langen Strecken eine Brennstoffzelle an. Auch neue Schnellladetechniken werden das Problem nicht ganz lösen können. Denn „wenn Sie schnell laden möchten, geht das schon, aber immer auf Kosten der Langzeitstabilität“, sagt Frau R.. Dies liegt daran, dass schnelles Laden die Materialien enorm stresst und die Lebensdauer der Batterie stark beeinträchtigt. Auch die kleinen Reichweiten sind nicht wirklich verbesserbar. Dafür wären nämlich größere und schwerere Batterien notwendig und „wenn Sie etwas Schweres durch die Gegend fahren, ist dementsprechend auch die Reichweite klein“, so Frau R.. Deshalb eignen sich Batterien auch nicht für den Lastentransport in Bus und Bahn. Überall, wo es um das Bewegen großer Massen geht, bringen einen Batterien nicht weiter. Brennstoffzellen eignen sich für den Einsatz in Bus und Bahn jedoch sehr gut. Besonders die festen Haltestellen sind optimal, da sich die Züge und Busse immer an einem festen Ort auftanken ließen und man somit kein großes Wasserstofftankstellennetz benötigen würde.

In Sachen umweltschädliche Herstellung der Materialien wie Lithium und Kobalt gibt es jedoch Hoffnung. Zwar sind Batterien, die ohne Lithium auskommen, sogenannte „Post-Lithium“- oder „Beyond-Lithium“-Konzepte, noch sehr weit in die Zukunft gedacht, aber andere Herstellungsmethoden und vermehrtes Recycling könnten die CO2-Bilanz der Batterie­herstellung signifikant senken. Kobalt könnte man sogar mit einem neuen Stoff, nämlich Lithium-Eisen-Phosphat, komplett ersetzen. Die Stromerzeugung bleibt jedoch immer noch ein großes Problem. Sowohl bei der Brennstoffzelle als auch bei der Batterie sorgen die umweltschädlichen Kraftwerke für eine hohe CO2-Bilanz. Auf meine Frage, ob es überhaupt jetzt schon Sinn macht, auf ein Elektro- oder Brennstoffzellenauto umzusteigen, antwortete Frau R., dass es auch Leute geben muss, die auf neue Technologien setzen und somit den Druck auf die Verantwortlichen in Politik und Industrie insgesamt erhöhen. Auch eine „Vorzeigeregion“ sei sinnvoll, um zu zeigen, dass es geht. Dabei hat Frau R. auch die Modellstadt Shenzhen angesprochen50. Diese Metropole in China, mit 12,5 Millionen Einwohnern51, soll als „Pilotstadt der E-Mobilität“ ein Beispiel für den Rest Chinas sein. Es wurden bereits alle 16.359 Busse elektrifiziert und die Taxis sollen folgen (Stand Januar 2018)52.

„Man muss eigentlich verschiedene Szenarien der Mobilität durchdenken“, so Frau R.. Als Beispiele nannte sie kostenfreien Nahverkehr oder ein „Ausleih-Modell“, bei dem sich jeder an bestimmten Orten öffentliche Autos und Fahrräder ausleihen könnte - Bezahlt würde dann pro Kilometer. Weg vom eigenen Auto und hin zum öffentlichen Nahverkehr. Für Frau R. ist das eine mögliche Zukunft. Selbst wenn man auf Elektro- oder Brennstoffzellenautos setzen würde, solle man sich ihrer Meinung nach nicht auf eines fokussieren. Sowohl der Aufbau eines Wasserstofftankstellennetzes als auch Ladestationen für Lithiumionen-Batterien würden nötig sein, um die erforderliche Automobilwende zu realisieren.

Zwar haben beide Antriebsarten ihre eigenen Stärken und Anwendungsgebiete, jedoch käme für Frau R. persönlich eher ein Brennstoffzellenauto in Frage. Hauptgrund sind hier die kleinen Reichweiten von Elektroautos. „Aber vielleicht gibt es ja auch ein ganz revolutionäres Konzept, was demnächst auf den Markt kommt, was sowohl die Lithiumionen-Batterie in Kombination mit Elektromotor als auch die Brennstoffzelle komplett überholt.“, meint Frau R.. Die Zukunft der Mobilität hat also nicht den einen richtigen Weg, und die zukünftige Entwicklung wird ein spannendes und für uns alle wichtiges Thema bleiben.

5. Fazit - Der Antrieb der Zukunft?

Was ist also der Antrieb der Zukunft? Wie werden wir die CO2-Emissionen senken können? Offensichtlich gibt es darauf keine klare Antwort, keine perfekte Lösung. Aber wir müssen etwas tun. Klar ist auch, dass weder das Elektroauto noch das Brennstoffzellenauto unsere Probleme im Alleingang lösen wird. Dafür wird viel mehr ein Umbruch in allen Bereichen der Industrie und des Verkehrs notwendig sein. Wir brauchen erneuerbare Energiequellen, umweltfreundliche Materialien, CO2-neutralen Personen- und Warentransport. Es muss sich vieles ändern.

Für mich ist jedoch klar, welcher Antrieb „besser“, welcher Antrieb „zielführender“, welcher der Antrieb der Zukunft ist: Die Brennstoffzelle! Mit hohen Reichweiten und kurzen Tankzeiten wird ein Brennstoffzellenauto keine Umstellung des Verbrauchers und dessen Lebensweise fordern. Mit einem günstigen Kraftstoff wie Wasserstoff und sonst sehr ähnlichen Leistungen im Vergleich zu herkömmlichen Autos ist dieses Auto optimal. Es gibt jedoch auch noch große Herausforderungen. Die teuren Herstellungskosten und damit der hohe Preis sowie das noch lange nicht ausreichend ausgebaute Tankstellennetz machen das Brennstoffzellenauto zurzeit noch zu einer unpraktischen, einer von der Anwendung im Alltag weit entfernten Wunsch­vorstellung der Mobilität. Die Fortschritte der derzeitigen Forschung und die deutlich überwiegenden Vorteile machen mich jedoch zuversichtlich, dass auch die letzten Probleme gelöst und die Brennstoffzelle im Alltag ankommen wird.

Wie gesagt, das allein wird nicht ausreichen, um die Klimaziele zu erreichen und die CO2-Emissionen zu senken. Für eine Zeit lang werden sicherlich batteriebetriebene Autos den Markt von CO2-neutralen Antrieben dominieren und es werden auch in Zukunft beide Antriebe relevant sein. Wir dürfen diesen Umbruch deshalb nicht zu fokussiert auf eine Sache angehen, sondern müssen vielmehr ein breites Spektrum an Dingen verändern sowie verschiedene Konzepte der Mobilität und des öffentlichen Nahverkehrs umsetzen. Meiner Meinung nach wird aber dieser fast 200 Jahre alte und doch immer noch nicht ausgereiften Technologie, der Brennstoffzelle, eine zentrale Rolle zukommen.

Wir sind Teil dieses Umbruchs, wir sehen den Wandel und wir brauchen diese Veränderung. Denn es gibt eine Herausforderung, die wir ohne ein neues und CO2-neutrales Konzept der Mobilität sicherlich nicht bewältigen werden. Eine Herausforderung die wir aber dringender als keine andere bewältigen müssen. Eine Herausforderung, die wir zusammen aber auch bewältigen können: Die Erderwärmung.

Anhang

1: „There’s one issue that will define the contours of this century more dramatically than any other, and that is the urgent and growing threat of a changing climate. “- U.S. President Barack Obama, UN Climate Change Summit, September 23rd, 2014

2: Übersicht einiger Brennstoffzellentypen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: https://www.chemie.de/lexikon/Brennstoffzelle.html#Brennstoffzellentypen)

Experteninterview

Michael Kreuziger : Was genau erforschen Sie in Ihrer Arbeitsgruppe und was haben Sie schon bisher erforscht?

Frau Prof. Dr. R. : Das sind natürlich viele unterschiedliche Sachen, dadurch, dass ich Materialwissenschaftlerin bin und dementsprechend gerne neue Materialien entwickle. In diesem Fall dann Katalysatoren für Brennstoffzellen. Und das liegt auch daran, dass es, als ich in der Physikalischen Chemie gearbeitet habe, sehr viel um grundlegende Erkenntnisse ging. Jetzt bin ich bei den Ingenieuren, wo es ein bisschen mehr um das „Engineering“ geht. Aber ich glaube, das Wichtigste, was wir gemacht haben, ist, dass wir uns angeschaut haben, wie auf einer Katalysator-, einer Nanoteilchenoberfläche, die Moleküle bei der Brennstoffzellenreaktion miteinander reagieren. […] Wir haben bei verschiedenen Potenzialen und Stromdichten geschaut, wie Kohlenmonoxid die Oberfläche von Platin vergiftet und wie es weiter reagiert.

Michael: Zu diesen Katalysatormaterialien habe ich schon gelesen, dass Sie auch an Edelmetallalternativen forschen. Und das […] ist ja auch ein Hauptthema in der Forschung und ein Hauptproblem, weshalb sich die Brennstoffzelle noch nicht durchgesetzt hat. Warum würden edelmetallfreie Katalysatoren so einen großen Fortschritt darstellen?

Frau R.: Tatsächlich ist das wirklich eine Kostenfrage und man hat in den letzten zehn Jahren sehr viel erreicht. Ich weiß nicht, ob Sie schon vom Toyota Mirai gelesen haben.

Michael: Ja, davon habe ich schon gelesen.

Frau R.: Das ist ein wirklich spannendes Brennstoffzellenauto. Wenn Sie jedoch lesen, wie viel Platin da wirklich verbaut ist, ist das jedoch immer noch sehr viel. Das sind es zurzeit noch bis zu vierzig Gramm.

Michael: Ja, ich hatte von 0,1 bis 0,6 mg pro cm[2] Oberfläche gelesen. Das ist bei solchen „Stacks“ dann relativ viel.

Frau R.: Genau, das ist auch in den letzten Jahren deutlich besser geworden. Als ich vor zwanzig Jahren mit der Forschung angefangen habe, war es so, dass man auf beiden Seiten der Elektrode ungefähr 1,2 mg pro cm[2] gebraucht hat. Bei der Wasserstoffoxidation, die relativ gut funktioniert, ist man jetzt auf bis zu 0,05 mg pro cm[2] heruntergekommen. Eine extreme Verbesserung. Und auf der Kathodenseite hat man die Sauerstoffreduktion. Die ist extrem schwierig zu katalysieren. Aber auch da ist man jetzt schon bei 0,8 mg pro cm[2]. Wenn Sie das dann auf die Fläche hochrechnen, hat man schon sehr viel erreicht. Der Katalysator ist zwar immer noch Platin, aber man hat daran gearbeitet, auf welchem Trägermaterial man diese Platinnanopartikel anbringen und wie man diese sinnvoll verteilen kann. Sie müssen sich das so vorstellen: Sie bringen Platinnanoteilchen auf ein Trägermaterial auf. Das Platin beschleunigt die Reaktion. Aber nur ca. 20% werden tatsächlich elektrochemisch adressiert, während die restlichen 80% inaktiv bleiben z. B. weil der Brennstoff dort gar nicht hinkommt. Das stellt ein großes Problem dar: Platin ist sehr teuer und ich nutze gerade einmal 20% davon.

Michael: Gibt es bei den Katalysatoralternativen schon Fortschritte? Gibt es schon Materialien, die in Frage kommen und die mit Platin mithalten können?

Frau R.: Der eine Fortschritt ist, dass man Platin jetzt viel besser verteilen und besser ansprechen kann. Der andere Vorteil sind sogenannte FeNC-Katalysatoren. Diese sind ein bisschen dem Hämoglobin nachempfunden. Das Eisen, das koordiniert ist von vier Stickstoffen […], ist ein Platz, an dem wirklich ganz spezifisch Sauerstoff reduziert werden kann. Für die Kathode wäre das ein super Katalysator, weil mit Eisen eben etwas zur Verfügung steht, das extrem preisgünstig, überall verfügbar und nicht toxisch ist. Das wäre tatsächlich eine große Rettung für die Brennstoffzelle, die man dann auch kommerzialisieren könnte.

Michael: Welche Ziele werden außer den Katalysatormaterialien noch in der Brennstoffzellenforschung verfolgt? Was möchte man noch verbessern und wie will man es verbessern?

Frau R.: Ein wichtiger Punkt sind die Membranen. Ein Problem, was Sie bestimmt auch gelesen haben, ist, dass Brennstoffzellen auf Temperaturen von unter 100°C begrenzt sind, weil die Polymere mit Wasser gefüllt sind. Die Protonenleitung, die in einer Brennstoffzelle nötig ist, funktioniert nur in wassergequollenen Polymeren und diese können natürlich nur bis 100°C verwendet werden, da sonst das Wasser verkocht.

Michael: Ja, das habe ich gelesen. Auch, dass das Gefrieren von Brennstoffzellen auch noch ein großes Problem ist.

Frau R.: Genau, wobei sich das etwas einfacher beheben lässt. Das Problem, dass man die Brennstoffzellen nicht bei höheren Temperaturen betreiben kann, bedeutet, dass die Reaktionsgeschwindigkeiten sehr niedrig sind. Bei den derzeitigen Temperaturen muss man immer extrem teuren reinen Wasserstoff einsetzen. Wenn ich zu höheren Temperaturen gehen könnte, zum Beispiel 180°C, dann hätte ich ganz viele Vorteile. Ich könnte zum Beispiel einen unreinen Brennstoff, wie ein Reformatgas aus der chemischen Industrie, einsetzen. Das könnte dann auch Kohlenmonoxid enthalten, denn das würde diesen Katalysator gar nicht interessieren. Das ist so ein typisches „Engineering-Ziel“. Wenn ich eine Membran entwickeln kann, die bei höheren Temperaturen funktioniert, vereinfacht sich auch das ganze System. Momentan, bei 100°C, würde man Wasser herstellen, das Wasser würde auskondensieren, was wiederum Ihre Leitungen blockiert. Man müsste extrem gutes Wassermanagement machen. Wie kann ich das Wasser dann aus der Zelle austragen? Bei 180°C ist das alles kein Problem. Das Wasser wird gasförmig und verdampft einfach.

Michael: Hat man das schon zum Großteil erreicht oder ist dieses Konzept noch in den Anfängen?

Frau R.: Da ist man sogar schon ein bisschen weiter als bei diesen alternativen Katalysatoren. Die Membranforscher haben in letzter Zeit relativ viele neue Vorschläge gemacht für temperaturstabile Komponenten, die man auch auf den Markt bringen könnte.

Michael: Was mich selbst interessieren würde: Was ist denn Ihre persönliche Motivation, Ihr persönlicher Grund, warum Sie genau an diesem Thema forschen?

Frau R.: Es ist einfach sehr spannend. Ich arbeite auch gerne an anderen Themen. Ich habe zum Beispiel früher im Bereich künstliche Knie- und Hüftgelenke geforscht. Ich glaube es ist immer ein bisschen die Motivation, dass man Dinge besser machen möchte. Und bei der Brennstoffzellenforschung oder überhaupt bei der elektrochemischen Forschung an Batterien und Brennstoffzellen sieht man wirklich, wie der Fortschritt kommt. Nicht, dass man nur irgendwelche grundlegenden Zusammenhänge erforscht und nicht die Bedeutung sieht. Zum Beispiel bei meiner Doktorarbeit: Der Katalysator, den ich da erforscht habe, der ist dann tatsächlich auch in einem Auto gelaufen. Ein Konzept, was heute in Brennstoffzellenautos umgesetzt wird. Das ist dann irgendwie schön zu sehen: Man hat eine Idee, denkt diese durch, man versteht die Grundlagen, aber man kommt auch bis zu einer Anwendung und sieht wie es wirklich funktioniert.

Michael: […] Dann kommen wir zum Vergleich Lithiumionen-Batterie und Brennstoffzelle. Das ist auch ein wichtiger Teil meiner Arbeit, zu schauen, was sich davon durchsetzt und die Stärken und Schwächen aufzuzeigen. Erstmal zur Lithiumionen-Batterie […]: Wo sehen Sie die Stärken und Schwächen?

Frau R.: […] Ich zitiere da sehr gerne einen Kollegen, der 2003 gesagt hat: „Eine Lithiumionen-Batterie und eine Brennstoffzelle im selben Auto ist wie zwei Kranke in einem Bett. Wir haben beides noch nicht richtig verstanden und es funktioniert beides nicht richtig gut.“ Jetzt sind wir natürlich 15 Jahre weiter und es gibt sehr spezifische Unterschiede. Wenn Sie an ein Brennstoffzellenauto denken, haben Sie da den Vorteil, dass Sie schnell tanken können. Im Vergleich zu Lithiumionen-Batterien haben Sie eine große Reichweite und bei den Batterien ist der Ladevorgang immer noch zu lang. Solange kann man gar nicht Kaffee trinken, wie das Auto lädt. Die Reichweiten sind auch immer noch relativ gering. Ich meine, natürlich gibt es in den Medien die Aussagen: „Es kann bis 300 km weit fahren“ oder „Es kann bis zu 200 km/h schnell sein“, aber niemals beides auf einmal. Entweder kurzfristig hohe Leistungen oder längerfristig niedrigere, heißt auch ohne Klimaanlage oder Radio. Ich glaube nicht, dass es eine Lösung gibt, sodass Sie sagen könnten: „Einer für alles“. Wenn morgens eine Mutter ihre Kinder zur Schule fährt und wieder zurückfährt, ansonsten aber irgendwo in einem Bereich wohnt, in dem es öffentlichen Nahverkehr gibt und in dem man nur kleine Strecken zurücklegt, ist eine Lithiumionen-Batterie, also ein Elektroauto mit Batterie, perfekt. Wenn jemand oft lange Strecken fährt, dann würde ich sagen, ist ein Brennstoffzellenauto das Richtige für Sie. […] Eine Brennstoffzelle hat zwar die großen Reichweiten, aber Sie müssten auch ein entsprechendes Tankstellennetz aufbauen. Und das ist das „Henne-Ei-Problem“. Wenn die Bundesregierung jetzt ganz viele Wasserstofftankstellen baut und der Verbraucher glücklich ist mit 700-bar-Wasserstofftanks im Auto, dann kann das wirklich besser werden. Dann können Sie natürlich auch Kurzstrecken mit einem Brennstoffzellenauto fahren. Aber generell gilt: Für die Kurzstrecke eine Batterie und die dann über Nacht in der eigenen Garage an der Ladebuchse laden. Und die Brennstoffzellen eher für die weiteren Strecken. […]

Michael: Ich hatte auch gelesen, dass Tesla an solchen „Superchargern“ forscht und auch schon einige installiert hat, an denen man mit bis zu 145 kW innerhalb von 30 Minuten sein Auto aufladen kann. Das wäre ja ein großer Fortschritt. Oder?

Frau R.: Ja, da sind wir auch dran. […] Es ist natürlich klar: Der Kunde möchte nicht Ewigkeiten warten, bis die Batterie geladen ist. Aber Sie müssen immer beachten: Wenn Sie eine Batterie schnell laden, dann stresst dies das Material enorm. Das heißt, Schnellladen geht schon, aber immer zu Kosten der Lebensdauer. Dann können Sie Ihren Porsche nur wenige Jahre fahren, weil dieser ausschließlich Schnellladezyklen gehabt hat. Wenn Sie schnell laden möchten, geht das schon, aber immer auf Kosten der Langzeitstabilität. Dieser Widerspruch lässt sich schwer auflösen. Ein weiterer Punkt ist, dass Batterien sehr schwer sind. Und wenn Sie etwas Schweres durch die Gegend fahren, ist dementsprechend auch die Reichweite klein.

Michael: Bei Batterien sind ja auch die umweltschädlichen Metalle wie Lithium und Kobalt ein großes Thema, bei deren Gewinnung sehr viel CO2 ausgestoßen wird. Gibt es da Batterien, die ohne diese Materialien auskommen?

Frau R.: Da sprechen Sie eine wichtige Sache an. […] Da gibt es das „Well-to-Wheel“ Prinzip. Das besagt, dass man eigentlich, wenn man rechnen möchte, ob eine neue Technologie wirklich sinnvoll ist, oder wie die CO2 Bilanz aussieht, alles mit einberechnen müsste. Lithium brauchen Sie natürlich für eine Lithiumionen-Batterie. Es gibt zwar schon sogenannte „Post-Lithium“- oder „Beyond-Lithium“-Konzepte, bei denen versucht wird, dasselbe mit Natrium- oder Magnesiumbatterien zu erreichen. Das ist jedoch wirklich 30 Jahre in die Zukunft gedacht. Diese Konzepte sind sehr weit weg von der Marktreife.

Michael: Das heißt, dass in der nahen Zukunft eher die Brennstoffzelle das CO2-Problem, insbesondere bei der Produktion, lösen wird?

Frau R.: Das glaube ich noch nicht einmal. Was man wahrscheinlich machen wird, ist, dass man versucht, Lithium anders herzustellen und vielleicht auch besser zu recyclen. […] Lithium-Eisen-Phosphat ist ein ganz interessantes Material. Da ist man schon mal das Kobalt los. Aber ich meine, auch bei Brennstoffzellen müsste man eigentlich in die Ökobilanz einrechnen, dass momentan fast aller Wasserstoff, der in der Brennstoffzelle verstromt wird, nicht aus erneuerbaren Quellen und Elektrolyse hergestellt wird, sondern aus der Chemieindustrie oder aus der Erdölindustrie kommt.

Michael: Meinen Sie damit den bisher geringen Anteil an erneuerbarer Energie am Strom?

Frau R.: […] Ja, ganz oft ist es wirklich so, dass gesagt wird, eine Lithiumionen-Batterie ist so toll, weil der Strom aus der Steckdose kommt. Aber wenn dieser über Atomkraft in Frankreich erzeugt wurde, dann ist vielleicht die Lithiumionen-Batterie mit dem Elektroauto doch nicht so umweltfreundlich.

Michael: Ja, da habe ich auch eine Studie vom ADAC gelesen, bei der es darum ging, inwiefern die elektrischen Antriebe überhaupt umweltfreundlicher sind als ein Verbrennungsmotor. Da wurde gezeigt, dass mit dem Strommix, der heutzutage zu gerade einmal einem Drittel aus erneuerbaren Energien besteht, bei 150.00 km Reichweite, die batteriebetriebenen Autos, was den CO2-Ausstoß betrifft, gerade einmal knapp hinter den Verbrennungsmotoren lagen und immer noch die Umwelt sehr geschädigt haben. Da hatte ich den Gedanken, ob es denn überhaupt jetzt schon Sinn macht, auf ein Elektro- oder Brennstoffzellenauto umzusteigen, bevor der Anteil an erneuerbaren Energien erhöht wurde.

Frau R.: Ja, das ist natürlich eine schwierige Frage. Es ist immer schön zu sagen, dass es auch Leute geben muss, die auf eine neue Technologie umsteigen, um damit einfach den Druck insgesamt zu erhöhen. Wenn jedoch jeder in Deutschland so zögerlich ist und da nicht mitmacht, dann wird auch die Autoindustrie sagen „Wir haben ja gar keinen Absatz, deshalb brauchen wir nicht in die Richtung zu entwickeln“. Das ist immer so ein bisschen schwierig. Ich habe diese ADAC-Studie auch gelesen und im Prinzip ist auch ein Diesel ein gutes Auto. Ein Dieselmotor hat relativ wenig CO2 und eigentlich nur Stickoxide und da haben wir uns jedoch mit unserem Dieselgau die Diskussion ein bisschen verbaut.

Michael: Das heißt, Sie würden sagen, man sollte trotzdem jetzt schon umsteigen, auch um einfach mal ein „Statement“ zu machen? Selbst wenn der Umstieg zurzeit noch nicht so viel bringt?

Frau R.: Eigentlich wäre es gut. Auch Prototypen oder Vorzeigeregionen zu haben, wäre zielführend. In China gibt es zum Beispiel so eine Modellstadt, in der einfach alles umgerüstet wurde, um zu zeigen: „Es geht!“. Es kommt auch sehr auf den Wohnort an und die dortigen Verbindungen durch den öffentlichen Nahverkehr. Eigentlich müsste man verschiedene Szenarien der Mobilität durchdenken. Zum Beispiel auch erstmal überlegen, ob man nicht den öffentlichen Nahverkehr kostenfrei anbieten könnte.

Michael: Wäre es sinnvoll, Brennstoffzellen erstmal in Bus und Bahn einzusetzen?

Frau R.: Ja, man könnte erst einmal mehrere Züge mit einem Wasserstoffantrieb ausrüsten. Brennstoffzellen eignen sich eher für den Lastentransport, also überall, wo extrem viel Gewicht bewegt werden muss und wo einen eine Batterie nicht weiterbringt. […]

Michael: Die Klimastrategie der Bundesregierung sieht ja vor, bis 2030 die CO2-Emissionen um 40% zu verringern. Da setzt man ja sehr auf Elektroautos und unterstützt dies unter anderem mit dem Bau von Ladestationen. Denken Sie, dass das der richtige Weg ist? Sich jetzt schon so zu fokussieren auf Elektroautos oder sollte man auch noch die Brennstoffzelle in Betracht ziehen?

Frau R.: Wir haben tatsächlich bereits 2006 eine Konferenz gehabt, bei der verschiedene Vertreter der Bundesregierung und große wissenschaftliche Institute dabei waren. Da wurde genau diese Frage gestellt. Die Industrie wollte gerne Rückendeckung haben und wollte gerne, dass man sich entscheidet: Wird entweder Richtung Lithiumionen-Batterien oder Richtung Brennstoffzellen gedacht. […] Die Bundesregierung hat gesagt, sie möchte das nicht entscheiden, die Industrie hat jedoch gefordert, dass es eine Entscheidung gibt und man hat danach nie wieder etwas davon gehört.

Michael: Es hat sich also niemand wirklich begründet für das Elektroauto entschieden?

Frau R.: Genau, niemand möchte auf das falsche Pferd setzen. Niemand möchte Verantwortung übernehmen, zu sagen, das oder das wird gemacht, weil man sich damit eben auch entsprechend einschränkt. Und wie ich schon gesagt habe, wahrscheinlich ist für unterschiedliche Anforderungen entweder die eine oder die andere Lösung geschickt. Heißt, man müsste beides tun: Tankstellennetz aufbauen für Wasserstoff und die Lithiumionen-Batterien mit verschiedenen Ladestationen unterstützen.

Michael: […] Könnten Sie sich persönlich vorstellen, auf ein Elektroauto zu wechseln?

Frau R.: […] Bei mir hat sich das jetzt noch nicht angeboten. Ich fahre dummerweise ein altes Auto, aber das auch immer möglichst wenig. Aber ich hätte jetzt keine Probleme, mir ein Brennstoffzellenauto oder ein Lithiumionen-Batterie-Auto anzuschaffen, aber gucken Sie mal auf den Preis. Das ist halt wirklich schwierig. Ich habe in einem Tesla gesessen und der hat 120.000 Euro gekostet. Es ist generell auch bei anderen Autoherstellern ein sehr hochpreisiges Segment. […] Wenn ich nicht so weit fahren muss, ist ein kleineres und kostengünstigeres Elektroauto mit geringer Reichweite eine ganz gute Alternative. Andererseits wäre auch ein ganz anderes Modell schön: Man hätte eine Karte, mit der man bestimmte Autos aufschließen kann und es wird nach Kilometern bezahlt. Mit derselben Karte könnte ich mir ein Fahrrad ausleihen, könnte ich den öffentlichen Nahverkehr benutzen. Das wurde auch einmal diskutiert, dass es ein insgesamt integriertes Mobilitätskonzept geben sollte. […] Ein Problem ist jedoch, meine Generation findet es immer noch gut, ihr eigenes Auto zu haben. Das Auto gilt immer noch für viele als wichtiges Statussymbol. Ich glaube, dass sich das wesentlich ändert. Hier in […] bei meinen Studierenden haben die meisten keinen Führerschein und besitzen kein Auto. Ich bin ja jetzt an die Uni […] umgezogen. Da haben die Studierenden alle einen Führerschein und alle besitzen ein Auto. […] In […] müssen Sie auch immer nachdenken: „Wo würde ich das Auto denn parken?“ oder „Da komme ich ja eigentlich viel schneller mit der U-Bahn hin“. Aber sowas geht eben nicht in einer kleineren Stadt.

Michael: Dann hätte ich noch eine letzte Frage, die ja auch Teil von meinem Titel ist: „Was ist Ihrer Meinung nach der Antrieb der Zukunft?“

Frau R.: […] Bitte zwingen Sie mich nicht, mich da festzulegen. Wir arbeiten ja auch an beiden Themen und ich finde beide Themen spannend. Gefühlt würde ich jedoch immer noch lieber ein Brennstoffzellenauto fahren als ein Lithiumionen-Batterie-Auto, aber das liegt wahrscheinlich einfach daran, dass ich damit angefangen habe zu forschen.

Michael: Hat das Brennstoffzellenauto denn auch mehr praktische Vorteile?

Frau R.: Ich finde es einfach schön, dass man damit weiter fahren kann. […] Mich würde auch diese „range anxiety“ treffen. Dass ich immer darüber nachdenke: „Wie weit komme ich denn damit noch?“ und „Wann finde ich die nächste Ladestation?“. Aber vielleicht gibt es ja auch ein ganz revolutionäres Konzept, was demnächst auf den Markt kommt, was sowohl die Lithiumionen-Batterie in Kombination mit Elektromotor als auch die Brennstoffzelle komplett überholt.

Michael: Ja, das wird sicherlich noch spannend bleiben. Vielen vielen Dank für die Einblicke und dass Sie sich die Zeit genommen haben. […]

Frau R.: Sehr gerne, Ihnen noch ein frohes Schaffen.

Quellen

Literaturverzeichnis

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- W29 „Shenzhen“ https://de.wikipedia.org/wiki/Shenzhen

Abbildungen

- Abbildung 1: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Brennstoffzelle_funktionsprinzip.png

- Abbildung 2: entnommen aus L2

- Abbildung 3: entnommen aus L5

- Abbildung 4: entnommen aus L2

- Abbildung 5: entnommen aus L5

- Abbildung 6: Eigene Aufnahme

- Abbildung 7: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroauto#Reichweite

- Abbildung 8: entnommen aus L10

- Abbildung 9: https://www.adac.de/der-adac/motorwelt/reportagen-berichte/auto-innovation/studie-oekobilanz-pkw-antriebe-2018/

[...]


1 Aus dem Englischen: Original siehe Anhang 1

2 Vgl.: L4

3 Vgl.: W1

4 Vgl.: W2

5 Vgl.: L4

6 Vgl.: W2

7 Vgl.: L4

8 Vgl.: L4

9 Vgl.: W3

10 Gesamt 1.1.: Vgl.: L1, L2, W4, W5

11 Vgl.: L2

12 Gesamter Abschnitt: Vgl.: L1, L5

13 Vgl.: W10

14 Vgl.: W5, L2

15 Vgl.: L2

16 Vgl.: L2, L3

17 Vgl.: L3

18 Vgl.: L1, L2, L6

19 Vgl.: L1

20 Gesamter Abschnitt: Vgl.: L1, L2, L5, L6

21 Siehe auch: W7

22 Vgl.: L5

23 Vgl.: L2

24 Vgl.: L2

25 Gesamter Abschnitt: Vgl.: L5

26 Vgl.: L5, W25

27 Vgl.: W26

28 Vgl.: W27

29 Vgl.: L5

30 Vgl: W8

31 Der Begriff „Elektroauto“ bezeichnet hier und im Folgenden immer nur Lithiumionen-Batterie-Autos, obwohl es sich bei einem Wasserstoffauto theoretisch auch um ein Elektroauto handelt.

32 Vgl.: L11

33 Vgl.: W11

34 Vgl.: W24

35 Vgl.: W22

36 Vgl.: W9

37 Gesamter Abschnitt: Vgl.: L10

38 Siehe auch: W14

39 Vgl.: L11

40 Vgl.: W22

41 Hintergründe zur Lithium- und Kobaltgewinnung: Vgl.: W23

42 Vgl.: W17

43 Siehe Kapitel 3.1: „Vergleich: Wasserstoff- und Elektroauto“, Vgl.: W20

44 Vgl.: W17

45 Vgl.: W18

46 Vgl.: W19

47 Vgl.: W21

48 Name aufgrund rechtlicher Einschränkungen für diese Ausgabe zensiert

49 Siehe Kapitel 3: „Bedeutung der PEM-Brennstoffzelle in der Automobilindustrie“

50 Vgl.: W28

51 Vgl.: W29

52 Vgl.: W28

Details

Seiten
34
Jahr
2019
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v537326
Note
1,0
Schlagworte
antrieb zukunft aufbau co2-bilanz vor- nachteile polymerelektrolytbrennstoffzelle
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Titel: Antrieb der Zukunft? Aufbau, CO2-Bilanz und Vor- und Nachteile der Polymerelektrolytbrennstoffzelle