H₂ TECHNOLOGIE

Wasserstoff ist das leichteste und häufigste Element des Universums. Er ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas und steht mit dem Atomgewicht 1 am Anfang unseres Periodensystems. Wasserstoff besteht aus einem Proton und einem Elektron. Der gebräuchliche Wasserstoff kommt stets in Form von zweiatomigen Molekülen vor (H₂).

Wasserstoff kommt auf der Erde ausschließlich in chemisch gebundener Form, z. B. als Wasser (H₂O), in den verschiedensten Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle, Biomasse usw.) oder in anderen organischen Verbindungen vor. Er kann aber unter Einsatz von Energie freigesetzt werden und damit zu einem Speicher für Energie werden - ein Energieträger.

Der größte Teil des heute produzierten Wasserstoffs entsteht als Neben- oder Kuppelprodukt in Prozessen der Chemieindustrie und wird auch von dieser in anderen Prozessen wieder verbraucht. Vor allem in der Petrochemie. Im industriellen Maßstab wird Wasserstoff heute hauptsächlich durch Reformierung aus Erdgas erzeugt. Bei der Erdgasreformierung wird zunächst ein Synthesegas (Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf und Restkohlenwasserstoffe) produziert. Kohlenmonoxid kann über eine Konvertierungsreaktion mit Wasser weiter zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden. Wasserstoff wird aus dem Gasgemisch durch Absorption, Adsorption oder mittels Membranen abgetrennt. 

Wasserelektrolyse macht eine emissionsfreie Erzeugung von Wasserstoff möglich, wenn der zur Elektrolyse benötigte Strom aus regenerativen Quellen stammt. Bei der Elektrolyse wird Wasser (H₂O) mit einer Flüssigkeit versetzt, die den Ionentransport verbessert. Unter Einsatz von Strom wird Wasser in die Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O) zerlegt. Dabei wandert der Wasserstoff zum negativ geladenen und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol. Die eingesetzte elektrische Energie wird in chemische umgewandelt und in Wasserstoff gespeichert. Umgekehrt funktioniert die Brennstoffzelle. Sie wandelt die in Wasserstoff gespeicherte chemische Energie wieder in elektrische Energie um –emissionsfrei. Im Rahmen der CEP wird die Vor-Ort-Produktion von Wasserstoff durch Elektrolyse seit Projektbeginn erfolgreich erprobt. Zum Erklärfilm

Wird Wasserstoff nicht am Ort seiner Nutzung produziert, bedarf er eines Transports an seinen Bestimmungsort. In Abhängigkeit der vorhandenen Infrastruktur und der zu transportierenden Mengen wird Wasserstoff entweder in Gasleitungen (Pipelines) oder per Tankwagen transportiert. Die Verwendung von Pipelines eignet sich besonders zur Versorgung großer Verbraucher mit gasförmigem Wasserstoff, für die sich der wirtschaftliche Aufwand einer Pipeline lohnt. Der Transport per Tankwagen erfolgt für kleinere Mengen Druckwasserstoff (200 bar) oder für Flüssigwasserstoff (LH₂) bei -253° C. In einem LH₂-Trailer können ca. 3500 kg Wasserstoff transportiert werden. In der CEP wird der Wasserstoff entweder direkt an der Tankstelle erzeugt oder mit Tankwagen als Druckwasserstoff oder Flüssigwasserstoff angeliefert. 

Für die Bereitstellung von Wasserstoff an Tankstellen werden unterschiedliche Technologien im Rahmen der CEP im Alltagsbetrieb erprobt. In Abhängigkeit des Fahrzeugtyps besteht die Möglichkeit, gasförmigen Wasserstoff in den Druckstufen 350 bar und 700 bar zu tanken. Dabei einigten sich Automobilhersteller und einige Gas- sowie Anlagenhersteller auf einen weltweit gültigen Standard zur Betankung von PKW, dem sogenannten SAE J2601 Standard.

In der CEP werden von den Industriepartnern gemeinsame technische Standards festgelegt. So gibt es einen weltweiten Standard für die Befüllkupplung wie auch für den gesamten Betankungsprozess. Damit der Wasserstoff getankt werden kann, bedarf er einer Vorkühlung. Der Wasserstoff muss bei der 700-bar-Schnellbetankung auf eine Temperatur zwischen -33 °C bis -40 °C gebracht werden.

Fahrer von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen müssen sich beim Tanken kaum umstellen, da die Technologie der herkömmlichen Betankung sehr ähnlich ist. Man verbindet die Befüllkupplung mit dem an bekannter Stelle liegenden Tankstutzen am Auto und startet den Betankungsvorgang durch Knopfdruck. Einmal Volltanken dauert etwa drei bis fünf Minuten. Beim Betankungsvorgang mit 700 bar Druckwasserstoff können über eine Infrarotschnittstelle der Befüllkupplung Daten zu Temperatur und Druck vom Fahrzeug an die Tankstelle übertragen werden. Die Datenübertragung stellt sicher, dass das Fahrzeug sicher und randvoll befüllt wird und die volle Reichweite nutzen kann. Um den Kunden die Bezahlung zu erleichtern, wurde an den CEP Tankstellen ein einheitliches Bezahl- und Kartensystem eingerichtet.

In Fahrzeugen, die über einen Brennstoffzellen-Elektroantrieb verfügen, wird in Wasserstofftanks chemische Energie in Form von gasförmigem Wasserstoff mitgeführt. In einem elektrochemischen Prozess wird diese dann in elektrische Energie umgewandelt und kontinuierlich an den nachgeschalteten Elektromotor weitergegeben. Als zentraler Energiewandler übernimmt die Brennstoffzelle dabei auch die Funktion der Lichtmaschine und liefert den Strom für die gesamte Elektronik und andere Verbraucher im Fahrzeug.

Die in den Fahrzeugen eingesetzte PEM-Brennstoffzelle besteht im Kern aus einer protonenleitenden Membran (Polymer-Elektrolyt-Membran oder Protonenaustauschmembran), die auf beiden Seiten mit einem Platinkatalysator beschichtet ist. Diese Schichten bilden die Elektroden der Brennstoffzelle. Damit eine Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff zu Wasser erfolgen kann, muss die protonenleitende Membran befeuchtet werden. Für den Prozess muss der Anode kontinuierlich Wasserstoff zugeführt werden, die Kathode wird ständig über die zugeführte Luft mit Sauerstoff versorgt. Die Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser verläuft in zwei Teilreaktionen: Anode: 2 H₂ → 4 H+ + 4e- Kathode: O2 + 4e- + 4H+ → 2 H₂O Gesamtreaktion: 2 H₂ + O2 → 2 H₂O Aus Einzelzellen werden Zellstapel, die so genannten Stacks, indem die Zellen sandwichartig aufeinander gelegt werden. Die Stromstärke ist dabei proportional zur Elektrodenfläche und kann durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Elektrodenfläche reguliert werden. Die Erzeugung von elektrischer Energie in der Brennstoffzelle erfolgt völlig emissionsfrei – nur Wärme und Wasserdampf werden freigesetzt. Damit ist ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle ein so genanntes Null-Emissions-Fahrzeug (Zero Emission Vehicle - ZEV).

Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenhybridbusse stoßen im Gegensatz zu beispielsweise Diesel-Hybridbussen keine klimaschädlichen Schadstoffe wie Kohlendioxid (CO2) aus. Es wird lediglich klimaneutraler Wasserdampf freigesetzt. Auch die Lärmemissionen sind um ein Vielfaches reduziert. Die neueste Generation der Brennstoffzellenhybridbusse besitzt weiter entwickelte Brennstoffzellensysteme mit deutlich geringerem Wasserstoffverbrauch und längeren Lebensdauern. Während der Fahrt emittiert der Bus keinerlei Schadstoffe und fährt fast geräuschlos. Insbesondere die Rückgewinnung der Bremsenergie trägt maßgeblich zur Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs bei.

Moderne Fahrzeugtanks zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff sind sogenannte Verbundmaterialflaschen, die einen Kunststoffkern und um diesen herum gewickelten Kohlefasern besitzen. Sie erlauben Drücke von 700 bar. Die Tanks werden typischerweise mit Sicherheitsfaktoren von über 2 bezüglich des Betriebsdrucks ausgelegt. Bei Unfällen mit Wasserstofffahrzeugen sind bis heute keine Tankbeschädigungen beobachtet worden.

Weit verbreitet ist die Meinung, dass Wasserstoff durch Materialien hindurchdiffundiert und nicht im Tank bleibt. In der Tat sind die Wasserstoffmoleküle sehr klein. Wasserstoff wird jedoch in Stahlflaschen ohne Probleme bei einem Druck von 200 bar und mehr transportiert und gelagert. Bei Metallbehältern ist das Problem der Diffusion ohne jede praktische Bedeutung, da die Geschwindigkeit des Prozesses viel zu gering ist. Bei den oben beschriebenen Fahrzeugtanks ist die Diffusionsrate grundsätzlich höher, aber ebenfalls in der Praxis vernachlässigbar. Andernfalls würden diese Tanksysteme nicht zugelassen werden. Eine Einfahrt oder das Abstellen der Fahrzeuge in Parkgaragen, Tunnels und anderen geschlossenen Räume ist daher kein Problem.