Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik

Die ökonomischen, ökologischen, sozialen und gesundheitlichen Folgen von Klimawandel und Umweltbelastung durch Schadstoffe stellen eine ernsthafte Bedrohung unserer Lebensqualität dar. Eine nachhaltige Lösung bieten Energiewende und Wasserstoffwirtschaft mit der kompletten Dekarbonisierung unseres Energiesystems durch den vollständigen Ersatz der derzeit vorherrschenden fossilen Energieträger durch grünen Strom und grünen Wasserstoff, siehe Abb. 1.1.

Wasserstoff (H, Hydrogenium = Wasserbildner) ist das kleinste und einfachste Atom, es besteht nur aus einem Proton als Kern, das von einem Elektron umkreist wird.

Da Wasserstoff in seiner reinen Form nicht natürlich vorkommt, muss er unter Einsatz von Energie hergestellt werden. Dazu sind verschiedene Verfahren im Einsatz, die unterschiedliche Primärenergieträger und Wasserstoffverbindungen nutzen, wobei der Wirkungsgrad und die Emission von Kohlendioxid wichtige Beurteilungskriterien darstellen. Der vorliegende Abschnitt gibt einen Überblick über die wichtigsten Herstellungsverfahren, im Detail wird die elektrolytische Wasserspaltung besprochen.

Aufgrund der geringen Dichte des Wasserstoffs stellen Speicherung und Transport bei ausreichender Energiedichte technische und wirtschaftliche Herausforderungen dar [206, 210, 211, 379]. Üblich sind folgende Verfahren:

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt. Im darauf folgenden Jahr konnte der Physiker und Jurist Sir William Robert Grove auf dieser Basis die erste Brennstoffzelle entwickeln. Die Brennstoffzelle konnte sich jedoch gegen die zeitgleich entwickelten mechanisch angetriebenen Dynamomaschinen zur Stromerzeugung nicht durchsetzen. Ihre Anwendung blieb auf Spezialgebiete beschränkt, so hat sie sich als Energiequelle in der Raumfahrt bewährt. In letzter Zeit wird wieder intensiv an der Weiterentwicklung der Brennstoffzelle gearbeitet, die als zukünftiger Energiewandler gilt, der emissionsfrei und mit hohem Wirkungsgrad unabhängig von fossilen Kraftstoffen betrieben werden kann. Obwohl die Brennstoffzelle viele Jahre vor der Verbrennungskraftmaschine erfunden wurde, steht ihre technische Optimierung erst am Anfang.

Das Prinzip des Wasserstoffverbrennungsmotors beruht auf einem konventionellen Verbrennungsmotor (zumeist fremdgezündet, was aus den nachfolgenden Ausführungen auch erklärlich wird), der durch Änderungen am Gemischbildungssystem, Brennverfahren etc. für ausschließlichen oder bivalenten Betrieb mit Wasserstoff adaptiert und mit Wasserstoff oder wasserstoffreichen Gasen als Kraftstoff betrieben werden kann. Neben den erforderlichen Änderungen an der Motorsteuerung ist natürlich sicher zu stellen, dass alle Materialien und Komponenten, die mit Wasserstoff in Kontakt kommen, dafür geeignet sind.

Die Idee, Wasserstoff als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren einzusetzen, ist keineswegs neu. Bereits in den 30er‐Jahren des 20. Jahrhunderts arbeiteten Forscher mit teilweise beachtlichem Erfolg an der Umrüstung von Verbrennungsmotoren auf Wasserstoffbetrieb sowie an der Verbesserung der Wirkungsgrade konventionell betriebener Motoren durch Zumischung von Wasserstoff [97, 265], vgl. Abb. 7.1.

Die bisher besprochenen Anwendungen von Wasserstoff in der Energie‑ und Verkehrstechnik befinden sich überwiegend im Entwicklungsstadium und machen aktuell nur wenige Prozent der globalen Nutzung aus. Etwa die Hälfte des derzeit industriell genutzten Wasserstoffs wird im Haber‐Bosch‐Verfahren zur Herstellung von Ammoniak verwendet, der als Ausgangsstoff für die Erzeugung von Stickstoffdünger dient. Ein weiteres Viertel des Wasserstoffs wird in Raffinerieprozessen zur Verarbeitung von Erdöl eingesetzt, insbesondere zum Hydrofining und zum Hydrocracking. Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Synthesegas) bilden auch die Ausgangsstoffe für die Herstellung flüssiger Kraftstoffe aus Gas, Biomasse oder Kohle nach dem Fischer‐Tropsch‐Verfahren sowie für die Erzeugung von Methanol. Weiters findet Wasserstoff Anwendung in der Halbleiterindustrie, der analytischen Chemie, der Lebensmittelchemie, der Wasseraufbereitung und in der Metallurgie. Schließlich spielt Wasserstoff eine wichtige Rolle in Stoffwechselprozessen. Einen Überblick über diese weiteren Anwendungsgebiete von Wasserstoff gibt Tab. 8.1.

Der Vollständigkeit halber folgt ein kurzer Überblick über sicherheitsrelevante Aspekte von Wasserstoff und seinen technischen Anwendungen. Der gefahrlose Umgang mit Wasserstoff setzt die Kenntnis seiner Eigenschaften und die Beachtung daraus folgender Sicherheitsmaßnahmen voraus. Dies reicht von der richtigen Werkstoffwahl bis zur Beachtung der Richtlinien des Explosionsschutzes. In den letzten Jahren werden vermehrt Anstrengungen unternommen, entsprechende international gültige Regulierungen zu formulieren.