Wasserstoffkraftstoff mag der dominierende Energieträger in einem vollständig erneuerbaren Energiesystem sein, ein Wasserstoffmotor ist erforderlich, um damit nützliche Arbeit zu erzeugen. Die Entwicklung von Wasserstoffmotoren umfasst zwei Haupttypen: Wasserstoff-Brennstoffzellen und Wasserstoff-Verbrennungsmotoren (ICEs). Beide Ansätze zielen darauf ab, das Potenzial von Wasserstoff für saubere Energie zu nutzen, basieren jedoch auf grundlegend unterschiedlichen Prinzipien und Technologien. Beide haben die gemeinsame Eigenschaft, dass sie mit einem erneuerbaren Kraftstoff betrieben werden und umweltfreundliche Emissionen erzeugen.
Wasserstoff-Brennstoffzellenmotor #
Wasserstoff-Brennstoffzellenzellen wandeln Wasserstoffgas durch einen elektrochemischen Prozess in Strom um. Diese Technologie steht aufgrund ihrer hohen Effizienz an der Spitze des wasserstoffbetriebenen Transports. Der am häufigsten verwendete Brennstoffzellentyp sind Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM), z. B. wie sie von der Hyundai Motor Company hergestellt werden. Sie verwenden einen festen Polymerelektrolyten. Wasserstoffgas wird an der Anode in Protonen und Elektronen gespalten. Die Protonen gelangen durch die Membran zur Kathode, während die Elektronen durch einen externen Stromkreis wandern und Strom erzeugen. An der Kathode verbinden sich Protonen, Elektronen und Sauerstoff zu Wasser und Wärme. Die Reaktionen sind:
Anode: H2 → 2H++2e−
Kathode: 2H++2e−+0,5O2 → H2O + Hitze
Ein wesentlicher Vorteil der Technologie ist ihr hoher Wirkungsgrad: Brennstoffzellen wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um, deren Wirkungsgrade oft über denen von Verbrennungsmotoren liegen. Die einzigen Nebenprodukte sind Wasserdampf und Wärme, so dass alle Emissionen umweltverträglich sind und das immer wichtiger werdende Label „Null Emission“ eindeutig anwendbar ist. Schließlich ist die Technologie von klein bis groß skalierbar und daher für eine ganze Reihe von Anwendungen geeignet. Einige Brennstoffzellen mit einer Größe von nur 3 mm wurden der Öffentlichkeit vorgestellt. Herausforderungen, die den verstärkten Einsatz noch hemmen, sind heute noch die hohen Kosten für Brennstoffzellenmaterialien, insbesondere Platinkatalysatoren.
Wasserstoff-Verbrennungsmotor (ICEs) #
Wasserstoff-Verbrennungsmotoren (ICEs) stellen einen weiteren Ansatz zur Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff dar. Im Gegensatz zu Brennstoffzellen verbrennen Wasserstoff-ICEs Wasserstoff ähnlich wie herkömmliche Benzin-, Diesel- oder Gasmotoren. Während des Verbrennungsprozesses wird Wasserstoff in den Brennraum des Motors eingespritzt, wo er sich mit Luft vermischt und von einer Zündkerze gezündet wird. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen Hochtemperaturgase, die sich ausdehnen und die Kolben des Motors antreiben und mechanische Energie erzeugen. Einfach ausgedrückt ist die laufende Reaktion:
2H2 + O2 → 2H2O + Energie
Ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass vorhandenes Wissen und Technologie über Verbrennungsmotoren wiederverwendet werden können. Darüber hinaus ermöglicht der Ansatz eine hohe Ausgangsleistung und eine hohe Leistungsdichte. Die Wasserstoffverbrennung ist zwar nicht vollständig emissionsfrei, emittiert aber hauptsächlich Wasserdampf, wobei der NO-x-Gehaltim Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen deutlich geringer ist.
Die größten Herausforderungen sind die reduzierten Emissionen, die zusätzliche Herausforderungen für das Gesamtsystemdesign darstellen, da sie bedeuten, dass für die gleiche Menge an nutzbarer Energie mehr Wasserstoff benötigt wird.
Historische und aktuelle Entwicklungen #
Die Idee, Wasserstoff in Motoren zu verwenden, reicht über ein Jahrhundert zurück. François Isaac de Rivaz baute 1806 den ersten wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor. Es dauerte jedoch bis zum 20. Jahrhundert, bis sowohl bei Brennstoffzellen als auch bei Wasserstoff-ICEs signifikante Fortschritte erzielt wurden. In den 1960er und 1970er Jahren nutzte das Apollo-Programm der NASA Wasserstoff-Brennstoffzellen für die Stromversorgung von Raumfahrzeugen und demonstrierte damit ihre Zuverlässigkeit und Effizienz. Danach haben Automobilhersteller wie Toyota, Honda und Hyundai Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge (FCVs) wie den Toyota Mirai und den Hyundai Nexo entwickelt. Gleichzeitig haben Unternehmen wie BMW mit Wasserstoff-ICEs experimentiert und die Vielseitigkeit von Wasserstoff als Kraftstoff hervorgehoben.
Die Zukunft des Wasserstoffmotors #
Wasserstoffmotoren, die sowohl Brennstoffzellen als auch Verbrennungsmotoren umfassen, bieten vielversprechende Wege zu einem nachhaltigen Transport. Während Wasserstoff-Brennstoffzellen mit ihrem hohen Wirkungsgrad und ihrer Emissionsfreiheit führend sind, bieten Wasserstoff-Verbrennungsmotoren eine unmittelbarere Anwendung, indem sie die bestehende Motorentechnologie nutzen. Beide Arten stehen vor Herausforderungen in Bezug auf Kosten, Infrastruktur und Effizienz, aber die fortschreitende Industrialisierung ebnet weiterhin den Weg für die Rolle von Wasserstoff in der Zukunft der sauberen Energie.
