Wie du sicher weißt, ist Erdöl in der heutigen Industriegesellschaft einer der wichtigsten Rohstoffe: Es dient zur Herstellung zahlreicher Produkte, zur Erzeugung von Elektrizität und zum Antrieb von Transportmitteln. Doch Öl wird zunehmend knapper. Außerdem wächst ständig die Weltbevölkerung – und mit ihr auch der Energieverbrauch.

Damit Mobilität auch künftig gewährleistet ist, erforscht man bei Daimler verschiedene Alternativen zum Erdöl und engagiert sich für den Einsatz von sauberen Kraftstoffen. So werden z. B. alternative Kraftstoffe aus Pflanzen, so genannte Biokraftstoffe, entwickelt, die in herkömmlichen Motoren verwendet werden können. Besonders zukunftsweisend sind jedoch Fahrzeuge, deren Antriebssysteme ganz ohne schädliche Abgase auskommen, wie das Elektrofahrzeug mit Brennstoffzellen-Antrieb.

Schwimmen wir in Energie?

70% der Erdoberfläche ist von Wasser bedeckt. Es ist außerdem Hauptbestandteil von Gletschern und Eisbergen. Wie jeder weiß, ist Wasser nicht brennbar, doch besteht es vor allem aus Wasserstoff. Dieser ist farb-, geruch- und geschmacklos, ungiftig und brennbar. Er ist in der Natur in gebundener Form in unerschöpfbarer Menge vorhanden – wir schwimmen sozusagen in Wasserstoff, dem potentiellen Energieträger der Zukunft.

Um die chemische Energie des Wasserstoffs nutzbar zu machen, wurde die Brennstoffzelle entwickelt. In einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und der in unserer Luft enthaltene Sauerstoff zu Wasser. Dabei wird Strom erzeugt, mit dem dann z. B. in einem Auto ein Elektromotor betrieben werden kann. Dabei entstehen keine schädlichen Abgase, sondern nur reiner Wasserdampf.

Historie der Brennstoffzelle

Das Grundprinzip der Brennstoffzelle wurde schon im 19. Jahrhundert entdeckt, geriet jedoch zunächst in Vergessenheit, da andere Systeme zu dieser Zeit überlegen waren. Seit den 60er-Jahren nutzt man Brennstoffzellen z. B. in der Raumfahrt und mit der sich abzeichnenden Verknappung der fossilen Brennstoffe begann man, die Forschungen wieder zu intensivieren.

Seit Anfang der 90er-Jahre arbeitet Daimler daran, seine Fahrzeuge mit Wasserstoff anzutreiben. 1994 wurde mit NECAR 1 das erste funktionierende Brennstoffzellen-Fahrzeug präsentiert. Bis heute sind mehr als 20 Konzeptfahrzeuge und Prototypen entstanden, die kontinuierlich zur Weiterentwicklung der Technologie beigetragen haben. Außerdem wurden rund 100 Flottenfahrzeuge gebaut, mit denen knapp 4,5 Mio. Kilometer zurückgelegt wurden. Mit der B-Klasse F-CELL bringt Daimler 2010 nun den ersten serienmäßig produzierten Mercedes mit Brennstoffzellen-Antrieb auf den Markt.

Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

Im Inneren einer Brennstoffzelle befinden sich zwei spezielle Platten, die so genannten Elektroden. Ähnlich wie bei einer Batterie bildet die eine Elektrode den Pluspol, die andere Elektrode ist der Minuspol. Auf der einen Seite wird der Wasserstoff zugeführt, auf der anderen Seite der Sauerstoff. Der Wasserstoff kommt aus dem Tank, der Sauerstoff aus der angesaugten Luft. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in einem speziellen chemischen Prozess miteinander. Mit Hilfe der Elektroden entsteht dabei Strom. Doch wie funktioniert das genau?

Wie du sicher weißt, besteht unsere Welt aus Molekülen und Atomen. Das Wasser-Molekül heißt z. B. H₂O. Ein Wassermolekül besteht dabei aus zwei Wasserstoff-Atomen (H) und einem Sauerstoffatom (O). Diese Atome bestehen aus noch kleineren Teilchen; wichtig sind vor allem die Protonen und die Elektronen. Beide Teile sind elektrisch aufgeladen.

Im Inneren der Brennstoffzelle sind die beiden Elektroden durch eine spezielle Membran voneinander getrennt. Der Pluspol (die so genannte Anode) ist vom Wasserstoff umgeben, der Minuspol (die so genannte Kathode) vom Sauerstoff. Ohne die Membran würden sich die Gase sofort vermischen, wobei es zu einer sofortigen Verbrennung (Knallgasexplosion) kommen würde. Doch die Membran sorgt dafür, dass stattdessen eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann.

Wasserstoff ist von Natur aus so beschaffen, dass er danach strebt, mit Sauerstoff zu Wasser zu reagieren. Um dies zu tun, muss er zum Sauerstoff auf der anderen Seite der Membran gelangen. Die Membran ist so konstruiert, dass nur Protonen sie durchdringen können. Deshalb teilt sich der Wasserstoff „notgedrungen“ auf: Während die positiv geladenen Protonen den direkten Weg durch die Membran nehmen, müssen die negativ geladenen Elektronen einen „Umweg“ nehmen, wodurch eine elektrische Spannung entsteht. Die Elektronen werden über die Anode aus der Brennstoffzelle herausgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, z. B. einen Elektromotor, zur Kathode. Hier treffen sie wieder mit „ihren“ Protonen und dem Sauerstoff zusammen. Nun entsteht als Reaktionsprodukt Wasser, das über ein Abluftrohr als Wasserdampf entweicht.

Um ein Transportmittel wie ein Auto anzutreiben, reicht die erzeugte Energie einer einzigen Brennstoffzelle allerdings nicht aus. Deswegen werden viele Brennstoffzellen zu einem Stapel, dem so genannten Stack, verbunden. In der Mercedes Benz B-Klasse F-CELL befinden sich zum Beispiel sechs Stacks mit je 40 Brennstoffzellen. Die B-Klasse F-CELL erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 170 km/h und besitzt eine Reichweite von ca. 400 km. Dem Antrieb stehen eine Leistung von 100 kW, also ca. 136 PS, zur Verfügung.

Wasserstoff – Energieträger der Zukunft?

Auf den ersten Blick erscheint Wasserstoff als Treibstoff im Vergleich zu Erdöl deutlich umweltschonender: Es entstehen weder CO₂ noch andere schädliche Abgase; zudem arbeiten Brennstoffzellen doppelt so effektiv wie Verbrennungsmotoren. Doch Wasserstoff kommt in Reinform in der Natur nicht vor, er ist stets in größeren Molekülen gebunden. Es gibt verschiedene Verfahren, Wasserstoff zu gewinnen. So lässt sich z. B. mit Hilfe der so genannten Elektrolyse aus Wasser der Wasserstoff herstellen. Hierfür muss z. B. Strom eingesetzt werden, der erst einmal gewonnen werden muss. Wird die benötigte Energie zur Erzeugung des Wasserstoffes jedoch aus fossilen Brennstoffen oder nuklear erzeugt, ist nur wenig gewonnen.

Die Brennstoffzelle ist ohne Frage genial. Doch sie kann die Mobilitätsfragen der Zukunft nur lösen, wenn es gelingt, mit Hilfe regenerativer Energien in ausreichendem Maße und mit vertretbarem Aufwand Wasserstoff zu produzieren. Dann ist die Brennstoffzelle eine wirklich umweltfreundliche und nachhaltige Antriebslösung. Hier gilt es also weiter zu forschen.

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