Brennstoffzelle

Wird elektrische Energie aus Energieträgern gewonnen, gibt es prinzipiell mehrere Wege.

Beispielsweise wird zunächst aus der in Stoffen gespeicherten Energie durch Verbrennung thermische Energie gewonnen. Die wird dann in Turbinen in mechanische Energie umgewandelt. Generatoren liefern im anschließenden Schritt die elektrische Energie. Der Wirkungsgrad liegt bei diesem Prozessablauf sachgemäß deutlich unter 100 Prozent. Zudem resultiert aus diesem Verbrennungsverfahren die CO2 Problematik.

Ein anderer Weg zur Gewinnung elektrischer Energie verläuft über eine Brennstoffzelle. Durch elektrochemische Prozesse wird hier direkt aus chemischer Energie elektrische Energie gewonnen. Entsprechend haben Brennstoffzellen einen höheren Wirkungsgrad als die Energiegewinnung im oben dargestellten Prozessablauf.

Mit Hilfe der Brennstoffzelle lassen sich also ebenfalls Fahrzeuge mit Elektromotoren betreiben.

In dem oben abgebildeten Schema einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O).  Der Sauerstoff kann aus der Luft gewonnen werden oder er wird in Reinform aus einem Sauerstoffbehälter zugeführt.

Wird hingegen die Brennstoffzelle zum Betrieb eines Autos eingesetzt, wird man aus praktikablen Gründen den Sauerstoff aus der Umgebungsluft verwenden. Beim Betrieb der Brennstoffzelle wird elektrische Energie erzeugt, die unterschiedlich genutzt werden kann. Das Wasser wird aus dem Reaktionsbehälter abgeführt.

Der Betrieb eines Autos verläuft in der Regel nicht gleichförmig. Er wird von häufigen Lastwechselvorgängen bestimmt. Diese bestehen aus Beschleunigung und Abbremsen in unterschiedlicher Ausprägung. Ein solches Energieprofil lässt sich nicht ausschließlich mit einer Brennstoffzelle bedienen. Es ist eine zusätzliche Speichertechnik erforderlich, die Energiespitzen im Profil puffert. Brennstoffzellen werden deswegen im Auto mit einem Akkumulator gekoppelt.

Wird ein Auto abgebremst, so wird in der Regel die Energie über die Bremsen als Wärmeenergie an die Umwelt abgegeben. Sie geht im Prozess also verloren. Gleichzeitig ist hiermit ein Materialverlust verbunden (Abnutzung der Bremsbelege), der in Form von Feinstaub in die Umgebungsluft gelangt. Eine Rekuperationbremse (lat. recuperatio = Wiedererlangung) gewinnt diese Bremsenergie zurück und speichert sie im Akkumulator.

Bei einem Beschleunigungsvorgang wird die kurzfristig hohe Energieanforderung über den Akkumulator geliefert. Die Brennstoffzelle wird hierdurch entlastet. Im Normalbetrieb liefert ausschließlich die Brennstoffzelle die erforderliche elektrische Energie.

Eine Brennstoffzelle kann allerdings auch für Elektrofahrzeuge als Range Extender dienen. Mit Hilfe von Wasserstofftanks und kleinen Brennstoffzellen wird Strom erzeugt, mit dem die Akkumulatoren eines Elektrofahrzeugs bei niedrigem Energiestand aufgeladen werden. Somit lassen sich auch große Reichweiten ohne Strombetankung erzielen.