Wasserstofffahrzeuge – mehr als nur eine Zukunftsvision
Seit vielen Jahren sind Wasserstoff und Brennstoffzelle Themen in der Diskussion um zukünftige Mobilität – wann aber setzt sich die Technik wirklich durch?
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Seit vielen Jahren sind Wasserstoff und Brennstoffzelle Themen in der Diskussion um zukünftige Mobilität – wann aber setzt sich die Technik wirklich durch?
Von Sabine Neumann
Die einen färben sich die Haare damit blond, für die anderen ist es der Stoff, um emissionsfrei und mit großer Reichweite unterwegs zu sein: Wasserstoff. In Verbindung mit einer Brennstoffzelle gilt der Energieträger als eines der Mittel, künftig umweltschonend mobil zu sein.
Ganz neu ist die Idee nicht, Wasserstoff – auch bekannt unter dem Begriff Hydrogen oder schlicht H2 - für die Fortbewegung zu verwenden. Bereits 1783 nutzte Jacques Alexander Charles das Gas, um in Paris eine Fahrt mit einem Ballon zu starten – und der Heißluftvariante der Montgolfiers etwas entgegenzusetzen.
Sogar eine erste gewerbliche Nutzung ist aus dieser Zeit bekannt: bei der Überquerung des Ärmelkanals mit solch einem Gefährt 1785 hatte Jean-Pierre-François Blanchard die erste Luftpost der Geschichte mit an Bord.
In seiner reinen Form ist Wasserstoff ein unsichtbares, geruchloses, ungiftiges Gas und leichter als Luft. Dass sich der auf der Erde nahezu unbegrenzt vorhandene Wasserstoff jedoch als wesentlicher Energieträger und Rohstoff in der chemischen Industrie, nicht aber als Treibstoff durchgesetzt hat, ist hinlänglich bekannt.
Einen gewissen Anteil daran hat der Herstellungsprozess: Da H2 fast ausschließlich in chemischen Verbindungen wie Wasser, Säuren oder Kohlenwasserstoffe zu finden ist, muss man es zunächst davon lösen. Das geschieht zurzeit hauptsächlich durch die starke Erhitzung (Reformierung) von Erdgas im Rahmen industrieller Anwendungen.
Dieses Verfahren stützt sich allerdings immer auf einen fossilen und damit nicht dauerhaft vorhandenen Rohstoff (Kohle, Erdöl) und ist mit erheblichen CO2-Emissionen verbunden. Vielversprechender ist indessen die Vergasung von Biomasse wie Abfall aus der Land- und Forstwirtschaft oder Biomüll.
Alternativ ist die Elektrolyse von Wasser denkbar. In diesem Fall wird das flüssige Nass unter Strom gesetzt, um die Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu sprengen. Nutzt man dafür überschüssigen Wind- oder Solarstrom, ist der so erzeugte Wasserstoff kohlendioxidneutral.
Die so genannte Power-to-Gas-Technik hätte zudem den Vorteil, eine dringend benötigte Speicherlösung für Strom zu haben, der im Tagesverlauf, wetterbedingt oder aus jahreszeitlichen Gründen in zu großer Menge im System vorhanden ist.
Der Konjunktiv in der Formulierung ist berechtigt: Diese Art der Herstellung macht momentan nur einen Anteil von etwa sieben Prozent an der gesamten Produktionsmenge aus.
Laut einer Studie der Deutschen Shell soll sich das jedoch bis 2050 ändern. Bis dahin sollen 50 Prozent der Weltenergieerzeugung aus erneuerbaren Quellen kommen. Es wird erwartet, dass wiederum 50 Prozent davon voraussichtlich in Wasserstoff umgewandelt werden, um zum Verbraucher zu kommen.
Die Möglichkeit, das komprimierte Gas oder die tiefgekühlte Flüssigkeit relativ einfach transportieren zu können, ist Fluch und Segen zugleich. Auf der einen Seite schadet die Fahrt mit einem Tanklastzug der Ökobilanz ganz gehörig. Andererseits lässt die Möglichkeit, es unter 200 bar Druck zu speichern, es überhaupt zu, dass es zu den Tankstellen gelangen kann.
Es gibt kaum einen Hersteller, der in der Vergangenheit nicht experimentiert und geforscht hat, um Wasserstoffautos in die Serie zu bringen. Allen gemein ist, dass sie wie reine E-Mobile von einem Elektromotor angetrieben werden. Anstelle einer Batterie verfügen sie jedoch über eine Brennstoffzelle.
In einem raffinierten Prozess wird in diesem kleinen Kraftwerk aus der Kombination von Wasserstoff und aus der Umgebungsluft gewonnenem Sauerstoff Strom erzeugt. Im Schulunterricht hat diese Verbindung zu einer eindrucksvollen Knallgasexplosion geführt.
Unter der Haube eines Fahrzeugs läuft das für den Fahrer vollkommen unbemerkt ab. Vereinfacht gesagt wird die im Produktionsprozess erfolgte Elektrolyse – die Trennung von Wasser in seine Bestandteile – wieder umgekehrt.
Wer ein wenig in Physik und Chemie aufgepasst hat, wird folgende Erklärung verstehen: eine sogenannte Polymer-Elektrolyth-Membran (PEM) trennt die vom Wasserstoff (H2) umspülte Anode von der Kathode mit dem Sauerstoff (O2). An der Anode scheiden sich die Wasserstoffmoleküle in Ionen und Elektronen. Die Ionen wandern durch die PEM zur Kathode.
Dort verbinden sie sich mit dem Luftsauerstoff zu Wasser. Da die Membran jedoch für die Elektronen undurchlässig ist, müssen sie auf dem Weg zur Kathode den Umweg über eine Leitung gehen. Das führt zu einem Stromfluss, der einen Elektromotor antreiben kann.
Der große Vorteil: Es treten keine Emissionen auf, sondern nur Wasserdampf aus. Hyundai spricht sogar davon, dass die Luft, die der in Kürze auf den Markt kommende Nexo ausscheidet, sauberer ist als zuvor, da 99,9 Prozent der Feinstaubpartikel herausgefiltert werden.
Lange Wartezeiten, bis der Akku wieder aufgeladen ist, sind mit einem Fuell-Cell-Fahrzeug ebenso wenig ein Thema wie die Sorge, ob die Batterie lang genug hält bis das Ziel erreicht ist.
Der Wasserstofftank kann so groß ausgelegt werden, dass problemlos Reichweiten bis zu 600 Kilometer möglich werden. Und voll tanken lassen sich die Brennstoffzellenvehikel innerhalb von drei bis fünf Minuten.
Damit beginnen schon die Nachteile, der doch eigentlich so enorm sinnvollen Technik: Tanken aber ist so eine Sache. Und zwar nicht, weil es gefährlich ist. Die Zeiten von Personal in Sicherheitsanzügen sind lange vorbei.
Doch derzeit stehen in Deutschland theoretisch gerade einmal 43 Möglichkeiten, Hydrogen zu zapfen, zur Verfügung. Wie auf der Internetseite von H2 Mobility Deutschland nachzulesen ist, sind sechs davon noch dazu gerade defekt.
2019 sollen es 100 öffentliche Wasserstoff-Stationen für Pkw sein. Ziel sind laut der deutschen Clean Energy Partnership (CEP), einem Verbund von Auto- und Energiekonzernen, 400 Tankstellen bis 2023.
Für eine flächendeckende Versorgung wären jedoch nach Berechnungen der Linde AG etwa 1.000 Tankstellen und Investitionen von 1,7 Milliarden Euro nötig.
Doch mit welchen Fahrzeugen sollen diese Stationen eigentlich angefahren werden? Die Verfügbarkeit stellt in dieser Hinsicht ebenso ein Problem dar wie die Anschaffungskosten. Gerade einmal zehn Fahrzeuge täglich produziert Toyota vom Mirai, der eine Reichweite von 500 Kilometern erlauben soll.
Ein Preis von fast 80.000 Euro erklärt, warum sich in den vergangenen Jahren weltweit gerade einmal 6.000 Kunden dafür entschieden haben. Selbst bei einer Leasingrate von rund 1.300 Euro muss man als Fuhrparkleiter kräftig durchatmen.
369 US-Dollar monatlich für einen Honda Clarity wären im Vergleich dazu schon ein Schnäppchen. Allerdings wird der 174 PS leistende Japaner mit 650 Kilometern Reichweite nur in USA angeboten.
Hyundai hat die alternative Antriebsform schon seit 20 Jahren im Blick und auch kontinuierlich vorangetrieben. 2013 kam der ix35 Fuel Cell auf den Markt. Im Sommer geht das Nachfolgemodell, der schick gestaltete und modern ausgestattete Nexo ins Rennen.
Mit 756 Kilometern bietet er etwa 25 Prozent mehr Reichweite. 440 Brennstoffzellen-Päckchen versorgen den 163 PS-starken Elektromotor mit Strom beziehungsweise produzieren Reserven, die in einem 1,56 Kilowatt großen Akku zwischengespeichert werden. Noch ist der Preis für den SUV unbekannt. Doch auch der dürfte um die 60.000 Euro liegen.
Ebenfalls spekulieren kann man momentan nur über die Anschaffungskosten des Mercedes GLC F-Cell, der im Herbst bei den Händlern stehen soll. Der Stuttgarter Hersteller kombiniert hier erstmals eine Brennstoffzelle mit einer Lithium-Ionen-Batterie (13,8 kWh) als zusätzliche Energiequelle.
Gegenüber der seit 2010 existierenden B-Klasse soll das gesamte Antriebssystem etwa 40 Prozent mehr Leistung (insgesamt 200 PS) bieten. Zwei karbonfaserummantelte Tanks sind im Fahrzeugboden eingebaut und fassen 4,4 Kilogramm Wasserstoff.
Ein Concept-Fahrzeug auf Basis des Sprinter haben die Sternenträger für die Nutzfahrzeug-IAA in Hannover angekündigt, um damit aufzuzeigen, dass sich die Technologie für jegliche Anwendung eignen würde.
Angesichts der bescheidenen Auswahl ist es im Grunde nicht verwunderlich, dass laut Automobilwoche Anfang des Jahres gerade einmal 314 Brennstoffzellenfahrzeuge in Deutschland angemeldet waren – darunter zahlreiche Test- und Vorführwagen.
Einen maßgeblichen Anteil am hohen Preis der Brennstoffzelle trägt ein unverzichtbarer Werkstoff bei der Herstellung. Denn ausschließlich eine dünne Schicht aus teurem Platin ist in der Lage, den oben beschriebenen Prozess in Gang zu setzen. Die Weiterentwicklung von Fertigungstechniken und ein immer dünnerer Belag helfen zumindest ein wenig, die Kosten zu senken.
Doch damit allein ist es nicht getan. Das Edelmetall ist eine Mimose, was äußere Einflüsse angeht, kann vergiftet, belegt oder inaktiv werden. Sogar die Selbstauflösung ist möglich. Dennoch ist es den Ingenieuren gelungen, dass die PEM-Systeme auch bei Kälte zuverlässig arbeiten und die Lebensdauer mittlerweile der von Verbrennungsmotoren entspricht.
Das soll und wird sicherlich kaum die letzte Optimierung sein, die die Entwickler erzielt haben. Darauf weisen diverse Joint Ventures und Kooperationen hin. Das gilt unter anderem für Honda und General Motors. Audi und Ballard Power Systems haben ebenfalls bekanntgegeben, gemeinsam weiter an der Technik zu arbeiten.
Die Ingolstädter haben zudem mit Hyundai ein Abkommen zur Kreuzlizenzierung von Patenten für eine große Zahl von Komponenten und Technologien für Brennstoffzellenfahrzeuge geschlossen. Eine Vereinbarung, die auch für die weiteren Konzern-Geschwister gilt.
Daimler und Ford wollen die Weiterentwicklung der Brennstoffzellen zwar künftig voneinander getrennt vorantreiben, bündeln die Energie aber im Bereiche der Entwicklung von Brennstoffzellen-Stack-Modulen.
Gleichzeitig hat die Bundesregierung eine Fördersumme von bis zu 1,4 Milliarden Euro bis zum Jahr 2026 für die Förderung zugesagt. Aus der Industrie und Wissenschaft sollen weitere zwei Milliarden Euro fließen. Inwiefern das genügt, um die Technik zum Erfolg zu führen, bleibt abzuwarten.
