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Veröffentlicht: 30.04.2014, 09:00 Uhr

Brennstoffzellen Der Traum von einer Welt ohne Benzin

Die Ablösung des Verbrennungsmotors durch die mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle wird seit langem propagiert. Nun sind die technischen Probleme weitgehend gelöst.

von Johannes Winterhagen
© Toyota Saubere Zukunft: Der Blick in das Toyota-Brennstoffzellen-Auto.

War zuerst die Henne oder das Ei? Dieses philosophische Problem hat Charles Darwin in seiner „Entstehung der Arten“ vor rund 150 Jahren mit einem „Weder, noch“ gelöst, beides entstand demnach allmählich durch Evolution. Doch Evolution braucht Zeit, daher rufen einige Automobilhersteller und Politiker die Revolution aus: Künftig soll Wasserstoff aus überschüssigem Sonnen- und Windstrom erzeugt werden, der, an Bord gespeichert, in einer Brennstoffzelle wieder in Strom gewandelt wird und damit den Elektromotor mit Energie versorgt.

Dieser Umweg über den Wasserstoff hat gegenüber einer batterieelektrischen Speicherung den Vorteil einer sehr viel höheren Energiedichte, Reichweiten von 600 Kilometer scheinen machbar. Tatsächlich ist in einem Kilo Wasserstoff die dreifache Energiemenge enthalten wie in einem Kilo Diesel. Um jedoch mit Wasserstoff zu fahren, benötigt es eine gänzlich neue Antriebseinheit – die Brennstoffzelle – und eine Infrastruktur zur Wasserstofferzeugung und -betankung.

Viele Fragen gelöst

Im Auto selbst sind durch intensive Forschungsarbeit viele technische Fragen gelöst. So hat sich die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEM-Zelle – als die richtige Technik für den Einsatz im Automobil erwiesen. Im Herzen dieser Zelle befindet sich eine Kunststofffolie, die Wasserstoff und Sauerstoff voneinander trennt. Nur Wasserstoffprotonen können von der Anoden- auf die Kathodenseite passieren. Die Elektronen müssen draußen bleiben, ihnen bleibt nur der Umweg über einen elektrischen Leiter, der die beiden Seiten kurzschließt – so entsteht der für den Antrieb benötigte Strom.

Auf beiden Seiten der Membran befindet sich eine katalytische Schicht, welche die Aufspaltung des Wasserstoffs in Protonen und Elektronen sowie – hinter der Membran – die Verbindung der Protonen mit Sauerstoff zu Wasser erst ermöglicht. Als Katalysator kommt durchgängig Platin zum Einsatz, der mit winzig kleinen Kohlenstoffpartikeln eine nanostrukturierte Oberfläche bildet. Eingeschlossen werden diese Schichten wiederum auf den Außenseiten von einer gas- und flüssigkeitsleitenden Schicht, die unter anderem die Aufgabe hat, das bei der kalten Verbrennung entstehende Wasser abzuleiten.

28998898 © Mercedes-Benz Vergrößern Miniaturisierung: Vor 20 Jahren füllte das Aggregat im Necar 1 (New electric car) einen kompletten Transporter, heute passt alles in eine B-Klasse

Hergestellt wird das Innenleben der Brennstoffzelle, indem zunächst die katalytischen Schichten in einer Art Druckprozess auf die PEM-Folie aufgetragen und dann die gasführenden Schichten aufgebügelt werden („Heißpressen“ sagen die Ingenieure). Anders als bei der Batterietechnik sind deutsche Chemieunternehmen bei der Entwicklung führend. So hat ein Gemeinschaftsunternehmen von Umicore (früher Teil von Degussa) und Solvay in Hanau eine Reinraum-Fertigung für die Membranen aufgebaut, in einem industriellen Maßstab, der die Produktion für mehrere 1000 Brennstoffzellen im Jahr erlauben würde.

Strittig an den PEM-Zellen sind derzeit weniger die grundsätzliche Technik als vielmehr die Herstellungskosten. Für Aufruhr sorgte im Herbst vergangenen Jahres eine Roland-Berger-Studie, die vorrechnete, dass selbst bei einer Produktion von fünf Millionen Zellen im Jahr der komplette Antrieb für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit 100 kW Leistung noch 9000 Euro kosten würde. Dies bedeutet zwar eine Kostenreduktion gegenüber dem aktuellen Kleinserienstand von rund 80 Prozent, wäre jedoch vermutlich auch 2025 nicht wettbewerbsfähig. Zentrales Problem, so Wolfgang Bernhart, Partner bei Roland Berger, sei nach wie vor das Platin.

Doppelwandige Stahl-Kohlefaser-Tanks

„Es wird zwar gelingen, den Platingehalt auf weniger als zehn Gramm pro Fahrzeug zu reduzieren, aber schon bei fünf Millionen Fahrzeugen jährlich steigt der Welt-Platinbedarf um rund 20 Prozent.“ Die höhere Nachfrage hätte steigende Preise des Edelmetalls zur Folge. Optimistischer gibt sich Katsuhiko Hirose, der die Brennstoffzellen-Entwicklung von Toyota leitet. Den Bedarf je Fahrzeug will er auf rund sechs Gramm senken. Das entspräche etwa der Menge, die ein heutiger Diesel-Abgaskatalysator ebenfalls mit sich herumträgt. „Vor zwei Jahren lagen unsere Brennstoffzellen noch bei einer Leistungsdichte von einem kW je Liter Volumen, nun sind es schon drei kW“, so Hirose.

28998931 © Mercedes-Benz Vergrößern Funktionsprinzip der Brennstoffzelle

Als gelöst gilt auch die Frage, wie der Wasserstoff an Bord gespeichert werden soll. Denn Wasserstoff ist bei Raumtemperatur ein leicht flüchtiges Gas, unkomprimiert nähme es je Kilo ein Volumen von mehr als elf Kubikmeter ein. Deshalb wird er auf 700-fachen Atmosphärendruck verdichtet und in doppelwandigen Stahl-Kohlefaser-Tanks mitgeführt. Die früher unter anderem von BMW erforschte kryogene Speicherung scheint vom Tisch. Dabei wird der Wasserstoff auf etwa minus 250 Grad unter null so weit abgekühlt, bis er in flüssiger Form vorliegt.

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