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Wasserstoff für Lastwagen : Elefantenrennen

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Egal ob Brennstoffzellen oder Wasserstoffmotoren das Rennen im Güterverkehr machen - ohne grünen Wasserstoff wird es nichts mit der Reduktion der CO2-Emission insgesamt. Bild: Thomas Raupach

Wasserstoffantriebe können den Güter-Fernverkehr umweltfreundlicher machen. Im Wettbewerb der Systeme setzt der Wasserstoff für den Verbrennungsmotor nun zum Überholen an.

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          Das Auto ist noch nicht erfunden. Da stellt ein französischer Tüftler, der zuvor an der Konstruktion eines funktionsfähigen Elektromotors gescheitert ist, ein futuristisches Fahrzeug mit drei Rädern vor. Das heißt zwar Hippomobil, wird jedoch nicht von Pferden, sondern von einem Wasserstoffmotor angetrieben. Der erhoffte kommerzielle Erfolg stellt sich in den 1860er Jahren nicht ein, auch weil der von Etienne Lenior konstruierte Motor ohne Verdichtung arbeitet und daher nur sehr wenig Leistung entwickelt – das Gefährt bewegt sich nicht schneller fort als ein Wanderer. Die Geschichte der Wasserstoffmotoren ist reich an großen, letztlich aber gescheiterten Ideen.

          Am Wasserstoff als Energieträger liegt das nicht. Zwar kommt er in der Natur nicht vor. Verfahren zur technischen Herstellung auf Basis von regenerativ erzeugtem Strom sind aber bekannt, der Wirkungsgrad beträgt bis zu 80 Prozent. Auch der Transport an Bord eines Fahrzeugs ist trotz der flüchtigen Natur des Stoffs beherrschbar, wobei sich die Hochdruckspeicherung bei 350 oder 700 bar als Standard etabliert hat. Dem Einsatz als Kraftstoff sind seine chemischen Eigenschaften sogar förderlich. Auf das Kilo gerechnet, ist der Heizwert von Wasserstoff rund dreimal höher als der von Benzin. Zwar braucht das Minimolekül H2 für eine vollständige Stoffumsetzung relativ viel Sauerstoff, dafür ist ein Gemisch auch bei hohem Luftüberschuss noch zündfähig. Zudem erfolgt die Wasserstoffverbrennung mit einer Flammausbreitung von bis zu 500 Metern in der Sekunde, zehnmal schneller als bei Benzin. Aber ist die Idee, Wasserstoff in einem Motor zu verbrennen, nicht von gestern? Ist die Nutzung in einer Brennstoffzelle nicht die bessere Alternative?

          Die Brennstoffzelle spaltet, zumindest in der für den Fahrzeugeinsatz geeigneten Bauweise, den Wasserstoff zunächst in Elektronen und Protonen und reagiert dann unter Sauerstoffzufuhr zu Wasser. Der Elektronenfluss wird mit Hilfe eines Elektroantriebs in mechanische Energie gewandelt. Eigentlich eine sehr saubere Sache, die jedoch für den Fahrzeugeinsatz bisher ein paar Nachteile aufweist. So sind kleinere Autos aufgrund der steigenden Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus perspektivisch auch als reine Elektroautos zu fahren – den Antrieb mit Leistungselektronik, Motor, kleinem Getriebe und einer Pufferbatterie braucht man auch bei einem Brennstoffzellenfahrzeug. Sinn hat die Brennstoffzelle also vor allem für große und schwere Fahrzeuge, die lange Strecken fahren, etwa Lastwagen im Güterfernverkehr. Dabei wird der große Vorteil der Niedertemperatur-Brennstoffzelle jedoch zum Nachteil: Sie arbeitet zwar in einem für Laster typischen Fahrprofil mit einem Wirkungsgrad von 50 bis 60 Prozent. Das bedeutet aber auch, dass mindestens 40 Prozent der Energie als Wärme abgeführt werden. Die niedrige Temperatur der Abwärme von 60 bis 100 Grad Celsius macht das zu einer schwierigen Aufgabe, weil der Temperaturunterschied zur Außenluft viel geringer ausfällt als bei einem Verbrennungsmotor. Riesige Kühler und leistungsstarke Lüfter an Bord mitzuführen senkt jedoch den Wirkungsgrad des Antriebs, vielleicht sogar unter das Niveau eines verbrennungsmotorischen Wasserstoffantriebs.

          Die Produktion ist teuer, weil kleinteilig - MAN, aus dessen Haus diese Brennstoffzelle stammt, glaubt trotzdem an die Zukunft der Technik.
          Die Produktion ist teuer, weil kleinteilig - MAN, aus dessen Haus diese Brennstoffzelle stammt, glaubt trotzdem an die Zukunft der Technik. : Bild: Hersteller

          Zweite große Herausforderung für die Brennstoffzelle sind die Kosten. Treibend wirken die als Katalysator an der Zellmembran eingesetzten Materialien, hauptsächlich Platin. Das wird in den wenigen Fahrzeugen, die heute schon mit Brennstoffzellen unterwegs sind, stark überdosiert – von bis zu 30 Gramm für ein 100 Kilowatt leistendes Aggregat ist die Rede. Grund dafür ist die schleichende Vergiftung des Katalysators durch die eingetragene Umgebungsluft. Experten wie Michael Harenbrock, der die Entwicklung der Elektromobilität beim Zulieferer Mann+Hummel koordiniert, sehen aber die Chance, den Platingehalt durch neue Luftfiltersysteme zu senken: „Ein Schlüssel für eine Kostenreduktion liegt in all jenen Komponenten, die dafür sorgen, den Stack noch besser vor negativen Umwelteinflüssen zu schützen“, erklärt er. Ebenso könnten neue Produktionstechnologien die Kosten senken. Denn bislang ist ein Brennstoffzellenantrieb aus einem Stapel vieler einzelner Zellen zusammengesetzt, die eine nach der anderen übereinander montiert werden. An Alternativen wird geforscht, doch das dauert. Zu der EU-Vorschrift, die CO2-Emissionen neu zugelassener schwerer Lastwagen bis 2030 um 30 Prozent abzusenken, kann die Brennstoffzelle daher allenfalls einen geringen Beitrag leisten.

          Vor diesem Hintergrund hat sich MAN als erster Lastwagenhersteller Mitte Oktober dazu bekannt, neben der Brennstoffzelle auch wieder am Wasserstoffmotor zu arbeiten, wobei die Münchner einschränkend von einer Brückentechnologie sprechen. Um herauszufinden, wie breit und wie lang diese Brücke sein könnte, besuchen wir Helmut Eichlseder an der Technischen Universität Graz. Der ehemalige BMW-Entwickler gilt als Fachmann, unter anderem hat er das Standardwerk „Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik“ geschrieben. Auf einem seiner Prüfstände ist ein Vierzylindermotor bereits für den nächsten Test eingerichtet. Im vergangenen Jahr wurde der Motor von Benzin- auf Wasserstoffbetrieb umgerüstet. Wichtigste Änderung dabei: ein System zur Direkteinblasung des Gases. Das bislang einzige in Kleinserie gebaute Fahrzeug mit Wasserstoffmotor, der 2006 angelaufene BMW Hydrogen 7, setzte hingegen auf äußere Gemischbildung – der serienmäßige Zwölfzylinder-Ottomotor sollte möglichst wenig angepasst werden. Letztlich leistete der Motor trotz des großen Hubraums von sechs Litern weniger als 200 Kilowatt und enttäuschte viele Tester. Nach nur 100 Exemplaren stellte BMW die Produktion ein. Mit einer Direkteinblasung, sagt Eichlseder, hätte ein Wasserstoffmotor hingegen sogar das Potential, die Leistungsdichte eines Benziners um 17 Prozent zu übertreffen.

          Auf eine Zukunft mit Wasserstoffmotoren freuen sich dagegen besonders die deutschen Automobilzulieferer - bei Verbrennern trumpfen sie auf.
          Auf eine Zukunft mit Wasserstoffmotoren freuen sich dagegen besonders die deutschen Automobilzulieferer - bei Verbrennern trumpfen sie auf. : Bild: Hersteller

          Zwei Formen der Direkteinblasung stehen zur Verfügung: eine Niederdruckversion, die mit 12 bis 50 bar arbeitet, sowie eine Hochdruckversion, die das Gas auf mindestens 150 bar verdichtet und den besseren Wirkungsgrad bietet. Allerdings stehen für so hohe Drücke noch keine serienreifen Pumpen bereit. „Für eine schnelle Serieneinführung ist daher die Niederdruckeinblasung momentan das Mittel der Wahl“, erläutert Matthias Kratzsch, Cheftechniker des Ingenieurdienstleisters IAV. Die im Vergleich zum Dieselmotor geringere Leistungsdichte könne damit zwar nicht vollständig ausgeglichen werden, doch der Abstand schmilzt.

          Schnell viel Wasserstoff in den Zylinder zu bringen hat aber einen Nachteil, den man vom Dieselmotor kennt: Die hohe Verbrennungstemperatur begünstigt eine Nebenreaktion der Luftkomponenten Sauerstoff und Stickstoff, es bilden sich Stickoxide. Eichlseder sinnt auch hier auf Abhilfe. Eine Möglichkeit: Den Wasserstoff nicht auf einmal, sondern verteilt auf zwei Portionen einblasen. Messungen zeigen, dass so der Druckanstieg im Brennraum um den Faktor drei verlangsamt werden kann, was wiederum die Stickoxidemissionen um 96 Prozent senkt. Ebenfalls Gegenstand der Forschung ist der Magerbetrieb mit hohem Luftüberschuss. „Wird 2,4 Mal mehr Luft in den Zylinder gebracht, als für die Verbrennung eigentlich nötig ist, kommt der Wasserstoffmotor theoretisch ohne Abgasnachbehandlung aus“, sagt Eichlseder. In der Praxis, gibt der Experte zu, werde man aber auch Wasserstoffmotoren schon aus Sicherheitsgründen mit einem Abgasnachbehandlungssystem ausrüsten. „Es wird möglich sein, Wasserstoffmotoren zu bauen, die die Luftqualität nicht negativ beeinflussen.“

          Nicht ohne Grund eine Alternative

          Ein Wasserstoffmotor verlangt nach anspruchsvoller Technik. So müssen die Einspritzventile trotz hohen Drucks ohne Schmiermittel auskommen, im Dieselmotor erledigt das der Kraftstoff. Bei einem Nutzfahrzeug mit einer Laufleistung von 800 000 Kilometern entspricht das einer halben Milliarde Öffnungs- und Schließvorgängen. „Mit entsprechender Produktions- und Beschichtungstechnik ist das zu erreichen“, versichert Andreas Kufferath, der bei Bosch den Einsatz alternativer Kraftstoffe vorantreibt. Die klassischen Zulieferer wollen den Wasserstoffmotor nicht ohne Grund als Alternative: Er braucht all das, was deutsche Ingenieure kennen und können, vom Abgasturbolader bis zum Zylinderkopf. „Bis zum Jahr 2025 können die ersten Wasserstoffmotoren in Serie gehen und so einen Beitrag zu einer schnellen Absenkung der CO2-Emissionen im Verkehrssektor leisten“, sagt denn auch Jörg Rückauf, der bei Mahle für die Entwicklung von Motorsystemen und -komponenten verantwortlich ist. Von Arbeitsplätzen spricht er nicht, aber klar ist auch: Im Motoren- und Getriebebau liegt derzeit ein hoher Anteil der aktuellen Wertschöpfung von Autozulieferern.

          Und wie wäre es, das eine zu tun, ohne das andere zu lassen? Vorbehalte gegenüber einer solchen Technologieoffenheit werden oft damit begründet, dass im Verkehr nicht mehrere Infrastrukturen nebeneinander bestehen können. Für den Wettbewerb zwischen Brennstoffzelle und Wasserstoffmotor gilt das nicht. Die komplette Energiekette, von der Erzeugung des Wasserstoffs, dessen Transport bis hin zur Betankung des Fahrzeugs ist fast identisch, mit einem kleinen Unterschied: Die Brennstoffzelle benötigt Wasserstoff in Reinform, maximal 0,001 Prozent darf die Verunreinigung durch andere Stoffe betragen. Ein Verbrennungsmotor ist genügsamer. Das senkt die Kosten für den Betreiber und damit die Einsatzhürden. IAV-Chefentwickler Kratzsch meint dazu: „Der Wasserstoffmotor schafft enorme Anreize, eine H2-Infrastruktur aufzubauen, die auch für Brennstoffzellenfahrzeuge nutzbar ist.“

          Eine weitere Hürde müssen Motor und Brennstoffzelle ohnehin gemeinsam meistern: Sinnvoll ist nur der Einsatz grünen Wasserstoffs, der nicht wie derzeit üblich auf Erdgas basiert. Denn das könnte man auch direkt im Verbrennungsmotor nutzen und hätte dann wegen der entfallenden Umwandlungsverluste die bessere Ökobilanz. Allerdings werden auch Elektroantriebe gefördert, unabhängig vom Ausbau regenerativer Stromerzeugung.

          Hinweis der Redaktion: Wo der grüne Wasserstoff für den Verkehr herkommen und wie man ihn erzeugen könnte, ist Gegenstand eines demnächst erscheinenden Beitrags.

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