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Brennstoffzellen : Der Traum von einer Welt ohne Benzin

  • -Aktualisiert am

Saubere Zukunft: Der Blick in das Toyota-Brennstoffzellen-Auto. Bild: Toyota

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

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          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.

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

          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.

          Funktionsprinzip der Brennstoffzelle
          Funktionsprinzip der Brennstoffzelle : Bild: Mercedes-Benz

          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.

          Das Problem: Durch die hohe Temperaturdifferenz erwärmt sich der Wasserstoff selbst bei nahezu perfekter Isolation laufend ein wenig; das dabei entstehende Gas muss über ein Ventil abgelassen werden. Wer so ein Auto am Flughafen abstellt, findet nach Rückkehr aus einem dreiwöchigen Urlaub im Tank deutlich weniger Gas vor. Weitere Speicherverfahren, etwa durch chemische Bindung des Wasserstoffs an Metallhydride, werden derzeit im Forschungslabor erprobt, sind von einem Serieneinsatz jedoch weit entfernt.

          Kleiner Lithium-Ionen-Akku

          Übrigens haben Brennstoffzellenfahrzeuge meist auch einen kleinen Lithium-Ionen-Akku an Bord, schon um die beim Bremsen anfallende Rekuperationsenergie zu puffern. Zudem können die Akkus beim Beschleunigen kurzfristig als Turbo für die Brennstoffzelle wirken, die aufgrund der chemischen Prozesse deutlich träger auf Befehle des Gaspedals reagiert als ein Verbrennungsmotor.

          Die Druckgasbetankung mit Wasserstoff stellt mittlerweile keine Herausforderung mehr dar, auch nicht für den Nutzer (siehe Bericht zur Wasserstoffvariante des Hyundai iX35 auf dieser Seite). Offen ist hingegen, wie schnell ausreichend Wasserstofftankstellen zur Verfügung stehen werden. Derzeit sind in Deutschland nur zirka 20 Tankstellen öffentlich zugängig, bis 2015 sollen es rund 50 werden. „Diese minimalistische Flächenabdeckung dient vor allem der Erprobung“, sagt Klaus Bonhoff, Chef der staatlichen Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW).

          Damit sei man voll im Zeitplan. Von 2017 an soll, getragen von einer Allianz aus Autoherstellern und Mineralölunternehmen, ein erstes Netz von 100 Tankstellen entstehen, das Metropolen miteinander verbindet. Bis 2023 soll die Zielmarke von 400 erreicht werden, was eine Gesamtinvestition von rund 350 Millionen Euro erfordert. Zum Vergleich: Derzeit verfügt Deutschland über etwas mehr als 900 Erdgastankstellen, was eine flächendeckende Mobilität ermöglicht, wenn auch nach manchmal mühseliger Suche.

          Wasserstoff aus Erdgas

          Wer allerdings kurzfristig auf ein Brennstoffzellenfahrzeug umsteigt, darf nicht darauf hoffen, dass er wirklich mit Strom aus erneuerbaren Quellen unterwegs ist. Denn Wasserstoff wird heute überwiegend aus Erdgas hergestellt, aus dem die Kohlenstoffatome herausgelöst werden. Für den Treibhauseffekt ist das weniger schlimm, als es zunächst klingt. Denn der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bei der Energiewandlung ist grob doppelt so hoch wie der eines Verbrennungsmotors, wodurch sich laut Bonhoff ein Vorteil von 20 bis 30 Prozent gegenüber der direkten Erdgasverbrennung ergibt.

          Freilich soll künftig der Wasserstoff durch Elektrolyse von Sonnen- und vor allem Windstrom erzeugt werden, und zwar immer dann, wenn er gerade nicht verbraucht werden kann. Die bisherigen Elektrolyse-Verfahren sind alle auf kontinuierliche Wasserstoffproduktion ausgelegt. Grundsätzlich gibt es jedoch keinen physikalischen Grund dafür, die Verfahren so anzupassen, dass sie den Launen des Winds folgen, bestätigen mehrere, voneinander unabhängig befragte Experten.

          Bleibt noch die Frage, wann Brennstoffzellenautos zu erwerben sind. Auf jeden Fall will Toyota von 2015 an in Japan eine viertürige Oberklasselimousine anbieten, für weniger als 80.000 Dollar. Dass das Modell zeitnah auch nach Deutschland kommt, will Hirose noch nicht endgültig bestätigen. Da BMW technisch mit Toyota kooperiert, dürften mit etwas Zeitverzug auch die Bayrischen Brennstoffzellen Werke die Produktion aufnehmen. Hyundai will 2015 mit der Serienproduktion ernst machen, 2017 kommt dann Mercedes-Benz mit einer Brennstoffzellenversion der B-Klasse, drei Jahre später als geplant.

          Die Verschiebung sei jedoch nicht auf technische Probleme zurückzuführen, argumentiert man in Stuttgart, sondern auf die Umstellung auf eine mit Nissan und Ford gemeinsam genutzte Antriebseinheit. Skeptiker, beispielsweise aus Wolfsburg, verweisen darauf, dass schon 2004 nach den Plänen von Daimler und GM eine Million Brennstoffzellenfahrzeuge auf dem Markt sein sollten. Befürworter verweisen darauf, dass auch das ABS schon in den 1920er Jahren erfunden wurde. Europaweit verpflichtend für alle Neuwagen wird es erst dieses Jahr. Manchmal schleicht sich die revolutionäre Neuerung eben doch durch die Hintertür ein.

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