Grundlagen über Wasserstoff-Fahrzeuge Zunächst muss geklärt
werden, worum es sich bei Wasserstoff (H2) eigentlich handelt,
denn Wasserstoff ist kein Primärenergieträger wie Benzin,
Diesel, Erdgas oder Biodiesel. Er wird zwar gerne als Kraftstoff
der Zukunft bezeichnet, aber er ist kein Brennstoff, der
abgebaut, gefördert oder raffiniert werden kann, wie es bei
anderen Energieträgern der Fall ist. Wasserstoff liegt in der
Natur kaum in elementarer Form vor, sondern er muss durch
Energiezufuhr erst einmal erzeugt werden und dient dann als
Energiespeicher.
Wie entsteht Wasserstoff?
Für die H2-Herstellung bieten sich momentan zwei Verfahren
an: die Reformierung von Erdgas sowie die Elektrolyse von Wasser.
Bei der Reformierung können alle fossilen Kraftstoffe eingesetzt
werden, die über einen ausreichend hohen Prozentsatz an
H2-Molekülen verfügen (z. B. Erdgas, Methanol, Biogas). Am
weitesten verbreitet ist die Erdgasreformierung, die derzeit zu
über 50 % für die Wasserstofferzeugung verantwortlich ist und
einen Wirkungsgrad von über 80 % aufweist. Gemeinsam mit heißem
Wasserdampf wird dabei aus dem eingesetzten Energieträger ein
wasserstoffreiches Gasgemisch erzeugt. Wird auf diese Weise
erzeugter Wasserstoff im Kfz-Bereich eingesetzt, fiele die
Umwelt- und Energiebilanz äußerst schlecht aus, da als
Endprodukt auch Kohlendioxid entsteht. Sehr viel sinnvoller wäre
es eigentlich, das Methangas direkt in Erdgasfahrzeugen
einzusetzen. Dennoch greifen viele Entwicklungsfirmen auf dieses
Herstellungsverfahren zurück, da dieser Wasserstoff
vergleichsweise günstig ist und es zunächst vorrangig um
Erfahrungssammlung und weniger um Bilanzen geht.
Demgegenüber arbeitet ein Elektrolyseur wirklich nachhaltig,
solange der benötigte Strom aus erneuerbaren Energien kommt. Bei
der Elektrolyse wird Wasser (H2O) mit Hilfe von Elektrizität
vollkommen schadstofffrei in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
Wenn Sonnenenergie zur H2-Herstellung herangezogen wird, spricht
man auch von der solaren Wasserstoffwirtschaft. Anstelle
der Sonnenenergie können aber auch andere erneuerbare
Stromquelle genutzt werden (z. B. Windenergie, Wasserkraft,
Geothermie). Der Wasserstoff fungiert dabei dann als
Zwischenspeicher, damit Fahrzeuge indirekt mit Wind- oder
Solarenergie fahren können.
Pro & Kontra Wasserstoff
+ Unabhängigkeit vom Mineralöl
+ unbegrenzte Verfügbarkeit
+ hohe volumetrische Energiedichte
+ kaum Emissionen
+ hohe Effizienz von Brennstoffzellen
- hoher Herstellungsaufwand
- geringe gravimetrische Energiedichte
- ungewohnter Umgang
- keine Infrastruktur
- geringe Reichweite
Ungelöstes Speicherproblem
Aber wie speichert man einen Stoff, der über die kleinsten
Atome aller bekannten chemischen Elemente verfügt? Da
Wasserstoff bei Umgebungstemperatur gasförmig vorliegt,
erscheint zunächst die Speicherung in Druckbehältern ähnlich
wie bei Erdgasfahrzeugen adäquat. Problematisch ist jedoch, dass
die volumentrische Energiedichte von Wasserstoff noch geringer
ist als bei Methan, weswegen die Drucktanks recht groß und
schwer ausfallen, selbst wenn GH2 (engl.: Gaseous Hydrogen) bis
auf 350 bar verdichtet wird.
Als zweite Option dient der Einsatz von LH2-Speichern (engl.:
Liquid Hydrogen). Da Wasserstoff jedoch erst bei so genannten
kryogenen Temperaturen von -253 °C flüssig wird, bedarf es
einer ausgefeilten Tanktechnik, um LH2 nutzen zu können. Die
Kryogentanks konnten zwar innerhalb der letzten Jahre deutlich
verbessert werden, aber es gibt immer noch Probleme mit der
Abdampfrate. Spätestens nach zwölf Tagen muss bei Nichtbetrieb
des Fahrzeugs gasförmiger Kraftstoff abgeblasen werden, um dem
stetigen Druckaufbau infolge der schleichenden Erwärmung
entgegenzuwirken. Von Vorteil hingegen ist das sehr viel
niedrigere Druckniveau dieser Kraftstoffvariante (ca. 8 bar).
Dies ermöglicht weitaus mehr Gestaltungsfreiraum bei der Wahl
der Tankgeometrie, so dass das Ladevolumen der Fahrzeuge nicht so
stark eingeschränkt wird. Dennoch liegt die Reichweite mit etwa
400 Kilometern noch weit unter dem heutigen Standard (GH2: ca.
250 km).
Brennstoffzellenentwicklung dauert an
Das wichtigste Element bleibt
aber auch bei Wasserstofffahrzeugen der Antrieb. Hier setzen fast
alle Automobilkonzerne auf neue, effiziente Energiewandler, die
den Verbrennungsmotor nach und nach verdrängen könnten:
Brennstoffzellen (BZ; engl.: Fuel Cell) sollen zukünftig in
Verbindung mit Elektromotoren für den notwendigen Vortrieb
sorgen. Deren größter Vorteil ist der vergleichsweise hohe
Wirkungsgrad - der größte Nachteil ist die mangelnde
Marktreife. Bis Otto Normalverbraucher mit einem
brennstoffzellenbetriebenen Pkw umher fahren kann, werden
voraussichtlich noch acht bis zahn Jahre vergehen. Geforscht wird
an dieser Technik schon seit vielen Jahren, obwohl die Technik
nach der Erfindung durch Sir William Grove im Jahr 1839 zunächst
lange Zeit brach lag. Erst in den 1960er Jahren konnten diese
Aggregate ihren ersten Frühling verzeichnen, als alkalische
Brennstoffzellen (AFC) ihre generelle Eignung bei der Strom- und
Wasserversorgung der Astronauten bei Raumflügen bewiesen.
General Motors begann damals ebenfalls seine Forschungsarbeiten
in diesem Bereich, was 1967 in der Vorstellung eines Elektro-Vans
resultierte (s. Abb. 1). Der Transporter verfügte über ein 160
kW AFC-System, das mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem
Sauerstoff versorgt wurde und mit Hilfe des Elektromotors 32
Kilowatt leistete. Zuvor (1959) hatte die amerikanische Firma
Allis-Chalmers das erste BZ-Straßenfahrzeug entwickelt: ein
ebenfalls mit einer AFC angetriebener D-12-Traktor (Leistung: 15
kW, s. Abb. 1).
Lange Zeit war es dann - abgesehen von einigen
Forschungsprojekten - eher ruhig in diesem Segment. Erst seit
etwa 20 Jahren werden die Entwicklungsarbeiten wieder verstärkt
und man kann sagen, dass mittlerweile der zweite Frühling
ausgebrochen ist. Um die Jahrtausendwende gab es einen
regelrechten Brennstoffzellen-Hype. Es hieß vollmundig, der
elektrochemische Energiewandler würde die einhundertjährige
Vorherrschaft des Verbrennungsmotors beenden. Zahlreiche
Vertreter der Automobilbranche verkündeten Ende des letzten
Jahrzehnts, dass die Technik bis 2004 marktreif sei. Doch es kam
anders: Anfang dieses Jahrzehnts wurde der Zeitplan kleinlaut bis
auf 2007 erweitert. Mittlerweile reden die Verantwortlichen bei
der Kommerzialisierung über das nächste Jahrzehnt.
Die grundlegenden technischen Probleme gelten zwar als
gelöst, aber neben Gewicht und Kosten, die beide noch zu hoch
sind, ist auch die Zuverlässigkeit noch verbesserungswürdig.
Bei der Erhöhung der Strom- und Leistungsdichte gibt es noch
erheblichen Entwicklungsbedarf und auch in punkto
Wasserstoffspeicherung sind die Zielvorgaben noch nicht zufrieden
stellend erfüllt. Die Entwicklungsarbeiten der Autokonzerne
konzentrieren sich daher vorerst auf die Konstruktion von
Forschungs- und Konzeptfahrzeugen, die sich stufenweise einer
marktreifen Version annähern.
Autor: Dipl.-Ing. Sven Geitmann Leiter des Hydrogeit Verlages
www.hydrogeit-verlag.de
Abb. 1: D-12-Traktor – erstes BZ-Straßenfahrzeug
Quelle: National Museum of American History
