Kraftstoff der Zukunft

Der Durchbruch lässt im Straßenverkehr auf sich warten. Wohl keine Erfindung hat so lange Zeit gebraucht, um als industrielles Produkt ernst genommen zu werden. Die Brennstoffzelle ist älter als der Ottomotor.

Der deutsch-schweizerische Chemiker Christian Friedrich Schönbein stellte im Jahre 1838 erstmals eine Brennstoffzelle her, fand allerdings keine Beachtung. Der Brite William Grove versuchte sich ein Jahr später an der Technik. Er erstellte eine «galvanische Gasbatterie», die durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugte. Die Leistung war aber zu schwach, um sich gegen den Dynamo und den Ottomotor durchzusetzen. Die Technik war zwar bekannt, verschwand aber in den Schubladen, wurde später in U-Booten, dann in der Raumfahrt eingesetzt.

Prägend war der Luftschiff-Unfall von Zeppelin LZ 129 in Lakehurst am 6. Mai 1937, bei dem 36 Menschen ums Leben kamen. Das Luftschiff war mit 200.000 Kubikmetern Wasserstoff als tragendes Gas gefüllt.

Die Technik «schläft»

Wasserstoff beginnt zu brennen, wenn er mit Luft in Berührung kommt. Die extremen Sicherheitsvorkehrungen machen die industrielle Massennutzung von Wasserstoff daher sehr teuer. Im militärischen Einsatz oder aber in der Raumfahrt wurde Wasserstoff weiter genutzt. Die Forschung zum Einsatz in einer Brennstoffzelle setzte daher nie aus.

Obwohl die deutschen Automobilhersteller seit über 20 Jahren an der Brennstoffzelle arbeiten, traut sich doch keiner, damit wirklich auf den Markt zu kommen. Mercedes forscht seit 1994 an der Brennstoffzelle als Antrieb und weist 18 Millionen gefahrene Kilometer mit A-Klasse und B-Klasse mit einer Brennstoffzelle vor.

Volkswagen arbeitet seit 1996 an der Brennstoffzelle, hat auch Prototypen vorgestellt. Jetzt «schläft» die Technik bei der Tochter Audi. BMW forscht seit gut 30 Jahren an der Technik. Zusammen mit Toyota arbeiten die Bayern an einem Antriebssystem, einem Tank und an der Elektrifizierung.

Woran krankt die Einführung?

Ein Brennstoffzellenauto braucht Tankstellen. In einer Arbeitsgruppe mit den Automobilherstellern und Mineralölherstellern hat Shell sich bisher am weitesten vorgewagt. Unter den gelben Tankstellen gibt es in Deutschland bisher 40, an denen man Wasserstoff tanken kann. Shell will in den kommenden fünf Jahren die Zahl auf 400 erhöhen. Ein flächendeckendes System müsste mindestens 1.000 umfassen.

Ein Beispiel: Bei der Nachfolgekonferenz COP 23 des Pariser Umweltabkommens in Bonn müsste ein Brennstoffzellen-Auto über 70 Kilometer nach Düsseldorf fahren, um tanken zu können. Auch wenn Shell eine klare Zielvorstellung hat, ist das Tankstellennetz derzeit nicht dicht genug, um als Anreiz für ein Auto der Zukunft zu wirken.

Ein anderes Problem ist der Preis. Japanische oder koreanische Modelle, die auf dem Markt sind, gibt es nicht unter 65.000 bis 75.000 Euro in der jeweiligen Grundausstattung. Die Preise würden erst bei einer Massenherstellung sinken. Denn: Die Entwicklungskosten sind sehr hoch. Der Tank muss besonders geschützt werden und bruchsicher konstruiert sein. Die Membrane innerhalb der Zelle musste neu entwickelt werden.

350 Millionen Euro für das Tankstellennetz

Vorteile hat die Brennstoffzelle gleichwohl. Ihr Energie-Wirkungsgrad kann zwar nicht mit dem Elektromobil mithalten, ist aber deutlich höher als bei Verbrennungsmotoren. Der Wirkungsgrad eines Benzinmotors liegt bei 35 Prozent, der eines Dieselmotors bei 45 Prozent, der einer Brennstoffzelle bei 65. Der Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 90 Prozent, hängt in seiner Alltagstauglichkeit aber von der Speicherkraft der Batterien ab.

Die Brennstoffzelle macht ihren Weg in die Alltagstauglichkeit langsam, aber stetig. In Deutschland hat sich ein Joint Venture aus Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell und Total gebildet. Am Rande der COP 23 haben sich 18 weltweite Energieunternehmen als Arbeitsgemeinschaft vorgestellt. Das Joint Venture will 350 Millionen Euro in das Tankstellennetz stecken. Der Einbau einer Wasserstoffzapfsäule mit dazugehörendem Tank kostet etwa eine Million Euro.

Technisch hat die Kooperation der Unternehmen dazu geführt, dass es einheitliche Einfüllstutzen geben wird. Die deutsche Bundesregierung fördert die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie mit einem nationalen Programm. Bis 2018 stellt sie 161 Millionen Euro zur Verfügung.

Leise und unauffällig

Ihren Durchbruch hat die Brennstoffzelle in einem ganz anderen Bereich: In Spartanburg, South Carolina, in der größten Automobilfabrik der Welt, wo BMW 70.000 Menschen beschäftigt, fahren die Gabelstapler und Materialfahrzeuge mit Brennstoffzellen, leise, ohne Abgase, aus dem Auspuff tropft Wasser. Eine Tonne Wasserstoffgas verbrauchen sie am Tag. Es ist ein riesiges Testfeld für die Bayern.

Im öffentlichen Nahverkehr, wo die Busse immer dieselbe Strecke fahren, setzen die Hamburger Verkehrsbetriebe seit 2011 Brennstoffzellen-Busse ein. In Stuttgart fahren Brennstoffzellen-Hybrid-Busse seit 2013.

Wasserstoff und Brennstoffzelle nehmen ihren Weg im Hintergrund, leise und unauffällig. Das Problem ist: hier fahren die Deutschen voran. Was aber ist, wenn man die Grenze überschreitet. Gibt es da irgendwo Wasserstoff-Tankstellen? Oder bildet sich hier eine unsichtbare, aber spürbare Technologiegrenze in Europa?

Ein kleines Lexikon

Die Brennstoffzelle

In einer Brennstoffzelle reagiert ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff (Wasserstoff) mit einem Oxidationsmittel (Sauerstoff). Dabei entstehen Wasser, Strom und Wärme.

Der Aufbau

Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist vergleichbar mit dem Aufbau einer Batterie. Beide bestehen aus zwei Elektroden: einer Anode (Pluspol) und einer Kathode (Minuspol). Ein Elektrolyt trennt die Elektroden voneinander und ist zuständig für den Ionen-Transport zwischen Anode und Kathode. Elektrolyte sind feste, flüssige oder gelartige chemische Substanzen, die Strom leiten können. Es gibt sie aus Kunststoff oder aus der Hightech-Keramik Zirkondioxid.

Die Funktionsweise

Die Funktionsweise von Brennstoffzellen lässt sich mit der von Batterien vergleichen: Durch eine chemische Reaktion zwischen Anode und Kathode entsteht Energie. Chemische Reaktionspartner in der Brennstoffzelle sind Wasserstoff und Sauerstoff. Bei der Reaktion entstehen Wasser, Strom und Wärme. Bei heutigen Verfahren wird reiner Wasserstoff in die Tanks der Züge und auch der Autos hineingepumpt. Im Prinzip ist ein mit einer Brennstoffzelle fahrendes Auto eine andere Art des Elektroautos. Mit zwei Unterschieden: Seine Reichweite hängt von der Größe des Tanks ab und die Betankung dauert nicht länger als bei einem Dieselfahrzeug.