Am Ende kommt der Wasserstoff

Von PIOTR HELLER, Illustrationen: LENNART GÄBEL

21.02.2018 · Das leichteste aller Gase soll unser Verkehrssystem revolutionieren. Die Idee ist mehr als hundert Jahre alt. Doch erst jetzt sind die Voraussetzungen dafür da, dass sie auch Realität werden könnte.

I m Jahr 1874 veröffentlichte Jules Verne seinen Roman „Die geheimnisvolle Insel“, in dem er Ingenieur Cyrus Smith diese Sätze in den Mund legt. Smith hatte sogar eine Antwort auf die Frage, wie man das Wasser in seine Elementarbestandteile zerlegen sollte, nämlich per Elektrolyse, die Wasser mittels Strom in Sauerstoff und Wasserstoff spaltet. Diese Vision war Smiths Antwort auf die Frage, wie die Menschheit zurechtkommen sollte, wenn die Kohle aufgebraucht sei. Wahr geworden ist sie bis heute nicht.

Unser Verkehrs- und Transportsystem basiert nach wie vor auf fossilen Energieträgern. Wasserstoff wird zwar viel genutzt, jedoch nicht als Kraftstoff, sondern hauptsächlich, um Ammoniak herzustellen oder in Raffinerien den Schwefel aus Erdölen zu entfernen. Und nur fünf Prozent des dafür benötigten Wasserstoffs werden weltweit mittels Elektrolyse hergestellt. Siebzig Prozent stammen aus der sogenannten Dampfreformierung, einem industriellen Prozess, der den Wasserstoff aus Erdgas gewinnt.

Pkw: Die ersten sind schon in Serie


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Das erste Serienfahrzeug mit Brennstoffzelle hat Toyota 2014 auf den Markt gebracht. Dreitausend Exemplare laufen pro Jahr vom Band. Warum sind es nicht viel mehr? Schließlich präsentieren die Autohersteller seit zwei Jahrzehnten immer wieder Versuchsfahrzeuge. „Die Hürde sind bisher die Kosten“, sagt Alexander Trattner vom Hydrogen Center Austria der TU Graz. Doch die sinken derzeit. Ein typisches Modell einer Brennstoffzelle enthielt vor zehn Jahren mehr als hundert Gramm Platin als Katalysator. „Durch technische Verbesserungen braucht man heute gerade mal zwanzig Gramm, und die nächste Generation wird noch weniger benötigen“, erklärt Trattner. Es gibt auch Versuche, komplett auf Platin zu verzichten und Kobaltlegierungen einzusetzen. Das sei aber Grundlagenforschung und werde in den nächsten 15 Jahren nicht auf den Markt kommen.

Generell ist die Autoindustrie gut darin, in großen Stückzahlen zu fertigen. Auch das könnte die Brennstoffzelle in Zukunft günstiger machen. Jedoch fallen Prognosen, wie viele Autos mit Brennstoffzelle es in den nächsten Jahren geben wird, schwer. Zwar müssten die Hersteller aufgrund neuer Emissionsregeln bis 2025 wohl etwa dreißig Prozent ihrer Neuwagen mit Elektromotor ausstatten, sagt Trattner. Es ist aber nicht klar, ob es sich dabei um Elektroautos mit Akku oder um Brennstoffzellen-Fahrzeuge handeln wird. Für den Experten hat die Brennstoffzelle klare Vorteile: Das Tanken dauert nur einige Minuten, mit einer Reichweite von fünfhundert Kilometern ist sie vergleichbar mit einem Benzinmotor, und im Winter liefert sie Wärme für die Heizung, was das gesamte Fahrzeug ungefähr so effizient macht wie ein batteriebetriebenes Elektroauto.

Trotz alledem kann man derzeit den Eindruck gewinnen, dass Vernes Idee von einer Welt, die von Wasserstoff in Bewegung gehalten wird, schon bald Wirklichkeit werden könnte. Der Grund dafür sind die politischen Ziele beim Klimaschutz. Die Europäische Union will den Ausstoß von Treibhausgasen bis zur Mitte des Jahrhunderts um 95 Prozent senken. In Deutschland soll der Verkehr bis dahin praktisch keine Schadstoffe mehr ausstoßen. „Dafür muss der Verkehr den Energiebedarf über Strom decken, sei es elektrisch oder über Wasserstoff – es bleibt nichts anderes übrig“, sagt Karin Arnold vom Wuppertal Institut. Gemeinsam mit dem Mineralölkonzern Shell hat das Institut letztes Jahr eine Studie zum Wasserstoff als Energieträger der Zukunft herausgegeben.

In allen Verkehrsfeldern gibt es bereits Wasserstofffahrzeuge in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Die Raumfahrt schwört seit Jahrzehnten auf Wasserstoff, in der Autoindustrie rollen seit einigen Jahren die ersten Serienmodelle mit Brennstoffzellen vom Band, also Elektroautos, die ihren Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff gewinnen und dabei nur Wasser als Abgas ausstoßen. In der Luftfahrt heben sehr frühe Versuchsmaschinen mit Wasserstoffantrieb ab. Damit es zu einer wirklichen Wende im Verkehr kommt, müssen aber nicht nur Ingenieure die Technik verbessern und kostengünstiger gestalten, man muss den Wasserstoff auch über Tankstellen verteilen und ihn mittels erneuerbarer Energiequellen herstellen.

„Mit Dampfreformierung müssen wir das Spiel nicht machen, da können wir direkt mit dem Erdgas in Verbrennungsmotoren fahren“, sagt Helmut Eichlseder vom Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der TU Graz. Dass die Erdgasreformierung heute noch die dominante Technologie bei der Herstellung von Wasserstoff ist, liegt an den Kosten. „Die Anlagen sind da, es ist ein zentraler Prozess, der gut erforscht ist“, sagt Karin Arnold. Hinzu kommt der günstige Preis für Erdgas. Tatsächlich kostet ein Kilogramm Wasserstoff aus Erdgas heutzutage weniger als zwei Euro. Der Preis für Wasserstoff aus Elektrolyse liegt mehr als dreimal so hoch.

Raumfahrt: Die Mutter der Wasserstoffkraft


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Die Raum­fahrt nutzt Was­ser­stoff seit den 1950er Jah­ren als Ra­ke­ten­treib­stoff. Da­für wird der Was­ser­stoff bei we­ni­ger als mi­nus 240 Grad Cel­si­us ver­flüs­sigt und in ei­nen Tank der Ra­ke­te ge­pumpt. Ein an­de­rer Tank wird mit flüs­si­gem Sau­er­stoff ge­füllt. Beim Start ver­dich­ten Pum­pen die bei­den Kom­po­nen­ten und be­för­dern sie in ei­ne Brenn­kam­mer, wo sie sich ver­mi­schen und schließ­lich in ei­ner Knall­gas­re­ak­ti­on ver­bren­nen. Die Pum­pen müs­sen da­bei ex­trem leis­tungs­fä­hig sein. Beim Space Shut­tle et­wa brach­te es die Was­ser­stoff­pum­pe al­lein auf mehr als 70.000 Pfer­de­stär­ken.

Beim Ver­bren­nen deh­nen sich die Ga­se aus, wer­den über Dü­sen aus­ge­sto­ßen und sor­gen für den Schub der Ra­ke­te. Der Grund, war­um die Raum­fahrt schon früh auf Was­ser­stoff setz­te, ist nicht nur der, dass das Gas be­son­ders leicht ist. Das Was­ser­stoff-Sau­er­stoff-Ge­misch er­reicht beim Ver­bren­nen auch ei­ne ver­gleichs­wei­se ho­he Ge­schwin­dig­keit. Mit bis zu 4.500 Me­tern pro Se­kun­de strömt es aus der Dü­se und sorgt da­mit für ei­nen ho­hen Schub.

Aber die Raum­fahrt­in­dus­trie nutzt Was­ser­stoff nicht nur als Ra­ke­ten­treib­stoff. Für die Strom­ver­sor­gung an Bord füh­ren vie­le Raum­schif­fe Brenn­stoff­zel­len mit. Das Space Shut­tle et­wa ver­füg­te über drei so­ge­nann­te al­ka­li­ne Brenn­stoff­zel­len, die in Tanks mit­ge­führ­ten Was­ser­stoff und Sau­er­stoff re­agie­ren lie­ßen, um dar­aus Strom und Wär­me zu er­zeu­gen. Die ers­te Brenn­stoff­zel­le an Bord ei­nes Raum­schiffs flog 1965 beim Ge­mi­ni-Pro­gramm mit, dem zwei­ten be­mann­ten Raum­fahrt­pro­gramm der Ame­ri­ka­ner. Es war ein Mo­dell mit Pro­to­nen-Aus­tausch-Mem­bran, funk­tio­nier­te al­so nach dem glei­chen Prin­zip wie heu­te die Brenn­stoff­zel­len in den da­mit aus­ge­stat­te­ten Au­tos. Da­mit eb­ne­te der Wett­lauf ins All den Weg für die ers­ten Brenn­stoff­zel­len-Pkw, die in den spä­te­ren sech­zi­ger Jah­ren er­probt wur­den.

Das Problem bei der Erdgasreformierung ist aber nicht nur, dass sie fossile Energieträger nutzt. Bei dem Prozess reagiert zunächst das Methan aus dem Erdgas mit Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. In einem weiteren Schritt wird aus dem giftigen Kohlenmonoxid und Wasser schließlich weiterer Wasserstoff sowie das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2), das in die Umwelt abgelassen wird. Die Methode ist also alles andere als klimaneutral. Doch mit dem heute vorhandenen Strom Elektrolyse zu betreiben ist auch keine Lösung: Legt man den aktuellen Strom-Mix in der EU zugrunde, würde damit insgesamt doppelt so viel CO2 ausgestoßen, als die Erdgasreformierung erzeugt. Nur per Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen lässt sich Wasserstoff heutzutage fast ohne Treibhausgase herstellen.

In den nächsten Jahren könnte es dafür einen günstigeren Weg geben. Weil das Angebot bei Strom aus Wind- und Solarenergie stark schwankt, könnte man mit dem überschüssigen Strom Elektrolyse betreiben. Doch man darf sich nicht zu sehr auf diesen Überschussstrom verlassen. „Den gibt es nicht durchgehend, und es rentiert sich kaum, allein dafür eine Elektrolyseanlage zu bauen“, gibt Karin Arnold zu bedenken. Solche Anlagen müssten lange Zeit unter Volllast laufen, damit sie sich lohnen. Man müsste in Zukunft also Strom explizit für die Elektrolyse bereitstellen.

Schiffe: Neuer Treibstoff, alte Technik


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Seit November schippert die „Hydroville“ im Hafen von Rotterdam umher. Mit der Fähre für 16 Passagiere möchte die belgische Schiffsholding Compagnie Maritime Belge (CMB) testen, ob Schiffe mit Wasserstoff wirtschaftlich zu betreiben sind. Die „Hydroville" hat einen Dieselmotor, der auch Wasserstoff verbrennt, und ist das erste zertifizierte Boot dieser Art. „Wir haben uns bewusst gegen eine Brennstoffzelle entschieden“, sagt Roy Campe, bei CMB für die Forschung und Entwicklung zuständig. Brennstoffzellen seien derzeit zu teuer und für den Einsatz auf See unterlegen. Einen Verbrennungsmotor kann man nämlich auf einen bestimmten Lastpunkt auslegen, bei dem er auf dem Meer ständig läuft. Nur selten muss man die Leistung drosseln. Eine Brennstoffzelle hingegen funktioniert bei Teillast effizient, etwa in Autos, die im Stadtverkehr ständig anfahren und bremsen. Zudem, sagt Campe, gebe es in der Wartung von Verbrennungsmotoren jahrzehntelange Erfahrungen.

Das Schiff hat, wie jede neue Technologie, noch mit Kinderkrankheiten zu kämpfen. „Einmal hatten wir ein Wasserstoffleck, das war aber kein Problem, weil wir sofort auf Diesel umschalten konnten, denn unser Motor fährt mit beidem.“ Außerdem hätten anfangs die elektrischen Sensoren oft Alarm geschlagen, wenn das Schiff unter Hochspannungsleitungen durchgefahren sei. „So etwas kann bei einem komplizierten System mit zwölf Wasserstofftanks schon mal passieren, aber auch das haben wir jetzt im Griff.“

Als Nächstes ist geplant, ein Containerschiff mit Wasserstoffgeneratoren auszurüsten, um die Technik in größerem Maßstab zu erforschen. „Betanken könnte man solche Schiffe zum Beispiel vor der Küste Afrikas, wo viel Photovoltaik betrieben wird“, sagt Campe. Die „Hydroville“ bekommt ihren Treibstoff von einem Chlorwerk in Antwerpen. Dort fällt Wasserstoff als Abfallprodukt an.

Derzeit zählt die Deutsche Energie-Agentur hierzulande rund zwanzig Forschungs- und Pilotanlagen, die Wasserstoff oder andere Kraftstoffe mittels elektrischen Stroms produzieren. Ein Beispiel ist etwa das Projekt „H2BER“, eine Wasserstofftankstelle mit Elektrolyseanlage für den zukünftigen Berliner Flughafen. Hier haben Wissenschaftler untersucht, wie man den Prozess durch Prognosen für die Strompreise, für die Nachfrage und für die Verfügbarkeit von Windenergie wirtschaftlich optimal betreiben kann. Andernorts arbeiten Forscher daran, den über zweihundert Jahre alten Prozess der Elektrolyse zu verfeinern. Im Dresdner Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung studieren Forscher dazu poröse Elektroden, durch die das produzierte Gas besser entweichen kann.

In Zukunft wird es noch ganz andere Möglichkeiten geben, Wasserstoff in großem Stil zu produzieren. In Labors arbeiten Forscher beispielsweise daran, Mikroorganismen Zucker und Stärke aus Biomasse zu Wasserstoff umwandeln zu lassen. Und in Spanien hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im November die größte Anlage zur solarthermischen Wasserspaltung vorgestellt. Sie steht nahe der andalusischen Stadt Almeria und heißt „Hydrosol-Plant“. Spiegel mit einer Gesamtfläche von 3500 Quadratmetern lenken das Sonnenlicht auf einen Reaktor und heizen ihn auf bis zu 1400 Grad auf. Keramische Schäume im Reaktor verlieren dabei Sauerstoff. In einem zweiten Schritt lässt man Wasserdampf in die Maschine eindringen, der wiederum Sauerstoff an die Schäume abgibt. Übrig bleibt Wasserstoff.

Lkw: Komplette Mobilitätskonzepte


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Wo von Wasserstoff-Fahrzeugen die Rede ist, fehlt nie das Henne-Ei-Problem der Infrastruktur: Solange es nicht genügend Tankstellen gibt, lohnt es sich nicht, in Fahrzeuge zu investieren, aber solange es keine Fahrzeuge gibt, sind Tankstellen nicht sinnvoll. Eine mögliche Lösung hat sich das amerikanische Unternehmen Nikola ausgedacht: Es will seinen Kunden einen Lkw mit Brennstoffzelle samt Wasserstoff anbieten. Den Lkw entwickelt die Firma derzeit gemeinsam mit dem deutschen Autozulieferer Bosch. „Der Antriebsstrang ist eigentlich so ähnlich wie bei einem Pkw mit Brennstoffzelle“, sagt Johannes-Jörg Rüger, der bei Bosch den Bereich Nutzfahrzeuge leitet. Die besondere Herausforderung bei einem Lkw sei die Zuverlässigkeit. „Wenn solch ein Fahrzeug liegenbleibt, ist das sehr problematisch, denn dann verdient es kein Geld", sagt Rüger. Daher müsse man neuartige Komponenten besonders sorgfältig entwickeln.

Ein weiterer Punkt seien die Anschaffungskosten. Anders als Pkw werden Lkw nicht nach Emotion oder Umweltgewissen gekauft. „Er muss einfach wettbewerbsfähig sein“, sagt Rüger. Das ist eine Herausforderung. Derzeit könne man bei einem Diesel-Lkw mit etwa 350 000 Euro Kraftstoffkosten für eine Million Kilometer rechnen. Bei einem Lkw mit Brennstoffzelle wären es beim gegenwärtigen Wasserstoffpreis über 600.000 Euro.

Nikolas Konzept sieht daher vor, die Lkw nicht zu verkaufen, sondern zu verleasen und den Kraftstoff gleich mitzuliefern. Dafür richtet die Firma in Amerika gerade Wasserstofftankstellen ein, vor allem an viel befahrenen Highways, etwa östlich von Los Angeles. Dort gibt es auch genug Sonnenenergie, um den Treibstoff vor Ort zu produzieren. Für Lkw führt nach Rüdigers Ansicht an Brennstoffzellen kein Weg vorbei. Allenfalls für kurze Distanzen könnte man künftig batteriebetriebene Elektro-Lieferwagen nutzen.

„Im Labor gibt es diese Idee schon seit den siebziger Jahren“, sagt Christian Sattler vom DLR. Damals, unter dem Eindruck der Ölkrise, sei Wasserstoff als Kraftstoff interessant gewesen. In der aktuellen Anlage wollen die Forscher lernen, wie man den Prozess in großem Maßstab betreiben kann. Gleichzeitig verbessern sie in Labors die Materialien des Reaktors. In etwa fünf Jahren wollen sie diese beiden Forschungsstränge in einer noch größeren Testanlage zusammenführen. In zehn Jahren schließlich könnten die ersten industriellen Anlagen Wasserstoff mit der Wärme der Sonne gewinnen. „Sie würden dann direkt dort stehen, wo der Wasserstoff gebraucht wird“, sagt Sattler. Das könnte möglicherweise auch eine Wasserstoff-Tankstelle sein.

Denn noch ist das mit den Tankstellen so eine Sache. „Wir machen gerne den Witz: Jedem Fahrzeug seine Tankstelle!“, sagt Alexander Trattner von Hydrogen Center Austria an der TU Graz. Er meint damit, dass es in Österreich ungefähr zwanzig Wasserstoff-Fahrzeuge gibt und etwa fünf entsprechende Tankstellen. In Deutschland stehen derzeit etwa vierzig, weltweit waren es Ende 2016 lediglich 210 aktive Wasserstofftankstellen. „Die Tankstellen für Wasserstoff werden derzeit sozusagen noch in Manufaktur produziert“, erklärt Trattner. Aber langsam beginne auch hier eine Industrialisierung.

Flugzeug: Brennstoffzelle für die Mittelstrecke


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Als Ende September 2016 in Stuttgart die HY4 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) abhob, war das erste viersitzige Flugzeug mit Brennstoffzelle in der Luft. Jahre zuvor hatte das DLR bereits eine einsitzige Maschine mit Brennstoffzelle ausgestattet. „Der Schritt hin zu vier Personen klingt einfach, ist aber anspruchsvoll“, sagt André Thess vom Institut für Technische Thermodynamik des DLR.

Die HY4 fliegt mit vier Zellen, die einen Elektromotor versorgen. „Die Brennstoffzellen müssen wir hintereinanderschalten und dabei darauf achten, dass beim Ausfall einer Zelle nicht das ganze System zusammenbricht“, erklärt Thess. Auch sei die Höhe eine Herausforderung. Denn Brennstoffzellen benötigen neben Wasserstoff auch Sauerstoff in perfekt abgestimmtem Verhältnis. Der Wasserstoff kommt aus einem Tank, der Sauerstoff jedoch aus der Umgebungsluft des Flugzeuges, die sich mit der Höhe ändert. „Wir müssen also ständig den Luftdruck, die Feuchtigkeit und die Temperatur messen und mit diesen Informationen die Wasserstoffzufuhr steuern“, erklärt Thess. Die HY4 kann man sich wie ein fliegendes Labor zur Klärung solcher Fragen vorstellen.

Wird Wasserstoff irgendwann das Kerosin ersetzen? Nicht in allen Sparten der Luftfahrt, glaubt Thess. Für das Jahr 2060 stellt er sich ein System aus drei Säulen vor. Kleine, batteriebetriebene Flugzeuge für wenige Passagiere und Strecken von etwa einhundert Kilometern, daneben größere, von Brennstoffzellen gespeiste Maschinen für bis zu einhundert Personen auf Mittelstrecken. Für die Langstrecke sei das jedoch undenkbar, denn dafür benötigte man einfach zu viel Wasserstoff. „Das Gas an sich ist zwar leicht, aber es muss in Drucktanks gelagert werden, die mit steigendem Volumen immer schwerer werden“, sagt Thess. Für eine lange Strecke wäre das einfach zu schwer. Somit handelt es sich bei der dritten Säule dieses Verkehrssystems um flüssigen Kraftstoff, der wie heute Strahltriebwerke befeuert. Jedoch würde der in Zukunft nicht aus Erdöl destilliert, sondern synthetisch hergestellt werden, vielleicht aus CO2 - und Wasserstoff.

Es ist nämlich gar nicht so einfach, ein Wasserstoffauto zu betanken. An den Tankstellen lagert das Gas in Niederdruckspeichern bei etwa 20 bis 200 bar. In den Tanks der Autos muss der Wasserstoff jedoch – wie einst von Jules Verne vorausgesagt – wesentlich stärker komprimiert werden. Also verdichten Kompressoren das Gas zunächst auf bis zu 1000 bar, um es dann in Hochdrucktanks zwischenzuspeichern. Damit sich das Gas beim Betanken nicht zu sehr aufheizt, muss es einen Vorkühler passieren, das schreiben internationale Normen vor. Schließlich muss auch der sogenannte Dispenser – das Äquivalent zur herkömmlichen Zapfpistole – nach strengen Regeln gestaltet sein.

Für all diese Module gibt es inzwischen Standardlösungen, wodurch sie sich günstiger produzieren lassen. Damit rollt langsam auch der Ausbau von Wasserstofftankstellen an. Mehrere Autohersteller und Tankstellen-Konzerne haben dafür das Unternehmen „H2Mobility“ gegründet. Für Deutschland versprechen sie, bis 2019 vor allem an Autobahnen hundert Wasserstofftankstellen zu errichten. Bis 2023 sollen dann dreihundert weitere folgen, in Abhängigkeit von den Zulassungszahlen für Brennstoffzellenautos. In den kommenden fünf Jahren wird sich also zeigen, ob zumindest der Straßenverkehr Jules Vernes Vision ein kleines Stück näher kommt.

Quelle: F.A.S.