Auf dem Weg zum Automobil der Zukunft

Die Automobilindustrie steht vor einer Revolution. Keine zehn Jahre soll es mehr dauern, bis Wasserstoffmotoren in den Alltag einziehen. Die ersten mit Wasserstoff betriebenen Autos werden bereits in Serie gebaut. Derzeit werden noch zwei mögliche Varianten, Wasserstoff als Energiequelle für Automotoren einzusetzen, verfeinert. In der ersten Variante ersetzt Wasserstoff – wie bereits mit Erdgas geschehen – das Benzin: Statt Benzin verbrennt in ganz normalen Motoren Wasserstoff. Die andere Möglichkeit sind Brennstoffzellen auf Wasserstoffbasis, die elektrische Energie für einen Elektromotor erzeugen. Für beide Alternativen spielt die Gewinnung von Wasserstoff eine wichtige Rolle.

Brennstoffzellen im Automobil – Wegbereiter einer nachhaltigen Mobilität

Führende Automobilhersteller haben sich auf den dornigen Weg begeben, Brennstoffzellenmotoren zum Durchbruch zu verhelfen. Diese Art der Energieumwandlung erfüllt nicht nur die Forderung nach einer Reduktion von CO2-Emissionen im Transportwesen; sie weist auch in Bezug auf den Wirkungsgrad gegenüber dem Verbrennungsmotor, bei dem wesentlich mehr ungenutzte Wärme entsteht, eine Vielzahl von Vorteilen auf.

Noch vor wenigen Jahren wurden mit Brennstoffzellen betriebene Automobile als Zukunftsmusik bezeichnet. Inzwischen hat sich das Szenario jedoch gewaltig verändert. So arbeiteten alle deutschen Automobilhersteller gegenwärtig an Entwicklungsprojekten, die den Einsatz der umweltverträglichen Brennstoffzellen-Technologie als Antrieb verfolgen. Die ersten Brennstoffzellenautos rollen bereits über die Straßen. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor erzeugt die Brennstoffzelle Energie aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff und ist damit in der Lage, Erdöl als Energieträger abzulösen.

Vor dem Hintergrund des plötzlichen Brennstoffzellen-Booms gerät leicht in Vergessenheit, dass das Prinzip bereits seit über 160 Jahren bekannt ist. So konnte der englische Physiker und Jurist Sir William Robert Grove bereits im Jahre 1839 mit einer so genannten Knallgaszelle demonstrieren, wie sich durch Umkehrung der Elektrolyse Energie gewinnen lässt. In der jüngeren Vergangenheit wiederum haben Brennstoffzellen selbst unter extremsten Bedingungen ihre Zuverlässigkeit bewiesen, etwa in den Gemini-Raumkapseln aus dem Jahre 1965, mit denen die NASA die bemannte Raumfahrt vorantrieb. Mit den Zellen an Bord konnten gleich zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen werden: Zum einen stellten die Brennstoffzellen die elektrische Energieversorgung der Bordelektronik sicher, zum anderen diente das bei der kalten Verbrennung anfallende Wasser den Astronauten als eiserne Reserve. Auch die Kapseln der heutigen Space Shuttles werden über Brennstoffzellen mit Energie versorgt.

Die laufenden Entwicklungen auf dem Automobilsektor tendieren zum Einsatz von Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzellen (PEM-FC), die über eine besonders hohe Leistungsdichte verfügen und nur niedrige Betriebstemperaturen benötigen. Als Vorreiter für diese Anwendung hat sich DaimlerChrysler besonders früh engagiert und dabei parallel sowohl den wasserstoff- wie auch den methanolbasierten Brennstoffzellenantrieb vorangebracht. Seit NECAR (New Electric Car), dem ersten Brennstoffzellen-Fahrzeug weltweit, sind die DaimlerChrysler-Ingenieure ein gutes Stück vorwärts gekommen. »Gegenüber dem ersten Testwagen haben wir das Volumen der Aggregate auf ein Fünftel reduzieren und dabei gleichzeitig die Reichweite des Fahrzeugs auf das Fünffache erhöhen können «, verdeutlichte Johannes Ebner vom »Projekthaus Brennstoffzelle « anlässlich eines Innovationsforums des Unternehmens.

»DaimlerChrysler arbeitet an verschiedenen Fronten, um Brennstoffzellenfahrzeuge auf öffentliche Straßen zu bringen«, ergänzte unlängst Dr. Dieter Zetsche, Mitglied des Vorstands bei DaimlerChrysler und CEO der Chrysler Group. In Zusammenarbeit mit der amerikanischen Umweltbehörde EPA (Environmental Protection Agency) habe man die Vision, die Entwicklung von wasserstoffgetriebenen Fahrzeugen zu beschleunigen, mit Leben und greifbarem Fortschritt erfüllt.

Das geplante Demonstrationsprojekt wird seinen Standort in Ann Arbor beim »EPA National Vehicle and Fuel Emissions Laboratory« haben. Die Brennstoffzellenfahrzeuge sollen im täglichen Lieferverkehr mit dem Paketzustelldienst UPS zum Einsatz kommen und an einer von der EPA errichteten Wasserstofftankstelle betankt werden. Dieses Projekt gebe DaimlerChrysler die Möglichkeit, seine Brennstoffzellenfahrzeuge weiter zu erproben, insbesondere was den Kraftstoffverbrauch den Betrieb bei niedrigen Temperaturen sowie die Fahrleistungen anbelange, teilt das Unternehmen mit.

Der Einsatz der Brennstoffzellen-Fahrzeuge ist grundsätzlich mit unterschiedlichen Treibstoffen möglich. Aus heutiger Sicht erscheinen Wasserstoff und Methanol als die aussichtsreichsten Kandidaten, weil sie technisch einfach umzusetzen sind, die geringsten Emissionen aufweisen und außerdem die Möglichkeit eröffnen, regenerative Energien für mobile Anwendungen zu erschließen.

Um den Umweltvorteil von Wasserstoff vollständig ausnutzen zu können, müsste der für die Herstellung notwendige Strom langfristig allerdings aus erneuerbaren Energiequellen wie Wasserkraft, Wind- oder Sonnenenergie gewonnen werden. Als Vorbild für derartige Zukunftsszenarien gilt Island, eines der zehn europäischen Länder, das an Flottenversuchen mit DaimlerChrysler beteiligt ist. So verfolgen Islands Politik und Wirtschaft seit längerem das ehrgeizige Ziel, die weltweit erste Wasserstoffwirtschaft zu etablieren. Ein entsprechendes Kooperationsabkommen wurde bereits Anfang 1999 zwischen dem isländischen Konsortium Vistorka hf. (EcoEnergy Ltd.) und der DaimlerChrysler AG, Stuttgart, der Norsk Hydro AS, Oslo, sowie der Royal Dutch/Shell Group of Companies, London, in Reykjavik unterzeichnet.

Die Vorteile der neuen Technologie möchte man auch beim Mitbewerber BMW nicht missen. So versorgte in den »CleanEnergy«- Fahrzeugen, die pünktlich anlässlich der Expo 2000 der Öffentlichkeit vorgestellt wurden, eine Brennstoffzelle das 42-Volt-Bordnetz mit Energie. Die Vorteile einer Brennstoffzelle als Stromlieferant für die so genannten Nebenaggregate (Auxiliary Power Unit, kurz APU) bestehen in einer Verdoppelung des Wirkungsgrades. »Lichtmaschine und Bleibatterie könnten schon bald der Vergangenheit angehören«, meint Dr. Thomas Dietzsch, Projektleiter Wasserstoff-APU in der Abteilung Forschung, Energie und Antriebssysteme bei BMW. Dass das Wasserstoff-Auto kommt, steht für BMW außer Frage. »Im Jahre 2010 wird die BMW Group bereits einige tausend wasserstoffbetriebene Fahrzeuge pro Jahr verkaufen«, blickte Prof. Joachim Milberg, Ex-Vorsitzender des Vorstands der BMW AG, unlängst auf dem Genfer Automobilsalon in die Zukunft.

Im Gegensatz zum Mitbewerber DaimlerChrysler, der auf die Brennstoffzelle setzt, favorisiert BWM den Verbrennungsmotor. In technischer Hinsicht spreche das vergleichsweise geringe Gewicht in Verbindung mit einer hohen Leistung für dieses Konzept, teilt ein Sprecher von BMW mit. Wenn man die Triebwerke ganz auf den Einsatz von Wasserstoff umstelle und daraufhin optimiere, werde die Leistung sogar noch höher liegen als bei den derzeitigen Benzinmotoren. Vision der bayerischen Automobilbauer: »Vielleicht fahren wir einmal in der Formel 1 mit Wasserstoffantrieb – von der spezifischen Motorleistung her ist das überhaupt kein Problem.«

Auch bei der Adam Opel AG ist das Wasserstofffieber längst ausgebrochen. So kündigten die Rüsselsheimer bereits vor drei Jahren einen Brennstoffzellen-Zafira an, der jetzt in den Handel gelangt und bis 2010 einen Marktanteil von 10%erobern soll. Das Fahrzeug wird den Wasserstoff in einem mit Glasfasermatten isolierten Kühltank mitführen. »Ein Antriebsystem, das direkt mit Wasserstoff betankt wird, zeichnet sich durch einen optimalen Wirkungsgrad aus und erzeugt bis auf Wasserdampf keinerlei Abgase«, argumentiert Dr. Erhard Schubert, Direktor des Global Alternative Propulsion Center (GAPC) der Adam Opel AG. Der Wasserstofftank im Brennstoffzellen- Zafira bestehe aus einem rund einen Meter langen, zylinderförmigen Behälter mit einem Durchmesser von 400 Millimetern. In ihm könnten bis zu 75 Liter flüssiger Wasserstoff gespeichert werden, was einer Masse von fünf Kilogramm entspreche. Eine Tankisolierung aus Glasfasermatten halte den Treibstoff auf die geforderte Temperatur von –253 °C. »Unsere Isolierung entspricht der Dämmwirkung einer neun Meter dicken Styroporschicht «, veranschaulicht Schubert.

Hinsichtlich der Leistungsdichte und Lebensdauer von Brennstoffzellen konnte der kanadische Hersteller Ballard Power Systems mit der neuen Stack-Generation Mark 900 viel versprechende Fortschritte erzielen. Dem gewünschten Ziel – 4000 Betriebsstunden bei Autos und 20 000 bei Bussen – sei man bereits näher gekommen, berichtet das Unternehmen. Parallel hierzu müsse noch ein Standard für die Sicherheit der neuen Technologie geschaffen werden. Ralf Szamer von der Abteilung Energiesysteme des TÜV Süddeutschland verweist in diesem Zusammenhang allerdings auf eine Reihe von offenen Fragen. Diese würden die Brennstoffzelle selbst, aber auch Infrastruktur-Einrichtungen wie Garagen und Tankstellen betreffen. Szamer: »Hier kommt es insbesondere darauf an, die Sicherheitsstandards international einheitlich zu fassen und durch Grundsatzuntersuchungen zum Betriebs- und Störfallverhalten den Mangel an Betriebserfahrungen mit Brennstoffzellen auszugleichen.«

»Backpulver« im Tank

Mit Hilfe der so genannten »Powerball-Technologie«, bei der Wasserstoff in chemischer Form in Natriumborhydrid gespeichert...