Retten Brennstoffzellen die Mobilität?

Der Verkehr auf der Basis von Erdölprodukten verbrauchenden Verbrennungsmaschinen steht vor großen Herausforderungen: Er muss sich künftig nicht nur den Ausstoß von Umweltschadstoffen, sondern auch übermäßigen Kraftstoffverbrauch abgewöhnen.

Steigende Preise signalisieren: Das Erdölzeitalter geht zu Ende, Vorräte und Förderung halten mit der Nachfrage nicht mehr Schritt. Zudem dämmen Gesetze zum Schutz der Umwelt die Emissionen der Fahrzeuge immer weiter ein. Insbesondere gebietet der Schutz des globalen Klimasystems, den Ausstoß des Treibhausgases Kohlendioxid wesentlich zu reduzieren. Die Menschheit braucht also neue technische Lösungen für Transport und Mobilität.

Als Alternative zu den aus Erdöl gewonnenen Kraftstoffen wie Benzin und Diesel gilt langfristig Wasserstoff. Dieser soll, ähnlich wie der elektrische Strom der Zukunft, aus primären Energiequellen gewonnen werden, die gegenüber Umwelt und Klimasystem weitgehend neutral sind: Erneuerbare und nukleare Energiequellen erzeugen keine Treibhausgase und sind daher Kandidaten.

Der Wasserstoff könnte auch auf der Grundlage der noch reichlich vorhandenen Kohle erzeugt werden, wenn es gelingt, das bei dieser Vergasung ebenfalls entstehende Treibhausgas Kohlendioxid abzufangen und in geologischen Strukturen endzulagern. Einerseits wird eine Wasserstoffversorgung des Verkehrs aufgrund von Umwandlungsverlusten und Speicherproblemen Nachteile gegenüber heutigen Kraftstoffen mit sich bringen; andererseits versprechen Brennstoffzellen eine bessere Effizienz bei der Verwertung des Wasserstoffkraftstoffs in Fahrleistung.

Wasserstoff und Brennstoffzellen zusammen könnten also eines Tages die Mobilität retten. Die entsprechenden Fahrzeuge wären dann Elektrofahrzeuge, die Wasserstoff tanken, diesen in Brennstoffzellen in Strom umwandeln und damit das elektrische Antriebssystem versorgen. Ein solches Fahrzeug wird keine Schadstoffe oder Treibhausgase ausstoßen, denn das „Verbrennungsergebnis“ der Brennstoffzelle ist harmloser Wasserdampf.

Go-Cart-Brennstoffzelle

Daneben könnte Wasserstoff auch wie Benzin in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden; solche Wasserstofffahrzeuge wären allerdings nicht ganz frei von schädlichen Emissionen, weil die heiße Verbrennung des Wasserstoffs mit Luft unvermeidlich auch Stickoxide erzeugt. Die Notwendigkeit, Öl im Verkehrssektor zu ersetzen und die Umwelt zu schonen, einerseits und das bedeutende Entwicklungspotential von Brennstoffzellen und treibhausgasfreien Energiequellen andererseits lässt Physiker und Ingenieure in aller Welt mit Nachdruck an den entsprechenden Technologien arbeiten. Große und kleine Unternehmen sowie weltweite politische Allianzen und Förderprogramme unterstützen diese Entwicklung.

Kardinalproblem Speicherung

Elektrofahrzeuge stellten auch dann in der Zukunft eine überzeugende Lösung des Mobilitätsproblems dar, wenn es eine gute Technologie der Stromspeicherung an Bord solcher Fahrzeuge gäbe. Solche Batterien, leicht an Gewicht, mit hohem Energieinhalt als Speicher, schnell aufladbar und von langer Lebensdauer, gibt es aber nicht und sind auch nicht Sicht.

Ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeug wird sich gegenüber diesen unzulänglichen Elektrobatteriefahrzeugen nur durchsetzen, wenn der wirtschaftliche und energetische Aufwand für Wasserstofferzeugung, Verteilung, Speicherung und Brennstoffzelle letztlich geringer ist als der für eine entsprechende wiederaufladbare Batterie. Natürlich ist dabei die gesamte Nutzungsdauer der Fahrzeuge zu bedenken sowie Aspekte des Komforts, insbesondere der Kilometerreichweite einer Tank- bzw. Batteriefüllung.

Obwohl es also die schlechte Speicherfähigkeit der Elektrizität ist, die die Frage nach einer Wasserstofftechnik begründet, liegen hier auch noch entscheidende Schwächen des Wasserstoffs: Seine Speicherung ist ebenfalls noch nicht elegant genug gelöst. Wasserstoff hat bei Atmosphärendruck eine sehr geringe Energiedichte auf das Volumen bezogen: 3 Kilowattstunden pro Norm-Kubikmeter; das ist vier- bis fünftausend Mal weniger als die Energiedichte des Benzins. Deshalb muss das Wasserstoffgas entweder durch Druck verdichtet oder zur Verflüssigung auf minus 253 Grad Celsius gekühlt werden.

Trotzdem beansprucht der Tank für Wasserstoff immer noch verhältnismäßig viel Platz im Fahrzeug, will man ähnliche Reichweiten wie mit Benzin erzielen. Gewicht und Volumen eines Wasserstofftanks werden daher – auch unter Beachtung der Sicherheit bei Unfällen – der sicheren Beherrschung des hohen Druckes (700 bis 800 bar) entsprechend ausgestaltet. Im Falle des sehr kalten Flüssigwasserstoffs muss die Tankstruktur für eine nahezu perfekte Wärmeisolation sorgen. Zudem gehen bei der Verdichtung des Wasserstoffs etwa 10 Prozent der Energie verloren, bei der Verflüssigung sogar 30 Prozent. Bessere Speichertechnologien zu entwickeln, ist also ein zentrales Thema der weiteren Entwicklung; eine der Hoffnungen liegt im Bereich nanostrukturierter Metallhydride.

Wasserstofftechnik

Auf dem Weg zu einer Wasserstoffversorgung des Verkehrs stehen für die Erzeugung des Wasserstoffs, seine Verteilung und sicherheitstechnische Beherrschung weit entwickelte Technologien bereit. Sie werden sicher in den nächsten Jahrzehnten noch wesentliche Verbesserungen erfahren.

Langfristig wird es insbesondere die Elektrolyse sein, die sauberen Wasserstoff auf nachhaltige Weise aus sauberem Strom erzeugt. Dazu wird die Stromerzeugung aus treibhausgasfreien Energiequellen in heute kaum vorstellbarem Ausmaß ausgeweitet werden müssen. Wollte man auf der Basis heutiger Verbrauchs- und Produktionszahlen die Ölprodukte im Verkehr durch Wasserstoff aus Elektrolyse ersetzen, so müsste die Stromproduktion verdoppelt werden, und dies ausschließlich mit Kraftwerken ohne Treibhausgasemission.

In einer Übergangszeit, in der Brennstoffzellen bereits in anderen Anwendungen als im Verkehr erfolgreich sein könnten, kann Wasserstoff auch aus Erdgas, Benzin, Diesel oder auch dem Zwischenprodukt Methanol hergestellt werden. Deshalb arbeiten Grundlagen- und Anwendungsforscher in vielen Instituten, unter anderem der Max-Planck-Gesellschaft und der Helmholtz-Gemeinschaft, an einer Verbesserung der als „reforming“ bezeichneten chemischen Prozesse. Bessere Katalysatoren und Verfahrenstechniken sollen es bereits in der Übergangszeit zurückgehender Ölförderung möglich machen, Brennstoffzellen auf der Basis von Erdgas oder daraus gewonnenem Methanol einzusetzen.

Einerseits kann Methanol auch ohne vorgeschaltetes „reforming“ in sogenannten Direkt-Methanol-Brennstoffzellen eingesetzt werden; diese Technik wird für Brennstoffzellen favorisiert, die die Stromversorgung von Kleingeräten wie z.B. Notebooks übernehmen könnten. Auch Kleinfahrzeuge wie etwa Scooter können auf quasi herkömmliche Weise flüssiges Methanol tanken und in einer Brennstoffzelle als Antriebsaggregat umsetzen.

Andererseits arbeiten Forscher auch daran, normal getanktes Methanol oder Diesel an Bord zu reformieren, um den erzeugten Wasserstoff dann einer Brennstoffzelle zuzuführen. Solche Brennstoffzellenanwendungen mit dezentralem On-Bord-Reformer werden auch mit dem Ziel eingesetzt, die vielfältigen Stromverbraucher an Bord eines Fahrzeugs, Flugzeugs oder Schiffes unabhängig vom Antriebsaggregat zu versorgen, im Auto also beispielsweise die Lichtmaschine zu entlasten.

Weitere Fragen wollen die bei der MPG-Forschungsinitiative „Nanochemie für eine zukünftige Automobiltechnik“ kooperierenden MPG-Wissenschaftler klären:

• Gibt es einen Katalysator, der Methanol ohne Bildung von Kohlenmonoxid bei technisch sinnvollen Bedingungen spalten kann?
• Sind nanokristalline Kupferteilchen dafür geeignet?
• Wie stellt man stabile Proben auf technisch relevantem Weg her?
• Was ist der richtige Reaktor für ein Auto?

Übertriebene Erwartungen auf schnelle Erfolge bei der Methanol- Reformierung für Brennstoffzellen dämpft Robert Schlögl: „Das Projekt soll Anstöße zur Entwicklung neuer Technologien vermitteln. Es kann diese Entwicklung weder leisten noch deren Planung vorwegnehmen. Im günstigsten Fall werden die Ergebnisse Grundlagen sein können, um eine industriell begleitete oder gar geführte Entwicklung in Gang zu setzen.“