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Brennstoffzelle
Wasserstoff soll Schwung geben

Das Elektroauto wird von den Herstellern als Zukunftshoffnung gepriesen, doch teure und zu schwache Batterien bremsen die Euphorie. Dabei gibt es eine leistungsfähige Alternative: Wasserstoff.

13.10.2011 | von Sebastian Schaal

IAA Frankfurt - Mercedes-Benz F125 © dpa

Düsseldorf Benzin und Diesel haben noch nicht ganz ausgedient, aber eines ist bereits heute klar: In Zukunft werden unsere Autos von Elektromotoren angetrieben. Eine Frage ist allerdings noch nicht beantwortet: Wie bringen wir den Strom in die Fahrzeuge?

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Zuerst drängt sich bei dem Thema Stromspeicherung natürlich die Batterie auf. Solche Fahrzeuge gibt es bereits zu kaufen, doch der Erfolg bleibt bisher aus. Kurze Reichweiten, lange Ladezeiten, nicht zuletzt der höhere Anschaffungspreis.

Als Alternative zur Batterie sehen deshalb einige Hersteller die Brennstoffzelle. Darin wird aus reinem Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt, der dann die Elektromotoren antreibt. Das einzige Nebenprodukt des Vorgangs in dem Mini-Kraftwerk ist Wasser.

Diese Brennstoffzellen-Autos fahren bereits

Die Technik ist nicht ganz neu, bereits 1994 zeigte Daimler den Prototypen NECAR1. Das Fahrzeug auf Basis des Kleinbusses MB-100 war ein reiner Technik-Träger, doch in den nächsten Jahren folgten weitere Prototypen, in denen die Brennstoffzelle stetig weiterentwickelt wurde. Doch dann – obwohl der damalige-Daimler-Chrysler-Chef Jürgen Schrempp bereits Serienmodelle innerhalb von zehn Jahren versprochen hatte – verschwand die Brennstoffzelle aus der öffentlichen Diskussion. Das versprochene Serienmodell kam nicht, Elektroautos mit Batterien rückten in den Fokus der Medien.

Dann die öffentlichkeitswirksame Wende: Auf der IAA im September zeigte Daimler das Forschungsfahrzeug F125, das von einer Kombination aus Brennstoffzelle und Plug-In-Hybrid angetrieben wird. „Die Entwicklung ging kontinuierlich weiter, die Brennstoffzelle ist nur aus dem Blick der Öffentlichkeit etwas verschwunden“, sagt Daimler-Sprecher Matthias Brock.

Höhere Reichweite

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Die Vorteile der Brennstoffzelle haben sich seit 1994 nicht verändert: Die Reichweite ist deutlich höher als bei Elektroautos, die ihren Strom aus Batterien ziehen. Und der Tankvorgang dauert ähnlich lange wie bei einem Benziner oder Diesel – im Gegensatz zu den stundenlangen Ladevorgängen bei Batterien.

Daimler verspricht sich von der Brennstoffzellen-Plug-In-Kombination des F125 bis zu 1.000 Kilometer Reichweite, ein Tankvorgang soll drei Minuten dauert. Bereits heute möglich sind Distanzen von bis zu 400 Kilometern, wie Daimler mit einer Weltumrundung dreier B-Klassen mit Brennstoffzelle gezeigt hat.

Fast sauber um den Globus

Mercedes-Benz at the NAIAS 2011 © dpa

„Die Entwicklung ist sehr weit fortgeschritten, die Technik ist inzwischen robust. Beides kann man auch an der erfolgreichen Weltumrundung sehen“, so Brock. „Deswegen haben wir den Serienstart auch um ein Jahr auf 2014 vorgezogen.“

Bis dahin wird aber eine Besonderheit des F125 noch nicht serienreif sein: der strukturintegrierte Verbundspeicher. „Dieser Speicher ist eine technologische Revolution“, sagt Daimlers Entwicklungsvorstand Thomas Weber, „weil er es erstmals erlaubt, den Wasserstofftank vollständig in die Karosseriestruktur zu integrieren.“ So sollen Brennstoffzellenautos bei vergleichbarem Platzangebot auch von der Reichweite mit aktuellen Dieselfahrzeugen mithalten können. Die großen zylindrischen Drucktanks entfallen bei dieser Technik, die sich derzeit noch in der Grundlagenforschung befindet. Das Serienmodell anno 2014 wird allerdings noch nicht ohne sie auskommen. Dafür soll es allerdings von den Kosten her großserientauglich sein, verspricht Daimler-Sprecher Brock, ohne jedoch eine Größenordnung zu nennen.

Die selben Vorteile – hohe Reichweite und kurze Tankdauer – gelten auch für Fahrzeuge mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor. Anfang der 2000er Jahre entwickelte BMW eine kleine Testflotte aus 100 umgerüsteten Fahrzeugen auf Basis des 760Li. 2004 erreichten die Münchner mit dem Versuchsfahrzeug H2R neun Geschwindigkeitsrekorde für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge, die bis heute gültig sind. Im Dezember 2009 stellte BMW die Versuche mit der Wasserstoff-Testflotte ein. Seit dem konzentriert sich der Konzern auf Elektroautos mit Batterie, 2013 soll der i3 auf den Markt kommen.

Weniger Leistung

Der Grund waren unter anderem Probleme mit der Technik. An den heißen Innenwänden der Zylinder kam es mit dem hoch brennbaren Wasserstoff zu unkontrollierbaren Fehlzündungen. Darunter litt zum einen die Haltbarkeit der Motoren, zum anderen aber auch der Wirkungsgrad. Der sechs Liter große V12-Motor leistete mit Wasserstoff 260 PS, mit Benzin brachte er es auf 445 PS. Brennstoffzellen sind in diesem Punkt energieeffizienter.

Das Wichtigste über Wasserstoff und Brennstoffzelle

Wasserstoff und Brennstoffzelle

Wasserstoff ist im Gegensatz zum Öl kein begrenzter Rohstoff. Es ist das am häufigsten vorkommende chemische Element. Größter Erzeuger ist die chemische Industrie, die Wasserstoff als Neben- oder Koppelprodukt herstellt. Allein damit könnten in Deutschland nach Angaben des Technologiekonzerns Linde 750.000 Fahrzeuge betrieben werden.

Das Prinzip

Das Prinzip ist einfach, die technische Umsetzung aber anspruchsvoll: Bei der energieaufwendigen Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe von Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Wasserstoff ist ein flüchtiges und reaktionsfreudiges Gas, das nur unter hohem Druck oder extrem gekühlt gelagert werden kann.

Wirkungsweise

In einer Brennstoffzelle erzeugen Wasserstoff und Sauerstoff an einer Membran in einer sogenannten kalten Verbrennung Elektrizität. Dabei entsteht auch Wärme. Das Abgas ist Wasserdampf. In einem Auto kann mit einer Brennstoffzelle ein Elektromotor angetrieben werden.

Umstrittene Erzeugung

Umstritten ist aber die Erzeugung des Wasserstoffs. Bislang wird der Energieträger zu 90 Prozent aus dem fossilen Rohstoff Erdgas hergestellt. Während aus dem Auspuff eines Brennstoffzellenautos nur Wasserdampf entweicht, wird bei der Herstellung des Wasserstoffs das klimaschädliche Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) freigesetzt. Wird Wasserstoff aber mit Hilfe von Strom aus Windenergie oder Photovoltaik gewonnen, ist die Klimabilanz deutlich besser.

Reichweite

Die Reichweite von Autos mit Brennstoffzelle ist deutlich größer als die der batteriegetriebenen Fahrzeuge. Ein Beispiel: Eine Mercedes-Benz B-Klasse mit Brennstoffzelle hat nach Unternehmensangaben eine Reichweite von 385 Kilometern, der Elektro-Smart mit Batterie kann bis zu 135 Kilometer zurücklegen.

Die Lösung von Mazda: der Wankelmotor. Dieser eignet sich aufgrund seiner Bauweise bestens für den Betrieb mit Wasserstoff, denn die vier Takte laufen bei einem Kreiskolbenmotor in verschiedenen Kammern ab. So gibt es keine heißen Zylinderinnenwände, an denen sich der Wasserstoff vorzeitig von selbst entzünden kann.

TOYOTA FCVH-4 © ap

Vor acht Jahren stellten die Japaner einen RX-8 mit Wasserstoff-Wankel vor, 2009 erwarb das norwegische Projekt „HyNor“ 30 RX-8 Hydrogen RE, die verleast werden. Einige Exemplare sind seit 2006 auch im Testeinsatz in Japan unterwegs.

Ein Problem konnte auch Mazda nicht lösen: die geringe Anzahl von Wasserstoff-Tankstellen. Das verhindert heute eine flächendeckende Verbreitung von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen oder Wasserstoff-Verbrennungsmotor. „200 B-Klassen mit Brennstoffzelle sind bereits jetzt in Deutschland unterwegs, sie sind bei Flotten und Ministerien im Einsatz“, sagt Matthias Brock. „Sie müssen in der Nähe von Wasserstoff-Tankstellen betrieben werden, und davon gibt es eben noch wenige in Deutschland, nur vereinzelt in Ballungsräumen.“

Von NECAR1 bis F125

Bei der Weltumrundung der drei Brennstoffzellen-B-Klassen mit dem Beinamen F-Cell führte Daimler den Wasserstoff einfach in Begleitfahrzeugen mit. Doch nicht jeder wird später eine mobile Wasserstoff-Tankstelle zur Hand haben. In einem Pilotprojekt bauen die Schwaben mit ihrem Partner Linde 20 Wasserstofftankstellen auf. „Der Ausbau von Tankstellen ist sicher nicht das Kerngebiet von Autoherstellern“, so Brock. „Unsere Kooperation mit Linde ist vielmehr als Symbol zu sehen, mit dem wir andere anschieben wollen.“ Zudem wünsche er sich von anderen mehr Engagement in diesem Bereich.

Diesen Ruf hat man offenbar in Rüsselsheim gehört. Seit 2002 erprobt Opel mit dem Hydrogen4 die Brennstoffzelle im Praxiseinsatz, 2015 soll ein Serienmodell folgen. „Unser Ziel ist es, parallel zur Markteinführung eine flächendeckende Infrastruktur aufzubauen“, sagt Rittmar von Helmolt, Leiter Forschungsstrategie Elektrische Antriebe bei Opel.

Die 100 Testfahrzeuge, die Opel weltweit im Einsatz hat, haben inzwischen mehr als 3,2 Millionen Kilometer zurückgelegt. Dabei gab es lediglich einige Kinderkrankheiten. „Bis heute haben wir kein substanzielles Problem mit den Brennstoffzellen festgestellt“, sagt Lars Peter Thiesen, der bei Opel für das Thema Wasserstoff verantwortlich ist.

Die Umweltbilanz muss stimmen

Wasserstoff ist zwar das am häufigsten vorkommende Element im Universum, auf der Erde kommt es aber größtenteils in gebundener Form daher: eben als Wasser. Aus dieser chemischen Verbindung mit Sauerstoff muss der Wasserstoff erst herausgelöst werden. Das geht am besten mittels Elektrolyse, wofür natürlich Strom benötigt wird. Dieser muss aus regenerativen Energien kommen, sonst geht die gute Umweltbilanz des Brennstoffzellenfahrzeugs hier verloren. Bislang dient bei 90 Prozent des industriell verwendeten Wasserstoffs Erdgas als Grundlage. Bei diesem Verfahren werden allerdings große Mengen CO2 freigesetzt, außerdem ist Erdgas ein fossiler Rohstoff.

Auto-Antriebe

Verbrennungsmotor

Billiges Öl in den USA und der Beginn der Massenmotorisierung durch Ford haben dem „Verbrenner“ zum Durchbruch verholfen. In verschiedenen Varianten treibt er heute beinahe alles an, was fährt. Ob Ottomotor oder Dieselmotor, beide Aggregate werden vor allem mit fossilen Brennstoffen, also Produkten aus Erdöl betrieben. Doch die Technik lässt je nach Modifikation auch anderen Treibstoff zu, etwa Alkohol, Biodiesel, Gase oder gar Frittenfett. So kann der Verbrenner auch ein alternativer Antrieb sein.

Autogas und Erdgas

Der Antrieb mit Autogas funktioniert nach einer technischen Umrüstung in fast allen Benzinmotoren. Die kostet je nach Modell einige tausend Euro. Der günstigere Preis für das Gas spart zwar Geld, die Investition rechnet sich meist aber nur für Vielfahrer. Autogas (LPG) ist allerdings nicht an allen Tankstellen zu haben, zudem schmälert der Zusatztank meist den Platz im Kofferraum. Ist der Gastank leer, fährt der Motor mit Benzin weiter.

Eine andere Möglichkeit ist Erdgas, das ebenfalls in einem herkömmlichen Ottomotor verbrannt wird. Autos mit Erdgas-Antrieb finden sich häufiger in größeren Flotten oder auch in Bussen. Auch hier ist das Tankstellennetz noch nicht flächendeckend. Ein redaktionelles Special zu diesem Thema finden Sie hier.

Hybrid

Autos mit Hybrid-Antrieb haben beides an Bord: einen Verbrennungs- und einen Elektromotor. Dabei gibt es mehrere Varianten wie sogenannte „milde“, „volle“ und Plug-in-Hybriden. In der „milden“ Variante wird die Batterie etwa mit der Bremsenergie aufgeladen und greift dem Verbrennungsmotor unter die Arme. Ein Vollhybrid kann auch rein elektrisch fahren, die Batterie wird während der Fahrt mit dem Benziner geladen, auch wird Energie beim Bremsen erzeugt. Der Plug-in-Hybrid schließlich kann an der Steckdose geladen werden, was seine Reichweite beim elektrischen Fahrbetrieb verlängert. Mehr zum Thema Hybrid und Elektro-Auto lesen Sie hier.

Elektromotor

Reine Elektroautos sind zurzeit noch echte Raritäten auf den Straßen der Welt, obwohl sie in den Anfangsjahren des Automobils schon einmal breiter vertreten waren als Verbrennungsmotoren. Sie werden von Batterien gespeist und kommen ganz ohne fossile Energieträger aus - wenn man davon absieht, dass der Strom oft aus Kohle, Gas oder Atomkraft gewonnen wird. Viele Hersteller forschen derzeit an E-Autos und verfolgen dabei etliche verschiedene Ansätze. So werden etwa herkömmliche Fahrzeuge umgebaut oder ganz neue Konzepte speziell für den Stromantrieb entwickelt.

Dabei hat der Antrieb eine lange Geschichte und ist alles andere als eine neue Idee. Bereits in der Frühzeit der Automobilgeschichte gab es „Stromer“, bei kleinen Lieferwagen erhielt sich der Antrieb. Billiges Öl und wachsender Bedienkomfort verhalfen dem Verbrenner aber zum Durchbruch. Nun erlebt die E-Technik eine Wiedergeburt. Das größte Problem dabei ist die Speichertechnik, sprich die Batterien. Mehr zum Thema Hybrid und Elektro-Auto lesen Sie hier.

Brennstoffzelle

Für Ingenieure ist sie die Krönung des Antriebs - lautlos, leistungsstark und aus dem Auspuff strömt nur Wasserdampf. Die Brennstoffzelle treibt bereits U-Boote an, auch Versuchsautos gibt es längst. Dennoch ist Technik noch lange nicht für den Massenmarkt bereit. Ungeklärt ist etwa die Frage, wie der Wasserstoff energieeffizient und umweltschonend gewonnen werden kann. Auch technisch gibt es noch viel zu klären, vom Ausbau des nötigen Tankstellennetzes einmal ganz zu schweigen. Trotzdem halten viele Experten die Brennstoffzelle für den Königsweg und das batteriegetriebene E-Auto für nicht viel mehr als einen Zwischenschritt in der Entwicklung der Mobilität der Zukunft.

2014 also macht Daimler den Anfang, ein Jahr später will Opel folgen. Der Erfolg wird nicht zuletzt von einem flächendeckenden Tankstellennetz abhängen. Doch auch bei den Fahrzeugen ist ein Ende der Entwicklung noch lange nicht in Sicht. „Wir haben viele Ideen, wie es weitergehen kann“, sagt Brock.

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