Alternativer Kraftstoff Wasserstoff
Folgt nach der Energiewende auch die Mobilitätswende? Unstrittig ist: Auch im Verkehrsbereich werden erneuerbare Energien Einzug halten, um die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen zu reduzieren und die Mobilität klimafreundlicher zu gestalten. Im Rahmen dieser Diskussion wird auch der Ruf nach Wasserstoff als Kraftstoff laut.
So verlockend die Alternative Wasserstoff auch ist: zunächst müssen noch viele Fragen beantwortet werden, bis Wasserstoff im Alltag ebenso selbstverständlich wird wie konventionelle Kraftstoffe. Beim TÜV Süd ist man jedoch vom Zukunftspotential von Wasserstoff überzeugt: „Wasserstoff ist kein primärer Energieträger oder eine Energiequelle wie Erdöl oder Ergas. Wasserstoff ist eine Möglichkeit, Energie zu speichern und bei Bedarf zu nutzen, vergleichbar einem Pumpspeicherkraftwerk“, sagt Tom Elliger, Leiter Gasanlagen – Wasserstofftechnologie bei der TÜV Süd Industrie Service GmbH. „Um Wasserstoff umweltfreundlich zu produzieren, kommt man um den Einsatz erneuerbarer Energien nicht herum. Dann ist Wasserstoff aber ein perfekter Baustein beim Auf- und Ausbau erneuerbarer Energien. Parallel hierzu kann er eine entscheidende Rolle als Kraftstoff zukünftiger Mobilität einnehmen.“
Derzeit „schwarzer Wasserstoff“
Bereits heute werden große Mengen Wasserstoff hergestellt. Er dient als wichtiger Grundstoff für die Herstellung von Benzin und Diesel aus Rohöl und wird durch Dampfreformierung aus Erdgas hergestellt. Da er mit CO2-Emissionen belastet ist, nennt man ihn auch „schwarzen Wasserstoff“. Zwar ließe sich dieser Wasserstoff auch als Kraftstoff nutzen, das ist jedoch nicht langfristig das Ziel. Ähnlich wie ein Elektrofahrzeug, das mit Netzstrom betankt wird, lässt sich damit keine komplett emissionsfreie Mobilität realisieren, auch wenn man schrittweise mit erneuerbaren Energien produzierten Wasserstoff zumischt und dieser damit kontinuierlich sauberer wird. Idealerweise wird daher Wasserstoff entweder aus der Vergasung von Biomasse oder mittels Elektrolyse aus erneuerbaren Energien hergestellt. Moderne Elektrolyseanlagen erreichen heute schon Wirkungsgrade bis 60 Prozent. Damit lässt sich, zum Beispiel an windreichen Tagen oder wenn Photovoltaik-Kraftwerke in der Mittagszeit mit bis zu 30 GW Leistung ins Netz drängen, überschüssige Energie in Wasserstoff speichern. Dieser kann bei Bedarf in Gasturbinen oder Brennstoffzellen verstromt werden oder als Kraftstoff dienen. „Auch die Herstellung von Bio-Wasserstoff aus Grünalgen wäre möglich“, ergänzt Tom Elliger. „Versuche, Wasserstoff in einem Bioreaktor über eine Photosynthese-Variante herzustellen, befinden sich derzeit noch im Forschungsstadium.“
Noch hat Wasserstoff in der Gesamtkette gegenüber batterieelektrischer Mobilität einen Effizienznachteil. Entscheidend werden hier die Emissionskosten sein. Systembedingt hat der Wasserstoff hier viele Vorteile. Volker Blandow, E-Mobilitäts-Chef beim TÜV Süd, bringt es auf den Punkt: „Wasserstoff ist vor allem Elektromobilität. Verglichen mit einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor, haben beide Formen der Elektromobilität – Wasserstoff/Brennstoffzelle und Batterie – einen erheblichen Effizienzvorteil. Denn in einem konventionellen Ottomotor bleiben bei der Nutzung von Wasserstoff nur 15 Prozent als nutzbare mechanische Energie übrig.“ Trotzdem wäre ein Wasserstoff-betriebener Ottomotor als nahezu emissionsfrei einzustufen, auch wenn geringe Mengen NOx freigesetzt werden. „Aufgrund der hohen Kosten des Wasserstoffs wird jedoch die Verwendung in einer Brennstoffzelle in Verbindung mit einem Elektroantrieb angestrebt, letztlich auch um Lärmemissionen zu minimieren“, so Volker Blandow.
Derzeit kommen bei allen relevanten Automobilherstellern Niedertemperatur-Brennstoffzellen des Typs Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM), die mit Wasserstoff und Umgebungsluft versorgt werden, zum Einsatz. Der Wasserstoff wird dabei in fast allen Fahrzeugen bei 700 bar in Drucktanks gespeichert. „Mit dem gespeicherten Wasserstoff lassen sich Reichweiten bis 700 Kilometer realisieren, die Betankungszeit liegt bei guten drei Minuten. Danach kann ich wieder 700 Kilometer rein elektrisch fahren – das ist das Charmante am Wasserstoff“, erklärt Volker Blandow.
Gerade wegen der großen Reichweiten und den damit verbundenen Vorteilen für die Elektromobilität sind die Experten von TÜV Süd an der Lösung der technischen Herausforderungen der Wasserstofftechnologie engagiert beteiligt: „Die oft zitierten hohen Kosten der Brennstoffzelle liegen an der Platinbelegung der Elektroden“, sagt Tom Elliger. „Deshalb begleiten wir auch hier Forschungsvorhaben, die nach Alternativen suchen oder die Platinbelegung reduzieren. Wir sehen die Hersteller auf einem guten Weg.“
29 Tankstellen heute, 50 in 2015
Die Frage nach der nächsten Wasserstofftankstelle kann der TÜV Süd heute schon beantworten. Unter www.netinform.de/h2/h2stations sind alle Wasserstofftankstellen gelistet. In Deutschland sind mit Stand Juli 2013 29 Tankstellen in Betrieb. 50 sollen es laut TÜV Süd im Jahr 2015 sein. Unklar ist, wer den Tankstellenausbau finanziert, solange nur wenige Fahrzeuge zum Tanken fahren. Andererseits ist die Anzahl dieser Fahrzeuge noch zu gering für ein flächendeckendes Netz.
In einer neuen Kooperation mit Ford und Renault-Nissan will Daimler im Frühjahr das erste Wasserstoff-Serienfahrzeug auf den Markt bringen. Auch bei Toyota wird an der Serienreife der Wasserstoffautos gearbeitet; Prototypen sind auf den Straßen. Für 2015 plant der japanische Hersteller die Markteinführung eines Pkw mit Brennstoffzelle für Privatkunden. 1.000 davon sollen nach Deutschland kommen. Vom Know-how der Japaner profitiert auch BMW. Die Münchner arbeiten bereits länger mit Toyota am Thema Brennstoffzelle. Bis 2020 soll die Entwicklung abgeschlossen sein. Zudem wollen beide Unternehmen gemeinsame Codes und Standards für die Wasserstoff-Infrastruktur entwickeln. Seit Ende 2012 ist Hyundai mit dem ix35 FCEV auf dem koreanischen Markt, das Fahrzeug nur für kommerzielle Leasingnehmer erhältlich. Bis 2015 sollen jährlich 1.000 Pkw vom Band fahren, nach 2015 plant man deutlich höhere Stückzahlen. Nach Kopenhagen hat Hyundai bereits 15 Autos geliefert, weiter gehen soll es in Schweden, Norwegen und speziell Kalifornien.
Dass Wasserstoff vor allem in E-Fahrzeugen kommen wird, davon sind beide TÜV-Experten überzeugt. Volker Blandow: „Hierfür sprechen vor allem die Lösung des Reichweitenproblems und die kurzen Tankzeiten. Trotzdem sehe ich auch das batterieelektrische Auto weiterhin als Option. Wie viel Batterie und wie viel Brennstoffzelle – etwa in Range-Extender-Konzepten – sich dann in solchen Fahrzeugen finden werden, entscheiden die Kosten.“ Bislang schneiden beide Technologien in Grenzwertbetrachtungen ähnlich ab. Systembedingt spricht das im Nutzwert jedoch für die Brennstoffzelle.
Selbst das Thema Sicherheit kann vor dem Hintergrund heutiger Standards als gelöst betrachtet werden. Julian Zwick, Fachbetreuer Elektromobilität bei der TÜV Süd Auto Service GmbH in München, vergleicht sie mit heutigen Standards von CNG-Fahrzeugen. „Für den Umgang mit Wasserstoff in Werkstätten gelten ähnliche Sicherheitsregeln wie für Erdgas (Methan)“. Wer sie berücksichtigt, setzt sich keinen größeren Gefahren aus als bei Arbeiten an konventionellen Fahrzeugen. Das Besondere am Brennstoffzellenfahrzeug ist jedoch die Kombination der Bereiche Druck und Gas mit dem elektrischen Antrieb, der aus diversen Hochvoltkomponenten besteht. Hier ist das richtige Know-how gefragt.“
Werkstattbetreiber sollten daher in den nächsten Jahren den Markt beobachten und bei einer merklichen Zunahme von Wasserstofffahrzeugen frühzeitig beginnen, Mitarbeiter zu schulen. Bereits jetzt bietet der TÜV Süd rund um das Thema Wasserstoff umfangreiche Beratungen, Prüfungen, Zertifizierungen und Mitarbeiterschulungen für Industrie und Gewerbe an.
Die Erfolgsaussichten für Wasserstoff als Energiespeicher sehen dem TÜV Süd zufolge mehr als gut aus. Tom Elliger formuliert es so: „Wasserstoff ist eine charmante Lösung, mit der sich die meisten Probleme im Bereich Mobilität mit einem Schlag lösen lassen. Die Entwicklung hin zum Wasserstoff ist daher mehr als konsequent.“ Marcel Schoch
