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17.09.2019

Wasserstoff: Hype oder das nächste große Ding?

Als im Juni eine von Nel ASA installierte Wasserstofftankstelle in Norwegen plötzlich explodierte und in Flammen aufging, flüchteten die Anteilseigern in Scharen aus der Aktie. Die Wasserstoff-Antriebs-Technologie wird jedoch immer ausgereifter und bietet Investmentchancen. Doch haben wir es nicht bereits mit einem Hype zu tun? Wir haben hierzu dem hochkarätigen Wissenschafter Detlef Stolten, Professor für elektrochemische Verfahrenstechnik am deutschen Forschungszentrum Jülich, gefragt.

von Wolfgang Regner

Detlef Stolten, Forschungszentrum Jülich

Detlef Stolten, Forschungszentrum Jülich

Foto: FZ Jülich

FONDS exklusiv: Der Wasserstoffantrieb wird in letzter Zeit als Alternative zu bisherigen Elektroautos ins Spiel gebracht. Wie sehen hier die technischen Grunddaten aus?

Detlef Stolten: Der Wirkungsgrad eines batterieelektrischen Fahrzeugs liegt unseren Rechnungen zufolge – dabei ist Schnellladung inkludiert – bei 67 Prozent. Es werden teilweise höhere Werte angegeben, die aber dann die Schnellladung nicht oder nur in geringerem Umfang berücksichtigen. Der hohe Wirkungsgrad des Batterieantriebes berücksichtigt nicht, dass ein Teil des Stromes auch zwischengespeichert werden müsste. Dabei sind Batteriespeicher nur für sehr kurze Speicherzeiten unter einem Tag geeignet. Der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellenfahrzeugs liegt bei 38 Prozent- von der Stromquelle (Solarzellen oder Wind) bis zum Rad gerechnet. Ein Verbrennungsfahrzeug hat derzeit einen Wirkungsgrad von etwa 18 Prozent. Damit ist der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle mit einem speicherbaren Energieträger mehr als doppelt so hoch. Das berücksichtigt 70 Prozent Wirkungsgrad der Elektrolyse sowie 60 Prozent Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sowie weitere vier Prozentpunkte, die in der Distribution des Wasserstoffes als Verluste entstehen.

FONDS exklusiv: Welche Vorteile bietet der Wasserstoff?

D.S.:
Der Strom beim Laden des Batteriefahrzeugs muss direkt zur Verfügung stehen, während Wasserstoff ein Speichermedium darstellt und damit netztauglich ist. Das bedeutet, dass er zu Zeiten hoher erneuerbarer Produktion aus Überschussstrom hergestellt, gespeichert und dann zu einem späteren Zeitpunkt dem Fahrzeug zugeführt werden kann. Eine derartige Zwischenspeicherung über mehrere Tage bis hin zu einer Saison ist nur über Gase wirtschaftlich darstellbar. Hierbei stellt Wasserstoff den einfachsten und wirtschaftlichen Pfad dar.

FONDS exklusiv: Da stellt sich aber noch die Preisfrage.

D.S.: Die Preisfrage ist eine Frage der Massenproduktion sowie auch eine Frage einer evolutionären Weiterentwicklung. Seit dem Jahr 2000 bis heute ist der Platingehalt in einem Fahrzeug von etwa 200 Gramm auf 20 Gramm gesunken. Ein Zielwert von fünf bis zehn Gramm erscheint aus heutiger Sicht durch Weiterentwicklung (ohne notwendige Sprünge in der Forschung) erreichbar. Damit würde sich das Fahrzeug im Bereich der heutigen Beladung von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren (fünf bis sieben Gramm) bewegen. Ähnliches gilt für die Leistungsdichte der Brennstoffzelle, die seit dem Jahr 2000 von unter einem Watt /Kilogramm auf heute sechs Kilowatt /Kilogramm gestiegen ist- das ist eine Versechstausendfachung. Beides sind Signale für eine starke Weiterentwicklung, die sich auch im Preis auswirkt. Nach Untersuchungen des US-Energieministeriums liegen die derzeitigen Brennstoffzellen bei 39 Dollar pro Kilowatt, wenn sie in Massenproduktion produziert würden. Zielwert sind hierbei 30 Dollar pro Kilowatt, was einem Verbrennungsmotor entspricht. Auch dabei ist zu sehen, dass der Zielwert erreichbar ist. Brennstoffzellen sind derzeit teurer aufgrund einer geringen Produktionsmenge, die für eine Marktentwicklung auch richtig ist, da die Firmen auch mit den Produkten im Markt Erfahrung gewinnen müssen, bevor ein Hochfahren der Produktion erfolgt. Brennstoffzellenfahrzeuge sind bezogen auf die Reichweite derzeit nicht teurer, sondern billiger als Elektrofahrzeuge, wenn Reichweiten über 400 km erreicht werden sollen.

FONDS exklusiv: Gibt es noch praktische Hindernisse, wie etwa die Abkühlung des Wasserstofftanks, der ja, wenn mit flüssigem Wasserstoff befüllt, den Treibstoff auf unter minus 200 Grad abkühlen müsste. Zudem diffundiert Wasserstoff relativ leicht durch andere Materialien.

D.S.: Heutzutage werden bei PKWs Drucktanks auf 700 bar Druckniveau verwendet. Diese bestehen aus einem inneren Liner und einer äußeren Hülle aus gewickelter und mit Harz verklebter Carbonfaser. Diese Tanks müssen nicht gekühlt werden, da sie Wasserstoff unter hohem Druck enthalten. Sie dienen auch langfristig als verlustlose Speicher. Die innere Schicht zur Verhinderung der Diffusion von Wasserstoff durch die Speicherwand besteht entweder aus Aluminium (älterer Typ) oder einer Kunststoffschicht aus Polyethylen oder Polypropylen (moderner). Insbesondere Polyethylen ist ein Massenwerkstoff der auch kostengünstig zur Verfügung steht. Carbonfaser hingegen ist durchaus ein teurer Werkstoff, der auch für die nicht vernachlässigbaren Kosten des Speichers mitverantwortlich ist. Hier sind weitere Entwicklungsarbeiten nötig. Auch Flüssigspeicher für Wasserstoff werden nicht aktiv gekühlt, sondern durch ihre Verdampfungswärme kalt gehalten. Derartige Speicher sind zur großskaligen Speicherung von Wasserstoff sehr effizient, insbesondere da der geringe Anteil Wasserstoff der dann verdampft bei großskaligen Speichern auch direkt verwendet werden kann. Je größer der Speicher ist, desto geringer ist die spezifische Verdampfung. Deshalb eignen sich kleine Speicher für PKWs nicht und sind heute auch nicht mehr in der Diskussion. Für Schwerlast-Kraftfahrzeuge kann Flüssigwasserstoff an Bord durchaus Sinn machen und ist Gegenstand von Untersuchungen.

FONDS exklusiv: Allerdings ist nicht jeder Wasserstoff auch wirklich „grün“, außer er wird durch den Einsatz regenerativer Energiequellen erzeugt.

D.S.: Das stimmt, derzeit wird noch der Großteil des Wasserstoffes über Dampfreformierung von Methan erzeugt, und ist somit nicht CO2-neutral. Das Ziel, Elektrolyse einzusetzen, um Wasserstoff aus erneuerbarer Energie herzustellen ist notwendig. An dieser Stelle haben wir viele Systemrechnungen durchgeführt die zeigen, dass dies inklusive der Distribution des Wasserstoffes auch wirtschaftlich werden kann. Auch vollelektrische Batteriefahrzeuge verwenden vielfach noch immer hoch kohlelastigen Strom, was die CO2-Bilanz nicht so gut aussehen lässt. Zudem benötigt man beim H2-Auto zusätzlich eine Batterie als Zwischenspeicher (Batterien speichern zusätzlich die Bremsenergie und überschüssigen Strom aus der Zelle). Darin kann ich aber keine Nachteile erkennen. Die Batterie dient der Systemoptimierung. Das Gesamtkonzept ist voll elektrisch und damit wesentlich einfacher als jede hybride Lösung mit Verbrennungsmotor, wartungsfreier (zum Beispiel Ölwechsel entfallen) und es wird eine Lösung mit hoher Speicherdichte (Brennstoffzelle mit Speicher) mit einer Lösung mit hoher Systemdynamik (Batterie) intelligent gekoppelt. Ein solches System kann größere Fahrzeuge über größere Distanzen bewegen, als eine reine Batterielösung. Zudem ist es effizienter und langlebiger als eine reine Brennstoffzellenlösung ohne Batterie. Außerdem kann die Batterie relativ klein ausfallen, da der Kraftstoff mit an Bord ist.

FONDS exklusiv: Als gravierender Nachteil von Wasserstoff gegenüber anderen Energieträgern wären da noch die hohen Produktionskosten.

D.S.: Insbesondere im Elektrolyseverfahren ist der Energieaufwand bei der Wasserstoffproduktion hoch. Doch die Kosten sind in den letzten Jahren deutlich gesunken. Da bei der Herstellung von Wasserstoff sehr viel Strom benötigt wird, entstehen, je nach Produktion des verwendeten Stroms, auch Emissionen. Dieser Nachteil kann jedoch vermieden werden, wenn für die Stromherstellung regenerative Energiequellen genutzt werden. Auch beim Transport von Wasserstoff fallen Energie-kosten an. Für den Transport muss der gasförmige Wasserstoff entweder unter Druck gesetzt (bis 700 bar) oder verflüssigt werden. Flüssiger Wasserstoff hat 99,9 Prozent weniger Volumen als das Gas. Flüssig wird Wasserstoff allerdings erst bei minus 253 Grad Celsius. Dabei benötigt die Kühlung deutlich mehr Energie als die Kompression. Letztere ist daher die bevorzugte Lösung für PKWs.

FONDS exklusiv: Wie sieht es mit Wasserstoff-Tankstellen aus?

D.S.: Was die Ladeinfrastruktur anbelangt, so befindet sich diese auch bei E-Autos noch im Aufbau. Eine analoge Infrastruktur besteht in Kalifornien, Japan und wird in Korea derzeit aufgebaut. Zudem baut China eine Wasserstoffinfrastruktur in großem Maße auf. Während die milliardenschwere Förderung von Elektrofahrzeugen ausläuft, soll sie in China für H2-betriebene Vehikel weiterlaufen. Da müssen andere Länder nachziehen. Nur Japan und Südkorea schreiten derzeit voran. In Deutschland sollte es bis Ende 2019 rund hundert H2-Tankstellen geben.

FONDS exklusiv: Wie lange wird es bis zur Massenserienreife dauern?

D.S.:
Bei Brennstoffzellen sind noch weitere Fortschritte bis hin zur Massenproduktion erforderlich. Dabei geht es vor allem um die Produktion von Zellstapeln („Stack“), die das Herzstück der Brennstoffzelle bilden. Der Stack ist für die Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie verantwortlich. Bisher werden mehrere Hundert Brennstoffzellen pro Fahrzeug noch in Handarbeit miteinander verschaltet. Das ist teuer und für die Massenproduktion ungeeignet.


FONDS exklusiv: Wie sehen die Wasserstoff-PKW-Verkäufe aus?

D.S.: Hyundai hat im Jahr 2019 bisher 8000 PKWs mit Brennstoffzelle ausgeliefert. Es gibt aber das klare Ziel von Hyundai als nächstes eine Produktionsanlage für 50.000 Pkw pro Jahr aufzubauen. Weitere Vorteile des Wasserstoff-Antriebs neben der größeren Reichweite, sind bessere Einsatzmöglichkeiten im Schwerlastverkehr, auf der Langstrecke und ein kürzerer Tankvorgang. So hat Hamburg Wasserstoffbusse mit zusätzlicher Batterie im öffentlichen Nahverkehr getestet, Köln hat nachgezogen. Alstom baut 27 Brennstoffzellen-Züge für den Rhein-Main-Verkehrsverbund (RMV). Die H2-Erzeugung ist zudem in den letzten Jahren günstiger geworden und das wird weiter fortschreiten. In Zukunft wird sich Wasserstoff aus überschüssiger Windenergie in Regionen nahe dicht besiedelter Zentren kostengünstig erzeugen lassen. Als weitere Option stehen Importe aus sonnen- oder windreichen Gegenden, in denen beispielsweise Strom aus Fotovoltaik mit unter zwei Cent pro Kilowattstunde erzeugt werden kann zur Diskussion. Damit stellt Wasserstoff eine kostengünstige Alternative zu fossilen Treibstoffen dar. Für den globalen Brennstoffzellenmarkt sieht das Researchhaus BCC ein jährliches Wachstum von knapp elf Prozent bis 2024 auf ein Marktvolumen von knapp 24 Milliarden Dollar voraus.

FONDS exklusiv: Welchen Ausblick können Sie geben?

D.S.: Insgesamt sehe ich beide Antriebe (batterieelektrisch bzw. Brennstoffzelle) in der Zukunft als parallele Optionen, so wie es heute auch verschiedene Kraftstoffe für Fahrzeuge gibt. Da die Brennstoffzelle einen sehr hohen Wirkungsgrad bei Teillast hat, ist sie für den motorischen Antrieb in einem Pkw sehr gut geeignet. Bei stationären Motoren inklusive Zurückverstromung können Brennstoffzellen durchaus in Konkurrenz zu Gasturbinen oder herkömmlichen Schiffsantrieben treten. Brennstoffzellen erzeugen in der ‚kalten Verbrennung‘ nicht nur elektrische Energie, sondern auch Wärmeenergie. Ein großer Vorteil, doch nicht nur das macht sie so energieeffizient. Durch das direkte Umwandeln von Energie nutzen Brennstoffzellen den Energiegehalt des eingesetzten Brennstoffs fast vollständig. Die elektrochemische Energieumwandlung hat noch weitere Vorteile gegenüber der Verbrennung: Brennstoffzellen arbeiten praktisch schadstofffrei, da sie nur Wasserdampf produzieren. Lediglich das Beheizen des Reformers verursacht Kohlendioxid-Emissionen, weil hier in der Regel konventionelles Erdgas benutzt wird. Noch klimafreundlicher ist es deshalb, wenn Brennstoffzellen reinen Wasserstoff statt Erdgas als Brennstoff nutzen und damit auf den Reformer verzichten können. Doch das ist Zukunftsmusik. Möglich ist hingegen schon das Verwenden von CO2-neutralem Bio-Erdgas statt Erdgas. Außerdem machen Brennstoffzellen bewegliche Teile wie Kolben und Getriebe, die laute Betriebsgeräusche verursachen könnten, weitgehend überflüssig. Das macht sie verschleiß- und wartungsarm.