Jetzt kann also nichts mehr schief gehen: Die Zukunft ist gesichert. Die Bundesregierung hat in ihrer inkommensurablen Weitsicht die Errichtung eines neuen Industriezweiges beschlossen. Ein neues Gewerbe, das sich sonst über Jahrzehnte hinweg mit vielen Rückschlägen entwickelt und häufig genug im Orkus der Geschichte entschwindet, wird jetzt – zack – aufgebaut.
Deutschland macht jetzt auf Wasserstoff, hämmert schnell mindestens neun Milliarden Euro hinein und will, dass möglichst rasch – zackzack – eine Wasserstoffinfrastruktur steht und Wasserstoffautos fahren. Zeitgleich werden Abteilungen von Batterieforschung eilig auf Wasserstoff umgeschichtet. Gestern top – morgen flop. So schnell kann eine gerade angestoßene Entwicklung wieder entsorgt werden, absonderlicher kanns in einem Ministerium nicht mehr zugehen.
Im 18. Jahrhundert schon hatte der Namensgeber der elektrischen Spannung, der italienische Physiker Graf Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, mit Hilfe seiner voltaischen Säule, der Urform einer Batterie, die Elektrolyse von Wasserstoff vorgeführt. Er konnte nicht ahnen, dass 220 Jahre später ein Ministerpaar in Deutschland deren Tragweite entdecken sollte.
Euphorie und Ernüchterung
Nach dem sogenannten Ölschock 1973 geriet der Wasserstoff als Alternative für Benzin und Diesel in den Blickwinkel der Konstrukteure. »Eine genauere Betrachtung«, so resümiert 2004 der ehemalige Leiter bei der früheren Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. (DFVLR) Prof. Walter Peschka nüchtern, »zeigt jedoch, dass von der zugeführten Energie im günstigsten Falle etwa 50 Prozent für den Fahrzeugantrieb zur Verfügung stehen, da ein Teil der von der Zelle gelieferten elektrischen Energie zur Aufrechterhaltung es Zellbetriebes, beispielsweise Kühlung, Luftvorverdichtung, Gasumwälzung uws. benötigt wird.« Zu hohe Energieverluste also. Auf die Euphorie folgt die Ernüchterung.
Die DFVLR hatte in den 1980er und 90er Jahren intensiv die Wasserstoffenergietechnik erforscht. Peschkas Schluss: »Nach wie vor ist daher die Verbrennungskraftmaschine für den Fahrzeugantrieb bezüglich Entwicklungsstand, Entwicklungspotential, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit bei Herstellung und Betrieb kaum zu überbieten.«
Die Ingenieure in der Autoindustrie zeigten sich eher skeptisch, ob Wasserstoff an Bord eines Autos so gut zu handhaben wäre wie Benzin oder Diesel. Wasserstoff ist ein sehr reaktives Gas, greift Materialien und Wände an; es entstehen immer Nebenprodukte, die schwierig zu handhaben sind und damit den Umgang teuer machen.
Wasserstoff ist ein sehr leichtes Gas mit einem dreifach so hohen Energiegehalt wie Benzin – allerdings nur auf das Gewicht bezogen. Es benötigt viel Platz. Bedeutet: Mit einer Tankfüllung kommt man nicht so weit. Erst wenn das Gas gewaltig zusammengepresst oder tiefgekühlt und dadurch das Volumen erheblich verkleinert wird, wird es einigermaßen brauchbar. Doch das Zusammenquetschen bis auf gewaltige 700 bar kostet wiederum viel Energie.
Autoingenieur Dr.-Ing Dirk Spaniel, AfD-Verkehrssprecher und wohl der einzige Bundestagsabgeordnete, der mal einen Motor von innen gesehen hat, weist auf den erheblichen Aufwand und die Kosten hin: »Aufgrund der sehr geringen Dichte von Wasserstoffgas benötigt Wasserstoff eine enorme Kompression oder Kühlung, damit es in sinnvoller Energiemenge in einem Fahrzeug mitgeführt werden kann – beide Prozesse benötigen bei einer Verdichtung auf 700 bar mit 30 Prozent bereits einen großen Teil der chemischen Energie im Wasserstoff selbst.« Er sagt: »Dies sorgt für eine hohen Energieverlust der anfangs investierten Energie. Über die gesamte Prozesskette sind sogar Verluste von 75 Prozent der Erzeugungsenergie realistisch.« Das bedeutet, dass dreiviertel der eingesetzten Energie, mit der Wasserstoff erzeugt, verloren geht.
So rollt das Wasserstoff-Auto – wenn es rollt
Doch schon häufig wurde in der Vergangenheit verkündet, das Auto der Zukunft fahre mit Wasserstoff. Viele Konzepte wurden entwickelt – und wieder verworfen. Fast jeder Autohersteller hat schon Millionen an Entwicklungskosten in die Wasserstofftechnologie versenkt.
Den Entwicklern stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung: Wasserstoff kann direkt in einem Ottomotor mit Luft verbrannt werden. Diese Variante wählten ab 1982 die Ingenieure bei BMW. Sie nutzten flüssigen Wasserstoff, um ihn im Ottomotor wie Benzin zu verbrennen.
Später, ab etwa 2000 – erprobten sie die Wasserstofftechnik in ihren Versuchsfahrzeugen mit »Hydrogen« und mussten erst einmal den Tank extrem gut und aufwendig isolieren. Eine Tasse Kaffee wäre darin erst nach drei Monaten kalt geworden. Der Wasserstoff befeuerte dann als Brennstoff direkt einen veränderten Zwölfzylindermotor. Doch die Entwickler bekamen die Materialprobleme nicht zu vertretbaren Kosten in den Griff.
BMW entwickelte auch Tanks mit sogenannten Metallhydriden und nutzte dabei den Effekt aus, dass Metalle Wasserstoff zwischen ihre Atome einlagern können. Diese Prozesse allerdings liefen zu langsam ab. 2009 verlor dann BMW den Glauben an den Wasserstoffantrieb und stellte die Versuche ein.
Eine zweite Möglichkeit der Autoentwickler: Wasserstoff reagiert in einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff aus der Luft. Dabei entsteht Strom, der einen Elektromotor speist. Dieser Elektromotor wiederum treibt das Auto an.
Diese Technologie konnte allerdings erst 120 Jahre später weiter entwickelt werden, als neue Materialien zur Verfügung standen. Besonders kritisch eine hauchdünne Kunststoffmembran, die in der Zelle dafür sorgt, dass Wasserstoff und Sauerstoff sich nicht vermischen, sondern nur positiv geladene Wasserstoff-Ionen durchlässt. Für die negativ geladenen Elektronen ist die Membran jedoch undurchlässig. Diese negative Ladung fließt in den Stromkreis und treibt den Elektromotor an.
Jede Brennstoffzelle erzeugt eine Spannung von etwa einem Volt. Im Auto reicht diese Leistung bei weitem nicht aus. Mehrere Zellen werden in sogenannten „Stacks“ hintereinander geschaltet. Die Zelle allerdings wird sehr heiß und benötigt eine sehr effektive Kühlung. Besonders kritisch für die Kunststoffmembran, die aufheizt und wieder abkühlt. Dieses zentrale Bauteil der Brennstoffzelle ist zudem den kritischen Nebenprodukten ausgesetzt, die immer bei Reaktionen mit Wasserstoff entstehen. Bisher deutet nichts daraufhin, dass jemand diese Probleme in den Griff bekommen hat. Der Prozess funktioniert zwar, doch diese Membranen altern. Gut geht anders.
Es müssen überdies beachtliche Mengen des kostbaren Edelmetalls Platin eingebaut werden, das als Katalysator wirkt.
Schon 1966 hatten Entwickler bei General Motors einen Kleinbus mit Brennstoffzellentechnik vollgepackt und ausprobiert. 240 Kilometer konnte der drei Tonnen schwere Electrovan mit maximal 110 Kilometer pro Stunde fahren.
Bei Opel gelang es Ingenieuren, die Brennstoffzelle und ihre Nebenaggregate so zu verkleinern, dass sie in ein normales Auto passten. Sie bauten beispielweise eine Brennstoffzelle in den Zafira HydroGen1 ein und stellte ihren Hydrogen3 auf der Internationalen Automobilausstellung (IAA) 2001 vor. 200 Zellen zusammengepackte Brennstoffzellen erzeugten eine Dauerleistung von 94 kW, der Elektromotor lieferte 82 PS. Die Opel-Entwickler liessen ihr Modell Hydrogen1 durch die heiße Wüste von Arizona fahren, den Nachfolger HydroGen3 über 10.000 Kilometer quer durch Europa von Hammerfest hoch in Norwegens Norden bis nach Lissabon und bewiesen damit, dass die Technik bei Hitze und Kälte robust funktionierte.
Opel betonte damals eigens, die Wasserstofftanks seien sicher. Es gab in Deutschland allerdings nur zwei Wasserstofftankstellen, und es hieß, dass bis 2010 rund 2.000 Wasserstofftankstellen in Deutschland errichtet werden sollten. Doch heute sind keine 100 installiert.
Carl-Peter Forster, der damalige Opel-Vorstandsvorsitzender äußerte sich überschwenglich: »Es ist unglaublich, mit welcher Geschwindigkeit sich Größe und Komplexität dieses Antriebssystems Schritt für Schritt reduzieren lässt. Und wir sehen da also auch noch erhebliches Verbesserungspotential. Wir glauben, dass dieses Thema in ein paar Jahren doch so weit kommt, dass man auch durchaus mal an eine Serienfertigung denken kann. General Motors und Opel ist da weltweit führend.«
NECAR – ein Versuch scheitert
Das erste bei Mercedes mit Wasserstoff-Brennstoffzellen angetriebenen Versuchsauto NECAR fuhr bereits 1992 in Ulm. Die Technik war in einen kleinen Transporter eingebaut. Es fuhr zwar, doch so richtig überzeugend war keiner der Versuche. Ein Auto muss im Verkehr rasch anfahren, beschleunigen und wieder anhalten können. Das passt nicht gut zu einer Brennstoffzelle, die eher gleichmäßig geringen Strom liefert und sich nicht gut regeln lässt. Deshalb liefert sie ihren Strom erst einmal in einer schweren Zwischenbatterie zum Puffern ab.
»Stattdessen werden Lastspitzen bei der Fahrzeugnutzung wie beim Anfahren, Bergauf fahren und bei Höchstgeschwindigkeit durch Strom aus einer Batterie ausgeglichen. Somit wird zusätzlich eine große Akkubatterie benötigt, die abermals das Systemgewicht des PKW erhöht. Als anschauliches Beispiel dient der Toyota Mirai, der erste Wasserstoff-Brennstoffzellen Serienwagen von Toyota. Er kostet circa 80 000 Euro, sehr viel verglichen mit seinem Hybrid Verbrenner-Schwestermodell (Corolla) für ungefähr 30 000 Euro.«
Mercedes hat denn auch in diesem Jahr die Produktion seines einzigen Fahrzeuges mit Brennstoffzellentechnologie eingestellt. Von dem GLC F-Zell werden nach etwa 3.000 Exemplaren keine weiteren gefertigt. Nur an ausgesuchte Kunden wurde er verleast, kaufen konnte man ihn nicht. Mercedes setzt fortan auf mit Batterien betriebene elektrische Fahrzeuge.
Asiatische Modelle mit der Zelle
Somit gibt es derzeit auf dem deutschen Markt nur zwei Brennstoffzellenfahrzeuge zu kaufen – beide aus asiatischer Produktion. Neben dem Toyota Mirai ( japanisch für »Himmel« ) liefert Hyundai seit Sommer 2018 seinen NEXO mit Brennstoffzelle und Elektromotor auf dem europäischen Markt aus. Preis: ab 69.000 Euro. Der Wagen ist dafür gedacht, einer umweltbewussten Kundschaft den Brennstoffzellenantrieb schmackhaft zu machen. Der südkoreanische Autohersteller Hyundai hofft, die Kosten für Brennstoffzellenfahrzeuge deutlich senken zu können, bereits 2025 sollen die Wagen nur noch so viel kosten wie Elektrofahrzeuge mit Batterieantrieb. Bis zum Jahre 2030 wollen die Südkoreaner die Produktion von derzeit 13.000 NEXO auf 500.000 pro Jahr gesteigert haben.
Bei einem Unfall mit einem Brennstoffzellen-Fahrzeug möchte man allerdings kaum rettender Feuerwehrmann sein ebensowenig wie bei einem reinen Elektroauto. 400 Volt führen die stromleitenden Teile von der Brennstoffzelle bis zum Elektromotor.
Die vorgesehenen Rettungspläne für die Feuerwehr bei einem Unfall lesen sich etwas gewöhnungsbedürftig: »Der NEXO wird mit Gleichstrom mit einer Spannung von ca. 250 – 450 V und mit unter hohem Druck stehenden Wasserstoffgas betrieben. Beachten Sie stets die untenstehenden Sicherheitsvorkehrungen. Nichtbeachtung dieser Sicherheitsvorkehrungen kann zu schweren Verletzungen oder zu Stromschlägen führen!« So dürfen die Feuerwehrleute mit ihren Rettungsscheren auf keinen Fall die gasführenden Leitungen vom Kofferraum nach vorn zum Motorraum durchtrennen.
Hochempfindliche Sensoren im Inneren des Autos und um den Tank erkennen, ob irgendwo Wasserstoff durch ein Leck austritt. Sie sind in der Lage, weniger als ein Prozent Wasserstoff in der Luft zu erkennen. Dann wird die Wasserstoffzufuhr oder sogar die gesamte Brennstoffzelle automatisch abgeschaltet.
Mit einer Tankfüllung soll man 666 Kilometer weit kommen, gibt Hyundai an. Der Wasserstoff wird an den Tankstellen bei minus 253 Grad tiefgekühlt gelagert, Pumpen pressen ihn beim Tankvorgang auf 900 bar, teilweise bis zu sagenhaften 1.000 bar in einen Zwischenspeicher. Das System absolviert beim Tanken einen Dichtheitstest, presst dann Wasserstoff über fünfstufige Verdichter in etwa drei Minuten in den Autotank. Dort herrschen dann 700 bar – 350 mal so viel wie der Druck in einem Pkw-Reifen.
Spaniel: »Nicht nur die Energieverluste bei der Kompression sind problematisch, sondern auch die technischen Voraussetzung zur Lagerung von Wasserstoff in einem PKW-Tank. Die hohe Kompression bei ungefähr 700 bar erfordert massive Carbon/Metall-Tankanlagen, die teuer, voluminös und schwer sind. Das alles erhöht die Kosten, Energieaufwand und Herstellkomplexität und ist somit kein geeigneter Weg für die zukünftige, bezahlbare Massenmobilität.«
Total Deutschland GmbH und Linde AG bauen mit ihrem Gemeinschaftsunternehmen H2 Mobility das Tankstellennetz aus. Die EU bezahlt in ihrem sogenannten Projekt Connecting Hydrogen Refuelling Stations (COHRS) mit. Ziel: 100 Wasserstoff-Tankstellen in diesem Jahr.
Geschäft mit dem Service
Die hochfliegenden Pläne einer Wasserstoffoffensive aus Berlin treffen zumindest auf die Zustimmung der Kfz-Betriebe, hoffen sie damit auf ein gutes Geschäft. Die Wartungskosten unter anderem für den regelmäßigen Austausch der Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle unter hochreinen Bedingungen alle 10.000 km sind recht hoch.
Es werden neue Fachkräfte gebraucht, die mit den Hochvolt-Batterien umgehen können. Mir gegenüber klagte einmal ein Ausbildungsleiter für den Kfz-Nachwuchs, dass allerdings Grundbegriffe wie zum Beispiel das Ohmsche Gesetz Fremdwörter seien. Keine guten Voraussetzungen für den Umgang mit gefährlichen Hochvolt Batterien.
Welche Energie und Antriebsformen sich künftig durchsetzen werden, ist also alles andere als beschlossen. Sie wird auch kaum auf Anordnung aus irgendwelchen Politbüros entschieden werden können, sondern muss ihre Vorteile gegenüber der bisherigen Technik auf dem freien Markt beweisen.
Wasserstoffexperte Spaniel ist skeptisch: »Der Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur würde tausende Kilometer hochlegierten, hoch druckfesten Edelstahls benötigen. Diese Kosten hierfür dürften mehrere hundert Milliarden Euro betragen. Das ist aus unserer Sicht eine unverantwortliche Verschwendung von Volksvermögen sollte dies subventioniert erfolgen. Wenn dies nicht subventioniert wird, ist die privatwirtschaftliche Umsetzung einer Wasserstoffinfrastruktur umzulegen auf die Energiepreise für den Endnutzer und damit nicht zu erwarten.«
Der entmachtete Volkswagen-Chef Herbert Diess erklärte noch im vergangenen Jahr auf der Internationalen Automobil Ausstellung IAA in Frankfurt eine Wasserstoff-Strategie für »Unsinn«. Die Erzeugung des Gases aus Kohlekraftwerksstrom und Elektrolyse sei »keine relevante Option für den Antrieb von Autos« ebensowenig wie aus »erneuerbaren Energien« erzeugter Wasserstoff. Er setze auf elektrische Fahrzeuge mit Batterien.
In den Anfangszeiten des Automobils sahen die elektroangetriebenen Gefährte gut aus. Der Elektroantrieb ist einfach und unkompliziert zu bedienen im Gegensatz zu den knatternden und komplizierten Motorwagen des automobilen Aufbruchs. Gottlieb Daimler, gemeinhin als Erfinder des Automobils bezeichnet, schätzte, dass insgesamt nicht mehr als 5.000 Autos verkaufbar wären. Es fehle an geeigneten Chauffeuren, die mit dem damals noch sehr komplizierten Gerät umgehen konnten.
Doch mit zum Erfolg des Systems »Auto« trugen zudem sinnreiche Erfindungen wie der elektrische Anlasser bei, der die mühselige Anlassprozedur mit der Handkurbel ersetzte. Die kostete viele gebrochene Finger. Die Bedienung wurde einfacher, das Auto dank Henry Fords Fließband billiger und die holprigen Schotterwege dank Autobahnbau geeignet für einen Autoverkehr. Erst ein solches System mit zusätzlicher flächendeckender Treibstoffversorgung erlaubte die weitgehende individuelle Mobilität in ihrer heutigen Ausprägung.
Kernkraftwerke für die E-Autos?
Der Elektroantrieb scheiterte jedoch an der mangelnden Energievorräten in Batterien. Das hat sich bis heute nicht geändert. Mit dem Energievorrat von ein paar Litern Benzin oder Diesel dagegen fährt ein Auto deutlich weiter.
Nur eine Wasserstoffproduktion auf chemischer Basis erlaubt effektive und wirtschaftliche Prozesse. So wird bereits jetzt Wasserstoff aus der sogenannten mithilfe der sogenannten Dampfreformierung bei hohen Temperaturen aus Erdgas hergestellt.
Nun bietet die Natur noch eine elegante Variante. Mithilfe der chemischen Reaktion Schwefelsäure-Jod lassen sich sehr effektiv hohe Mengen an Energie umwandeln. Fehlt nur noch am Anfang der Kette eine Energiequelle eine Quelle, die sehr hohen Energiemengen locker liefert.
Da wiederum gibt es nur eine Quelle: die Kernkraft. Das war denn auch die richtige Idee der frühen Wasserstoffbefürworter: Hochtemperaturreaktoren erzeugen preiswert Wasserstoff als Energieträger.
Die Wasserstofftechnologie insgeheim als Wiedereinführung der Kernkraft? Denn nur so wäre eine Wasserstoffwirtschaft sinnvoll. Aber dem stehen die Grünen im Weg. Kein Ausweg also für die Zukunft in Deutschland.
