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Alternative Antriebe Deutsche Forscher treiben die Aufholjagd der Brennstoffzelle voran

Wasserstoffantriebe sollen im Mobilitätssektor ihren Platz finden. Experten arbeiten daran, die Kosten zu drücken und die Produktion auf industrielles Niveau zu heben.
04.05.2021 - 10:03 Uhr 1 Kommentar
Die Chancen stehen gut, dass die Technik eine immer größere Rolle spielen wird. Quelle: Mahle GmbH
Testanlage für die Nutzung von Wasserstoff beim Automobilzulieferer Mahle

Die Chancen stehen gut, dass die Technik eine immer größere Rolle spielen wird.

(Foto: Mahle GmbH)

Köln Gleitflugzeug, Propellermaschine, Düsenjet und demnächst: Brennstoffzellen-Passagiermaschine. So könnte die Geschichte der Luftfahrt fortgeschrieben werden. Zumindest wenn es nach dem Willen von André Thess geht. Der Leiter des Instituts für Technische Thermodynamik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat große Pläne: „Wenn wir erfolgreich sind, dann ist unsere Entwicklung für die Luftfahrt so wichtig wie die des Schiffsdieselmotors für die Schifffahrt.“

Im Projekt Balis, das der Bund mit 26 Millionen Euro fördert, will Thess mit seinen Kollegen zeigen, wie auch größere Flugzeuge mit Brennstoffzellenantrieb abheben können. Bisher ist das erst mit einem Viersitzer gelungen. Das Problem: Die bislang verwendete Technik lässt sich nicht auf größere Flugzeuge skalieren. „Statt viele kleine Brennstoffzellen zusammenzuschalten, wollen wir ein großes System entwickeln“, sagt Thess.

So soll die Brennstoffzelle mehr Energie bei weniger Gewicht freisetzen. Schon in fünf Jahren soll die neue Technik im Bodenversuch nachweisen, dass mit ihrer Hilfe auch ein Flugzeug mit 20 Passagieren aufsteigen kann.

Ob für die Mobilität in der Luft, auf Straßen und Schienen oder auf dem Wasser – das DLR-Projekt ist nur ein Beispiel für die intensiven Anstrengungen, mit denen deutsche Forschungsinstitute Brennstoffzellen in Fahrzeugen aller Art zum Einsatz bringen wollen. Bislang sind hierzulande nur einige Hundert Pkws mit Elektroantrieben unterwegs, die mithilfe von Wasserstoff auf Touren gebracht werden.

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    Gängiger ist diese Antriebsart dagegen bei Lastkraftwagen. Auch in der Lagerlogistik und bei Schienenfahrzeugen kommt die Brennstoffzelle schon zum Einsatz. Die Chancen stehen gut, dass die Technik eine immer größere Rolle spielen wird.

    Bis 2050 wollen Deutschland und die EU klimaneutral sein. Auf dem Weg dahin bremst vor allem der Verkehrssektor. Hier sanken die Emissionen laut Klimaschutzbericht der Bundesregierung von 1990 bis 2019 gerade mal von 164 auf 163 Tonnen CO2-Äquivalente.

    Grafik

    Was effizientere Motoren einsparten, wurde durch ein wachsendes Verkehrsaufkommen wieder zunichtegemacht. Zum Vergleich: Im selben Zeitraum schafften es Energiewirtschaft und Industrie zusammen, ihren Ausstoß von 750 auf 466 Tonnen CO2-Äquivalente zu drücken – ein Minus von fast 28 Prozent.

    „Unverzichtbare Ergänzung“

    Auch Brennstoffzellen sollen die Verkehrswende voranbringen, sie seien „eine unverzichtbare Ergänzung zu den leistungs- und reichweitenbeschränkten Batteriefahrzeugen“, heißt es beim Bundesverkehrsministerium. Ob sie diese Rolle ausfüllen können, hängt stark von Innovationen ab. Wissenschaftler entscheiden mit darüber, ob die noch vergleichsweise teure Brennstoffzellentechnik konkurrenzfähig wird.

    Der Bund schiebt kräftig an: Die Nationale Wasserstoffstrategie (NWS) etwa sieht neun Milliarden Euro an Förderung für den Markthochlauf einer Wasserstoffwirtschaft vor, die den Verkehrssektor einschließt.

    Hoch ist der Einsatz für die Brennstoffzellen-Mobilität in der Fraunhofer-Gesellschaft. „H2D“ heißt die Plattform, die die Aktivitäten von 28 Instituten bündelt. Zu ihnen zählt das Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz. Mit einem 1940er-Jahre-Sportwagen, der „Silberhummel“, wird der Einsatz in Fahrzeugen auch mit Blick auf Materialien oder die Wärmeregulierung getestet. Ziel ist, die Brennstoffzellen-Bauteile, Stacks genannt, günstiger und in Großserie fertigen zu können.

    Selbst Zweiräder haben die Fraunhofer-Experten im Blick – am Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (Ifam). Der Einsatz des gasförmigen Wasserstoffs, wie bei Pkws üblich, ist bei E-Scootern oder E-Bikes kaum möglich. Denn sie bräuchten dazu einen teuren Drucktank.

    Die Dresdener Wissenschaftler umgehen dieses Problem. Sie haben einen Weg gefunden, Wasserstoff in einer Paste zu speichern, die auf dem Feststoff Magnesiumhydrid basiert. „Damit lässt sich Wasserstoff bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck chemisch speichern und bedarfsgerecht wieder freisetzen“, erklärt Lars Röntzsch, Abteilungsleiter Wasserstofftechnologie am Ifam.

    Die Idee: E-Zweirad-Fahrer wechseln einfach eine Kartusche mit Paste und füllen für die Reaktion in der Brennstoffzelle zusätzlich Leitungswasser in einen Tank. Das vermeidet Ladezeiten, die beim Batteriebetrieb nötig sind. Zudem soll die Paste die Reichweite erhöhen. In drei bis fünf Jahren könne die Innovation zur Marktreife geführt werden, schätzt Röntzsch.

    Ziel ist, dass der Einzelhandel die Kartuschen verkauft. Derzeit baut das Ifam eine Anlage, die Ende des Jahres bis zu vier Tonnen der Paste pro Jahr produzieren soll. „Der nächste Schritt für den Durchbruch der Brennstoffzellenmobilität ist die Skalierung auf einen industriellen Maßstab“, sagt Röntzsch.

    Prüfstand ermittelt Schwachstellen

    Grundsätzlicher geht Markus Hölzle das Thema an. Der Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) stellt Brennstoffzellen auf den Prüfstand – mit Blick auf ihre Lebensdauer oder technische Schwachstellen. Die Nachfrage boomt. Anfang nächsten Jahres soll die neue Wasserstoff-Forschungsfabrik Hyfab am Standort Ulm fertiggestellt sein.

    Der Bund und das Land Baden-Württemberg fördern das Projekt mit insgesamt fast 50 Millionen Euro über einen Zeitraum von zehn Jahren. Die Anzahl der Teststände verdoppelt sich dann auf 40. „Wir wollen in Deutschland eine Industrie für die Brennstoffzelle schaffen“, sagt Hölzle.

    Die Lithium-Ionen Batterie habe vorgemacht, wie die Preise sinken können. „Die Kosten für eine Lithium-Ionen-Batterie sind binnen zehn Jahren um den Faktor zehn gesunken. Ähnliches erwarten wir bei entsprechender Industrialisierung auch für die Brennstoffzelle.“

    Für Pkws allerdings kommt die Brennstoffzelle wohl zu spät. Die Technologie und der Ausbau der Infrastruktur für Autos mit Lithium-Ionen-Batterie habe einen zu großen Vorsprung, sagt Hölzle. „Autobauer hatten technisch keine andere Wahl, als auf die Batterie zu setzen. Sonst hätten sie ihre gesetzlich auferlegten Flottenemissionen überschritten und Strafen zahlen müssen.“

    Der Fokus der Brennstoffzellenentwicklung habe sich deshalb in Richtung Lkw verschoben. Dort tun sich die Batterie-Antriebe schwer. Schon ihr Gewicht könnte die Achsen des Lkws überfordern.

    Noch sind Brennstoffzellen-Lkws teuer – was sich aber laut einer Studie der niederländischen NGO Transport & Environment (T&E) ändern könnte. Danach ist möglich, dass Brennstoffzellen-Lkw unter Berücksichtigung aller Kosten für Anschaffung, Betrieb und Infrastruktur sowie von Steuern im Jahr 2030 kostenmäßig mit der Dieselvariante gleichziehen.

    Bei den schweren Trucks stoßen Batterieantriebe an ihre Grenzen. Quelle: http://media.daimler.com
    Entwurf eines Brennstoffzellen-Lkws von Daimler

    Bei den schweren Trucks stoßen Batterieantriebe an ihre Grenzen.

    (Foto: http://media.daimler.com)

    Forscher Hölzle sieht noch weitere Gründe für einen Erfolg der Brennstoffzellen-Lkws: „Die Politik hat Wasserstoff als Energieträger der Zukunft ganz klar positioniert und priorisiert. Die Kosten für die Wasserstofferzeugung sinken stark, und weltweit strömt nun viel Kapital in zukünftige, grüne Energie.“

    Die Fertigungskosten senken will Jürgen Fleischer, Leiter des Instituts für Produktionstechnik (WBK) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Er nimmt sich dafür die für die Brennstoffzelle unverzichtbare Membran-Elektroden-Einheit (MEA) vor, die ihrerseits aus verschiedenen Bauteilen besteht.

    Die Produktion der MEA erfordert anspruchsvolle raumklimatische Bedingungen. Der Betrieb der dabei üblichen großen Klimakammern ist teuer. Ziel des vom Land Baden-Württemberg mit einer Million Euro geförderten Projekts Klimea ist es, lokale kleine Klimakammern – wie Käseglocken – in die Produktionsanlage einzuklinken. Die Produktion soll dadurch günstiger und schneller werden.

    Gebündelt könnten die einzelnen Innovationen einen mächtigen Hebel ergeben. So haben Forscher verschiedener Fraunhofer-Institute errechnet, dass die Produktion gängiger 100-Kilowatt-Brennstoffzellensysteme für Autos im industriellen Standard noch rund 5000 Euro kosten würde – 90 Prozent weniger als zurzeit. Die Aufholjagd der Wasserstoff-Fahrzeuge hat schon begonnen.

    Mehr: Daimler und Volvo starten Aufholjagd bei Brennstoffzellen für Fernverkehr-Lkws

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    1 Kommentar zu "Alternative Antriebe: Deutsche Forscher treiben die Aufholjagd der Brennstoffzelle voran"

    Das Kommentieren dieses Artikels wurde deaktiviert.

    • Es macht mich immer wieder (fast) fassungslos, dass in solchen H2-Lobhudeleien nicht mal angesprochen wird, wie das H2 entsteht und was da verloren geht. Nehmen wir Elektrolyse. Wenn und solange grüne elektrische Leistung nicht im Überfluss vorhanden ist, dann sollte sie zuallererst zur Reduktion fossiler Leistung eingesetzt werden. Sonst muss man ihr das CO2 aus der fossilen Erzeugung zurechnen. Das ist beim H2 besonders übel, weil die Erzeugung über Elektrolyse mit folgendem Einsatz in der Brennstoffzelle mehr als 70% Verluste produziert. Die ganze Diskussion über Kosten usw. ist da doch Nebensache (und vielleicht absichtliche Ablenkung?). H2-Erzeugung in Südchile geht, weil es da eh kein Netz gibt. Aber bei uns ist sie noch sehr lange ökologisch unsinnig.

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