Der Verkehr gibt Gas

Autokonzerne bringen neue Modelle mit Wasserstoff-Tank und Brennstoffzellen-Antrieb auf den Markt. Auch auf der Schiene, zu Wasser und in der Luft wird H2 als Treibstoff getestet. Ob sich das Gas langfristig gegen Batterien oder synthetischen Sprit durchsetzen kann, ist aber ungewiss.


Brennstoffzellenzug
Zwischen Weser und Elbe fahren jetzt Wasserstoff-Züge von Alstom. (Foto: Alstom)

In diesem Jahr gibt es ein Jubiläum zu feiern. Vor 25 Jahren präsentierte Mercedes-Benz das erste Brennstoffzellenfahrzeug. Der Necar 1 wird nach wie vor gehegt und gepflegt, um ihn im Stuttgarter Museum des Autobauers zu zeigen.

Damals brauchte man noch einen umgebauten Lieferwagen, um das Aggregat und den wuchtigen Hochdrucktank gefüllt mit Wasserstoff unterzubringen. Der wird mit Sauerstoff zusammengebracht, dabei entsteht Wasser, und es fließt elektrische Energie, die den Necar auf maximal 90 Stundenkilometer beschleunigen konnte.

Die Brennstoffzelle als Antrieb für Autos: In den vergangenen zweieinhalb Jahrzehnten wurde sie ebenso häufig totgesagt wie reanimiert. Es hat für Ingenieure offenbar einen großen Reiz, so etwas buchstäblich Elementares wie H2 für den Antrieb von Kraftmaschinen einzusetzen – trotz jeder Menge technischer Hürden: Gewicht, Größe, extrem teure Materialien, enorme Kosten.

Verschiedene Autobauer sind in die Brennstoffzellentechnik eingestiegen, ausgestiegen, wieder halb eingestiegen und wieder ausgestiegen. Zum Beispiel BMW. Auch Daimler hat mehrfach den Start von Serienfertigungen angekündigt und den Termin dann doch wieder verschoben.

Daimler stellt SUV mit Brennstoffzelle und Batterie vor

Immerhin haben die Stuttgarter aber in den vergangenen Wochen die ersten Exemplare des GLC F-Cell an Kunden ausgeliefert. Sie gehen mit dem mittelgroßen Sport Utility Vehicle (SUV) neue Wege. Mit der Kombination aus Brennstoffzelle und Lithium-Ionen-Batterie wird schon länger experimentiert. Bei dem Mercedes kommt hinzu, dass der Akku von außen, per Steckdose, geladen werden kann (Plug-in).

Markiert der GLC F-Cell jetzt den Durchbruch der Brennstoffzellentechnik? So richtig überzeugt scheinen die Leute von Daimler nicht zu sein. Das Auto wird nämlich nur in einer Kleinserie gefertigt. 1.000 Stück sollen Insidern zufolge pro Jahr an ausgewählte Kunden ausgeliefert werden. Verkauft wird der Wagen nicht. Er kann nur für 800 Euro pro Monat inklusive Komplett-Service gemietet werden. Das wirkt eher wie ein etwas größer angelegter Feldversuch.

Daimler ist mit dem Wagen relativ allein auf weiter Flur. Toyota bietet noch seinen Brennstoffzellen-Pkw Mirai seit Anfang 2015 in kleineren Stückzahlen für rund 80.000 Euro an. Überdies hat Honda den Clarity in Mini-Auflage in Japan und den USA auf die Straße gebracht.

Der Hyundai Nexo, der schon für knapp 70.000 Euro zu haben ist, debütierte im Oktober. Er ist damit mehr als doppelt so teuer wie ein vergleichbares Auto mit konventionellem Antrieb. Beim GLC wäre es wohl noch erheblich mehr, wenn er zum Kauf angeboten würde.

Aber die Aktivitäten der Autobauer lassen sich als Anzeichen dafür lesen, dass in der Wasserstoffwirtschaft etwas in Bewegung gerät. Die Grundannahme diverser Szenarien ist, dass grünes H2 die fossilen Energieträger Öl, Erdgas und Kohle verdrängt.

Pilotprojekt in Nordfriesland vor dem Start

Daran wird auch ganz oben in Deutschlands Norden geglaubt. In einigen Wochen sollen sieben Exemplare des Nexo ausgeliefert werden. "An Leute aus der Szene", sagt Reinhard Christiansen, der eine Art Spiritus Rector eines Pionierprojekts in Sachen Verkehrswende ist. Mit Szene sind Nordfriesen gemeint, die sich für erneuerbare Energien engagieren.

Christiansen lässt mit staatlicher Förderung eine Wasserstoff-Tankstelle bauen. Direkt daneben wird ein 20-Fuß-Standardcontainer gestellt, in dem sich eine Elektrolyse-Anlage befindet. Von dort führt ein 500 Meter langes Stromkabel zum Bürgerwindpark Ellhöft – Christiansen ist der Initiator und Geschäftsführer.

Ende 2020 läuft die EEG-Förderung für die sechs Windräder aus, die direkt an der dänischen Grenze stehen. Eine der Mühlen soll schon im Frühjahr in den Dienst der Veredelung des grünen Stroms gestellt werden. Der Elektrolyseur hat eine Kapazität für 100 Kilogramm Wasserstoff pro Tag. Damit können nicht nur die sieben Nexos, sondern auch etwa 13 weitere Pkw betankt werden.

Christiansen sieht große Potenziale für die neue Form der Individualmobilität. Schließlich seien Menschen in den vielen kleinen Dörfern aufs Auto angewiesen. Und in der Region gebe es "Windüberkapazitäten", also mehr als genug Mühlen, um Strom für die Erzeugung des H2-Kraftstoffs zu liefern.

Vor einigen Monaten hatte die zuständige Bundesnetzagentur gemeldet, dass aufgrund des schleppenden Stromnetzausbaus wieder einmal mehr Windstrom nicht abtransportiert wurde als im vergangenen Jahr. Alternative Einsatzmöglichkeiten sind also höchst willkommen.

Die elektrochemische Apparatur im Container stammt von dem Mittelständler H-Tec-Systems aus Lübeck, der zur GP-Joule-Gruppe gehört. Deren Geschäftsführer Ove Petersen freut sich über "das innovative Beispiel für Sektorenkopplung" in Ellhöft.

Hamburg schafft H2-Busse wieder ab

Während die Pilotprojekte im Norden erst anlaufen, hat Hamburg schon 2012 vier Wasserstoffbusse im Stadtverkehr getestet. Anfang des Jahres wurden sie allerdings wieder abgeschafft. Begründung: Es habe Lieferschwierigkeiten beim Hersteller gegeben, außerdem sei die Lagerung des Wasserstoffs in Wohngebieten schwierig. 

Doch der Manager denkt bereits in viel größeren Dimensionen: E-Farm heißt das Projekt von GP Joule, das mit acht Millionen Euro vom Bundesverkehrsministerium gefördert wird. Der Name soll an die genossenschaftliche Milchwirtschaft erinnern, die einst die Region prägte. E-Farm soll das größte grüne Wasserstoff-Mobilitätsprojekt werden, das Deutschland bislang gesehen hat.

2020 soll es losgehen, mit zwei H2-Tankstellen in Niebüll und Husum, die von fünf Elektrolyseuren beliefert werden. Zwei Busse für den Nahverkehr im Kreis Nordfriesland und mindestens fünf Pkw mit Brennstoffzellen sollen angeschafft werden. Darüber hinaus gebe es 60 Interessenbekundungen von Bürgern und Firmen, die sich F-Cell-Autos zulegen wollen, wenn die Tankstellen ihren Betrieb aufgenommen haben, so Petersen.

Er gibt sich optimistisch. Der Markt für grünen Wasserstoff wachse. Das Projekt ist allerdings noch weit von jeder Rentabilität entfernt. Mit H2 aus konventioneller Erdgas-Reformierung kann grüner Wasserstoff preislich kaum konkurrieren. Zurzeit könnten Investitionen in Power-to-Gas-Konzepte nur dann wirtschaftlich werden, "wenn der Strombezug kostenlos ist und die Anlage hohe Volllastunden aufweist", heißt es in der Machbarkeitsstudie für E-Farm. Für die Zukunft werde jedoch "eine Reduktion der Investition und eine Wirkungsgradsteigerung" erwartet.

Wasserstoff könnte alte Windräder retten

Petersen verweist in diesem Zusammenhang gerne auf die Kostensenkungen, die die Photovoltaik gesehen hat. Tatsächlich erinnert manches im hohen Norden an die Pionierzeiten der Sonnenstromer. Von 2020 an werden dort Windräder in großer Zahl aus der EEG-Förderung fallen, es braucht also neue Geschäftsmodelle. Zugleich wird der Ausbau der Windenergie weitergehen, mit regional wachsenden Stromüberschüssen, die für eine Veredelung genutzt werden könnten, wenn das Elektrolysieren drastisch billiger wird.

Da ist der Gedanke naheliegend, auch andere Vehikel, die zu Lande, zu Wasser und in der Luft unterwegs sind, mit klimaneutralen Öko-Wasserstoff-Antrieben auszurüsten. Schließlich soll nach den deutschen und internationalen Klimaschutzplänen im Jahr 2050 der Verkehrssektor fast vollständig dekarbonisiert sein.

Auf den Schienen zwischen Cuxhaven, Bremerhaven, Bremervörde und Buxtehude hat die Zukunft vielleicht schon am 16. September 2018 begonnen, als die ersten zwei Züge des Typs Coradia I-Lint von Alstom in Dienst gestellt wurden. Die Triebwagen werden im Bahnhof Bremervörde mit Wasserstoff betankt, um 1.000 Kilometer am Stück fahren zu können.

Alstom-Chef Henri Poupart-Lafarge scheute sich beim großen Bahnhof zur Inbetriebnahme des weltweit ersten Brennstoffzellen-Zugs nicht vor großen Worten: "Der Coradia I-Lint läutet eine neue Ära im emissionsfreien Bahnverkehr ein." Die niedersächsische Landesregierung hat für ihre Verkehrsgesellschaft LNVG weitere 14 Wasserstoffzüge schon bestellt. Sie sollen überall dort über die Gleise rollen, wo sich Oberleitungen nicht rentieren.

Schiffe, die mit Ammoniak fahren

Brennstoffzellen werden seit mehr als vier Jahrzehnten eingesetzt. Den Anfang machte die Raumfahrt. In U-Booten sind sie längst Standard. Und auch in Überwasserschiffen wurden sie schon vielfach getestet.

Der Technologiekonzern ABB wagt sich nun sogar an die ganz großen Pötte: Gemeinsam mit dem norwegischen Forschungsinstitut Sintef wird im verkleinerten Maßstab im Labor getestet, wie eines Tages Zellen mit einer Leistung im Megawattbereich Containerschiffe antreiben könnten. Die Entwickler setzen dabei auf die relativ leichten und kompakten Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEM-Zellen), die auch in Pkw verbaut werden.

Einen Schritt weiter bei der Suche nach Lösungen für eine klimaneutrale Seeschifffahrt geht das Campfire-Projekt, an dem mehrere Forschungsinstitute in Deutschlands Nordosten teilnehmen. Sie wollen Windstrom nutzen, um aus Wasser und Luftstickstoff Ammoniak herzustellen.

Das Verfahren ist aufwendig, es braucht enorm viel Energie. Doch der Stoff mit dem stechenden Geruch hat den Vorteil, dass er sich einfach lagern und transportieren lässt. Außerdem kann er in einer Reihe verschiedener Aggregate eingesetzt werden: neben Brennstoffzellen auch in Gas- und Dampfturbinen sowie in modifizierten Verbrennungsmotoren.

Die Wertschöpfung durch erneuerbare Energien könne mittels Ammoniak vervielfacht werden, betont Angela Kruth, die beim Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie in Greifswald für Campfire zuständig ist. In fünf Jahren sollen erste Innovationen umgesetzt werden.

Hohe Hürden für das Fliegen mit H2

Noch anspruchsvoller ist die Aufgabe, Flugzeuge in die Luft zu bringen, ohne die Atmosphäre mit zusätzlichem CO2 zu belasten. Den Experten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) nebst Partnern ist es immerhin schon im September 2016 gelungen, mit dem HY4 abzuheben.

Es handelt sich um ein Doppelrumpfflugzeug, das stark an einen Segelflieger erinnert, aber vier Erwachsene transportieren kann. Der Antriebsstrang besteht aus einer Brennstoffzelle, die den Strom für einen elektrischen Propellermotor liefert, der eine Reisegeschwindigkeit von 165 Stundenkilometern ermöglicht. Auch dabei wird mit der Doppelherz-Strategie gearbeitet: Für Starts und Steigflüge kommt Zusatzpower aus einer Lithium-Ionen-Batterie.

So kann das Quartett bis zu 1.500 Kilometer weit durch die Luft befördert werden. André Thess vom DLR hat indes ehrgeizigere Pläne. Er will die Brennstoffzelle verbessern, um langfristig ein Regionalflugzeug mit 19 Passagieren zum Fliegen zu bringen.

Die Elektrifizierung der Luftfahrt hat auch Airbus als Großprojekt in den Blick genommen, wobei die Ingenieure derzeit stark in Richtung eines Flugtaxis schielen, das autonom durch Megastädte schweben soll.

Das Bruchsaler Start-up Volocopter will ebenfalls mit E-Rotoren – und zwar 18 pro Copter – sowie zwei Personen in einer engen Kabine abheben. Das Fluggerät hat dank der Unterstützung durch den Computerchip-Hersteller Intel schon einige Flugstunden hinter sich.

Ein nächster Schritt könnte sein, die Batterien durch eine Brennstoffzelle zu ergänzen. Schließlich macht auch Daimler bei dem Projekt mit. "Die Brennstoffzelle ist emissionsfrei, und wir könnten die Reichweite unseres Fluggeräts deutlich verlängern", erläutert Volocopter-Gründer Alexander Zosel. "Es würde uns freuen, wenn wir Zugriff auf diese Technologie hätten."

Wiederum sollen die Leistungsdaten der Zellen massiv verbessert und zugleich ihr Gewicht und ihre Größe deutlich reduziert sowie die Menge des extrem teuren, aber bislang unerlässlichen Platins als Katalysator minimiert werden.

Beim Platin immerhin ist Daimler schon vorangekommen. Brennstoffzellen-Chef Christian Mohrdieck betonte anlässlich der Premiere des GLC F-Cell stolz, dass es gelungen sei, im Laufe der Entwicklung des Fahrzeugs den Platin-Bedarf um 90 Prozent zu reduzieren. Jetzt werde noch ungefähr genauso viel von dem Edelmetall benötigt wie für einen herkömmlichen Abgas-Kat.

Zukunft der Wasserstofftechnik bleibt unsicher

Trotz dieser Erfolge stellt sich die Frage, ob das wirklich der richtige Weg ist. Schließlich wird auch emsig an synthetischen Kraftstoffen geforscht. Die gesamte Autobranche ist begeistert von der Vision hochreinen Diesels und Benzins.

Dieser Sprit gilt als umweltfreundlich, weil grüner Strom der Ausgangspunkt sein soll. Der mittels elektrischer Energie gewonnene Wasserstoff wird in weiteren Verarbeitungsschritten mit Kohlendioxid zusammengebracht, um den Kunstsprit herzustellen.

Das Bestechende daran: Man muss Autos, Flugzeuge und Schiffe nicht umkonstruieren, um ihre Antriebe zu dekarbonisieren. Der Pferdefuß: Je länger die Kette der Umwandlungsprozesse ist, desto mehr Ausgangsenergie wird benötigt und desto geringer ist der Gesamtwirkungsgrad.

Die Denkfabrik Agora Verkehrswende hat am Beispiel eines Mittelklasse-Pkw durchgerechnet, dass es in einer dekarbonisierten Welt gut 117 Kilowattstunden Grünstrom braucht, um mit dem Wagen mit synthetischem Superbenzin 100 Kilometer weit zu fahren. Wird er von einer Brennstoffzelle angetrieben, sind nur knapp 63 Kilowattstunden nötig. Der batterieelektrische Kraftwagen kommt hingegen mit gut 23 Kilowattstunden aus.

Dem künftigen Energiesystem ist es also dienlich, möglichst viele Verkehrsmittel mit der Akku-Strom-Variante auf die Straße zu bringen. Die Möglichkeiten dieser Technik sind allerdings durch das relativ hohe Gewicht der Batterien beschränkt, was mit der geforderten Speicherkapazität immer stärker zum Tragen kommt.

Bei schweren Lkw sehen deshalb manche Experten die Brennstoffzelle im Vorteil. Unter anderem das Öko-Institut hat jedoch durchgerechnet, dass in diesem Fall Oberleitungen auf Deutschlands Autobahn trotz nötiger Milliardeninvestitionen die bessere Lösung wären. Dazu passen Forderungen von Umweltschützern, die Elektrifizierung der Schienenstrecken zügig voranzutreiben, um Brennstoffzellenzüge bestenfalls auf einigen einsamen Strecken fahren zu lassen.

Für große Passagierflugzeuge hingegen ist H2 selbst für große Wasserstoff-Optimisten wie den DLR-Experten Thess auf absehbare Zeit keine Alternative. Verschiedene Studien kommen zu der Schlussfolgerung, dass noch im Jahr 2050 Jet-Triebwerke Kerosin verbrennen werden, das dann allerdings synthetischer Natur sein muss.

Ist die Brennstoffzelle also zur ewigen Existenz in einer kleinen Nische für Technikfreaks verdammt? Das Hyundai-Management jedenfalls glaubt an einen Massenmarkt. Bis 2030 sollen 500.000 Minikraftwerke für Pkw und 200.000 für Schiffe und Nutzfahrzeuge gefertigt werden. Dafür investiert der Konzern rund sechs Milliarden Euro.

Gleichwohl: Ein entscheidender Faktor könnte die Tankinfrastruktur werden. Wer sich heute mit einem Brennstoffzellenauto auf den Weg macht, muss – auch in Nordfriesland – genau planen. 2018 ist die Zahl der Stationen nach den Zahlen der Website H2-Mobility bundesweit von 40 auf 55 gestiegen. Dieses Jahr soll sie dreistellig werden – was immer noch höchst bescheiden ist in Anbetracht der etwa 14.000 konventionellen Tankstellen.

Weißer Mercedes-Kleintransporter mit der Aufschrift
Das erste Brennstoffzellenauto der Welt steht im Mercedes-Museum in Stuttgart in der Öko-Ecke. (Foto: Valder137/​Wikimedia Commons)

Diese Statistiken machen aber das Doppelherzkonzept beim GLC F-Cell plausibel: Eine Steckdose für die Plug-in-Vorrichtung findet sich in der hintersten Ecke Europas. Da stellt sich die Frage: Warum macht man die Batterie nicht gleich deutlich größer und lässt die Brennstoffzelle ganz weg?

Die Gesamtreichweite des GLC F-Cell – Mercedes gibt 480 Kilometer an – ist inzwischen auch rein batterie-elektrisch gut machbar. Da Akkus dank Super-Chargern inzwischen zügig aufladbar sind, verpufft das schnelle H2-Tanken als noch immer apostrophierter Hauptvorteil des bordeigenen Kraftwerks langsam.

Wie weit sich die Wasserstoff-Technik im Verkehr durchsetzen wird, ist demnach ungewiss. Fest steht aber: Ein Platz im Mercedes-Museum dürfte dem GLC F-Cell allein schon wegen seiner höchst ambitionierten Technik sicher sein.

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