Brennstoffzelle: großes Potenzial, doch der Durchbruch stockt

VDI: Die Brennstoffzelle wird seit Jahrzehnten erforscht, doch der breite Durchbruch lässt auf sich warten. Wo steht die Technologie heute und woran scheitert die Anwendung in der Breite?

Thomas Grube: Brennstoffzellen sind nach ihren Anfängen in der Raumfahrt und ersten Einsätzen in Straßenfahrzeugen heute in einer ganzen Reihe von Anwendungen präsent. Die technische Einsatzfähigkeit in Fahrzeugen vom Pkw über Lkw und Busse bis hin zu Schienenfahrzeugen sehen wir als gegeben an; darüber hinaus auch in der stationären Strom und Wärmeversorgung. Die Entwicklung von Systemen für Flugzeuge und Schiffe schreitet ebenfalls gut voran. 

Dabei gibt es nicht eine, sondern mehrere Brennstoffzellentechnologien, die sich zum Beispiel hinsichtlich der Arbeitstemperatur, der eingesetzten Materialien und den Betriebseigenschaften unterscheiden. Je nach Einsatzfall kommen daher unterschiedliche Technologien zum Einsatz: Niedertemperatur-Polymermembranbrennstoffzellen werden für hoch-dynamische Anwendungen im Verkehr bevorzugt, bei denen es besonders auf eine hohe Leistungsdichte ankommt. Hochtemperatur-Festoxid‑ und Schmelzkarbonatbrennstoffzellen hingegen sind eher für eine kontinuierlich Betriebsweise, unter anderem in stationären Systemen geeignet. Unserem Eindruck nach steht der Einsatz von Brennstoffzellen vor zwei wesentlichen Herausforderungen: erstens, dem Wettbewerb mit über viele Jahrzehnte entwickelten Anwendungstechnologien, insbesondere den Verbrennungskraftmaschinen und zweitens, nicht vollständig überzeugenden Produkten, beispielsweise in Bezug auf Robustheit und Kosten.

VDI: Im Pkw-Bereich spielt die Brennstoffzelle in Europa kaum eine Rolle. Gleichzeitig nennt der Statusreport Busse, Lkw, Schiffe und Flugzeuge als vielversprechende Einsatzfelder. Was macht diese Anwendungen attraktiver als den Pkw?

Thomas Grube: Beim Pkw musste sich die Branche vergleichsweise schnell und unter hohem Wettbewerbsdruck entscheiden und tat dies für die Batterie als dem – zumindest in der Wahrnehmung – „moderneren“ Produkt. Die Brennstoffzelle war zwar da und verfügte anfangs über einen im Vergleich zur Batterie höheren Entwicklungsstand. Die industrielle Weiterentwicklung der Batterie und des Gesamtantriebs geschah aber weltweit sehr rasant und hat schnell zu Fahrzeugen geführt, die vor allem bezüglich der Effizienz deutlich im Vorteil sind und zumindest zu Beginn der Markteinführung infrastrukturell weniger herausfordernd dastand. Im Vergleich zu Pkw setzen Schwerlastfahrzeuge und ‑maschinen bei deutlich höherer Dauerleistung mehr Energie um, die durch Batterien bisher nicht ausreichend bereitgestellt werden kann. Hier sind Busse und Lkw mit Brennstoffzellen hervorzuheben, für die bereits beachtliche Flotten aufgebaut wurden, beziehungsweise die industriell zur Serienreife entwickelt werden.

VDI: Welche Rolle können Brennstoffzellen künftig für die Flexibilität von Verteilnetzen und die dezentrale Energieversorgung spielen?
Thomas Grube: Zukünftig können Brennstoffzellen für mehr Flexibilität in Verteilnetzen sorgen und damit zu mehr Versorgungssicherheit beitragen. Dies hängt auch davon ab, inwieweit sich der dezentrale Speicherbestand entwickeln wird, beispielsweise in Form von stationären Batteriesystemen oder Fahrzeugen mit Vehicle-to-Grid-Funktionalität. Je nach regionalen oder lokalen Gegebenheiten werden aber auch dezentrale Versorgungssysteme in Form von Kraft-Wärme-Kopplung erforderlich sein. Hier sind emissionsfreie Brennstoffzellensysteme besonders gut einsetzbar, je nach konkretem Bedarfsprofil in spezialisierten Systemtopologien aus Erzeugungs- und Speichertechnologien und einschließlich systemorientierter Betriebsstrategien.

VDI: Durch Batteriespeicher, Wärmepumpen oder auch Gasturbinen steht die Brennstoffzelle in nahezu jedem Anwendungsfeld in starkem Wettbewerb. Zudem betonen Sie in der Publikation, dass direkte Stromnutzung effizienter ist als Umwandlungsketten über Wasserstoff. Unter welchen konkreten Bedingungen ist sie trotzdem überlegen?

Thomas Grube: Aufgrund abnehmender Gleichzeitigkeit von Stromerzeugung und Verbrauch einerseits und begrenzten Netzkapazitäten andererseits kommt den Speicherpfaden und Flexibilitätsoptionen eine zunehmende Rolle zu. Hier sollte auf Effizienz geachtet werden, um Verluste und damit Bereitstellungskosten gering zu halten. Genau hier zahlt sich der im Vergleich zu Verbrennungskraftmaschinen höhere elektrische Wirkungsgrad aus. Allerdings sind die jährlichen Einsatzzeiten der Systeme zu beachten, von denen die „erlaubten“ Mehrkosten von Brennstoffzellenanlagen abhängen. 

VDI: Sie gehen davon aus, dass Brennstoffzellen überwiegend direkt mit Wasserstoff betrieben werden. Gleichzeitig wird das Wasserstoff-Kernnetz erst aufgebaut. Was ist zurzeit die größte Herausforderung? Die fehlende Infrastruktur oder sind es eher die Systemkosten?

Thomas Grube: Zunächst sollte beachtet werden, dass die geplante und aktuell im Aufbau befindliche Wasserstoffinfrastruktur nicht primär der Versorgung von Brennstoffzellensystemen dienen wird. Vielmehr soll Wasserstoff zur Reduktion der Treibhausgasemissionen in der Industrie beitragen sowie zur Netzabsicherung bei geringer Einspeisung aus erneuerbaren Energien. Bei letzterem könnten Brennstoffzellen im Bereich bis zu mehreren hundert Kilowatt zum Einsatz kommen, bei höheren Leistungen aber insbesondere Gasturbinen. Bezüglich Ihrer Frage sind die Kosten wohl das richtige Stichwort. Während Wasserstoff beispielsweise an der Tankstelle zunächst weniger als 10 EUR/kg kostete, bezahlen Nutzer von Brennstoffzellenfahrzeugen heute bis zu 20 EUR/kg. Die erhoffte Kostenreduktion findet offensichtlich derzeit nicht statt – im Gegenteil! – und es scheint unklar, wann eine Trendumkehr erwartet werden kann. Während wettbewerbsfähige Brennstoffzellensystemkosten darstellbar sind, fehlt es also auf Seiten der variablen Kosten an Planbarkeit. Die Errichtung geeigneter Infrastrukturen ist eine zusätzliche Herausforderung, die vor allem im Zeitverlauf und bezüglich der Netzentgeltregelungen beachtet werden muss.

VDI: Welche Einsatzfelder sehen Sie kurz- bis mittelfristig als besonders realistisch – etwa in der Kraft-Wärme-Kopplung, bei Rechenzentren oder im Schwerlastverkehr?

Thomas Grube: Unter der Voraussetzung, dass zunehmend überzeugende Produkte angeboten werden, sehen wir kurz‑ bis mittelfristig den weiteren Flottenaufbau bei Bussen und schweren Lkw, letztere unter Beachtung des Wettbewerbs mit batterieelektrischen Antrieben. Weiterhin ist der Einsatz in der Kraft-Wärme-Kopplung sinnvoll, in besonderem Maße vielleicht bei Off-Grid Anwendungen oder zur Versorgung von Rechenzentren, für den Fall, dass hier zukünftig tatsächlich Onsite-Lösungen favorisiert werden. Und schließlich erscheinen mittel- bis langfristig Einsatzfelder in der Luft- und Schifffahrt möglich und sinnvoll.

VDI: Andere Länder sind uns weit voraus. Japan hat über 300.000 Brennstoffzellen-Heizgeräte installiert, China dominiert bei Nutzfahrzeugen mit Brennstoffzelle. Warum liegen wir im Vergleich weit zurück? Was können wir von diesen Märkten lernen?

Thomas Grube: In Japan wurde die hohe Zahl an Brennstoffzellensystemen durch ein konkretes staatliches Förderprogramm erzielt, dass nun nach und nach ausläuft, sodass es spannend sein wird, ob der Bestand auch ohne Förderung weiter wachsen wird. Auch in China sind staatliche Initiativen maßgeblich für den Aufbau der Fahrzeugflottenaufbau. In ähnlicher Weise langfristig und mit umfangreichen Fördermitteln ausgestattete Programme hatten wir in Deutschland und Europa nicht. Solche Initiativen sind unserer Ansicht nach auch eher am Beginn einer industriellen Entwicklung sinnvoll. Über diese Phase sind Brennstoffzellen eher hinaus, denn zumindest im weltweiten Maßstab sind Fertigungskapazitäten vorhanden, was belegt, dass Brennstoffzellentechnologien für die Fertigung in mittleren bis großen Serien geeignet sind. Punktuell sind unserer Ansicht nach Förderprogramme zur Etablierung der Brennstoffzellenfertigung in Europa oder hinsichtlich Infrastruktur und Regulatorik sinnvoll.

VDI: Trotz der aktuell herausfordernden Marktsituation sehen Sie gute Zukunftsaussichten. Welche konkreten sind jetzt nötig, damit die Brennstoffzelle ihr Potenzial im Energiesystem tatsächlich voll entfalten kann?

Thomas Grube: In diesem Zusammenhang ist das aktuelle Förderprogramm des BMV hervorzuheben, das sowohl das Wasserstofftankstellennetz als auch die Nutzfahrzeuge selbst betrifft. In analoger Weise könnten Förderprogramme auch für systemorientiert betriebene Brennstoffzellenanlagen im stationären Einsatz oder für Brennstoffzellen im Schiffseinsatz aufgesetzt werden. Begleitende Systemanalysen zum Monitoring des Fortschritts anhand von Einsatzerfahrungen sind dabei unerlässlich.

Autorin: Gudrun Huneke

Fachlicher Ansprechpartner:
Dr. Kevin Hares
VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt
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