Wasserstoff und Brennstoffzellen als Fahrzeugantrieb

Aus dieser Erkenntnis erwächst aktuell ein Trend zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, in letzter Zeit auch vermehrt die Weiterentwicklung zu Brennstoffzellenfahrzeugen. Beiden ist gemein, dass sie von einem Elektromotor angetrieben werden, der entweder die elektrische Energie direkt aus einer Batterie bezieht oder von einem elektrochemischen Energiewandler gespeist wird – meist in hybrider Kombination mit einer kleineren Batterie. Üblicherweise setzt man bei zuletzt genanntem für die mobile Anwendung auf PEM-Brennstoffzellen. Diese Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen bieten neben weiteren Brennstoffzellentypen unter anderem den Vorteil, dass sie auf einem moderaten Temperaturniveau betrieben werden sowie relativ robust und kostengünstig aufgebaut sein können. Mit reinem Wasserstoff und Umgebungsluft betrieben, erzeugen sie neben elektrischer Energie und Wärme lediglich Wasserdampf, der mit dem Fahrzeugabgas austritt. Somit kann diese Art des Antriebs auch zur deutlichen Reduktion der CO₂-Flottenemissionen beitragen. Wird der verwendete Wasserstoff mit Hilfe regenerativer Energie über Elektrolyse hergestellt, sogar über die lokale Emissionsfreiheit des Fahrzeugs selbst hinaus.

Aktuelle Fahrzeige zeigen hohen Technologiereifegrad und erhebliches Optimierungspotenzial

Sahen sich Ingenieurinnen und Ingenieure in der Brennstoffzellenentwicklung vor ein bis zwei Jahrzehnten noch vor wesentliche technologische Herausforderungen gestellt, wie zum Beispiel die Kaltstartfähigkeit, die Lebensdauer und den hohen Bedarf an Edelmetallen als Katalysatormaterial, so sind bei aktuellen Fahrzeugen, die bereits von asiatischen Herstellern am Markt angeboten werden, diese Problemstellungen obsolet. Kaltlandtests bei arktischen Temperaturen, mehrere Millionen gefahrene Flottenkilometer und ein Platingehalt, der sich mit der Menge im konventionellen Abgaskatalysator vergleichen lässt, belegen deutlich einen hohen Technologiereifegrad. Und es besteht weiter erhebliches Optimierungspotenzial, sowohl in der Komplexitätsreduzierung des Systemaufbaus, der Erhöhung des Systemwirkungsgrades durch innovative, hybride Betriebsstrategien, der Verwendung von edelmetallfreien Katalysatormaterialien und besonders in der Entwicklung effizienter und emissionsarmer Rohstoffgewinnungs- und Produktionsprozesse. Die zurzeit eingesetzten und zugelassenen Drucktanks zur Speicherung des Wasserstoffs bieten Potenziale für die Verringerung der Menge an eingesetzter Carbonfaser bei gleichbleibend hoher Sicherheit und damit zur Kostenreduktion und Erhöhung der Energiespeicherdichte. Andere aussichtsreiche Speichervarianten für Wasserstoff im flüssigen Zustand oder in Metalle eingelagert sowie Mischformen sind Gegenstand zahlreicher Forschungs- und Entwicklungsprojekte.

Der Anschaffungspreis für ein Brennstoffzellenfahrzeug liegt heute noch oberhalb eines vergleichbaren konventionellen Fahrzeugs. Prognosen für zukünftige Modelle sehen die Kosten sich angleichen, vor allem getrieben durch die hinreichend großen Stückzahlen für Serienproduktionsprozesse. Um diese erreichen zu können, wird zusätzlich seit längerer Zeit ein notwendiger Wandel in der Zulieferkette gefordert, sodass rechtzeitig ausreichend kosteneffizente Teile für den Bau von Brennstoffzellenfahrzeugen bereitstehen. Begünstigend wirkt sich darauf aus, dass manche der Komponenten mit einigen Adaptionen vom Verbrennungsmotor übernommen werden können. Das bietet Chancen für Unternehmen, die bereits im Umfeld der Automobilindustrie tätig sind, wie für solche, die frühzeitig mit neuen Produktentwicklungen den Weg in Richtung der Elektromobilität mit Brennstoffzellen eingeschlagen haben.

Im Allgemeinen haben Batteriefahrzeuge einen Wirkungsgradvorteil

Vergleicht man nun Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge untereinander, so lässt sich rasch erkennen, dass Ersteres aufgrund seiner kurzen Energiewandlungskette von der Primärenergie über den Transport, die Einspeicherung in einem Batteriesystem bis zur Wandlung über einen Elektroantrieb in mechanische Energie am Rad, einen höheren Gesamtwirkungsgrad aufweisen kann. Im Allgemeinen wird somit mehr Primärenergie benötigt, um die gleiche Strecke mit einem Brennstoffzellenfahrzeug zurückzulegen. Im Speziellen, besonders unter extremen Umgebungsbedingungen, wird diese Differenz jedoch deutlich verringert. Steht zum Beispiel bei tiefen Umgebungstemperaturen im einen Fahrzeug die Abwärme der Brennstoffzelle zur Verfügung, muss das Andere mit elektrischer Energie aus der Batterie beheizt werden, was durchaus zur erheblichen Begrenzung der Reichweite führen kann. Dennoch bleibt in den meisten Fällen der Wirkungsgradvorteil des Batteriefahrzeugs gültig.

Nun lernen Studierende nicht nur der Ingenieurwissenschaften frühzeitig, dass eine Entscheidung für oder gegen technische Optionen meistens nicht auf der Bewertung eines Parameters basiert. Es sind auch bei der Bewertung von Antriebssystemen weitere Kriterien zu berücksichtigen, neben dem zwar sehr bedeutsamen, aber nicht alleinigen Kriterium der Energieeffizienz. So wird eine möglichst hohe Energiedichte benötigt, die für ausreichende Reichweite bei gleichzeitiger Verfügbarkeit von Nebenverbrauchern sorgt, daneben aber auch eine hohe Leistungsdichte, um Fahrzeuge adäquat dynamisch betreiben zu können. Des Weiteren muss ein Antriebs- und Speichersystem ausreichend Sicherheit bieten, auch im Fehler- und Missbrauchsfall und eine definierte Lebensdauer unter Einbeziehung von Wartungs- und Serviceaspekten abbilden. Letztendlich müssen auch noch die Kosten bewertet werden, auch unter Betrachtung des fallweise parallel erforderlichen Infrastrukturaufbaus.

Zunächst hohe Kosten für Wasserstofftankstellen - aber nur einmaliger Aufbau nötig

Damit erhebt die Liste an Bewertungskriterien noch keinen Anspruch auf Vollständigkeit, aber anhand ausgewählter Beispiele lässt sich der Vergleich der Systeme schon umfassender anstellen. Die volumetrische Energiedichte eines Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugsystems liegt heute etwa auf gleicher Höhe, gravimetrisch liegt das Batteriesystem deutlich höher, d.h. beide beanspruchen einen ähnlich großen Bauraum, der Batterieantrieb ist schwerer. Beim Vergleich der Leistungsdaten steht bei beiden in erster Linie die zuführbare Leistung im Vordergrund, da sie maßgeblich für die Lade- oder Betankungsdauer verantwortlich ist. Während Wasserstoff an einer Tankstelle mit mehreren Megawatt zugeführt werden kann, liegt die Ladeleistung für Batteriefahrzeuge selbst bei Schnellladestationen deutlich darunter. Dies führt prinzipbedingt zu stets längeren Ladedauern für gleiche Reichweite in Batteriefahrzeugen.

Bei einem Vergleich einer Infrastruktur fällt auf, dass vorteilhaft für Batteriefahrzeuge bereits eine Zahl an Ladepunkten überwiegend in privaten Haushalten vorhanden ist, die genutzt werden kann. Soll jedoch über die Zahl an Fahrzeugbesitzern mit einer solchen Möglichkeit hinaus ein Ausbau stattfinden, so wird die Anzahl an Ladepunkten mit der Anzahl an Fahrzeugen stetig ansteigen müssen, damit einhergehend auch die erforderliche, verfügbare Anschlussleistung und die Kosten. Eine Wasserstofftankstelle ist für wenige Fahrzeuge zunächst teuer, für viele Fahrzeuge wird jedoch nur einmalig ein flächendeckender Aufbau notwendig, die Kosten bleiben unter einer definierbaren Grenze.

Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle kann speziellen Anforderungen besser genügen.

Allein anhand der wenigen angeführten Aspekte wird bereits sichtbar, dass die Leistungs- und Komfortmerkmale konventioneller Automobile durch heute verfügbare Batterietechnologien nur begrenzt auf Elektrofahrzeuge übertragen werden können. Werden unter anderem hohe Reichweiten, kurze Tankzeiten, Heizung in der kalten Jahreszeit sowie Klimatisierung bei hohen Umgebungstemperaturen gefordert, so kann die Brennstoffzelle betrieben mit Wasserstoff diesen Anforderungen je nach Fahrzeuganwendung besser genügen. Während in Pkw, besonders des Kleinwagen- und Mittelklassesegments, die Batterie typische Nutzungsprofile gut abdecken kann, wird die wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle besonders bei großen und schweren Fahrzeugen mit relativ hohem Bedarf an Leistungs- und Energiedichte für große Reichweiten vorteilhaft. Werden Brennstoffzellen erst in Nutzfahrzeugen und Transportanwendungen wie Bahnen, Schiffen, Logistikfahrzeugen eingesetzt, dann portiert auf große und schwere Pkw, existiert bei dann großen Serienstückzahlen und damit verbundenen niedrigen Kosten kaum noch ein Hinderungsgrund, Brennstoffzellenantriebe nicht auch ergänzend in den unteren Fahrzeugsegmenten einzuführen. Bei gleichzeitig zunehmender „Hydrogenisierung“ des Energiesektors, das heißt zunehmender Verwendung von Wasserstoff sektorübergreifend, können schließlich Brennstoffzellen in den verschiedensten stationären und mobilen Applikationen Anwendung finden.

International hat sich bereits die Erkenntnis durchgesetzt, dass das reine batterieelektrische Fahrzeug allein nicht zum Ziel einer globalen, nachhaltigen Mobilität führen wird, insbesondere in Asien – allen voran China – greifen sehr umfangreiche Subventionsprogramme für Wasserstoffmobilität. In den letzten 5 Jahren sind dort zahlreiche Unternehmen mit dem Fokus auf Brennstoffzellen gewachsen und große Flotten an Bussen und Nutzfahrzeugen in Betrieb gegangen. Während Deutschland die Technologieführerschaft im Bereich der Verbrennungsmotoren nun auch konsequent bei Batteriefahrzeugen anstrebt, die zukunftsfähige Option von Wasserstoff und Brennstoffzellen aber immer noch eher zaghaft vorantreibt und damit Gefahr läuft, bei dieser Technologie in Zukunft nur noch eine untergeordnete Rolle einzunehmen.

Autor: Professor Thomas von Unwerth leitet seit Juli 2010 die Professur Alternative Fahrzeugantriebe an der Fakultät Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz.

Weiterführende Informationen: „Ein komplementäres Miteinander der Technologien ist unsere einzige Chance, die CO₂-Ziele für 2030 zu erreichen“, so VDI-Präsident Dr.-Ing. Volker Kefer. Darum nehmen wir die Möglichkeiten der unterschiedlichen Technologien für die Mobilität heute und die Potenziale von morgen in der Reihe Antriebssysteme in den Fokus: Verbrenner, Batterie, Brennstoffzelle.