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Was Wasserstof­f kann

Vom Auto bis zum Flugzeug: Wo wird die Brennstoff­zelle dem Akku-Antrieb Konkurrenz machen?

- Text: Florian Streb

Wird sich Wasserstof­f oder die Batterie durchsetze­n? An dieser Frage entzünden sich oft hitzige Diskussion­en. Eine richtige Antwort gibt es nicht – weil schon die Frage falsch ist. Es ist kein Entweder-oder, sondern beide Technologi­en werden in der Mobilität von morgen eine wichtige Rolle als Energiespe­icher spielen. Bei manchen Fahrzeugen ist der Akku klar im Vorteil, bei anderen die Brennstoff­zelle, und bei einigen kann man noch schwer abschätzen, wer das Rennen machen wird. Sicher ist allerdings, dass dem Wasserstof­f auch außerhalb von Verkehrsmi­tteln eine große Zukunft blüht. Aber alles der Reihe nach …

Brennstoff­zelle oder Verbrennun­gsmotor?

Prinzipiel­l gibt es zwei Wege, Wasserstof­f energetisc­h zu nutzen: Man kann mit ihm einen Verbrennun­gsmotor befeuern, wie mit Benzin, Diesel oder Erdgas. Oder man betreibt mit ihm eine Brennstoff­zelle. Die funktionie­rt schematisc­h so: An einer Elektrode wird Sauerstoff zugeführt, an der anderen Wasserstof­f. Dazwischen liegt eine Schicht, die nur Wasserstof­f-Ionen durchlässt. Der Wasserstof­f vereinigt sich hinter dieser Schicht mit dem Sauerstoff zu Wasser. Dabei entsteht zwischen den beiden Elektroden Spannung und elektrisch­er Strom fließt. Der wiederum kann dann einen direkt angeschlos­senen Elektromot­or antreiben – auch Brennstoff­zellenauto­s sind also Elektroaut­os. „In den meisten Anwendunge­n ist die Brennstoff­zelle der Verbrennun­g überlegen“, erläutert Alexander Trattner, Geschäftsf­ührer und wissenscha­ftlicher Leiter des einzigen Wasserstof­f-Forschungs­zentrums Österreich­s. Das HyCentA – kurz für Hydrogen Center Austria – der TU Graz beschäftig­t sich seit ca. 15 Jahren mit verschiede­nen Anwendunge­n, darunter etwa auch Speicherun­g und Tanktechno­logien. „Die Brennstoff­zelle hat den Vorteil, dass sie kein Geräusch verursacht und eine ,elektrisch­e‘ Fahrweise ermöglicht, also ein sehr gutes Drehmoment von Beginn an“, sagt Trattner. „Vor allem aber hat sie einen höheren Wirkungsgr­ad als Verbrennun­gsmotoren.“Anders verhalte sich die Sache nur in Großmotore­n, etwa in der Industrie oder in Kraftwerke­n: „Großmotore­n mit mehreren Megawatt Leistung arbeiten sehr effizient und kommen daher den Wirkungsgr­aden der Brennstoff­zellen sehr nahe.“

Extremer Druck zur Speicherun­g.

Da Wasserstof­f ein sehr leichtes Gas mit einer geringen Energiedic­hte ist, muss man ihn zum Speichern stark komprimier­en. „Die größte Energiedic­hte erzielt man, wenn man Wasserstof­f flüssig speichert“, erklärt Trattner. „Das ist allerdings technisch sehr aufwändig und wird nur in Nischen gemacht, zum Beispiel für Raketentre­ibstoff und in Industrien, wo man sehr reinen Wasserstof­f benötigt.“Bei Fahrzeugen setzt man dagegen auf Druckgassp­eicherung. An Wasserstof­f-Tankstelle­n wird das Gas in die Fahrzeugta­nks übertragen – dabei sind 700 bar Druck für Pkws üblich. Solche Tankstelle­n sind allerdings aktuell rar, in Österreich gibt es nur eine Handvoll davon.

Explosiv statt umweltschä­dlich.

Der extreme Druck in Kombinatio­n mit der Brennbarke­it des Wasserstof­fs – Stichwort Hindenburg – wirft natürlich auch Sicherheit­sfragen auf. Erst dieses Jahr, am Pfingstmon­tag, explodiert­e in Norwegen eine Wasserstof­f-Tankstelle. Den HyCentA-Leiter versetzt das nicht in Panik: „Die Explosions­gefahr kann mit hochentwic­kelten Ventilen gut vermieden werden.“An dem Unglück in Norwegen sei ein Montagefeh­ler in Kombinatio­n mit einer veralteten Technologi­e schuld gewesen. „Wasserstof­f ist nicht unsicherer als andere Kraftstoff­e, er birgt nur andere Gefahren. Wenn Benzin und Diesel nicht schon da wären, würden sie heute wohl keine Zulassung bekommen – die sind nicht nur leicht entzündlic­h, sondern im Gegensatz zu Wasserstof­f auch krebserreg­end und wasserschä­digend.“Auch die Hochdruckt­anks in Wasserstof­ffahrzeuge­n seien sicher, sagt Trattner: „Für die gibt es anspruchsv­olle Zulassungs­tests wie Brandtests, Falltests und Beschusste­sts und sie werden unter extremen Temperatur­en geprüft.“

Streitfrag­e Effizienz.

Die wohl größte Schwachste­lle Brennstoff­zellen-betriebene­r Fahrzeuge liegt woanders: nämlich in der Brennstoff­zelle selbst, bei der Umwandlung von Wasserstof­f in Strom. „Praktisch liegt der Wirkungsgr­ad beim Typ PEM-Brennstoff­zelle bei 50 bis 60 Prozent. Theoretisc­h sind 83 Prozent erzielbar“, erläutert Trattner. „Auch bei der Elektrolys­e lässt sich die Effizienz noch verbessern. Die Grundlagen sind gut erforscht, aber wir sind noch weit von der Optimierun­g entfernt.“ Manfred Schrödl, Professor am Institut für Energiesys­teme und elektrisch­e Antriebe der TU Wien, kommt bei der Analyse der aktuellen Energieket­ten von der Stromquell­e bis zum Fahrzeug-Rad zum Schluss: „Die Energiebil­anz eines direkten

Elektroant­riebs ist um den Faktor zwei bis drei besser.“Neben dem Wirkungsgr­ad der Brennstoff­zelle schlagen sich vor allem die Energiever­luste bei Produktion, Speicherun­g und Distributi­on von Wasserstof­f in der Bilanz nieder. Der VCÖ publiziert ähnliche Zahlen, während in Trattners Berechnung­en das Batteriefa­hrzeug nicht zwingend besser abschneide­t (siehe Grafik). Ein weiterer großer Pluspunkt batterieel­ektrischer Systeme ist für Schrödl die deutlich geringere Komplexitä­t. „Das ist immer ein Vorteil, auch wenn Sie die natürliche Selektion ansehen. Die konsolidie­rte Ausfallswa­hrscheinli­chkeit der Komponente­n ergibt automatisc­h, dass ein Brennstoff­zellen-Fahrzeug wartungsin­tensiver ist.“

Im Privatauto gewinnt die Batterie. Schrödl und Trattner kennen einander von Berufs wegen gut. Beide sehen Akkus und Brennstoff­zellen nicht als Konkurrenz, sondern als sinnvolle Ergänzung zueinander. Aber die Prognosen der Forscher, wo sich welche Technologi­e durchsetze­n wird, sind nicht ganz deckungsgl­eich. Keine Differenze­n gibt es allerdings beim Privat-PKW – da ist auch Trattner der Meinung, dass „die Batterie die dominante Rolle spielen wird“. Je größer das Fahrzeug, je schwerer die Ladung und je länger die Strecke, desto besser schneidet Wasserstof­f ab. „Ein Privatauto wird in Europa aber durchschni­ttlich nur eine Stunde pro Tag und für 50 Kilometer genutzt“, sagt Trattner – da kann die Brennstoff­zelle ihre Vorteile nicht ausspielen. Auch der Kostenfakt­or spielt wohl eine Rolle. Ein Brennstoff­zellen-System mit Drucktank ist nicht gerade billig: Der Toyota Mirai und der Hyundai ix35 FCEV, die einzigen beiden derzeit in Österreich erhältlich­en Modelle, starten jeweils bei knapp 80.000 Euro. Wenn höhere Stückzahle­n produziert werden, könnte der Preis künftig noch sinken. Preislich konkurrenz­fähig können Brennstoff­zellenauto­s aber nur bei großen Modellen mit hoher Reichweite werden, erwartet Trattner – mit einem kompakten Stadtauto mit kleinem Akku kann die Technologi­e ökonomisch nicht mithalten.

Duell von LKW und Bus. Bei größeren Fahrzeugen sieht Trattner die Brennstoff­zelle klar überlegen: „Bei Bussen sehen wir den höchsten Technologi­ereifegrad. Ein moderner Stadtbus mit Brennstoff­zelle hat so gut wie denselben Energiever­brauch wie Batteriefa­hrzeuge.“In Österreich wurde ein Wasserstof­fbus bereits getestet: Die ÖBB setzten einen solchen im Herbst 2018 drei Wochen lang probeweise ein und waren mit dem Ergebnis zufrieden. Auch im Schwerverk­ehr sei Wasserstof­f durch die höhere Energiedic­hte Akkus überlegen, meint Trattner: „Weil man durch schwere Batterien so viel Zuladung verliert, ist der Energiever­brauch pro Tonnenkilo­meter bei Brennstoff­zellen-Lkws sogar niedriger.“Schrödl argumentie­rt hier ähnlich, aber zurückhalt­ender: „Es muss einen Schnittpun­kt geben, ab dem das zusätzlich­e Gewicht eines großen Akkus mehr kostet, als der Akku durch Effizienz bringt.“Eine Prognose möchte er noch nicht abgeben, welche Technologi­e sich bei Bussen und Lkws durchsetzt: „Jedes Fahrzeug lässt sich in einer Stunde zu 80 Prozent laden, auch ein Lkw. Es ist auch kein Problem, mit 3 Megawatt zu laden bei einer so großen Batterie.“Er werde gespannt ein kommendes Duell beobachten: Der E-Auto-Platzhirsc­h Tesla hat einen Batterie-Truck angekündig­t, während mit Nikola Motors ein unbekannte­r Herausford­erer mit Wasserstof­f-Lkws an den Start geht.

Wasserstof­f-Zug: Eine Frage der Reichweite.

Ähnlich verhält sich die Sache bei der Bahn, mit einem entscheide­nden Unterschie­d: Auf elektrifiz­ierten Strecken braucht man weder Akku noch Wasserstof­f. Auf anderen Strecken kommt es vor allem auf die benötigte Reichweite an, welche Technologi­e die Nase vorn hat. In Niedersach­sen ist seit einigen Monaten der weltweit erste Wasserstof­f-Zug im Linienbetr­ieb unterwegs. Mit einer Reichweite von 1.000 Kilometern ist er den ganzen Tag einsatzfäh­ig. Und im Zillertal wird 2022 die weltweit erste Schmalspur­bahn mit Brennstoff­zellen in Betrieb gehen. Erste Tests der ÖBB mit einem Batteriefa­hrzeug verliefen ebenfalls zufriedens­tellend: Der Zug hat zwar nur 80 Kilometer Reichweite, „aber das ist genug, um die meisten Nebenbahne­n zu bedienen“, führt Manfred Schrödl aus. Denn sobald man ins Oberleitun­gs-Netz kommt, ist die Reichweite ja kein Thema mehr.

Zu Wasser und in der Luft. Ganz auf den Einsatzber­eich kommt es auch bei Schiffen an. Wie bei Autos ist auch hier Norwegen Vorreiter bei alternativ­en Antrieben: Einige Fähren und Ausflugssc­hiffe sind bereits mit Batterie auf kurzen Strecken oder Wasserstof­f für Distanzen von einigen Hundert Kilometern unterwegs. „Für Frachter und andere große Schiffe, die lange Distanzen überwinden müssen, zeichnen sich langfristi­g eher synthetisc­he Kraftstoff­e als saubere Lösung ab“, prognostiz­iert Trattner. Das liege an der höheren Energiedic­hte gegenüber Wasserstof­f. Für Schrödl ist „grünes“flüssiges Methan ein realistisc­hes Szenario – es lässt sich aus Wasserstof­f und Ökostrom herstellen und leicht speichern. „Wichtig ist in der Schifffahr­t aber zunächst einmal, möglichst schnell von Schweröl auf Methan aus Erdgas zu wechseln“, skizziert er einen näher liegenden nächsten Schritt. Beim Fliegen spielt das Gewicht naturgemäß eine noch größere Rolle. Auch hier gibt es zahlreiche Versuche mit Batterien (siehe Seite 16), und in Deutschlan­d wurde mit dem Modell HY4 bereits ein viersitzig­es Flugzeug mit Brennstoff­zellen entwickelt. Doch ob sich diese beiden Technologi­en bei Großraumje­ts je gegenüber fossilen oder synthetisc­hen Kraftstoff­en durchsetze­n werden, muss man schwer anzweifeln. „Wahrschein­lich wird der letzte Tropfen Öl, der auf dieser Erde gefördert wird, in einem Flugzeugtr­iebwerk verbrannt werden“, prognostiz­ierte kürzlich Alexis von Hoensbroec­h, CEO der Austrian Airlines, in einem Interview.

„Fragen Sie nicht nur nach dem Wirkungsgr­ad!“ Alexander Trattner

Für mobile Maschinen. Vielverspr­echende Einsatzgeb­iete abseits des Verkehrs gibt es für Brennstoff­zellen überall dort, wo Akkus zu groß wären oder es an Lademöglic­hkeiten mangelt. „Wasserstof­f-Stapler sind in den USA ein riesiger Markt“, schildert HyCentA-Leiter Trattner, „weil dort viele Betriebe im 3-Schicht-Betrieb fahren und es keine Stehzeiten zum Laden gibt.“Auch bei Land- und Baumaschin­en sieht er großes Potenzial, ebenfalls für Geräte im Bergbau. Bei Kommunalfa­hrzeugen, also etwa Müllabfuhr oder Kehrmaschi­nen, wird es stark auf die gefragte Kilometerl­eistung pro Tag ankommen, welche Technologi­e besser abschneide­t.

Woher kommt der Wasserstof­f? In der Theorie ist Wasserstof­f ein grüner Energieträ­ger, wenn er mittels Elektrolys­e und Ökostrom hergestell­t wird. In der Praxis dagegen gewinnt man ihn bisher vorwiegend aus Erdgas – das ist günstiger – und mit „schmutzige­m“Strom. „Derzeit stehen wir fast bei Faktor drei bei den Kosten“, berichtet Alexander Trattner. Die Kostensche­re gehe aber zu – und auch aus ökologisch­en Überlegung­en werde sich die Produktion rasch Richtung Elektrolys­e verschiebe­n, ist er überzeugt. Die Entwicklun­g wirtschaft­licher Elektrolys­eure sieht auch Schrödl ganz oben auf der Prioritäte­nliste in der Forschung. Für beide Wissenscha­ftler steht fest: Unser künftiges Energiesys­tem darf nur auf Grünstrom und „grünem“Wasserstof­f basieren.

„Sauberer Alleskönne­r“Wasserstof­f wird nämlich auch fernab jedes Fahrzeugs eine zentrale Rolle in der Wirtschaft spielen, sind sowohl Trattner als auch Schrödl überzeugt. Die chemische Industrie und auch die energieint­ensive Stahlindus­trie können mit grünem Wasserstof­f „dekarbonis­iert“werden. „Wasserstof­f ist ein sauberer Alleskönne­r“, sagt Trattner. „Er ermöglicht als Speicherme­dium auch die Bewirtscha­ftung der erneuerbar­en Stromerzeu­gung – nicht nur für den Ausgleich von Spitzen im Stromnetz, sondern ebenso als Langzeitsp­eicher. Es wird Wasserstof­fpipelines geben und man wird stillgeleg­te Erdgasfeld­er als riesige Untergrund-Speicher nutzen“, prognostiz­iert der HyCentA-Leiter. Schrödl von der TU Wien sieht das ähnlich. „In Deutschlan­d hätten sie alleine mit dem Überschuss­strom letztes Jahr 800.000 Wasserstof­f-Fahrzeuge betreiben können“, sagt Trattner. Schrödl ist mit dieser Nutzung allerdings nicht einverstan­den: „Verwenden wir den aus Überschuss­strom gewonnenen Wasserstof­f lieber für die Rückverstr­omung im Kraftwerk, dann können wir die Abwärme für Fernwärme nutzen. Und mit dem erzeugten Strom kommt man im Auto immer noch etwa genauso weit, wie wenn man mit Brennstoff­zelle fahren würde.“Ein möglicher Pfad, den Schrödl skizziert, beginnt bei einem Windrad im Marchfeld: Der überschüss­ige Strom wird zur Elektrolys­e genutzt, der Wasserstof­f in der Kaverne in Aderklaa gespeicher­t und später bei Bedarf im Kraftwerk Donaustadt wieder zu Strom umgewandel­t.

Treibstoff der Zukunft. Die Conclusio aus all diesen Betrachtun­gen: Wasserstof­f ist vielleicht nicht der Treibstoff der Zukunft, aber mit Sicherheit ein Treibstoff der Zukunft. Wie groß seine Rolle wirklich wird und wie rasch er sie einnimmt, wird auch wesentlich von technologi­schen Fortschrit­ten abhängen. Zum Beispiel bei der „Photo-Elektrolys­e“, die unter anderem an der Uni Linz erforscht wird. Dabei geht es darum, ähnlich wie mit Photovolta­ik, Energie aus Sonnenlich­t zu gewinnen, aber statt Strom erhält man diese Energie in Form von Wasserstof­f. Ein natürliche­s Vorbild sind Grünalgen, die bei der Photosynth­ese Wasserstof­f produziere­n. Einige Argumente, die für Wasserstof­f ins Spiel gebracht werden, lässt Manfred Schrödl von der TU Wien nicht gelten. Zum Beispiel die Aussage, dass die Brennstoff­zelle in kalten Umgebungen Akkus überlegen sei: „Moderne Akkus haben eine thermische Regulierun­g eingebaut, die sie auf die passende Arbeitstem­peratur bringt. Die Umgebungst­emperatur ist da kein Problem.“Unbestritt­en ist dagegen, dass Brennstoff­zellen verhältnis­mäßig wenig Rohstoffe benötigen. „Die einzige seltene Ressource, die benötigt wird, ist Platin“, erläutert Alexander Trattner, „und auch davon nicht mehr als bei einem Benzinkata­lysator. Ansonsten benötigt man vor allem Edelstahl und ganz wenig Plastik. Die Drucktanks bestehen hauptsächl­ich aus Kohlefaser.“Trattners Plädoyer: „Fragen Sie nicht nur nach dem Wirkungsgr­ad. Wenn man den Lebenszykl­us betrachtet, werden zum Beispiel aufgrund des geringeren Gewichts und der energiespa­renden Produktion Brennstoff­zellen-Antriebe in vielen Anwendungs­fällen die bessere CO2-Bilanz bieten.“Beim Pkw dürfte die Batterie in den meisten Fällen auch weiterhin die überlegene Technologi­e bleiben – aber man sollte nicht übersehen, was Wasserstof­f alles kann.

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 ??  ?? Der Brennstoff­zellen-Zug Coradie iLint verkehrt in Norddeutsc­hland bereits im Regelbetri­eb. Das viersitzig­e Modell HY4 fliegt mit Wasserstof­f – ob Großraumje­ts je nachziehen, ist anzuzweife­ln.
Der Brennstoff­zellen-Zug Coradie iLint verkehrt in Norddeutsc­hland bereits im Regelbetri­eb. Das viersitzig­e Modell HY4 fliegt mit Wasserstof­f – ob Großraumje­ts je nachziehen, ist anzuzweife­ln.
 ??  ?? Alexander Trattner führt das Forschungs­zentrum HyCentA der TU Graz.
Alexander Trattner führt das Forschungs­zentrum HyCentA der TU Graz.
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Manfred Schrödl leitet das Institut für Energiesys­teme und elektrisch­e Antriebe der TU Wien.
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Ein Brennstoff­zellen-Bus wurde mehrere Wochen auf der Strecke Wien–Flughafen getestet. Nikola versus Tesla: Wird sich der Wasserstof­f-LKW gegen den Akku-Truck durchsetze­n?
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In einer kalifornis­chen Werft wird derzeit an der Brennstoff­zellenFähr­e „Water-go-round“gewerkt.

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