Wasser - Stoff, aus dem die Träume sind

Für den Betrieb von Brennstoffzellen-Elektroautos oder als Treibstoff für Verbrennungsmotoren könnte Wasserstoff als Energieträger vor einer grossen Zukunft stehen – auf der Strasse, in der Luft und auf dem Wasser.

Ein Auto mit Wasser anzutreiben, ist ein zwar verlockendes, aber leider illusorisches Vorhaben. Mit Wasserstoff dagegen gelingt ein solches Unterfangen. Der Haken dabei: Der Schritt vom Wasser zum Wasserstoff ist aufwendig und energieintensiv. Ausserdem sind das Betanken und Speichern im Fahrzeug nicht ganz problemlos. Trotz alledem aber wird Wasserstoff für den Antrieb unterschiedlicher Transportmittel der Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Grundsätzlich sind drei Hauptrichtungen im Fokus der Energiestrategen: Wasserstoff kann entweder in der Brennstoffzelle Strom für Elektroautos erzeugen oder direkt in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Ausserdem lassen sich damit synthetische Treibstoffe herstellen, die den CO₂ -neutralen Betrieb von Otto- und Dieselmotoren ermöglichen.

Weil Wasserstoff (H respektive H₂) in der Natur nicht in reiner Form vorkommt, muss er aus einem Trägermaterial gelöst werden – und dazu ist stets Energie aufzuwenden. Heute wird er noch fast ausschliesslich aus fossilen Materialien, meistens Erdgas, gewonnen. Aus Erdgas (CH4, Methan) wird durch Dampfreformierung «grauer Wasserstoff», denn dabei entsteht auch CO₂. Für den Einsatz als Treibstoff in Fahrzeugen, wo es gilt, den CO₂-Ausstoss signifikant zu reduzieren, muss «grüner Wasserstoff» hergestellt werden. Das geschieht vorzugsweise durch Elektrolyse, indem Wasser mit Wind- oder Solarstrom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgeteilt wird.

Da der extrem leichte Wasserstoff gegenüber konventionellen Treibstoffen wie Benzin und Diesel eine sehr hohe gravimetrische, aber eine nur niedrige volumetrische Energiedichte aufweist, sind Transport und Speicherung an Bord eines Fahrzeugs mit etwelchen Problemen verbunden. Heute wird H₂ meistens noch auf der Strasse transportiert. Gasförmig lassen sich in einem LKW rund 500 bis 1000 Kilogramm H₂ im Drucktank mitnehmen, in flüssiger Form in einem Kryotank (bei rund –253°C) rund 4000 Kilogramm. Effizienter wäre jedoch der Transport durch Pipelines. Davon gibt es zwar in den USA und in wenigen europäischen Ländern bereits ein kleines Netz. Das muss jedoch noch wesentlich erweitert werden – was viel Zeit beansprucht und beträchtliche Kosten verursacht.

Druckgespeicherter Wasserstoff wird in Zukunft auch als Treibstoff für Strassenfahrzeuge dienen. Dies können Nutzfahrzeuge und Personenwagen sein, die mit Brennstoffzellen-Stacks ausgestattet sind und von Elektromotoren angetrieben werden. Neben den Strassenfahrzeugen werden Brennstoffzellensysteme derzeit auch in Schienenfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen erprobt. Ausserdem dürfte dem H₂-betriebenen Verbrennungsmotor eine Renaissance bevorstehen: erst in LKW, später auch in Personenwagen.

Aktuell ist das Modellangebot an Brennstoffzellenfahrzeugen noch marginal. Als Serienfahrzeuge sind nur gerade der Hyundai Nexo und der Toyota Mirai verfügbar, während in Japan und in den USA Honda zusätzlich den Clarity anbietet. Im neuen Hyundai-LKW XCient, der demnächst in der Schweiz auf die Strassen rollt, werden 33 Kilogramm H₂ unter 350 bar gespeichert, so dass mit 350-kW-Elektromotor und zwei 95-kW-Brennstoffzellen rund 400 km Reichweite möglich sein werden.

Ganz neu im Angebot ist der Zweisitzer Gumpert Nathalie, der nicht nur Supersportwagen- Fahrleistungen bieten soll, sondern auch mit einer neuen Art der Wasserstoffspeicherung arbeitet. In Gumperts Sportwagen erzeugt ein zusätzlicher Reformer den Wasserstoff für die Brennstoffzelle aus Methanol. Dieses lässt sich auf konventionelle Art tanken und drucklos an Bord speichern. Wird das Methanol jedoch nicht regenerativ erzeugt, fällt noch eine kleine Menge an fossilem CO₂ an.

Wasserstoff im Verbrennungsmotor wurde schon in den 1990er-Jahren erprobt, beispielsweise von BMW, Ford und Mazda – bei den Japanern sogar im Wankelmotor. Nun wird dies aufgrund der rigorosen CO₂-Zielwerte wieder zum Thema. Auch Zulieferunternehmen sind auf diesem Gebiet aktiv. So hält Stefan Hartung, Geschäftsführer der Bosch, in seinem Referat für das (verschobene) Wiener Motorensymposium fest: «Die erzielbaren Wirkungsgrade des gesamten Antriebsstrangs – Tank to Wheel – liegen im H₂-Verbrenner bei vergleichbaren Werten wie in Brennstoffzellensystemen. » Bei Bosch und beim deutschen Entwicklungsunternehmen Keyou werden derzeit H₂-Verbrennungsmotoren für schwere Nutzfahrzeuge entwickelt. Sie lassen sich von bestehenden Dieselaggregaten ableiten und ermöglichen annähernd CO₂-freien Betrieb. Mit Emissionen von weniger als 1 Gramm CO₂ pro Kilometer gilt ein LKW nach EU-Vorgaben als Zero Emission Heavy Duty Vehicle.

Grösserer Entwicklungsbedarf besteht noch beim H₂-Tankstellennetz. Derzeit gibt es europaweit noch keine 200 Tankstellen – und nur gerade vier in der Schweiz. Mit der demnächst beginnenden Einführung einer grösseren Anzahl von Brennstoffzellen-Lastwagen dürfte sich dies jedoch bald ändern.

Der Wasserstoff kann gasförmig bei der Tankstelle angeliefert und gespeichert oder aber dort direkt mittels Elektrolyse produziert werden. Schliesslich muss er auf einen Betankungsdruck von bis 1000 bar gebracht werden. Damit verbunden ist ein beträchtlicher Energieaufwand für Kompression und Kühlung.

Text: Stephan Hauri