Wasserstoff – Sprit für die Zukunft?

Wie wir morgen fahren sollen

Toyota Mirai, ams, Fahrbericht Foto: Toyota 28 Bilder

Wie fahren wir morgen, in 20 Jahren, am Ende des Öls? Toyota setzt unter anderem auf die Brennstoffzelle und bringt den Mirai. Eine Analyse.

Eines kann man den deutschen Herstellern sicher nicht vorwerfen: dass sie den Trend verschlafen haben. Brennstoffzellenfahrzeuge, die mit Wasserstoff betrieben werden, sind schon seit Jahrzehnten ein Thema. Der zündende Funke jedoch fehlte bislang. So wurde beispielsweise die im Jahr 1999 mit viel Werberummel unter Federführung von BMW eingeweihte Wasserstoff-Tankstelle am Münchner Flughafen, immerhin die erste öffentliche H2-Tankstelle weltweit, still und leise wieder abgeschafft.

Auch Mercedes setzt auf das Thema. Schon 1994 zeigten die Stuttgarter einen mit Technik vollgestopften MB 100-Transporter, der als NECAR das Wasserstoffzeitalter einläuten sollte. Gerade Mercedes erwies sich in Sachen Wasserstoff durchaus hartnäckig, man startete sogar 2011 mit der F-Cell B-Klasse eine immens kostspielige Weltumrundung zu Werbezwecken. Doch auch hier sind kaufbare Autos bislang nicht in Sicht. VW Hy-motion, Audi A2H2, Ford Focus FCV – die Liste der Konzeptfahrzeuge ist lang.

All diese Projekte wurden mehr oder weniger beerdigt, teilweise in Feldversuchen erprobt, aber nie in der Weise verfolgt, die Toyota nun mit dem Mirai beschreitet: es wird in Deutschland ein Brennstoffzellen-Fahrzeug geben, das sich ab Herbst jeder kaufen kann, der das nötige Kleingeld (avisiert sind 78.000 Euro bei Vollausstattung) mitbringt.

Energiewende soll Durchbruch bringen

Die Gründe, warum die Brennstoffzelle ausgerechnet jetzt als alternativer Antrieb durchstarten soll, obwohl es in den vergangenen 20 Jahren nicht funktionierte, bringt Werner Diwald, Sprecher von Performing Energy, dem "Bündnis für Windwasserstoff", auf einen kurzen Nenner: erneuerbare Energien. Seit dem in Deutschland beschlossenen Atomausstieg und der sogenannten Energiewende stehen die Stromversorger vor dem Problem, teils gewaltige Überschussmengen an Strom aus regenerativen Quellen verwalten zu müssen. Bei Starkwind und viel Sonnenschein liefern Windkraft- und Solaranlagen in Deutschland schon jetzt mehr Strom, als die deutschen Verbraucher zusätzlich zur konventionell erzeugten Energie abnehmen können. Im Jahr 2014 waren erneuerbare Energien mit einem Anteil von 157 Terrawattstunden erstmals die wichtigste Säule in der Bruttostromerzeugung, noch vor der Braunkohle (156 TWh, Quelle BMWI).

Speziell Windkraft- und Solarenergie fällt jedoch bekanntlich zyklisch an – nachts scheint keine Sonne, auch an der Küste herrscht bisweilen Flaute. Die Suche nach praktikablen Stromspeichern, um überschüssigen Strom als Energiequelle umwandeln und vorhalten zu können, läuft daher auf Hochtouren. Pumpspeicher-Wasserkraftwerke oder Kavernenspeicher für Druckluftkraftwerke stehen hier beispielsweise in der Diskussion. Diese Lösungen bedingen allerdings entsprechende Investitionen in Baumaßnahmen, die zudem immer schwieriger gegen den Bürgerwillen durchzusetzen sind. Und hier kommt der Wasserstoff ins Spiel.

Über die sogenannte Elektrolyse lässt sich Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Gegenüber der Wasserstofferzeugung aus fossilen Brennstoffen rechnet sich die Wasserstofferzeugung eigentlich nicht, zumindest derzeit – aus Erdgas lässt sich der Wasserstoff kostengünstiger produzieren als mittels  Wasserstoffelektrolyse. Doch angesichts immer größerer Probleme, überschüssigen Strom "loszuwerden", sieht die Rechnung plötzlich anders aus:  besonders als Energieabnehmer für alternative Energien wäre die Wasserstoffelektrolyse ein idealer Einsatzzweck.  Der erzeugte Wasserstoff lässt sich unmittelbar als Treibstoff für Brennstoffzellen verwenden oder nach der sogenannten Methanisierung in das reguläre deutsche Erdgasnetz einspeisen. Ein verlockender Gedanke, denn speziell für Erdgas ist die komplette Infrastruktur – Leitungsnetz, Gasspeicher – bereits vorhanden und müsste nicht erst teuer und langwierig aufgebaut werden.

Brennstoffzellen-Autos als Ergänzung

Warum aber den Strom aufwändig in Wasserstoff umwandeln und nicht direkt in Elektro-Autos verwenden? Brennstoffzellen-Befürworter nennen vor allem zwei Gründe hierfür. Als erstes das altbekannte Dilemma Reichweite: während ein Brennstoffzellenauto nach derzeitigem Stand der Technik rund 500 Kilometer mit einer Tankfüllung fahren kann, ist bei den meisten heute verfügbaren Elektromobilen spätestens nach rund 150 Kilometer Schluss. Zu wenig für Überlandfahrten, aber ideal für den Pendler- und Großstadt-Verkehr, weshalb das Elektroauto in diesem Umfeld auch Zukunftspotential hat.

Will man ein Elektroauto mit entsprechender Reichweite ausrüsten, steigt – siehe Tesla – durch die teuren Batterien unweigerlich der Grundpreis auf ein sehr hohes Level. Punkt zwei ist der Tankvorgang an sich: ein Brennstoffzellenauto lässt sich heute an einer Wasserstofftankstelle binnen vier bis fünf Minuten volltanken. Ungeachtet der Batteriekapazität dauert der Ladevorgang bei Elektroautos aus physikalischen Gründen ungleich länger. Salopp gesagt: weil nicht mehr Strom durch das vorgegebene Kabel passt. So liefert ein Tesla-Supercharger, laut Tesla "schnellste Ladestation der Welt", in einer halben Stunde Ladezeit den Strom für rund 270 Kilometer Reichweite. Auch bei deutlich leistungsfähigeren Batterien als sie heute verfügbar sind, wird sich dies nicht wesentlich verkürzen lassen. Was dies bei einer weiten Verbreitung entsprechender Elektroautos bedeutet, lässt sich leicht ausmalen, wenn mehrere E-Mobile an einer Schnell"zapf"säule darauf warten, dass der Vordermann mit dem Laden fertig wird.

Schon heute bietet sich Wasserstoff jedoch nicht nur für den Einsatz im Pkw an: Blockheizkraftwerke mit Brennstoffzellen lassen sich beispielsweise für die Energie- und Wärmeversorgung von Gebäuden einsetzen.

Das Tankstellennetz ist noch dünn

Die Technik ist vorhanden, mehrere Pilotanlagen für das "Power-to-Gas" oder auch kurz P2G genannte Verfahren befinden sich in Betrieb oder kurz vor der Fertigstellung. Für eine flächendeckende Versorgung mit Wasserstoff als Fahrzeug-Treibstoff sind diese natürlich noch nicht ausreichend, doch ein Anfang scheint gemacht. Gleiches gilt für den Aufbau von Wasserstoff-Tankstellen. Bis Ende 2015 soll das Tankstellennetz in Deutschland von derzeit rund 40 auf 50 Wasserstofftankstellen erweitert werden (eine Liste der weltweit verfügbaren Wasserstofftankstellen finden Sie unter diesem Link). Für eine ausreichende Abdeckung gehen Studien von rund 1.000 notwendigen Tankstellen in Deutschland aus, Toyota selbst rechnet damit, bereits bei einem Netz von rund 500 deutschlandweit strategisch verteilten Tankstellen eine ausreichende Versorgung ohne große Umwege bei der Routenplanung zu gewährleisten.

Um für den Betrieb in Fahrzeugen die nötige Energiedichte zu erreichen, wird flüssiger Wasserstoff (LH2) benötigt. Dessen Hauptproblem ist die enorm niedrige Temperatur: LH2 wird bei einem Druck von maximal 16,5 bar und Temperaturen von bis zu -253 Grad Celsius gelagert. Das bedingt gewisse Logistik-Probleme: Für den Transport zur Tankstelle sind spezielle isolierte Lkw-Tankauflieger notwendig. Die Alternative hierzu ist die Erzeugung von LH2 direkt vor Ort an der Tankstelle, hierzu könnte der gasförmige Wasserstoff per Pipeline angeliefert oder in einer kleineren P2G-Anlage aus regenerativen Energien erzeugt werden, um dann für den Tankvorgang direkt vor Ort komprimiert und verflüssigt zu werden. Diese Lösung betreibt der brandenburgische Stromversorger Enertrag seit 2011 in einem Pilotprojekt.

Die Speichertechnik selbst scheint zumindest Toyota inzwischen im Griff zu haben: die selbst hergestellten Wasserstofftanks aus Kunststoff zeigen laut Toyota keine Diffusionsverluste und können den flüssigen Wasserstoff auch über längere Zeiträume zuverlässig und verlustfrei speichern. Auch die reinen Betriebskosten sind überschaubar: derzeit kostet ein Kilo Wasserstoff rund acht Euro, "umgerechnet" auf Verbrennermotoren entspricht dies momentan den Verbrauchskosten von rund sechs Liter Benzin auf 100 Kilometer.

Das wird allerdings, ist sich auch Wasserstoff-Lobbyist Diwald sicher, kein Preis für die Ewigkeit sein. Sobald entsprechende Mengen Wasserstoff im Straßenverkehr verbraucht werden, wird unweigerlich der Finanzminister beide Hände aufhalten – ein Paradebeispiel hierfür ist das nachträglich als Kraftstoff versteuerte Rapsöl, nachdem immer mehr Dieselfahrer bei Aldi und Co. "getankt" hatten. Bis es soweit kommt, wird allerdings auch Erdöl auf einem Preislevel angelangt sein, der einen Spritpreis deutlich jenseits des heutigen diktieren wird.

Fazit:

Die Notwendigkeit, überschüssigen "Öko"-Strom zu speichern, könnte der Wasserstoff-Mobilität in Deutschland den entscheidenden Anstoß geben, der in den vergangenen Jahrzehnten fehlte. Der Aufbau der erforderlichen Versorgungstechnik  (P2G-Fabriken, Tankstellen) wird nicht innerhalb der nächsten Monate passieren, doch in fünf bis zehn Jahren erwarten Experten einen für reibungslosen Individualverkehr ausreichenden Ausbaustand.

Übersicht: Toyota Mirai
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