Wasserstofftechnologie und Brennstoffzelle – Ausweg aus der Klimafalle Verkehr?

1. Verkehr als offene Flanke des Klimaschutzes

Die Hinweise mehren sich: Klimaturbulenzen sind keine ferne Zukunft mehr; der Prozess hat bereits begonnen. Die Diskrepanz zwischen notwendigen Vorbeugemaßnahmen und dem tatsächlichen Stand der Klimaschutzpolitik nimmt dramatisch zu. Soll in der mittleren Frist eine Stabilisierung des Weltklimas gelingen, müssen die CO₂-Emissionen bis Mitte des Jahrhunderts weltweit halbiert und in den hochentwickelten Ländern sogar um rd. 80 Prozent reduziert werden. Derzeit spricht nichts für ein entsprechendes gesellschaftliches und politisches Wollen. Bestenfalls deutet sich eine Stabilisierung auf dem heutigen Emissionsniveau an. Auch Deutschland muss erheblich nachlegen, wenn es sein selbstgestecktes Minderungsziel von 25 Prozent bis zum Jahr 2005 noch erreichen will.

Als Achillesferse der Klimaschutzpolitik hat sich in den letzten Jahren immer deutlicher das Verkehrssystem herauskristallisiert. Statt einen eigenen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten, steigen dort die C0₂-Emissionen nahezu ungebremst. Sicher, ein vergleichbares Auto verbraucht heute weniger Sprit als vor 20 Jahren. Die positiven Effekte des technischen Fortschritts wurden durch die weiter ungebremste Zunahme der Fahrzeugdichte, durch steigende Fahrleistungen und den Trend zu größeren, schwereren und schnelleren Fahrzeugen jedoch überkompensiert. Allein in den Jahren 1990 bis 1995 stiegen so Fahrleistungen und Kohlendioxidemissionen gleichermaßen um 9 Prozent. Und für den Zeitraum 1997 bis 2010 erwartet das Umweltbundesamt eine weitere Zunahme der Fahrleistungen im Straßenverkehr um 23 Prozent bei gleichzeitiger Zunahme der CO₂ -Emissionen um immerhin noch 15 Prozent. Weltweit betrachtet wächst die globale Autoflotte derzeit prozentual etwa doppelt so schnell wie die Weltbevölkerung. Und die Emissionen wachsen mit.

Bereitschaft zu nachhaltigem Mobilitätsverhalten bleibt gering

Obwohl also die Umwelt- und Klimaschädlichkeit von automobilem Verkehr wie auch von rasant wachsendem Straßengüter- und Flugverkehr absolut wie relativ zugenommen hat, ist die Bereitschaft zur rationalen Problemlösung eher zurückgegangen. Gab es vor 10 Jahren immerhin Anzeichen für Verhaltensänderungen hin zu einer umweltgerechteren Mobilität, findet der Tanz um das goldene Kalb Auto heute nur umso bedenkenloser statt. Auch die von der rot-grünen Bundesregierung eingeführte und hinsichtlich ihrer ökologischen Lenkungswirkungen eher fragwürdige „Ökosteuer“ entfaltet keine Anreize zum sparsamen Autogebrauch. Bestenfalls liefert sie ein Argument, beim Neukauf ein spritärmeres Gefährt zu bevorzugen. Damit jedoch sind wir bei der Technik, auf die sich erneut fast alle Hoffnungen richten. Die Stichworte reichen von verbesserten resp. alternativen Kraftstoffen (Erdgas, Bio-Diesel) über verbesserte Fahrzeugkonzepte (Drei-Liter-Auto) bis hin zu grundsätzlich neuen Antriebs- und damit Fahrzeugkonzepten.

Zwei technische Entwicklungspfade

Für eine automobil-nachhaltige Mobilität sind grundsätzlich zwei technische Entwicklungspfade denkbar. Bei der einen Alternative findet eine Substitution der fossilen Brennstoffe Benzin oder Diesel durch Wasserstoff statt, wobei die Brennstoffzelle als Antriebstechnik fungiert. Bei der anderen Alternative tanken Fahrzeuge solar erzeugten Strom. Derzeit läßt sich kaum einschätzen, welche dieser Alternativen letztlich zum Zuge kommt. Hier soll skizziert werden, inwieweit mit Wasserstofftechnik und Brennstoffzelle bereits in naher Zukunft eine überzeugende und wirtschaftlich einsatzfähige Technologie zur Verfügung steht oder ob dies eher eine Option ist, die absehbar nur in Nischen zum Tragen kommt.

3. Antriebskonzepte mit Wasserstoff

Die Idee einer auf Wasserstoff basierenden Energieversorgung ist weit über hundert Jahre alt. Wasserstoff (H₂) ist als farb- und geruchloses Gas die einfachste aller chemischen Verbindungen. Sie kommt in der Natur reichlich vor, allerdings nicht als freies Gas, sondern nur gebunden, z.B. in Form von Wasser (H₂0), aber auch im Rohöl oder Erdgas. Unter ökologischen Gesichtspunkten ist entscheidend, welcher Energieträger bei der Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt wird. Ein echter ökologischer Durchbruch ist nämlich erst dann zu erwarten, wenn Wasserstoff mittels regenerativ erzeugtem Strom hergestellt wird. Dazu bedarf es jedoch einer grundlegend veränderten Infrastruktur der Energiewirtschaft mit solarer Gewinnung in den Sonnenzonen und anschließendem Transport in unsere Breiten. Dies ist noch ein sehr weiter Weg.

Derzeit kommen für den Einsatz von Wasserstoff zum Antrieb von Kraftfahrzeugen zwei Konzepte von Frage:

1. der Verbrennungsmotor
2. die Brennstoffzelle

Wird ein herkömmlicher Hubkolbenmotor mit Wasserstoff betrieben, läßt sich der Kraftstoffverbrauch deutlich reduzieren. Nachteile wie unregelmäßige Verbrennungsabläufe, geringe Leistungsdichte, schlechte Schmiereigenschaften und ein hoher Aufwand für Förderpumpe und Einspritzelemente überwiegen jedoch die Vorteile. Ein Durchbruch beim Umwelt- und Ressourcenschutz läßt sich so erst recht nicht erzielen. Dies ist wasserstoffbasiert nur mit Konzepten zu erzielen, die nicht mehr dem alten Verbrennungsdenken verhaftet sind. Als zukunftsweisend gilt hier das Brennstoffzellenkonzept. Während bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen etwa 30 Prozent der Energie des Brennstoffs verlorengehen und je nach eingesetztem Kraftstoff mehr oder weniger starke Schadstoffemissionen entstehen, ist der Einsatz von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle emissionsfrei. Geringe Emissionen entstehen freilich dann, wenn der Wasserstoff aus fossilen Energieträgern wie Methan oder Erdgas gewonnen wird. Das Prinzip der Brennstoffzelle kann als „kalte Verbrennung“ umschrieben werden. Der Brennstoff wird elektrochemisch oxidiert anstatt unkontrolliert verbrannt. So wird ein großer Teil der Energie direkt in elektrischen Strom umgesetzt.

4. Politische Vorgaben als Pushfaktor

Obwohl das Prinzip der Brennstoffzelle seit über 150 Jahren bekannt ist, konnte es sich bislang nicht durchsetzen. Seit Anfang der 80er Jahre deutet sich hier ein Wandel an. Durch Fortschritte bei der Werkstofftechnik und die Entwicklung neuer Katalysatoren erfuhren Brennstoffzellen einen deutlichen Auftrieb. Dies gilt für stationäre Anwendungen etwa bei BHKW´s oder GUD-Kraftwerken wie auch bei den mobilen Anwendungsfeldern. Bei den mobilen Anwendungen im Verkehr erfuhr die Entwicklung in den letzten Jahren Schubkraft nicht zuletzt aufgrund von politischen Vorgaben. Ab 2003 fordert der US-Bundesstaat Kalifornien von jedem Automobilhersteller zunächst zwei Prozent Null-Emissions-Fahrzeuge. Dieser Anteil soll danach stetig steigen. Die Verschärfung von Emissionsvorgaben bis hin zu Null-Emissionsvorgaben, verlangen nach grundlegend neue Antriebskonzepten. Die Automobilindustrie hat sich dem Thema gestellt und verfolgt ehrgeizige Pläne. Ziel sind Fahrzeuge, die hinsichtlich Spritverbrauch und Emissionen einen Quantensprung besser sind als herkömmliche Fahrzeuge.

5. Technische Machbarkeit erwiesen

Mehr als 60 Firmen arbeiteten Ende 1999 an der Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie. Dies mit greifbarem Erfolg. Die Technik ist heute auf einem Entwicklungsstand, bei der es Prototypen von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen in der dritten und vierten Generation gibt. Vielerorts von München über Stuttgart bis Berlin laufen Feldversuche, bei denen unterschiedliche Modelle auf ihre Praxistauglichkeit unter Alltagsbedingungen getestet werden. Für den PKW-Bereich haben mehrere Automobilfirmen die Markteinführung von mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen bis 2004/2005 angekündigt; für den Stadtbusbereich soll mit dem Citaro der DaimlerCrysler-Tochter EvoBus GmbH sogar schon ab Ende 2002 ein Niederflurbus am Markt verfügbar sein.

Betrachtet man die Entwicklung seit der Vorstellung der ersten Prototypen Mitte der 90er Jahre, konnten deutliche Fortschritte erzielt werden. Daimler-Chrysler, einer der Pioniere, hat seit 1994 mit Nachdruck die Entwicklung marktfähiger Konzepte mit Methanol und Wasserstoff als Kraftstoffen vorangetrieben. Die ersten Prototypen der sogenannten New Electric Cars (NECAR I und NECAR II) boten noch wenig attraktive Perspektiven was wesentliche Parameter wie Reichweite und Höchstgeschwindigkeit angeht. Mit NECAR III und NECAR IV konnten jedoch deutliche Verbesserungen erreicht werden. NECAR IV, das Anfang 2000 am Flughafen München im Praxistest war, ist ein Null-Emissions-Fahrzeug der A-Klasse. Ein 55-kW-Elektromotor bezieht seinen Strom aus einer chemischen Reaktion von Sauerstoff aus der Luft und Wasserstoff in den Brennstoffzellen. Der Wasserstoff ist tiefgekühlt in einem hochisolierten zylindrischen Tank im Heck des PKW untergebracht; die Leistung der Brennstoffzelle liegt schon um 40 Prozent über der von NECAR II. Gegenüber einer Spitzengeschwindigkeit von 110 km/h beim NECAR II erreicht dieses Nachfolgemodell bereits eine Spitzengeschwindigkeit von 145 km/h. Auch die Reichweite konnte von 250 km auf nunmehr 450 km gesteigert werden. Damit sind wesentliche Kriterien für einen Vergleich mit konventionellen Verbrennungsmotoren erfüllt. Da es zugleich gelang, den für den Wasserstofftank erforderlichen Platzbedarf deutlich zu reduzieren, gibt es nun auch genügend Raum für Menschen und Gepäck. Noch ausgeprägter als im PKW-Bereich sind die Fortschritte im Stadtbusbereich. Nachdem DaimlerCrysler seinen ersten Prototypen NEBUS (New Electric Bus) erst 1997 vorgestellt hatte, wird die technische Weiterentwicklung, der Citaro, in kleiner Stückzahl (20 – 30 Stück) bereits fünf Jahre später an den Markt gebracht. Nach Aussage von Prof. Klaus-Dieter Vöhringer, im Konzernvorstand zuständig für den Bereich Forschung und Entwicklung, ist DaimlerChrysler damit weltweit Vorreiter. (Presseinfo vom 6.4.2000). Das größte Handikap des Citaro – er fasst 70 Fahrgäste und erreicht mit einer Spitzengeschwindigkeit von 80 Km/h eine Reichweite von 300 km – wird freilich sein Preis sein. Mit einem angekündigten Verkaufspreis von 1,25 Mio. EUR (2,45 Mio. DM) ist er vier- bis fünfmal zu teuer wie ein herkömmlicher Bus. Lediglich um 20 Prozent teurer als ein normaler Linienbus soll dagegen der Brennstoffzellenbus des Busherstellers MAN sein. Pünktlich zum Start der EXPO will die Berliner BVG die neueste MAN-Entwicklung auf einer Linie zwischen Bahnhof ZOO und Flughafen Tegel regulär im täglichen ÖPNV-Betrieb zum Einsatz bringen. Dass die Schritte von der technischen Entwicklung über die Test- zur Pilotphase bei Stadtbussen kürzer sind als im PKW-Bereich hat gewiss mehrere Gründe. Zentral ist jedoch einer: Während PKW´s eine möglichst flächendeckende Betankungsinfrastruktur benötigen, reicht für Stadtbusse eine zentrale, täglich anzufahrende Wasserstoff-Tankstelle.

Der Test auf Anwendungsreife ergab bei den bisherigen Feldversuchen, dass Wasserstoff für den mobilen Fahrzeugantrieb grundsätzlich geeignet ist. Allerdings bestehen eine Reihe von Problemen:

1. Wasserstoff ist mit Sauerstoff hochexplosiv
2. Die Erzeugung von H2 ist aufwendig/ energieaufwendig
3. An der Verbrauchsoptimierung und dem Thema „Gewichtsreduktion“ muss weitergearbeitet werden.
4. Die Kosten sind zu hoch
5. Die Speicherung sowie die Betankung sind noch weitgehend ungelöst.

6. Zwischen Skepsis und Hoffnung – Was leisten Wasserstoff und Brennstoffzelle in der mittleren Frist

Vor dem Hintergrund der Klimaproblematik besteht der wichtigste ökologische Vorteil darin, dass Wasserstoff der einzige Kraftstoff ist, bei dessen Verbrennung resp. elektrochemischer Umwandlung kein C0₂ entsteht. Es fallen lediglich Stickoxidemissionen an. Was die neuen Antriebstechniken hinsichtlich einer duchgreifenden Energie- und CO₂-Reduktion jedoch zu leisten vermögen, und wann vor allem mit diesen Entlastungen zu rechnen ist, wird zur Zeit unterschiedlich beurteilt.

Das Umweltbundesamt (UBA) hat die Brennstoffzellentechnik 1999 einer Analyse und Bewertung unterzogen. Ermittelt werden sollten Vor- und Nachteile aus Sicht des Umweltschutzes im Vergleich zu konventionellen Antriebskonzepten und deren kurzfristiger Entwicklungsmöglichkeit. Nach den UBA-Berechnungen zeichnet sich ab, dass in den nächsten 10 bis 20 Jahren eine Verringerung von Schadstoffausstoß und Ressourcenverbrauch wesentlich kostengünstiger durch verbrauchsoptimierte Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor erreicht werden kann. Das Fazit lautet: „Aus Sicht des Umweltschutzes ist daher nach heutigem Kenntnisstand der Einsatz von Wasserstoff im Verkehr aufgrund der hohen Energieverluste bei der Herstellung und Aufbereitung des Energieträgers nicht zu befürworten.“

Das Umweltbundesamt untermauert sein letztlich vernichtenes Urteil mit im wesentlichen folgenden Argumenten:

Bis zur geplanten Markteinführung ca. um 2005 sei bestenfalls mit geringen Mengen regenerativ erzeugten Wasserstoffs zu rechnen. Damit jedoch kämen Kraftstoffe (Wasserstoff oder Methanol) zum Einsatz, die zunächst selbst mit einem relativ hohen Energieaufwand aus fossilen oder nicht fossilen Energieträgern gewonnen werden müssen. Der Aufwand sei mindestens doppelt so hoch wie der bei der Herstellung und Aufbereitung von Benzin aus fossilem Rohöl
•Vorteile aus energetischer Sicht könne es nur geben, wenn die Energieverluste bei derTreibstoffherstellung im Fahrzeug überkompensiert werden. Dazu jedoch bedürfe es einesum 30 bis 35 Prozent höheren Wirkungsgrades als im Vergleich zu einem konventionellenFahrzeug. Aus heutiger Sicht sei dies nicht erreichbar.
•Zwar seien die ereichbaren Reduktionen bei verschiedenen Luftschadstoffen (CO, S02, CH4,Benzol…) sowie die Perspektive, C02-Emissionen weitgehend zu vermeiden, beeindruckend.Allerdings könnten auch bei konsequenter Umsetzung der heute konventionell bereitsverfügbaren technischen Verbesserungen Reduktionen bei Luftschadstoffen bis 80 Prozentund beim Treibstoffverbrauch immerhin noch eine Halbierung erreicht werden. Dies imübrigen ohne Nutzungseinschränkung.
•Vor allem aber zeichne sich ab, dass Kosten und Nutzen bei wasserstoffbetriebenenBrennstoffzellenfahrzeugen in einem sehr ungünstigen Verhältnis stehen.Emissionsminderungen und Ressourcenschutz seien durch verbrauchsoptimierte Fahrzeuge mitVerbrennungsmotor wesentlich kostengünstiger zu realisieren.

Im Ergebnis spricht sich das UBA dafür aus, vorrangig die konventionelle Verbrennungstechnik zu optimieren, da dies der schnellste und kosteneffizienteste Weg zu einem wirksamen technischen Klimaschutz im Verkehrssektor sei. Stichworte sind die bereits verfügbaren Antriebe mit Benzin-Direkteinspritzung bei Otto-Motoren, die Verkleinerung der Motor-Hubräume, die Reduzierung der Fahrwiderstände und des Fahrzeuggewichtes, die Durchsetzung von Dreiliterfahrzeuge, wobei Dieselmotoren aus Gründen des Gesundheitsschutzes nur in Kombination mit einem Partikelfilter akzeptabel seien. Mit diesen Verbesserungen lassen sich nach UBA-Einschätzung die notwendigen Luftqualitätsziele ebenso erreichen wie wesentliche Fortschritte beim Klimaschutz.

7.Auf den Zeithorizont kommt es an

Da Brennstoffzellenfahrzeuge erst in einigen Jahrzehnten eine relevante Marktposition erreichen können, Klimaschutz aber heute angesagt ist, kann der Bewertung des UBA grundsätzlich gefolgt werden. Allerdings wäre es falsch, beides gegeneinander zu stellen. Die Zeit für einen breiten Einsatz von Wasserstofftechnik und Brennstoffzelle ist sicher noch nicht gekommen. Aber nachdem die grundsätzliche technische Machbarkeit bewiesen ist, gilt es nun, an den noch bestehenden Problemen und der Schaffung der erforderlichen Infrastruktur zu arbeiten. In einigen Anwendungsfeldern kann dies bereits in einigen Jahren zu praktikablen und auch wirtschaftlich tragbaren Nutzungen führen. Da vor einem Einsatz in der Breite jedoch noch eine erhebliche Wirtschaftlichkeitshürde steht, müssen zunehmend Potentiale für Kostenreduktionen ermittelt und erschlossen werden. Dass dies alles noch ein langer Weg ist, kann kein Argument sein, die technische Entwicklung nicht weiter voranzutreiben, denn in der längeren Frist bieten Wasserstofftechnologie und Brennstoffzelle vielversprechende Alternativen. Es macht daher Sinn, dass auch der Staat sich mit Fördermitteln für konkrete Pilotprojekte engagiert. Ansätze dafür gibt es.

DaimlerChrysler AG, Pressestelle Forschung und Technik, Annette Kliem, Epplestr. 225, D-70546 Stuttgart, Fon 0711/17-93271, Fax 0711/17-94365, E-mail annette.kliem@daimlerchrysler.com, Internet http://www.daimlerchrysler.com/presse/ Brennstoffzellen

Der Artikel erschien leicht gekürzt in den Ökologischen Briefen Nr. 12/07.06.2000, S. 11f.