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Energiekonzept der tausend Möglichkeiten

Zum Stand der Brennstoffzellen-Technologie
Energiekonzept der tausend Möglichkeiten

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Faszination Brennstoffzelle: Ein mit Wasserstoff betriebener Omnibus rollt vorbei, ein leises Summen ist zu vernehmen. Stinkende und rußende Diesel-Abgase? Fehlanzeige. Lediglich feiner Wasserdampf tritt aus dem Auspuffrohr. Das Omnibus-Modell, das die DaimlerChrysler-Tochter Xcellsis mit Sitz in Kirchheim/Teck-Nabern entwickelte, wird schon in knapp einem Jahr in zehn europäischen Städten durch die Straßen rollen. Die Fahrzeuge, die u.a. in Stuttgart und Hamburg im kommunalen Nahverkehr unterwegs sein werden, werden mit gasförmigem Wasserstoff betankt. Die Reichweite der 12 m langen Niederflur-Solowagen liegen bei 200 bis 250 km, die Elektromotoren, die von der Brennstoffzelle angetrieben werden, erreichen Geschwindigkeiten bis 80 km/h. Damit sind sie vollkommen einsatztauglich in einer Stadtverkehrsflotte.

Die Omnibusse sind damit die ersten Straßenfahrzeuge, mit denen die mobile Gesellschaft auf den Übergang zur Brennstoffzellenära vorbereitet wird. Aber schon 2004 möchte die Xcellsis GmbH mit der Serienfertigung von Antrieben mit so genannten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM) beginnen. Damit soll dann die Brennstoffzelle in Pkws zum Einsatz kommen. Schon 1999 brachte es das Testfahrzeug Necar 4 auf Basis der Mercedes-Benz A-Klasse mit einem 55-kW-Elektromotor auf Spitzengeschwindigkeiten von 145 km/h. Die Reichweite einer Tankfüllung mit flüssigem Wasserstoff reichte für Fahrtstrecken bis 450 km. Den Technikern von DaimlerChrysler und Xcellsis gelang es, das gesamte Brennstoffzellensystem im Fahrzeugboden zu integrieren. So ging kein Raum für Sitzplätze und Gepäck im Fahrzeuginnenraum verloren. 1994 beim Necar 1 war das noch ganz anders: Das Fahrzeug auf Basis des Mercedes-Benz Transporters MB 100 hatte eine Brennstoffzellen-Einheit, die den ganzen Laderaum füllte und damit nur für Fahrer und Beifahrer Platz bot.
Für die Hinführung zur Serienreife der Brennstoffzelle ist auch eine gewisse Eile geboten, um auf bestimmten Märkten überhaupt noch präsent sein zu können. Beispielsweise gelten im US-Bundesstaat Kalifornien ab dem Jahr 2003 Vorschriften, nach denen Automobilhersteller nur noch neue Fahrzeuge anbieten dürfen, wenn sie auch Null-Emissions-Fahrzeuge in ihrer Produktpalette vorweisen können.
Höherer Wirkungsgrad
Die Brennstoffzelle unterscheidet sich stark vom klassischen Verbrennungsmotor. Das Wasserstoffgas wird bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen mit Luftsauerstoff oxidiert und direkt in elektrischen Strom verwandelt. Es bilden sich keine Flammen wie beim Verbrennen herkömmlicher Kraftstoffe. Im Vergleich mit einem Dieselmotor, der vier Liter auf 100 km verbraucht, lässt sich mit der PEM-Brennstoffzelle ein bis zu 50% höherer Wirkungsgrad erzielen. Reiner Wasserstoff hinterlässt bei der Oxidation nur Wasserdampf. Schwierig ist nach heutigem Stand der Technik die Bereitstellung des hochexplosiven Stoffes.
Alternativ bietet sich als Energiequelle für die Brennstoffzelle Methanol. Dieses kann wie Benzin getankt werden. Bei diesem Erdgas entstehen im Vergleich zu anderen fossilen Brennstoffen erheblich geringere Mengen an Kohlendioxid. Doch bei Methanol braucht die Brennstoffzelle nach heutigem Stand der Technik einen so genannten Reformer im Auto, der den Kraftstoff in Wasserstoff und Kohlendioxid zerlegt, bevor er in die Brennstoffzelle wandert. Dieses Antriebskonzept ist in der jüngsten DaimlerChrysler-Pkw-Studie, im Necar 5, im Einsatz.
An Fahrzeugen ohne Reformer arbeiten Forscher von Daimler Chrysler im Forschungszentrum des Automobilherstellers in der Wissenschaftsstadt Ulm. Heraus gekommen ist bisher ein Go-Kart, das einen Katalysator in der Brennstoffzelle zur Umwandlung des Methanols in Wasserstoff enthält. Etwa ab 2010 könnte nach Ansicht der Forscher die Direktmethanol-Brennstoffzelle einsatzfähig sein.
Auch in München macht man sich Gedanken zum Wasserstofffahrzeug. Ehrgeiziges Ziel: Noch während der Produktionszeit der neuen 7er-Baureihe, die im Herbst auf der IAA vorgestellt wurde, plant BMW, ein Wasserstofffahrzeug auf Basis der Limousine als Serienfahrzeug anzubieten. Der heutige Prototyp 745h ist ein Hybridfahrzeug für Benzin- und Wasserstoffbetrieb. Der Achtzylinder leistet 135 kW bzw. 184 PS und erreicht 215 km/h Spitze. Der Wasserstofftank ist im Kofferraum integriert und ermöglicht eine Reichweite von 300 Kilometern. Das Fahrzeug verfügt darüber hinaus über eine so genannte Brennstoffzellen-APU (Auxiliary Power Unit) zur Stromversorgung. Während konventionelle Batterien mittels Lichtmaschine aufgeladen werden müssen, arbeitet dieses System auf Basis einer PEM-Brennstoffzelle motorunabhängig und wird vom Wasserstofftank gepeist. Auch wenn der Motor nicht läuft, lassen sich so Verbraucher wie Klimaanlage oder Heizung betreiben. Die Brennstoffzelle liefert nicht nur dreimal mehr Leistung als eine Lichtmaschine, sie erzeugt auch nur dann Strom, wenn er von den eingeschalteten Verbrauchern angefordert wird, während die Lichtmaschine permanent mitläuft. Insgesamt ergibt sich so, umgerechnet auf den konventionellen Energieträger Benzin, eine Treibstoffeinsparung von einem Liter pro 100 km im Stadtverkehr.
Wärme, Strom und mehr
Am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg in Ulm (ZSW) und bei der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart (DLR) bringen die Forscher immer leistungsfähigere Brennstoffzellenkonzepte hervor. Im Bereich mobiler Anwendungen hat das ZSW eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle entwickelt, die netzunabhängige Geräte wie etwa Akkumulatoren von Mobilfunkgeräten versorgen können. Die Forschungseinrichtung arbeitet auch an PEM-Brennstoffzellen für mobile Anwendungen im Leistungsbereich von wenigen Watt bis zu etwa einem Kilowatt. Das so genannte „Powerbag S“ kann beispielsweise zum Betrieb von Campingkühlschränken, Baustellenbeleuchtungen, für Bootsantriebe oder zur portablen Stromversorgung eingesetzt werden. Für Kleinstanwendungen, etwa für Taschenlampen oder Spielzeuge eignet sich ein dreizelliger Brennstoffzellen-Stack. Geforscht wird auch an stationären 5-kW-PEM-Brennstoffzellen-Hausenergie-Versorgungsanlagen. Diese Anlagen zeichnen sich durch einen höheren elektrischen Wirkungsgrad aus im Vergleich zu konventionellen Heizungsanlagen.
Bei der DLR entwickelten die Forscher eine 16-kW-PEM-Brennstoffzellen-Testanlage zur Gebäudeenergieversorgung. Ebenso rief die DLR das deutsch-saudi-arabische Projekt Hysolar ins Leben, mit dem durch Sonnenenergie speicherbarer und transportierbarer Wasserstoff hergestellt wird.
Nach Meinung der Ulmer Forscher werden Minibrennstoffzellen in drei bis fünf Jahren marktreif sein, dann wird der Brennstoffzellenmotor den herkömmlichen Verbrennungsmotor ablösen, bis Ende der Dekade müsste der Preis stationärer Brennstoffzellensysteme denen derzeitiger Heizungen gleichkommen. (ch)
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