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4.1 Die Brennstoffzelle
4.1.1 Die Geschichte der Brennstoffzelle
Der Grundstein für die heutige Brennstoffzelle (engl. Fuel Cell) wurde bereits 1839 durch den englischen Jurist und Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896) gelegt. Als er Experimente mit der Elektrolyse durchführte, welche mittels elektrischem Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet, stellte er fest, dass der Vorgang der Elektrolyse umkehrbar ist. Er war es, der den ersten funktionsfähigen Prototypen der Brennstoffzelle konstruierte. Seine Brennstoffzelle, welche er dazumal "galvanische Gasbatterie" nannte, bestand aus zwei Elektroden aus Platin, die jeweils von einem Glaszylinder umschlossen waren. Der eine Zylinder wurde mit Sauerstoff, der andere mit Wasserstoff gefüllt. Die beiden Elektroden tauchte Grove in verdünnte Schwefelsäure, welche als Elektrolyt für die Reaktion diente und somit eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Elektroden schuf. An den Elektroden konnte Grove nun eine Spannung messen, die jedoch gering war. Um eine höhere Spannung zu erzielen, schaltete er mehrere galvanische Gasbatterien zusammen.
Das von Werner von Siemens im Jahre 1866 entdeckte elektrodynamische Prinzip und somit die Entwicklung der Generatoren, liessen die im Vergleich leistungsmässig schwache Brennstoffzelle in Vergessenheit geraten. Zudem waren die Brennstoffzellen wegen ihren teuren Werkstoffen uninteressant. Erst in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts schenkte man der Entdeckung Groves wieder Beachten. Es war vor allem der Kalte Krieg, der die Brennstoffzelle zu neuem Leben erweckt hatte, denn in der Militärtechnik und in der Raumfahrt benötigte man kompakte Energiequellen. 1963 hatte das amerikanische Energieversorgungsunternehmen General Electric eines der ersten Brennstoffzellensysteme entwickelt, welches erfolgreich in den Gemini-Raumkapseln Einsatz fand. Auch beim Apollo Programm der NASA wurden die Raumfahrzeuge anstelle von Batterien mit Brennstoffzellen ausgerüstet, da Batterien zu schwer gewesen wären .
Zu Beginn der 90er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die Brennstoffzelle für die zivile Nutzung interessant. Ingenieure und Wissenschaftler entwickelten von nun an neue Technologien und Konzepte für die Brennstoffzelle, um die Leistungsfähigkeit zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Inzwischen wurde diese Technologie so weit entwickelt, dass sie heute vielerorts Einsatzmöglichkeiten bietet. Zurzeit sind Notebooks, Handys, Fahrzeuge, ja sogar hauseigene Kleinkraftwerke, ausgerüstet mit Brennstoffzellen, in der Testphase. Erste Brennstoffzellen sind nun auf dem Markt. Jedoch sind sie sehr teuer. Wann die ersten erschwinglichen Brennstoffzellen im Strassenverkehr auftauchen, ist nicht absehbar. Jedenfalls soll das erste Pistenfahrzeug mit Wasserstoffverbrennungsmotor bereits im kommenden Winter 2003/04 im Jungfraugebiet eingesetzt werden.
4.1.2 Funktion und Aufbau der PEM Brennstoffzelle
Die Abkürzung "PEM" der beschriebenen Brennstoffzelle steht für die "Polymer-Elektrolyt-Membran" oder aber auch "Proton Exchange Membrane", welche eine wichtige Komponente der Brennstoffzelle darstellt. Diese Membran dient als Elektrolyt und trennt die Gase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 voneinander, damit nicht unerwünscht die gefährliche Knallgasreaktion eintreten kann. Die Membran ist für Protonen durchlässig, so dass es nur den Protonen H+ gelingt, durch die Membran durchzudringen, jedoch nicht den verbleibenden Elektronen e- des ursprünglichen Wasserstoffs. Die Elektronen sind gezwungen, den Weg via Anode durch einen elektrischen Leiter zu nehmen. Es fliesst ein elektrischer Strom Richtung Kathode.
An der Kathode verbinden sich nun zwei Elektronen mit je einem Sauerstoffatom. Es gelangen je zwei Protonen zu jedem entstandenen O2- hinzu. Es handelt sich dabei um die Protonen, die inzwischen durch die Membran gewandert sind. Somit entsteht auf der Kathodenseite als Reaktionsprodukt reines Wasser. Die abgelaufene Reaktion ist eine kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff.
Die Reaktionsgleichung der PEM Brennstoffzelle lautet:
Reaktion an der Anode:
Reaktion an der Kathode:
Gesamtreaktion:
Es handelt sich um die bekannte Knallgasreaktion, die stark exotherm abläuft. Pro mol entstehendem Wasser wird eine Energie von -572 kJ freigesetzt.
Da eine einzige Brennstoffzelle nur eine sehr geringe Leistung aufweist, schaltet man mehrere Zellen zusammen. Solche Stapel von Brennstoffzellen (auch "Stacks" genannt) sind vor allem für die Autoindustrie von Bedeutung, da vor allem leistungsstarke Elektromotoren in zukünftigen Automobilen eingebaut werden. Bei einem bipolaren Stapelaufbau stehen Einzelzellen jeweils durch eine gemeinsame Bipolarplatte miteinander in elektrischem Kontakt. Die Bipolarplatte führt auf der einen Seite das Brenngas und auf der anderen Seite Luft oder Sauerstoff zu den jeweiligen Elektroden. Der Name Bipolarplatte stammt von folgendem Sachverhalt: Minuspol an der Anodenseite (Wasserstoff) und Pluspol an der Kathodenseite (Sauerstoff). Die Summe der einzelnen Zellspannungen nennt man Stackspannung. Diese wird durch Stromabnehmer am Anfang und am Ende des Zellstapels abgeführt. Die Bipolarplatten machen zirka 80% des gesamten Stapelgewichts aus. Sie sind auch für die Wärme- und Wasserabführung verantwortlich. Das Abführen von Wasser und Wärme wird durch so genannte "Flowfields", die in der Bipolarplatte eingefräst sind, erreicht. Die auf der Wasserstoffseite entstandenen Elektronen werden durch die Platte auf die Sauerstoffseite geleitet .
Das so genannte "PowerPac", welches vom Paul Scherrer Institut in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich entwickelt wurde, ist auch bipolar aufgebaut. Es hat nur eine Grösse von einer Reisetasche und besteht aus 42 gestapelten Brennstoffzellen. Das PowerPac erreicht bei Dauerbetrieb eine elektrische Leistung von knapp 1 kW. Ungefähr 15% der produzierten Energie wird vom PowerPac selber verbraucht (Kühlung, Elektronik, etc.). Diese Einzelanfertigung kostet pro kW Leistung 30\'000 Franken!
Es gibt aber auch monopolare Stapel. Bei diesen sind die einzelnen Zellen jeweils von einem Isolator getrennt und der Strom, welche jede Zelle produziert, wird einzeln mit einem Leiter abgeführt.
4.1.3 Verschiedene Typen von Brennstoffzellen
Nebst der beschriebenen PEM Brennstoffzelle (PEMFC), welche als Brennstoff Wasserstoff benötigt, gibt es noch weitere Brennstoffzellen. In der folgenden Liste sind die am häufigsten verwendeten Typen aufgelistet.
Name und internationale Abkürzung VerwendeterElektrolyt Brennstoff Anwendungsgebiet Bemerkungen, Wirkungsgrad
Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle(PEMFC) Polymermembranaus Nafion Wasserstoff Automobilindustrie,Raumfahrt, Schifffahrt Hohe Leitungsdichte,bis 20 kW,η = 50-60 %
Direkt Methanol Brennstoffzelle(DMFC) Polymermembran Methanol Automobilindustrie Anode produziert CO2 η = 40 %
Alkalische Brennstoffzelle(AFC) Kalilauge Reiner Wasserstoff Raumfahrt, Schifffahrt, Transport Auf dem Markt, jedoch teuer,50-100 kW Leistung,η = 50-65 %
Phosphorsaure Brennstoffzelle(PAFC) Phosphorsäure Durch Reformierung von Methanol wird direkt Wasserstoff hergestellt Blockheizkraftwerke50-500 kW η = 35-45 %, bereits auf dem Markt vom Hersteller ONSI
Schmelzkarbonat Brennstoffzelle(MCFC) Calciumcarbonat Wasserstoff,Kohlegas,Methan Blockheizkraftwerke50-500 kW 100 kW Leistung, noch in Testphaseη = 45-60 %
Festkeramik / Festoxid Brennstoffzelle(SOFC) Zirkonoxid Wasserstoff,Methan, Kohlegas Blockheizkraftwerke50-500 kW 25 kW Leistung, noch in Testphaseη = 50-60 %
Der heute am häufigsten erforschte und oft in Labors verwendete Brennstoffzellentyp ist die PEM Brennstoffzelle. Der Vorteil dieser Zelle liegt darin, dass das Reaktionsprodukt reiner Wasserdampf ist, was natürlich die Umwelt schont. Die Herstellung des Wasserstoffs für eine grosse Zahl von PEM Brennstoffzellen ist jedoch nicht unproblematisch (siehe Kapitel 4.2.1). Zudem sind die Werkstoffe für einen serienmässigen Einsatz noch zu teuer. Die Kosten pro kW Leistung einer PEMFC würden sich bei serienmässiger Produktion auf umgerechnet ungefähr 3000 Franken belaufen.
4.1.4 Brennstoffzellen in der Autoindustrie
Auch die grossen Autokonzerne haben sich der umweltfreundlichen Brennstoffzelle zugewandt. BMW, mit ihrem "Clean Energy"- Programm, Daimler Chrysler mit ihrer Mercedes A-Klasse "F-Cell", Honda mit dem Personenwagen "FCX" und andere Fahrzeughersteller haben alle ein Ziel: Sie wollen so schnell wie möglich ihre umweltfreundlichen Modelle kostengünstiger, leistungsfähiger und sicherer machen und so attraktive und umweltfreundliche Alternativen zu den heutigen Fahrzeugen auf den Markt bringen.
4.1.4.1 BMW
Viel versprechend klingt das teils noch in Entwicklungsphase stehende Automobil BMW 750hL. Dieses Auto soll eine Leistung von 250 kW erreichen und mit einem Tankinhalt 580 Kilometer fahren können. Es handelt sich hier nicht um einen mit Brennstoffzellen angetriebenen Elektromotor, sondern um einen 6-Zylinder Wasserstoffverbrennungsmotor. Um die Bordelektronik und die Klimaanlage bei ausgeschaltetem Motor mit Energie zu versorgen, entwickelt BMW einen leistungsfähigen Brennstoffzellenstapel für den 750hL.
Seit Mai 2000 wird dieses Modell in Kleinserie produziert, jedoch mit bivalentem Verbrennungsmotor, der nebst Wasserstoff auch mit Benzin betrieben werden kann, da die Infrastruktur von Wasserstofftankstellen noch nicht ausgebaut ist (siehe Kapitel 4.2.3).
BMW entwickelte in den vergangenen Jahren einen mobilen Tank für flüssigen Wasserstoff (auch LH2 (Liquid Hydrogen)Tanks genannt). Weitere Informationen zu Flüssigwasserstoff folgen im Kapitel 4.2.2.3.
4.1.4.2 Honda
Honda entwickelt und forscht zurzeit an ihrer Autoreihe "FCX". Das Ziel Hondas ist nicht nur der serienmässige Einsatz von Brennstoffzellen in naher Zukunft in ihren Automobilen. Der Konzern forscht auch auf Basis der dezentralen Energieversorgung, das heisst, dass jeder Haushalt mittels Brennstoffzellen seine eigene Energie und seine eigene Wärme produzieren würde, während der dazu benötigte Wasserstoff durch Wind- und Sonnenenergie via Elektrolyse gewonnen würde.
4.1.4.3 Volkswagen
Volkswagen hat in Zusammenarbeit mit dem Paul Scherrer Institut und der ETH in Zürich ebenfalls einen Prototypen entwickelt. Es handelt sich dabei um den VW Bora HY.Power. Dieser entwickelt eine Leistung von 45 kW. Seine Höchstgeschwindigkeit beträgt 135 km/h, die Reichweite liegt bei rund 150 km. Durch den Einsatz von so genannten "Supercaps" kann eine Leistungssteigerung erreicht werden. Bei den "Supercaps" handelt es sich um zwei Hochleistungskondensatoren. Beispielsweise bei einer Talfahrt mit dem Auto wird der Motor als Generator genutzt, so dass elektrische Energie erzeugt wird und diese vom Supercap-System zu 70% aufgenommen werden kann. Anschliessend kann das Auto mit dieser zwischengespeicherten Energie wieder beschleunigt werden, ohne die Brennstoffzelle in Anspruch zu nehmen.
4.1.4.4 Daimler Chrysler
Daimler Chrysler hat die meisten Projekte mit Brennstoffzellenantriebe für Autos realisiert.
Seit Anfangs des Jahres 2003 sind in zehn europäischen Städten dreissig mit Brennstoffzellen ausgestattete "Mercedes Benz Citaro" Busse im Einsatz. Sie besitzen jeweils eine Ausgangsleistung von 200 Kilowatt und erreichen eine Spitzengeschwindigkeit von 80 km/h.
Ebenfalls seit Anfangs dieses Jahres ist eine kleine Flotte der Mercedes A-Klasse mit Brennstoffzellenantrieb unter dem Namen
"F-Cell" auf den Strassen in Kalifornien, Deutschland und Asien unterwegs. Die vorangehenden Projekte, waren unter den Namen NECAR1, NECAR2, NECAR3, NECAR4, NECAR5 und NEBUS bekannt.
NECAR1 (New Electric Car) wurde 1994 erfolgreich getestet. Jedoch war NECAR1 mehr oder weniger ein rollendes Labor. Es blieb kaum Platz für einen Beifahrer. Der Nachfolger NECAR2 war aber bereits mit sechs Sitzplätzen ausgestattet und erbrachte eine Leistung von 50 Kilowatt. Mitte 1997 erreichte der NEBUS mit einer Tankfüllung eine Reichweite von 250 Kilometer und wies eine Leistung von 250 Kilowatt auf. NECAR3, NECAR4 und NECAR5 waren lediglich Verbesserungen des vorangehenden NECAR2. Erwähnenswert ist, dass das Methanol betriebene Brennstoffzellenfahrzeug NECAR5 über 5250 km quer durch die Vereinigten Staaten gefahren ist, was Langstreckenrekord für ein mit Brennstoffzellen angetriebenes Fahrzeug bedeutet.
2001 wurde der Minivan "Natrium" vorgestellt. Er fährt mit Natriumborhydrid. Durch Katalysieren wird elementarer Wasserstoff gewonnen, welcher nun als Brennstoff für den leistungsstarke Brennstoffzellenstapel dient.
4.1.4.5 Opel und General Motors
Opel entwickelte mit General Motors zusammen schon drei Autos, die von Brennstoffzellen angetrieben wurden. Die neuste Entwicklung heisst HydroGen 3. Dieses Modell besitzt ein Brennstoffzellenstack mit einer Spitzenleistung von 129 Kilowatt.
4.1.4.6 Emissionsfreies Pistenfahrzeug
Besonders interessant ist der Bau des neuen Wasserstoff-Pistenfahrzeugs, welches von Dr. A. Züttel der Universität Fribourg und dem Team von "Swiss Alps 3000" vom Dieselfahrzeug auf die umweltfreundliche Variante umgebaut wird. Im kommenden Winter soll das Fahrzeug bereits die Skipisten im Berner Oberland präparieren.
Der Wasserstoff wird von den Kraftwerken Oberhasli bereitgestellt. Durch Elektrolyse wird immer nur dann Wasserstoff hergestellt, wenn die Nachfrage nach Strom klein ist (beispielsweise in der Nacht). Bis 2013 sollen in den Schweizer Alpen rund tausend umgerüstete Fahrzeuge ihren
Dienst verüben und so zehn Millionen Liter Diesel sparen.
4.2 Der Wasserstoff
Schon 1874 hat Jules Verne die Bedeutung des Wasserstoffs erkannt:
\"Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.\"
Wenn es darum geht, langfristig für eine umweltfreundliche Zukunft vorzuplanen, so gilt Wasserstoff als einer der aussichtsreichsten Energieträger, denn Wasserstoff reagiert sowohl in Brennstoffzellen als auch bei direkter Verbrennung mit Sauerstoff zu reinem Wasser und setzt eine hohe nutzbare Energie frei, ohne Kohlendioxid zu emittieren. Gebunden in Wasser ist Wasserstoff zudem durch den geschlossenen Wasserkreislauf auf unserem Planeten theoretisch in unbegrenzter Menge vorhanden. Zu einer Ressourcenverknappung kann es dadurch nicht kommen.
4.2.1 Herstellung von Wasserstoff für den täglichen Gebrauch
Die Forschung an Brennstoffzellen ist wichtig, um so schnell wie möglich von fossilen Energieträgern wegzukommen. Jedoch darf sich die Forschung nicht auf immer leistungsfähigere Motoren und Brennstoffzellen beschränken. Intensive Forschung muss unbedingt auch in der Produktion von Wasserstoff gemacht werden. Zurzeit wird der grösste Teil dieses sauberen Brennstoffs aus Kohle- oder Ölreformierung gewonnen. Jedoch sind die weltweiten Erdölreserven laut Erdölvereinigung Schweiz auf 165 Milliarden Tonnen beschränkt, was den Erdölbedarf der Welt ungefähr die nächsten 47 Jahre decken sollte. Durch die Reformierung von Kohle und Öl entstehen nicht nur der erwünschte Wasserstoff, sondern weitere, unerwünschte chemische Verbindungen, wie z.B. CO2. Die Formel zur Reformierung von Methanol (CH3OH) (bei einer Temperatur von 280°C) zeigt, dass auch hier Kohlendioxid anfällt:
Einige Testautos des Daimler Chrysler Autokonzerns basieren auf diesem Reformierungs-konzept. Die Automobile haben einen Reformer an Bord, so dass Methanol getankt werden kann. In Zusammenarbeit mit der deutschen Tankstellenkette Aral werden auch Fahrzeuge konzipiert, welche mit Mineralölprodukten getankt werden können. Beispielsweise können aus einem einzigen Molekül des im Ottokraftstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffs Heptan sechzehn Wasserstoff-Teilchen gewonnen werden. Auch bei dieser Reformierung fällt Kohlendioxid an.
Eine andere, oft verwendete Methode zur Gewinnung von Wasserstoff ist die Elektrolyse. Sie ist, wie bereits erwähnt, die Umkehrreaktion des Ablaufs, der sich bei der Brennstoffzelle abspielt. Durch elektrische Energie wird also Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet. Nebst der nicht gerade saubersten Methode der Ölreformierung zur Wasserstoffgewinnung, wird immer häufiger Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser gewonnen. Das Problem dieser Methode liegt an der benötigten elektrischen Energie, die heute grösstenteils von Öl- und Kohlekraftwerken stammt. Diese Kraftwerke belasten bekanntlich die Umwelt mit CO2 -Emissionen. Eine wirklich saubere Produktion von Wasserstoff erreicht man nur, wenn man auf Alternativen punkto Stromproduktion ausweicht.
Damit man beim Automobil, das mit Wasserstoff fährt, tatsächlich von einem "Zero Emission Car" sprechen darf, müsste der Wasserstoff ausschliesslich durch Elektrolyse mit erneuerbaren Energien, wie Sonnen-, Wind, und Wasserkraftwerken hergestellt werden.
Denn fallen irgendwo in der ganzen Produktionskette des Wasserstoffs für die Umwelt schädliche Verbindungen an, so ist das erstrebende Ziel des umweltfreundlichen Autoantriebs meiner Meinung nach noch nicht erreicht.
In Kalifornien hat die Zukunft bereits begonnen: Um unter anderem eine umweltschonende Elektrolyse für die Produktion von Wasserstoff durchzuführen, baute man mehrere Solarkraftwerke mit je 200\'000 m3 Fläche und einer Leistung von je 30 Megawatt. Des Weiteren werden dort Parabolspiegel gebaut, in dessen Brennpunkt ein Stirlingmotor steht, welcher einen 30-Kilowatt-Generator antreibt .
4.2.2 Speicherarten von Wasserstoff
4.2.2.1 Problem der Speicherung
"Der Wasserstoff ist der Energieträger der Zukunft. Schliesslich geht es nicht nur um unsere künftige Versorgung mit Energie, sondern auch um unsere Umwelt." Wieso fahren dann nicht schon seit langem Automobile mit Wasserstoff auf den Strassen, kennen wir doch den umweltfreundlichen Brennstoff bereits seit ungefähr 1800? Das Hauptproblem liegt in der Problematik der kompakten Speicherung. Der Wasserstoff ist äusserst feuer- und explosionsgefährlich, wenn er mit Sauerstoff in Kontakt kommt (Knallgasreaktion). So müssen Speicherarten entwickelt werden, welche die Sicherheit der Menschen gewährleisten und zudem den Wasserstoff auf einem möglichst kleinen Raum speichern können. Die heute verwendeten, wichtigsten Speicherarten werden kurz erklärt.
4.2.2.2 Druckgasflaschen
Über die gasförmige Speicherung in Druckgasflaschen kann man folgendes sagen: Je höher der Druck im Wasserstofftank ist, desto höher ist auch die Speicherdichte. In handelsüblichen Druckgasflaschen beträgt der Überdruck 200 bar. Dies stellt ein gewisses Sicherheitsrisiko dar. Wasserstoffbehälter können bei einem Zusammenstoss beschädigt werden und infolge des hohen Druckes explodieren. Es wurden Stahlbehälter konstruiert, welche für einen Überdruck bis 600 bar geeignet sind.
4.2.2.3 Flüssigwasserstoff
Um den Wasserstoff zu verflüssigen, muss dieser auf -253°C heruntergekühlt werden. Zur Verflüssigung ist ausserdem ein Energieaufwand von 36 kJ/g erforderlich, der etwa einem Drittel der im Wasserstoff gespeicherten Energie entspricht. Die Methode der Speicherung des Flüssigwasserstoffs ist effizienter, als die Komprimierung des Wasserstoffs in einem Drucktank, da die Energiedichte des flüssigen Treibstoffs viermal so gross ist wie die des komprimierten Gases. Mit dem Flüssigwasserstoff erhält man eine doppelt so grosse Menge an verwendbarer Energie als bei komprimiertem Wasserstoff.
Flüssigwasserstoff (LH2) wird in so genannten Kryotanks (griechisch kryos = Frost, Kälte) gelagert. Diese Tanks besitzen eine luftleere und verspiegelte Doppelwand (wie Thermosflaschen), so dass eine Wärmeleitung weitgehend unterbindet wird. Trotzdem verdampfen bei den heutigen Kryotanks der Wasserstoffautos täglich immer noch zwei bis drei Prozent des Tankinhalts!
4.2.2.4 Metallhydridspeicher
Es gibt Metalle, die grosse Mengen Wasserstoff wie ein Schwamm \"aufsaugen\", so speichern und wieder abgeben können. Der Wasserstoff kann so mit einer noch höheren Dichte als im flüssigen Zustand gespeichert werden. Solche Verbindungen werden Metallhydride genannt. Der Wasserstoff lässt sich, trotz der hohen Speicherdichte im Metallhydrid, unter niedrigem Druck beladen und entnehmen. Die Speicherung von Wasserstoff in Metallhydriden ist von allen Speichervarianten bei weitem die Sicherste. Der Nachteil dieser Methode liegt im hohen Gewicht der Hydridspeicher.
4.2.2.5 Grafitnanofasern (GNF)
An der Northeastern University in Boston ist gegenwärtig ein Verfahren in Entwicklung, welches alle bisherigen Wasserstoffspeicherverfahren übertreffen soll. Wasserstoff lagert sich dabei in mehreren Lagen auf Grafitfasern mit Querschnitten von 5-100 Nanometern und Längen von 5-100 Mikrometern an. Der Mechanismus ist noch nicht geklärt. Ein GNF-Fahrzeugtank von etwa 25 L Volumen und 15 kg Grafitmasse soll einem viersitzigen Kleinwagen mit Brennstoffzellenantrieb mindestens 1.500 Kilometer Reichweite ermöglichen. Danach müssen die Grafitfasern in Form einer Kartusche ersetzt werden. Tankstellen im eigentlichen Sinne wären nicht notwendig.
4.2.2.6 Chemische Speicherung in Toluol
Toluol (Phenylmethan, C6H5CH3) ist ein Benzinzusatz. Wasserstoff kann chemisch in Toluol gespeichert werden. Für mobile Anwendungen ist diese Methode der Speicherung von Wasserstoff jedoch uninteressant, da die Einrichtungen zum Wiederabtrennen des Wasserstoffs aus Toluol schwer und voluminös sind. Ausserdem löst Toluol beim Einatmen Haut- und Augenreizungen und Störungen des zentralen Nervensystems aus. Beispielsweise bei einem Autounfall mit Feuer würde sich Toluol bei 480°C selbst entzünden!
Es gibt also einige Möglichkeiten, Wasserstoff in Automobilen zu speichern. Nun ist es an der Automobilindustrie, den sichersten, günstigsten und zugleich effizientesten Speicher in den zukünftigen Fahrzeugen einzubauen.
4.2.3 Die Problematik des Tankstellennetzes für Wasserstoff - eine Berechnung
Um die ersten Busse und Autos von Daimler Chrysler und von BMW mit Wasserstoff im Raum München zu versorgen, hat Aral im Jahre 2000 die erste Wasserstofftankstelle beim Flughafen München in Betrieb genommen.
Die Tankstelle ist vollautomatisch. Der Benutzer muss per Touchscreen Menge und Art des Wasserstoffs auswählen und mit Kreditkarte bezahlen. Den Rest übernimmt ein Roboterarm, welcher den Standort der Tankklappe des Fahrzeugs eruiert. Anschliessend wird ein wenig Helium in die Verbindungsschleuse zwischen Tankdüse und Einfüllstutzen gefüllt, so dass die Restluft aus der Verbindungsschleuse gespült wird. Nun wird der Wasserstoff in knapp zwei Minuten in den Tank eingefüllt.
An der Wasserstofftankstelle kann Flüssigwasserstoff (LH2) wie auch gasförmiger Wasserstoff für Drucktanks getankt werden. Der gasförmige Wasserstoff wird durch Elektrolyse in einer Hochleistungsanlage direkt bei der Tankstelle produziert und anschliessend verdichtet. Somit ist der gasförmige Wasserstoff sofort für den Kunden an Ort und Stelle bereit. Der Flüssigwasserstoff jedoch muss zur Tankstelle nach München transportiert werden. Er wird in der einzigen Flüssigwasserstoffanlage in Deutschland durch die Linde AG produziert und mit Lastwagen zur Tankstelle transportiert .
In der Schweiz existiert weder eine Wasserstofftankstelle noch eine Produktionsstätte für LH2. Aral, der Pionier in Sachen Wasserstofftankstellen, ist seit 1998 in der Schweiz nicht mehr vertreten. Es ist deshalb offen, welches Unternehmen dereinst Wasserstoff an Tankstellen in der Schweiz anbieten wird.
In der Schweiz existierten Ende 2002 genau 3470 Tankstellen . Unter der Annahme, dass nur 10%, also rund 350 dieser Tankstellen auf Wasserstoffverkauf wechseln würden, hätte dies bei den heutigen Produktionskosten solcher neuartiger Tankstellen enorme Kosten zur Folge. Die Tankstelle in München hat über 17 Millionen Euro gekostet. Würde jede dieser 350 auf Wasserstoff umgerüsteten Tankstellen in der Schweiz gleichviel wie der Prototyp in Deutschland kosten, so wären das (350 ∙17\'000\'000 Euro) 5.95 Milliarden Euro, was über
9 Milliarden Franken entspricht! Die Kosten würden jedoch nicht so hoch ausfallen, da die Robotik und die verschiedenen Teile der Tankstelle serienmässig hergestellt würden und somit billiger wären als diese vom Prototyp am Flughafen in München (Economy of Scale).
Laut dem Architekten Christoph Schiess, welcher für den Bau der Shell -Tankstellen in der Schweiz verantwortlich ist, kostet heutzutage der Bau einer neuen, bemannten Tankstelle mit Shop durchschnittlich 1.3 Millionen Franken, während eine unbemannte Tankstelle ungefähr auf 700\'000 Franken zu stehen kommt. Angenommen, alle unsere 350 Tankstellen wären unbemannt, so würde das 245 Millionen Franken kosten. Wären alle Tankstellen bemannt und mit Shop ausgerüstet, so würden sich die Baukosten für die 350 Tankstellen auf 455 Millionen Franken belaufen. Es stellt sich nun die Frage, ob es in kurzer Zeit möglich sein wird, die Baukosten der Wasserstofftankstellen auf das Niveau herkömmlicher Benzintankstellen zu senken, um im Bezug auf die Investitionen vergleichbar zu sein. Wären die Tankstellenketten bereit, für einen sauberen Brennstoff mehr für ihre Tankstellen zu investieren? Solange die Nachfrage an Benzin so gross ist, wohl kaum. Dazu sind die
meisten Tankstellenbetreiber in der Schweiz vertraglich an
die Erdölvereinigung gebunden und diese möchte natürlich
ihre Brenn- und Treibstoffe verkaufen. Solange niemand in
die Wasserstoffwirtschaft investieren will, wird die Nachfrage
nach Wasserstoffverbrennungsmotoren oder Brennstoff-
zellenautos sehr klein bleiben.
Wäre das Problem des Tankstellennetzes gelöst, so müsste auch die Logistik und Produktion von Wasserstoff geregelt sein. Könnte aber die Industrie den hohen Wasserstoffbedarf decken? Wäre unsere Wirtschaft für einen höheren Wasserstoffverbrauch gewappnet? Die Schweiz besitzt zurzeit noch keine Flüssigwasserstoffanlage. Deutschland besitzt nur eine Flüssigwasserstoffanlage, welche bei nationaler Einführung der neuen Autos niemals den Bedarf an Wasserstoff befriedigen könnte. Der flüssige Brennstoff müsste mit Lastwagen importiert werden, was wiederum die Umwelt belasten würde.
Das Problem der umweltfreundlichen Fahrzeuge liegt also nicht nur bei der Autoindustrie und den Tankstellenbetreibern, sondern auch bei den Herstellern von Wasserstoff.
In der folgenden Tabelle werden die Modelle 750iL (Benzinmotor) und 750hL (Wasserstoffmotor) von BMW verglichen.
Automodell Tankgrösse (in L) Verbrauch in Liter / 100km Kosten 1L Kosten / 100km
BMW 750iL 95 15.8 Benzin: Fr. 1.30 Fr. 20.54
BMW 750hL 190 33 LH2 Fr. 0.85 Fr. 28.05
Durch den höheren Verbrauch des 750hL auf hundert Kilometer ist dieser umweltfreundliche BMW zumindest für Privatkunden vorerst uninteressant. Der Preis eines Liters kryogenen Wasserstoffs wurde mir von Aral mitgeteilt. Der an Tankstellen zukünftig angebotene Wasserstoff wird teurer sein, da Aral den Brennstoff zurzeit (noch) nicht Gewinn orientiert verkauft und die Kosten für die Logistik- und Lagerungskosten des Wasserstoffs somit noch nicht berücksichtigt werden.
Wenn der Wasserstoffverbrauch dieser Fahrzeuge gesenkt werden kann und Wasserstoff durch die Tankstellenbetreiber nicht massiv teurer verkauft wird, so sehe ich eine gute Konkurrenzfähigkeit für Fahrzeuge, die Wasserstoff als Treibstoff verwenden. Durch die teure Infrastruktur, die für die Wasserstoffwirtschaft aufgebaut und somit auch amortisiert werden muss, besteht die Gefahr, dass der Wasserstoff teurer als Benzin und Diesel wird. In diesem Falle müsste die Regierung die Steuern auf die herkömmlichen Treibstoffe erhöhen, damit Wasserstoff für jedermann interessant wird.
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