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Neue Spei­cher­tech­no­lo­gien für Wasser­stoff­an­triebe

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Bernd Seidel

Bernd Seidel

freier Journalist

Wasserstoff wäre als Benziner­satz gut geeignet, aber eine kostengüns­tige Infrastruktur für seine Speicherung und die Betankung von Millionen von Fahrzeugen ist bisher nicht in Sicht. Das wollen mehrere internatio­nale Forschungs­in­itia­tiven ändern.

06. Mai 2014

Die anfängliche Euphorie über alternative Antriebe und die flächende­ckende Einführung der Elektromo­bi­lität hat der Ernüchte­rung Platz gemacht. Nach Angaben des Center for Automotive Research (CAR) der Universität Duisburg-Essen wurden im Jahr 2013 nur 6.379 Elektroautos verkauft. CAR-Leiter Ferdinand Dudenhöffer geht davon aus, dass 2014 nicht mehr als 11.000 Elektrofahr­zeuge in Deutschland zugelassen werden. Für diese schleppende Entwicklung gebe es mehrere Gründe. Es fehle an einer geeigneten Infrastruktur und einige Autobauer erreichten die entsprechenden Flottenver­brauchs­be­stim­mungen auch ohne E-Modelle. Zudem liege der Benzinpreis so niedrig wie zuletzt im Jahr 2008.

Fossile Brennstoffe sind endlich

Zwar sollen laut jüngst veröffent­lichten Studien des italieni­schen Ölkonzerns ENI die weltweiten Ölreserven noch Jahrzehnte reichen, doch dass die fossilen Brennstoffe zeitlich begrenzt sind, wird von niemandem mehr in Frage gestellt. Offensicht­lich ein guter Grund für die beginnende und erstarkende Aktivität mehrerer internatio­naler Forscher­gruppen, sich einem anderen Standbein der alternativen Antriebs­kon­zepte zuzuwenden: dem Antrieb mit Wasserstoff. Prinzipiell lassen sich hier zwei Varianten unterscheiden. Zum einen die direkte Nutzung in einem Verbrennungs­motor und indirekt durch die Nutzung einer Brennstoff­zelle, welche als Wandler Energie in chemisch gebundener Form zur Strompro­duk­tion nutzt. Es gab bis dato jedoch gute Gründe, warum sich der Bremsklotz vom Thema „Wasserstoff als Energieträger für Autos“ noch nicht komplett gelöst hat.

Es hakt an der Zuverläs­sig­keit

Prof. Dr. Hermann-Josef Wagner, Leiter der Abteilung „Energiesys­teme und Energiewirt­schaft“ an der Ruhr-Universität Bochum und Vorsitzender der VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt GEU im Verein Deutscher Ingenieure, grenzte diese in einem Interview mit dem SWR auf drei Problemfelder ein: „Der Wasserstoff muss umweltfreund­lich erzeugt werden und das möglichst billig. Zudem muss der Wasserstoff im Fahrzeug mit möglichst wenig Gewicht gespeichert werden.“ Und zu guter Letzt: „Wenn man den Wasserstoff im Explosions­motor nicht direkt verbrennen will, sondern über den Elektroweg einer Brennstoff­zelle geht, hakt es auch noch an der Zuverläs­sig­keit und am Preis der Brennstoff­zelle.“

Noch werden nicht nur zur Herstellung von Wasserstoff, sondern auch zur Speicherung große Energiemengen benötigt. Wird dieser in seiner herkömmli­chen Form entweder durch Druck- oder Flüssigwas­ser­stoffspei­che­rung gelagert, müssen nach Zahlen der TU Dresden bei der Kompression rund 12 Prozent und bei der Verflüssi­gung nochmals circa 20 Prozent des Energiein­haltes aufgewendet werden.

Wasserstoff chemisch binden

Dem Problem der Speicherung haben sich nun die Wissenschaftler des Helmholtz­zen­trums Geesthacht angenommen. Unter deren Leitung startete im November 2013 das mit vier Millionen Euro ausgestat­tetes Projekt ECOSTORE. Am Projekt beteiligt sind mehrere europäische und japanische Institute und Firmen. Es hat eine Laufzeit von vier Jahren und wird durch die Europäische Kommission gefördert. Erforscht werden Wasserstoffspei­cher und Batterien auf Basis neuartiger Bor- und Stickstoff­ver­bin­dungen. Laut Definition ist dieser Speicher ideal, wenn er mit hoher Kapazität sicher und auf kleinstem Raum Energie speichert und bei Bedarf leicht wieder abgibt.

Auch sollte er bei moderaten Bedingungen schnell wieder aufladbar sein und möglichst viele Wiederbe­la­dungen erlauben. „Mit unseren Feststoffspei­chern auf Basis leichter Bor- und Stickstoff-Metall-Verbindungen befinden wir uns auf einem sehr guten Weg “, sagt der Helmholtz- und ECOSTORE-Koordinator Dr. Klaus Taube in einer Mitteilung des Instituts. „Die von uns erforschten Verbindungen speichern viel Wasserstoff bei geringem Volumen und Gewicht. Diese sogenannten Hydride speichern bei gleichem und zum Teil geringerem Platzbedarf mehr Wasserstoff als Hochdruck-Gastanks, da sie den Wasserstoff chemisch binden.“ Bei der Wasserstoffspei­che­rung wird Wasserstoff in das Gitter der Hydrid-Kristalle eingebaut.

Pellets tanken

Ein weiteres Konzept zur einfachen Betankung von Fahrzeugen mit Wasserstoff wurde im staatlichen Rutherford Appleton Laboratory (RAL) bei Oxford entwickelt. Die Forscher entwickelten ein Nanotech­no­logie nutzendes Verfahren, das das Wasserstoff­hy­drid Amminboran chemisch in nano-skalige Polymerfa­sern einbindet. Die Fasern werden im Elektrospinn­ver­fahren gewonnen, anschlie­ßend in Pellets von der Größe einiger Mikrometer zerlegt und dann die Hydride bei einer Temperatur von etwa 85°C chemisch daran gebunden. Bob Austin, Managing Director Automotive, führt gegenüber dem Industrie­ma­gazin „Produktion“ aus: „Nach dem Abkühlen verhalten sich diese Pellets dann wie eine Flüssigkeit. Sie ist ungiftig, nicht aggressiv und kann bei Umgebungs­tem­pe­ratur in normalen Tanks gepumpt werden.“ Zurück bleiben die wasserstoff­freien Pellets, die in einem zweiten Tank gesammelt und dann erneut mit Wasserstoff angereichert werden.

Um sich des Problems der fehlenden Infrastruktur in Form von Tankstellen anzunehmen, haben im April Automobil­her­steller, Wasserstoff­an­bieter und international tätige Energiebe­ra­tungen in London das Projekt "Hy Five" ins Leben gerufen. Mit einem Budget von 38,4 Millionen Euro soll dort an den Grundlagen für ein Tankstel­len­netz gearbeitet werden. Die fünf beteiligten Automobil­her­steller BMW, Daimler, Honda, Hyundai und Toyota stellen insgesamt 110 Brennstoff­zel­len­autos, um Erfahrungen mit der Technik zu sammeln. An dem Projekt beteiligten sich unter anderem auch die Wasserstoff­an­bieter Linde und OMV sowie die Beratungs­un­ter­nehmen Element Energy und PE International.

Treibstoff­kosten: Wasserstoff versus Benzin
Laut einer Studie des Verbands Clean-Energy-Partnership (CEP) hat ein durchschnitt­li­cher Brennstoff­zellen PKW eine Reichweite von 100 Kilometern pro Kilogramm Wasserstoff, bei einem Preis von sieben bis acht Euro pro Kilo. Ein Kompaktben­ziner schluckt rund sieben Liter Super auf 100 Kilometer wobei je nach Benzinpreis Kosten von ungefähr 1,50 € pro Liter anfallen – also 10,50 Euro pro Hundert Kilometer.