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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.