Die Brennstoffzelle ist keine neue Technologie, erfunden wurde sie schon vor 180 Jahren. In den 1960ern versorgte sie die Apollo-Raumkapseln auf dem Weg zum Mond mit Strom, inzwischen steckt sie auch in herkömmlichen Fahrzeugen. Aber warum erst mit Strom den Wasserstoff erzeugen, um ihn dann in der Brennstoffzelle wieder zu Strom zu machen? Die Wirkungsgrade sind dabei kleiner, als direkt durch die Stromleitung in einer Batterie zu speichern. Eine aktuelle Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE zeigt aber, dass die CO₂-intensive Batterieproduktion stärker zu Buche schlägt, als der schlechtere Wirkungsgrad der Brennstoffzelle: Je größer die Batterie, desto besser schneidet der Wasserstoff ab. Dabei wurde sowohl vollständig aus Erdgas reformierter Wasserstoff mit regulärem Ladestrommix verglichen, wie auch Wasserstofferzeugung und Batterieladung vollständig aus erneuerbaren Energien. Die Herstellung der Fahrzeuge samt Batterie und Vorketten wurden ebenfalls berücksichtigt.
Brennstoffzelle hat noch mit einigen technischen Herausforderungen zu kämpfen
Wie so oft wird aber das eigentlich einfache Prinzip im Detail doch anspruchsvoll: So reagiert die Brennstoffzelle empfindlich auf Salze, Stickoxide und Verbundstoffe mit Schwefel oder Ammoniak, die über die Zuluft in den Prozess gelangen. Ein Filter löst das, danach muss die Luft auf die richtige Feuchte gebracht werden, was der in der Brennstoffzelle anfallende Wasserdampf ermöglicht. Ein weiteres Problem: Wasserstoff-Moleküle sind so klein, dass sie sogar eine Stahlwand durchdringen können, die Zellen müssen daher speziell abgedichtet werden. Die Befeuchter-Technik sowie auch die Filter bietet der Zulieferer Freudenberg an, ebenso die speziellen Dichtungen. Diese waren schon immer dessen Spezialgebiet, die Automotive-OEMs gehören zu den großen Kunden. Da in einem E-Motor wesentlich weniger abzudichten ist, als in einem Verbrenner, begann man vor 20 Jahren das Portfolio um Bereiche zu erweitern, die auch später noch für Aufträge sorgen können, etwa die Brennstoffzelle. Aktuell ist diese nach Angaben des Unternehmens noch etwa fünfmal teurer als ein Verbrenner-Antrieb. „Die größte Herausforderung ist die Verarbeitung der neuen Dichtungsmaterialien“, erklärt Jürgen Emig, Projektleiter Brennstoffzelle bei Freudenberg. Daher mussten beispielsweise die Produktionsverfahren speziell angepasst werden. Auch Zulieferer Faurecia springt auf den Zug, zusammen mit Michelin steckte man 140 Mio. Euro in das Wasserstoff-Joint Venture Symbio.
Neue Spieler laufen auf den Platz
Bisher hat es die Brennstoffzelle nicht zu einer flächendeckend eingesetzten Technologie gebracht – noch nicht. Denn in letzter Zeit hört man aus immer mehr Ecken den Ruf nach Wasserstoff – auch von Spezialisten, die vor wenigen Jahren den Diesel noch als unersetzlich sahen. So setzt nun auch Daimler im Schwerlastsegment vermehrt auf Strom. Bis zum Jahr 2039 strebt man an, in Europa, Japan und auf dem nordamerikanischen Kontinent nur noch Neufahrzeuge anzubieten, die im Fahrbetrieb CO₂ -neutral sind. Der schwere Lkw Mercedes-Benz eActros mit einer Reichweite von rund 200 km ist in Deutschland und der Schweiz bereits seit 2018 bei Kunden im Testeinsatz, ab 2021 soll er vom Band laufen. Ähnliche Projekte gibt es mit Freightliner bei US-Kunden, zudem fahren etwa 140 leichte E-Lkw der japanischen Tochter Fuso bereits in verschiedenen Städten weltweit. Bis zum Ende des nächsten Jahrzehnts will man zusätzlich auch wasserstoffbetriebene Serienfahrzeuge anbieten, den ersten Prototyp zeigte man kürzlich in Tokio: Fuso erprobt mit dem Vision F-Cell die Möglichkeiten der Brennstoffzelle für unterschiedliche Nutzfahrzeuge. Der 7,5-Tonner verfügt über einen 135-kW-Antrieb und kommt 300 km weit. Die Architektur ist grundsätzlich mit der eines batterieelektrischen Lkw vergleichbar, von einem deutlich kleineren Akku und den Wasserstofftanks abgesehen.
Daimler forscht seit mehr als 30 Jahren am Thema Wasserstoff, am Ziel ist man aber noch nicht: „Lokal CO₂-neutrale Lkw und Busse sind keine Selbstläufer, denn auch im Jahr 2040 werden trotz aller Anstrengungen auf Herstellerseite die Anschaffungs- und Gesamtbetriebskosten von Lkw und Bussen mit Elektroantrieb noch höher liegen als bei Dieselfahrzeugen. Wir brauchen deshalb staatliche Lenkungseingriffe. Notwendig sind insbesondere eine europaweite Lkw-Maut nach CO₂ -Werten“, so Martin Daum, im Vorstand bei Daimler verantwortlich für Trucks und Busse.
US-Start-up Nikola drängt mit 12-Mrd-Euro-Auftragsvolumen in den Markt
Auch das amerikanische Start-up Nikola ist sich bewusst, dass das entscheidende Kriterium für Lkw-Kunden nicht die einmalige Investition, sondern die Gesamtbetriebskosten sind. Das Unternehmen wird inzwischen als Tesla der Nutzfahrzeugbranche gehandelt. Der für Europa konzipierten Wasserstoff-Lkw Nikola Tre soll 2022/23 in Produktion gehen, seine Eckdaten versprechen 500 bis 1000 PS, 6×4 oder 6×2-Antrieb und 500 bis 1200 km Reichweite. Auf der technischen Seite kommt viel von Bosch, der Konzern ist zudem kürzlich mit umgerechnet etwa 100 Mio. Euro in das erst vier Jahre alte Start-up eingestiegen. Nochmals rund 225 Mio. Euro kamen von Fiats Schwerlastsparte CNH, zu der neben Iveco auch die Traktorenmarken New Holland, CaseIH und Steyr gehören.
Bereits im Februar stand ein Volumen von über 12 Mrd. Euro in den Nikola-Auftragsbüchern. Hier wird durch ein Leasing-Modell auch der Lkw zum Product-as-a-Service, der Vertrag läuft jeweils sieben Jahre oder 700.000 Meilen, was gut 1 Mio. km entspricht. Im Preis sind auch die Wasserstoffkosten sowie Reifen und Service enthalten, denn Nikola setzt auf ein eigenes Netz, ganz ähnlich Tesla mit seinen anfangs kostenlosen Superchargern. Firmenchef Trevor Milton hat zwar noch kein endgültiges Preismodell vorgestellt, ist sich aber sicher, dass er den Diesel-Lkw sowohl in Sachen Leistung als auch bei den Gesamtkosten schlagen kann. Bis 2028 will er über 700 Wasserstoffstationen in den USA und Kanada gebaut haben. Jede soll zwischen zwei und acht Tonnen täglich produzieren, großteils aus erneuerbaren Energien. Als Partner fungiert hier der norwegische Wasserstoffkonzern Nel. In Europa will man die ersten Zapfsäulen etwa 2022 starten und ab 2030 dann den Großteil des Marktes abdecken.
In Deutschland gibt es derzeit rund 77 Wasserstoff-Tankstellen
Auch schon jetzt werden in Deutschland Wasserstofftankstellen gebaut, etwa vom Joint Venture H2 Mobility, das von Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell und Total getragen wird. Die Firma hat bereits etwa 80 H2-Tankstellen eröffnet und will bis Anfang 2020 die 100 knacken. Noch vor drei Jahren hatte man erst 20 Tankstellen in Betrieb, die Absatzmenge hat sich seitdem im Schnitt jährlich verdoppelt. „Derzeit kommt der überwiegende Teil des Wasserstoffes aus Erdgasreformierung – noch. Wir wollen aber vollständig grün werden“, sagt Nikolas Iwan, Geschäftsführer bei H2 Mobility. Die Ausweitung der Produktion von grünem Wasserstoff hänge aber zu großen Teilen an zwei regulatorischen Hürden: Strom wird vom Gesetzgeber als „verbraucht“ angesehen und mit allen Steuern und Abgaben belastet, wenn daraus Wasserstoff produziert wird. Nach Ansicht von H2 Mobility wird der Strom aber eher „veredelt“ und in Form von Wasserstoff dann erst durch Auto oder Industrie verbraucht. „Diese Hürde macht jegliche Produktion unwirtschaftlich – sobald man vom Windpark weg einen Meter durchs Kabel muss“, so Iwan. Die einzige Chance sei es, den Elektrolyseur direkt auf dem Gelände eines Großverbrauchers zu bauen, der von den EEG-Abgaben befreit ist. So macht es gerade die Rheinland Raffinerie, wo mit 10 MW der weltgrößte PEM-Elektrolyseur entsteht. Es bestehe laut Iwan aber die realistische Perspektive, dass sich die Regularien in einigen Jahren ändern. Die zweite Hürde für mehr grünen Wasserstoff bezieht sich auf Tankstellen/Elektrolyseur-Kombinationen: Diese müssen nach Auflagen betrieben werden, die für Raffinerien gemacht wurden, was den Betrieb enorm verteuere.
Die ersten 100 Tankstellen hat H2 darauf ausgelegt, die Investition in einem erträglichen Maß zu halten und den Markt in der Fläche zu bedienen. Hier können drei Fahrzeuge direkt nacheinander tanken, danach puffert die Anlage für 10 bis 15 Minuten. Ab nächstem Jahr baut man nur noch dort weiter, wo es auch entsprechende Nachfrage gibt. „Diese kommt zunehmend auch von Nutzfahrzeugen, die eine Grundlast bilden werden“, erklärt Iwan. Die neuen Tankstellen werden daher so gebaut, dass 16 Fahrzeuge pro Stunde versorgt werden können.
Brennstoffzelle ist auch für den Schiffverkehr äußert attraktiv
Neben dem Straßentransport wird der Wasserstoffantrieb aber auch auf dem Seeweg immer beliebter. Norwegen etwa erlaubt in seinen zum Unesco-Welterbe gehörenden Fjorden ab 2026 nur noch emissionsfreie Kreuzfahrtschiffe. Aktuell werden schon kleinere Wasserstoffprojekt realisiert: Die Werft Ulstein baut mit der SX190 ein Schiff, das beim Bau und der Wartung von Offshore-Anlagen eingesetzt wird. Eine 2-MW-Brennstoffzelle ermöglicht vier Tage Betrieb, später sollen es zwei Wochen werden. Der Wasserstoff wird in einfach zu verladenden Containern gespeichert, die direkt in der Wasserstofffabrik gefüllt werden. 2022 sollen die ersten Testfahrten stattfinden. Auch die Hauyard-Group arbeitet zusammen mit Tankspezialist Linde und PowerCell Sweden an einem Wasserstoffantrieb für große Schiffe. Dieser soll durch Modulbauweise für verschiedene Schiffstypen skalierbar und auch in älteren Modellen nachrüstbar sein.
Für eine flächendeckende Lösung gilt es aber noch ein paar Probleme zu lösen: Ohne den starken Ausbau der Erneuerbaren Energien wird auch der Wasserstoff nur einen kurzen Hype reiten, wie Malcolm Langham, externer Berater für Eon in der Projektentwicklung Offshore-Wind kürzlich in einem Vortrag verdeutlichte: „Dafür braucht es mehr als Überschussstrom, sondern große Mengen an verfügbarer erneuerbarer Energie zur Erreichung von Skaleneffekten – folglich: ohne Windstrom kein Wasserstoff.“ Seiner Ansicht nach müssten dafür die Offshore-Ausbauziele erhöht und an Land unter anderem die Genehmigungsprozesse verbessert werden. Der Ball liege nun bei der Politik. Einen ersten Schritt machten Anfang November die fünf Küstenbundesländer, sie beschlossen zusammen die Norddeutsche Wasserstoffstrategie: Bis zum Jahr 2035 soll eine grüne Wirtschaft aufgebaut werden, die alle Abnehmer nahezu vollständig versorgen können soll. Bis 2025 sollen mindestens 500 MW, bis 2030 dann 5 GW Elektrolyseleistung installiert sein.
