Wasserstoff: H ist das neue E

Wasserstoff kann mehr als die Knallgasreaktion im Chemiesaal auslösen. Das leichte Gas kann Schwerlasttransporter, Züge, Schiffe und Autos bewegen, Satelliten mit Strom versorgen, Häuser heizen und vielleicht sogar das Klima retten. Auf jeden Fall bietet es eine Fülle von Möglichkeiten, klimafreundliche Innovationen voranbringen.

Wasserstoff: Element mit der Ordnungszahl 1, Symbol H, 1. Periode. Über den Chemiesaal hinaus spricht sich mittlerweile herum, dass die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie wesentlich zum Gelingen der Energiewende beitragen kann.

Elektromobilität: das Grün verblasst

Dabei sah es vor kurzem noch ganz anders aus: Elektroautos galten bisher als die umweltfreundliche Alternative Nr. 1 zum Verbrennungsmotor. Allerdings verhinderten deren Nachteile, dass sie sich wirklich am Markt durchsetzen konnten. Vor allem die begrenzte Reichweite von wenigen hundert Kilometern (je nach Modell zwischen 300 bis 600 Kilometer) und die langen Ladezeiten (je nach Ladeleistung der Ladestelle, der Akkukapazität und der Ladetechnik des E-Autos zwischen 30 Minuten und 14 Stunden) machen Batteriefahrzeuge für viele Verbraucher unattraktiv.

Auch beim Stichwort Nachhaltigkeit gibt’s Punktabzug. Die Herstellung der Lithium-Ionen-Akkus von E-Autos benötigt Rohstoffe, die fast vollständig importiert werden müssen, darunter Kobalt, Lithium und Nickel. Die Arbeitsbedingungen in den Förderländern entsprechen nicht immer hiesigen Standards. Bei Lithium sind in Kürze Preissteigerungen zu erwarten, weil die steigende Nachfrage auf ein begrenztes Angebot trifft. Zudem ist die Frage, „Wohin mit den gebrauchten Akkus?“, noch nicht zufriedenstellend gelöst. Insgesamt sind Elektroautos also noch verbesserngsbedürftig, was die Punkte Alltagstauglichkeit, Herstellungsbedingungen, Umweltfreundlichkeit und Entsorgung anbelangt.

Wasserstoff: grüner wird’s (vorläufig) nicht

Aus dem Verbesserungsbedarf der E-Autos heraus wurde die seit langem bekannte Idee der Wasserstoffmobilität neu belebt. Die Nachteile der batterieelektrischen Autos sind daher die Vorteile der Wasserstoffautos: Das Volltanken dauert nicht länger als bei einem Benziner oder Dieselfahrzeug und ist ebenso einfach; mit vollem Tank kommt man je nach Modell bis zu 800 Kilometer weit. Die Kosten sind überschaubar: Ein Kilogramm Wasserstoff, ausreichend für 100 Kilometer, kostet an der Tankstelle 9,50 Euro. Ein bedeutender Vorteil von Wasserstoff ist auch, dass seine Tankstellen nicht auf externe Energieversorger angewiesen sind und sich somit prinzipiell alle Länder selbst mit Energie versorgen können, unabhängig von ihren Rohstoffvorkommen. Das heisst: Keine Probleme mehr mit erdölexportierenden Ländern und keine Verlagerung von Umweltschäden in die batterierohstofffördernden Länder.

Fuel-Cell-Autos fahren nicht ständig eine mehrere hundert Kilo (bei Lkw mehrere Tonnen) schwere Batterie mit sich herum, somit entfallen die genannten Probleme bei der Rohstoffbeschaffung und -entsorgung. Ganz im Gegenteil: Wasserstoff ist, anders als Lithium etc., praktisch unbegrenzt verfügbar, da er sich aus unterschiedlichsten Stoffen gewinnen lässt – beispielsweise aus Wasser. Zudem ist Wasserstoff, der mit erneuerbaren Energien hergestellt wird, vollständig kohlenstofffrei. Wird er wieder in Strom verwandelt, fällt als einziges Abfallprodukt Wasser an. Wasserstoff ist ausserdem einfach zu speichern und zu transportieren, wodurch es möglich wird, das ganze Potenzial erneuerbarer Energiequellen auszuschöpfen.

Glänzende Marktaussichten

Aus diesem Grund wird die Wasserstofftechnologie auch jetzt erst über die Fachkreise hinaus ernst genommen. Die Brennstoffzelle ist nichts Neues, ihr Funktionsprinzip ist seit 1839 bekannt, und Automobilkonzerne haben bereits um die Jahrtausendwende intensiv mit Forschung und Entwicklung begonnen. Aber Brennstoffe wie Holz, Kohle und Erdöl waren eben einfacher zu nutzen. Heutzutage erzeugen regenerative Energiequellen grosse Mengen an Strom, den man für die Wasserelektrolyse bestens gebrauchen kann. Erst im Zuge des Klimawandels, der Klimaziele und des Ausbaus erneuerbarer Energien wird ihr Potenzial ernsthaft genutzt, um Innovationen anzustossen, die den CO2-Ausstoss deutlich verringern können.

Nach einer Prognose des Statistikportals statista und des VDMA, Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau, soll der Markt für Brennstoffzellen im Jahr 2022 bei 2,6 Milliarden Euro liegen – gegenüber 2016 wäre das 26mal mehr. Federführend rund um Wasserstoff und Brennstoffzelle ist Japan. Bis 2030 will das Land eine globale Lieferkette und daheim einen grossen Markt für Wasserstoff aufbauen. 800.000 Brennstoffzellenautos und fünf Millionen Brennstoffzellen für Eigenheime sehen die staatlichen Planer vor.

Vom Smartphone bis zur Weltraumtechnik

Auch ausserhalb der KFZ-Branche lässt sich die Brennstoffzellentechnik sinnvoll einsetzen. Man unterscheidet portable, mobile und stationäre Anwendungen: Portable Anwendungen umfassen die Stromversorgung elektronischer Kleinverbraucher wie Laptops und Smartphones. Von mobilen Anwendungen spricht man, wenn Brennstoffzellen-Technik für den Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schiffen und Zügen eingesetzt wird oder für die Bordstromversorgung von Booten und Satelliten. Stationäre Anwendungen bezeichnen Systeme zur Energieversorgung einzelner Häuser bis hin zu Systemen für die Energieversorgung ganzer Wohnviertel. Brennstoffzellen-Heizungen erzeugen Wärme und gleichzeitig Strom. Das macht sie energieeffizient; ausserdem sind sie schadstoffarm und leise, denn aus dem Schornstein kommt vor allem Wasserdampf.

Die Renaissance des flüchtigen Gases eröffnet einen grossen Bedarf an Innovationen und erfordert im Vorfeld beträchtliche Summen für Investitionen in Forschung und Entwicklung. Wissenschaftler unterschiedlicher Disziplinen untersuchen mittlerweile das Thema Wasserstoff, das Berührungspunkte mit praktisch sämtlichen Bereichen der Life Sciences, zu Ingenieurs- und Umweltwissenschaften hat. Um herauszufinden, welche Forschungsfelder im Fokus der Wissenschaft liegen, hat das Schweizer Investment-Analytics-Unternehmen ALPORA das Big-Data-Analysetool NETCULATOR entwickelt.
Der NETCULATOR wertet mittels neuester Algorithmen mehrere tausend wissenschaftliche Publikationen gleichzeitig aus, um aktuelle Forschungs- und Innovationstrends, die sogenannten Forschungsfronten, zu ermitteln. Im Themenbereich „Wasserstoff“ wurden auf diese Weise 21 aktuelle Forschungsfronten identifiziert.

  1. Neue Elektrokatalysatoren
  2. Wasserstoffbrücken-Komplexe
  3. H2O2-Detektionslösungen
  4. Neue Photokatalysatoren
  5. Vergasungsenergiesysteme
  6. Neue Brennstoffzellenkonzepte
  7. Neue Anoden- / Kathodenlösungen
  8. Neue Hydrolyseansätze
  9. Mikrobielle Brennstoffzellen
  10. Neue Speicherlösungen
  11. MOS2 als Katalysator in Brennstoffzellen
  12. Neue Membran-Konzepte
  13. Neue Lösungen für Verbrennungsmotoren
  14. Neue Sensorkonzepte für Wasserstoff
  15. Neue GC3N4-Photokatalysatoren
  16. Neue Methanolkatalysatoren
  17. MgH2-Legierungen als Speicherlösung für Wasserstoff
  18. Biowasserstoffproduktion
  19. Versprödungseigenschaften von Stählen
  20. Sondenerkennungslösungen
  21. Wechselwirkungen chemischer Komplexe

Beispielsweise spielen Sensorkonzepte (Thema 14) für die Wasserstofftechnologie eine Rolle, um beim Transport des sehr flüchtigen und reaktionsfreudigen Gases schnellstmöglich Verluste feststellen und beheben zu können.

Kritik an der Wasserstofftechnologie

Es gibt allerdings auch einige Punkte, die an der Wasserstofftechnologie kritisiert werden. Dazu gehört zum Beispiel die verhältnismäßig schlechte Energieeffizienz „well-to-wheel“ – also von der Primärenergiequelle bis zum Antriebsrad des Autos. Um Wasserstoff CO2-neutral herzustellen und dem Klima zu nutzen, muss man ihn mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen aus Wasser gewinnen. Dabei geht viel Energie verloren. Nur ca. 15% der anfangs eingesetzten Energie können am Ende für den Antrieb der Räder eingesetzt werden.
Ein weiterer Nachteil gegenüber konventionellen Kraftstoffen wie Benzin liegt im größeren notwendigen Tankvolumen. Zwar weist Wasserstoff pro Gewichtseinheit circa das Dreifache an Energie wie an Benzin auf, bezogen auf die Volumeneinheit enthält Wasserstoff allerdings ein Drittel weniger Energie als Benzin. Dementsprechend passen in einen Vierziglitertank zwar knapp dreißig Kilo Benzin aber nur zweineinhalb Kilo Wasserstoff. Des Weiteren wird für die Herstellung von Brennstoffzellen verhältnismäßig viel Platin benötigt, das auch zu den sehr knappen Rohstoffen gehört. Auch das Netzwerk an Wasserstofftankstellen ist derzeit noch in den meisten europäischen Ländern noch nicht optimal ausgebaut. Experten gehen dabei von ca. 1Mio€ an Investitionskosten für den Bau einer Wasserstofftankstelle aus.
Trotz aller Vorteile der Wasserstofftechnologie dürfen die gleichzeitig auftretenden Nachteile nicht vernachlässigt werden.

Die Zukunftstechnologie ist in der Gegenwart bereits angekommen – die Klimadebatten lassen praktisch keine andere Wahl. Hier einige

Beispiele:

Solaris

Der polnische Omnibushersteller Solaris hat im Juni den Brennstoffzellen-Bus Urbino 12 hydrogen vorgestellt und als ersten Kunden den ÖPNV-Betreiber SASA Bolzano aus Südtirol gewonnen, der zwölf davon gekauft hat.

Van Hool

Das belgische Unternehmen Van Hool produziert ebenfalls Brennstoffzellen-Busse und das schon seit 2005. H-Busse aus Koningshooikt fahren seit wenigen Wochen unter anderem in Köln und Wuppertal.

Coradia iLint

Der Coradia iLint des französischen Herstellers Alstom ist ein Triebwagenzug, der von zwei Brennstoffzellen auf dem Dach mit Strom versorgt wird. Der Rhein-Main-Verkehrsverbund RMV hat nach einer Testfahrt 27 Coradia iLint Züge bestellt, die ab 2022 im Einsatz sein sollen. Die Stacks für die neuen Brennstoffzellen-Züge von Alstom liefert Hydrogenics, ein kanadischer Entwickler und Hersteller von Brennstoffzellen.

Bosch

Der Automobilzulieferer Bosch erwartet, dass 2030 bis zu 20 Prozent aller Elektrofahrzeuge weltweit mit Brennstoffzellen angetrieben werden. Um darauf vorbereitet zu sein, entwickelt der Konzern zusammen mit dem schwedischen Startup PowerCell Sweden AB Brennstoffzellen-Stacks zur Serienreife, was der Aktie ein deutliches Plus einbrachte.

Ballard Power Systems

Das vor fast 40 Jahren gegründete kanadische Unternehmen Ballard Power Systems produziert Brennstoffzellen vor allem für Schwertransporter, Busse, Züge, Gabelstapler und Schiffe, ist aber auch zunehmend im Pkw-Sektor aktiv. So arbeitet beispielsweise die Volkswagen-Tochter Audi mit Ballard Power bei der Entwicklung des h-tron quattro concept zusammen. Der h-tron ist ein Konzeptauto, das rein elektrisch mit Wasserstoff als Energiequelle fährt und laut Audi „das grosse Potenzial der Brennstoffzellentechnologie“ zeigt. Im Juni stellte Ballard Power eine neue Generation von Brennstoffzellen mit verbesserter Produktleistung und niedrigeren Lebenszykluskosten vor, und zusammen mit dem neuen chinesischen Partner Weichai Power will das Unternehmen Brennstoffzellenantriebe bauen und damit den asiatischen Markt bedienen.

Nel Hydrogen

Auch in Skandinavien wird die Brennstoffzellentechnologie stark vorangetrieben, beispielsweise in Norwegen als Antrieb in der Schiffsindustrie. Das grösste Unternehmen ist Nel Hydrogen, eine Firma, die seit fast 100 Jahren Elektrolyseure und Wasserstoff-Tankstellen herstellt. Nel arbeitet zudem gerade an der Markteinführung des RotoLyzers, der in der Wasserstoffproduktion als geradezu revolutionär gilt. Das mobile System ist fast hundertmal kleiner als bisherige Anlagen und kann bei Bedarf per LKW transportiert werden.

H2 Mobility

Auch das Konsortium H2 Mobility lässt derzeit Tankstellen von Nel bauen. H2 Mobility, gegründet 2015, ist ein Zusammenschluss der Unternehmen Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell und TOTAL mit dem Ziel, eine flächendeckende Wasserstoff-Infrastruktur zur Versorgung von Pkw mit Brennstoffzellenantrieb in Deutschland aufzubauen.

ITM Power

Ebenso wie Nel hat sich auch das britische Unternehmen ITM Power auf Elektrolyse-Technologien spezialisiert, auf Power-to-Gas-Anlagen und H2-Tankstellen.

Das leichteste aller Gase entwickelt sich gerade zum Schwergewicht beim Thema Klimaschutz: Die Europäische Union will den Ausstoss von Treibhausgasen bis zur Mitte des Jahrhunderts um 95 Prozent senken. In Deutschland soll der Verkehr bis dahin praktisch keine Schadstoffe mehr ausstossen. Das kann nur gelingen, wenn der Verkehr nicht mehr mittels Benzin oder Diesel fliesst, sondern seinen Energiebedarf über Strom deckt, sei es elektrisch oder über Wasserstoff.