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Alternative Antriebe Was die Brennstoffzelle kann

Abgasfrei, geräuschlos und in wenigen Minuten aufgetankt: Die Brennstoffzelle scheint die Vorteile von Benzin- und Elektromotoren zu verbinden. Was die Technik kann – und was zum Durchbruch fehlt.

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Toyotas Brennstoffzellen-Auto Mirai Quelle: Presse

Ein leises Surren – mehr ist nicht zu hören, als der Toyota Mirai an der grünen Ampel losfährt. Soweit, so gewöhnlich. Das nahezu lautlose Beschleunigen ist schon von Elektroautos wie dem BMW i3, Tesla Model S oder dem Nissan Leaf bekannt.

Der große Unterschied: Während die Akkus der sogenannten batterieelektrischen Fahrzeuge nach einer mehr oder weniger langen Fahrt (der i3 und der Leaf kommen mit einer Ladung zwischen 100 und 200 Kilometer weit) für Stunden an die Steckdose müssen, droht dem Mirai erst nach rund 500 Kilometern der erste Zwangsstopp. Doch bei dem Toyota geht die Fahrt nach gerade einmal drei Minuten weiter – auf die nächsten 500 Kilometer.

Das Wichtigste über Wasserstoff und Brennstoffzelle

Statt Strom zu laden tankt der Mirai reinen Wasserstoff. Eine Brennstoffzelle an Bord gewinnt aus dem Wasserstoff Strom, der dann den Elektromotor antreibt. Aus dem Auspuff entweichen lediglich warme Luft und Wasserdampf. Stammt der Wasserstoff aus einer nachhaltigen Produktion, fallen bei der Fortbewegung keine Emissionen an.

Toyota hat das Rennen gewonnen

Der Traum der Mobilität ohne schlechtes Gewissen kann so Realität werden. Wie gesagt – kann.

Die großen Autobauer sind in den Wettbewerb um das erste bezahlbare Großserienmodell mit Wasserstoffantrieb eingestiegen. Das Rennen hat Toyota gewonnen, denn der Mirai ist keine Zukunftsvision mehr: In Japan wird der Brennstoffzellen-Wagen ab Dezember verkauft, in Deutschland kommt er im September 2015 für rund 79.000 Euro in den Handel.

So braust Toyota in die Zukunft
Wasserstoffauto Mirai Quelle: dpa
Wasserstoffauto Mirai kommt im Dezember nach Japan Quelle: dpa
Wasserstoffauto Mirai startet im September 2015 in Deutschland Quelle: Toyota
Wie unsere Redaktion berichtete, plant BMW im Rahmen der Kooperation mit Toyota ein eigenes Brennstoffzellenauto. Insider rechnen damit, dass der Wasserstoff-BMW mehr Leistung bringen wird als der Mirai. Einem Bericht des britischen " Autocar"-Magazins zufolge soll das Modell BMW i5 heißen. Quelle: REUTERS
Wasserstoffauto Mirai beruht auf dem Toyota Sedan Quelle: Toyota
Wasserstoffauto Mirai hat 500 Kilometer Reichweite Quelle: Toyota
Wasserstoffauto Mirai stößt nur Wasserdampf aus. Quelle: Toyota

Doch die aufgescheuchte Konkurrenz wird auf absehbare Zeit nachziehen. Toyotas Kooperationspartner BMW wird wohl 2016 mit modifizierter Mirai-Technik den i5 auf den Markt bringen, Hondas Wasserstoffauto FCV will ebenfalls ab 2016 mit stolzen 700 Kilometern Reichweite glänzen. Das Quartett Daimler, Ford und Renault-Nissan plant, ab 2017 gemeinsam entwickelte Wasserstoff-Modelle zu verkaufen. Hyundai hat auf Basis des SUVs iX35 bereits eine Kleinserie von 1000 Brennstoffzellenautos auf der Straße.

In Japan setzt die Politik auf Wasserstoff

Die nächste Generation der Honda-Technik dürfte auch bei Opel zum Einsatz kommen, der Mutterkonzern General Motors und Honda arbeiten bei der Brennstoffzelle zusammen. Auf der Automesse in Los Angeles zeigte außerdem der Volkswagen-Konzern mit zwei Konzeptfahrzeugen auf Basis eines Golf Variant und eines Audi A7, dass man bei der anspruchsvollen Technik nicht hinterher hinkt. Kurzum: Es ist mehr im Kommen.

„Alle großen Hersteller arbeiten an der Brennstoffzelle. Toyota verfolgt die Technologie sehr konsequent“, sagt Jörg Karstedt, Koordinator Elektromobilität beim Zentrum für Brennstoffzellen-Technik (ZBT) in Duisburg, einem unabhängigen Dienstleister für Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellen-, Wasserstoff- und Batterietechnik. „Sie arbeiten am Einsatz der Brennstoffzelle in vielen Bereichen, neben dem Auto etwa auch bei Bussen, Gabelstaplern und in der Hausenergieversorgung.“

Der breite Einsatz der Brennstoffzellen hat bei dem japanischen Hersteller auch einen politischen Hintergrund. „Für Japan ist der Wasserstoff ein Weg, seine Rohölimporte zu verringern und unabhängiger von Energieimporten zu werden“, sagt Karstedt. „Dort liegt ein starker Fokus auf dieser Technik, deshalb wird auch der Ausbau konsequenter vorangetrieben.“

In der EU ist die Motivation für die jüngste Brennstoffzellen-Offensive eine andere. Bis zum Jahr 2050 soll die CO2-Emission des gesamten Verkehrssektors um 95 Prozent sinken – im Vergleich zum Jahr 2009. Die Experten der Beratungsgesellschaft McKinsey sprechen in einer Analyse über die Antriebssysteme der Zukunft den heutigen Verbrennungsmotoren noch ein Einsparpotenzial von 30 Prozent zu. Bei Weitem nicht genug, um die Klimaziele zu schaffen.

95 Gramm CO2 ohne Brennstoffzelle nicht machbar

Ab 2021 schreibt die Europäische Union einen CO2-Ausstoß von 95 Gramm pro Kilometer vor. Bei Autos mit Verbrennungsmotor entspricht das einem Normverbrauch von 4,1 Litern Benzin oder 3,6 Litern Diesel auf 100 Kilometer – bei Kleinwagen ein realistischer Wert, für größere Limousinen und SUVs aber kaum machbar.

Für die Hersteller heißt das: Wer nicht an den künftigen Abgas-Grenzwerten scheitern will, sollte jetzt an emissionsfreien Antriebssystemen arbeiten.

Sieben Spritspartipps

Diese Entwicklungsarbeit wird laut den McKinsey-Experten deutlich vielschichtiger. „In den nächsten 40 Jahren wird kein einzelnes Antriebssystem alle Kriterien von Wirtschaftlichkeit, Fahrleistungen und Umweltverträglichkeit erfüllen. Statt einer Antriebstechnologie – dem Verbrennungsmotor – wird es mehrere, gleichberechtigte Systeme geben: Batterieelektrische Autos für die Stadt, Brennstoffzellenfahrzeuge für die Langstrecke und Plug-In-Hybride als ökonomisch attraktive Lösung für kurze Strecken“, heißt es in der Studie.

Batterieelektrische Autos bleiben wegen der begrenzten Akku-Kapazität in ihrer Reichweite limitiert, haben im Stadtbetrieb, etwa beim Ampelstart, ihre Vorteile. Die Brennstoffzelle bietet ein mit Benzinern vergleichbare Reichweite und Tank-Dauer. Deshalb sieht McKinsey bei Brennstoffzellenautos ein besonders hohes CO2-Einsparpotenzial.

Platin treibt die Kosten – aber nicht entscheidend

Ein Grund mehr für die Hersteller, die technischen weiter abzubauen. „Seit dem Jahr 2000 hat sich die Leistungsdichte der Brennstoffzelle in automobilen Anwendungen etwa versechsfacht“, sagt Karstedt. „Auch der Wirkungsgrad hat sich deutlich verbessert, und es gibt noch weiteres Potenzial.“ Der Entwicklungsfokus der Autobauer liege momentan aber insbesondere auf der Optimierung von Stückkosten und Lebensdauer.

Bei den Kosten ist Platin, das in der Brennstoffzelle als Katalysator dient, ein gewichtiger Faktor. Eine Feinunze (31,1 Gramm) des edlen und seltenen Metalls kostet derzeit zwischen 950 und 1000 Euro. Aktuell benötigen die Hersteller für den Brennstoffzellenantrieb eines Autos zwischen 30 und 40 Gramm Platin.

Katsuhiko Hirose, Brennstoffzellen-Chefentwickler bei Toyota, peilt in zehn Jahren einen Wert von 6 Gramm pro Auto an – was in etwa mit einem heutigen Diesel-Katalysator vergleichbar ist. Auch der ZBT-Experte Karstedt hält eine Größenordnung von zehn Gramm für realistisch. „Langfristig arbeiten wir auch an platinfreien Lösungen, doch die Technik ist noch nicht so weit entwickelt.“

Kosten sollen um 90 Prozent sinken

Doch nicht nur an den Materialien der Zelle selbst, auch in der Umgebung des Energiewandlers gibt es Einsparpotenzial. Da eine einzelne Zelle nur eine geringe Leistung liefert, werden mehrere Zellen zu sogenannten „Stacks“ gestapelt. Die Stapel selbst als auch die Peripherie aus Pumpen und Kühlern sind deutlich teurer als das vermeintlich kostspielige Platin.

Von der erwarteten Massenproduktion erhoffen sich die McKinsey-Experten große Skaleneffekte. Laut ihrer Vorhersage werden die Kosten für einen Brennstoffzellenantrieb im Vergleich zu 2010 innerhalb von zehn Jahren um 90 Prozent sinken – auf dann rund 7.500 Euro. Im selben Zeitraum soll die Lebensdauer eines Stacks mehr als verdoppeln.

Plug-In-Technik soll die Brennstoffzelle effizienter machen

Weitere Kostenvorteile erhofft sich Jörg Karstedt von einem intelligenten und dosierten Einsatz der Brennstoffzellen. In dem Projekt „Breeze“ arbeitet das ZTB an einem Plug-In-Hybriden, der eine Brennstoffzelle mit einer an der Steckdose aufladbaren Batterie verbindet. „In unserem Fahrzeug deckt die Brennstoffzelle den mittleren Energiebedarf, etwa den einer Autobahnfahrt bei 120 km/h“, sagt Karstedt. „Bei Leistungsspitzen, wie zum Beispiel beim Überholen oder Beschleunigen an der Ampel, greift das Fahrzeug auf Strom aus der Plug-In-Batterie zurück.“

Der Vorteil: Für diesen mittleren Energiebedarf muss das Stack nur rund 30 Kilowatt leisten – die Brennstoffzellenfahrzeuge der Autobauer bringen es in der Regel auf etwa 100 Kilowatt (136 PS). Und kleinere Brennstoffzellen sind nicht nur günstiger, sondern verbrauchen auch weniger Wasserstoff.

Die größten Hersteller von Elektroautos in Deutschland

Auf das Plug-In-Konzept setzt auch Audi bei seinem in Los Angeles vorgestellten Konzeptauto. Die beiden 85 kW starken Elektromotoren des A7 H-tron werden direkt von einer Brennstoffzelle angetrieben, Audi verspricht einer Reichweite von 500 Kilometern. Mit dem Strom aus dem Akku kann der Wasserstoff-A7 weitere 50 Kilometer fahren – oder einen Zusatz-Schub beim Überholen liefern.

Die Tankstellen fehlen

Das Credo der ersten Fahrberichte von Mirai und A7 H-tron: Das Fahrerlebnis gleicht dem eines Elektroautos, die Brennstoffzelle arbeitet vollkommen unauffällig im Hintergrund. Die praktische Reichweite abseits der Hersteller-Versprechen und die Alltagstauglichkeit konnten die Journalisten bei den kurzen Probefahrten natürlich noch nicht austesten. Einige stellen angesichts des ausgereiften Fahrverhaltens dennoch die Frage: Warum gibt es nicht mehr Brennstoffzellenautos in Serie?

Die Antwort ist einfach: Viele Hersteller wollen noch nicht.

„Mit dem Concept Car H-Tron zeigen wir, dass wir auch die Brennstoffzellentechnologie beherrschen“, sagt Audis Technikvorstand Ulrich Hackenberg. „Sobald Markt und Infrastruktur es rechtfertigen, können wir in den Serienprozess einsteigen.“ Sprich: Wo keine Wasserstoff-Tankstellen, da keine Kunden.

Noch mehr als bei der Elektromobilität stehen die Autobauer bei der Wasserstoff-Versorgung vor einem noch größeren Henne-Ei-Problem. Eine Steckdose haben die Kunden im Zweifelsfall zu Hause, öffentliche Ladesäulen kosten einige Tausend Euro pro Stück. Eine Wasserstoff-Tankstelle kostet nach aktuellem Stand der Technik hingegen rund eine Millionen Euro.

In Deutschland gibt es gerade einmal 17 öffentlich zugängliche Wasserstofftanken. McKinsey schätzt in der Studie den Anfangsinvestitionsbedarf alleine in Deutschland auf rund drei Milliarden Euro, um ein flächendeckendes Tankstellennetz für Wasserstoff auszubauen.

Daimler hat seinen Brennstoffzellen-Vorsprung verloren

In Hamburg und weiteren Städten sind bereits Linienbusse mit Brennstoffzellen unterwegs, die Tankstellen liegen allerdings oft auf dem Betriebsgelände – und bringen einem privaten Mirai-Käufer momentan reichlich wenig.

An dem Tankstellen-Problem arbeitet unter anderem auch Daimler, gemeinsam mit dem Gase-Konzern Linde. Der Stuttgarter Autobauer hatte sich mit zahlreichen Brennstoffzellen-Prototypen seit Mitte der 1990er Jahre einen Vorsprung bei der Entwicklung aufgebaut. Aus der angekündigten Serienreife für das Jahr 2004 (O-Ton des damaligen Daimler-Chefs Jürgen Schrempp: „das erste Null-Liter-Auto“) wurde bekanntlich nichts. Die komplexe Technik war schlichtweg zu teurer.

20 Tankstellen sollen zeitnah kommen

Schrempps Nachfolger Dieter Zetsche kündigte vor drei Jahren vollmundig („Wasserstoff ist das bessere Öl, deswegen ist es Zeit für einen Ölwechsel“) erneut ein Serienmodell für 2014 an und Daimler demonstrierte mit einer Weltumrundung zweier Brennstoffzellen-B-Klassen die Zuverlässigkeit. Doch am Ende wurde das Brennstoffzellenauto mit Stern auf der Haube kleinlaut auf 2017 verschoben – von dem Gemeinschaftsprojekt mit Ford und Renault-Nissan versprechen sich die Schwaben bessere Kosteneffekte als bei einem Alleingang.

Die größten Gewinner im deutschen Automarkt

Um zum Marktstart des eigenen Brennstoffzellenautos über ein grundlegendes Wasserstoff-Netz zu verfügen, plant Daimler mit Linde 20 Anlagen entlang der wichtigsten Autobahnen. „Damit verbessern wir die Voraussetzungen für die erfolgreiche Vermarktung von Brennstoffzellenfahrzeugen wesentlich“, sagt Andreas Opfermann, Leiter Clean Energy und Innovationsmanagement bei Linde.

„Bei der Entwicklung der Infrastruktur ist das gemeinsame Engagement aller beteiligten Partner wichtig“, sagt auch der Brennstoffzellen-Experte Karstedt. „Dazu wurde in Deutschland die „H2-Mobility“ Initiative gegründet, an der sich Automobilbauer, Gaseindustrie und Mineralölgesellschaften beteiligen. Auch in den USA, in England und Frankreich hat dieses erfolgreiche Modell Nachahmer gefunden. Politische Unterstützung ist aber erforderlich.“

Die Quelle des Wasserstoffs ist entscheidend

Selbst wenn Industrie-Initiativen wie H2-Mobility und Clean Energy Partnership (CEP) gemeinsam mit der Politik ein Tankstellennetz aufbauen, bleibt eine entscheidende Frage, mit der der ökologische Nutzen der Technik steht und fällt: Woher kommt der Wasserstoff?

Wasserstoff ist zwar das häufigste Element auf der Erde, kommt natürlich aber beinahe ausschließlich in gebundener Form vor – etwa Wasser oder Methan. Um das H2 für die Brennstoffzellen aus diesen Verbindungen zu lösen, ist viel Energie nötig. Wie das passiert, beeinflusst entscheidend die Ökobilanz.

Heute wird der Wasserstoff zum Teil noch als Nebenprodukt bei der Rohöl-Raffination gewonnen. Als umweltschonend gilt der Wasserstoff aber nur, wenn er mit erneuerbaren Energien hergestellt wird – etwa per Elektrolyse von Wasser, betrieben mit Sonnen- oder Windstrom. Für Toyota-Entwickler Hirose hat die Wasserelektrolyse noch einen weiteren Vorteil: „Das ist ein guter Zwischenspeicher für überschüssigen Strom aus Sonne und Wind.“

Was die Umweltfreundlichkeit der Wasserstoff-Technik angeht, ist Greenpeace anderer Meinung als die Autoentwickler. „Um zu reinem Wasserstoff zu gelangen, muss dieser unter hohem Einsatz von Energie aus der sehr engen Verbindung mit Sauerstoff, also aus Wasser, oder aus den Kohlenwasserstoffen herausgelöst werden“, erklärt Daniel Moser von Greenpeace. Die Energiebilanz der Brennstoffzelle sei deshalb trotz ihres hohen Wirkungsgrads sehr negativ. „Nur maximal 40 Prozent der eingesetzten Energie wird genutzt“, sagt Moser. „Um die Energie eines Liters Sprit zu erhalten, müssen davon beinahe drei verbrannt werden.“

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Doch auch mit weit ausgebauten Tankstellennetz werden Brennstoffzellenautos laut der McKinsey-Schätzung nicht die Verbreitung heutiger Benziner oder Diesel erreichen. Das Szenario für 2050: 25 Prozent batterieelektrische Autos, 35 Prozent Brennstoffzellenfahrzeuge, 35 Prozent Plug-In-Hybride, 5 Prozent Verbrennungsmotor.

Welcher Antrieb sich wie gut durchsetzt, hängt nicht zuletzt von den angebotenen Modellen und der staatlichen Förderung ab. Während sich der Anteil von Batterie und Brennstoffzelle um den ein oder anderen Prozentpunkt verschieben kann, scheint nur eines sicher: Der Verlierer ist der Verbrennungsmotor wie wir ihn heute kennen.

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