Ja, aber Wasserstoff-Antriebe?

Es gibt jede Menge kontroverse Themen. Und immer höre ich in „Für-und-Wider-Gesprächen“ die Formel „Ja, aber…“ Spannend, weil es zeigt, dass andere Ansichten und Meinungen eine Kontroverse erst interessant machen. Gerade die Diskussion um alternative Antriebe führt zu solchen „Ja, aber…“-Fragen. Ein paar davon habe ich Karl Lötsch gestellt. Er ist Geschäftsführer des sächsischen Innovations-Clusters Hzwo für Brennstoffzellen und Wasserstoff in Chemnitz.

1. Wasserstofferzeugung und Transport

Ja, aber wie teuer und gefährlich ist die dafür notwendige technische Infrastruktur?

Die kommerziellen Transportlösungen sind heute technisch sehr sicher und es besteht zum Beispiel in Mitteldeutschland bereits ein Wasserstoff-Pipeline-Netz. Die Kosten für die Umrüstung bestehender Infrastrukturen betragen nur einen Bruchteil gegenüber Neuverlegungen.

Und unter welchen Voraussetzungen kann man Wasserstoff länger vorhalten ohne zum Beispiel Verdampfungsverluste?

Beim Transport oder Speichern von flüssigem Wasserstoff treten nach einiger Zeit Verdampfungsverluste auf. Stand der Technik bei den meisten Anwendungen wie im PKW, im Bus, in der Bahn oder in Kavernenspeichern ist heute gasförmiger Wasserstoff. Technisch gesehen treten da keine Verluste auf. Flüssigwasserstoff spielt beim Einsatz auf Schiffen oder Tankern noch eine Rolle.

Wenn der Wasserstoff aus einer Pipeline oder einer Elektrolyse kommt, muss er doch trotzdem noch vor Ort verflüssigt werden?

Für die genannten Anwendungen ist keine Verflüssigung notwendig.

Gibt es denn an jeder Tankstelle Hochdruckverdichter?

Alle aktuellen Fahrzeuge wie Bus, Bahn und PKW, werden mit verdichtetem, gasförmigem Wasserstoff betankt.

Wie sieht es bei einem flächendeckenden Einsatz aus? Stehen dann überall große Drucktanks herum? Wie sieht es mit der Unfallgefahr oder der Sicherheit allgemein aus?

In größeren Mengen gespeichert wird Wasserstoff in Stahltanks bei bis zu 50 bar. Hochverdichteter Wasserstoff zum Tanken wird nur in kleinen Mengen unmittelbar in der Nähe der Zapfsäule vorgehalten. Hochdrucktanks sind, wie die im Fahrzeug, enorm stabil. Explodieren kann dieser auch nicht, da Wasserstoff nur im Gemisch mit Luft brennt und im Tank befindet sich nur Wasserstoff.

2. Automobiler Strukturwandel mit Wasserstoff-Antrieb

Ja, aber das Gros der globalen Autoindustrie setzt doch auf die Batterie. Geht nicht das Rennen um den dominierenden Marktanteil ziemlich klar zu Gunsten der E-Mobilität aus?

Diese Wahrnehmung trifft auf Deutschland zum Teil zu. In China, Südkorea, Kalifornien und Japan gibt es andere Sichtweisen, werden beide Technologien in Zukunftsmärkten gesehen.

Grundsätzlich ist es aber so: Die Annahme, 42 Mio. PKW in Deutschland oder weltweit 1,4 Mrd. PKW mit Verbrennungsmotoren die bestehende Infrastruktur durch Batteriefahrzeuge substituieren zu können, ist höchst fraglich. Es wird global mit großer Sicherheit auf lange Zeit Märkte für mehrere Antriebsarten für verschiedene Anwendungen geben. Von der stets polarisierenden Batterie-ODER-Brennstoffzelle-Diskussion in Deutschland profitieren nur die konventionellen Antriebe und andere Technologieländer. Bei beiden Technologien werden bei uns stets die Nachteile gesucht – und bei beiden auch gefunden. Wer diese Debatte führt, hat vergessen, um was es eigentlich geht: Benzin und Diesel in großer Masse nachhaltig ablösen und bei Zukunftstechnologien Marktführer zu sein. Dazu sollten alle alternativen Antriebe und Nutzungsmöglichkeiten von erneuerbarer Energie bestmöglich genutzt und unterstütz werden. Das betrifft auch E-Fuels. Wird denn beim Atom- und Braunkohleausstieg auch zuerst über Photovoltaik-ODER-Windenergie diskutiert?

Mit den Skaleneffekten kommen die Kostensenkungen. Sind dann die Vorteile der Batterie gegen die Brennstoffzelle nicht doch finanziell unschlagbar?

Die Brennstoffzelle steht vom Stand der Entwicklung heute da, wo die Batterie 2013/14 stand. Aber durch Skaleneffekte werden bei Brennstoffzellenfahrzeugen ebenso Kosteneffekte erwartet. Ab 500.000 Einheiten wird mit Kosten von 9.000 US$ je Brennstoffzellenantrieb einschließlich E-Motor und Antriebsstrang gerechnet. Hyundai will daher bereits 2025 ein Mittelklassemodell für unter 30.000 US$ anbieten.

Müsste dann nicht massiv subventioniert werden, um aus Kundensicht Chancengleichheit herzustellen?

Selbst ein Mittelklassefahrzeug für unter 30.000 €, bei gleichem Komfort wie Benzin oder Diesel, zzgl. sauberem Antrieb (wie bei dem Hyundai-Beispiel), muss wohl subventioniert werden. Zumindest so lange wie Benzin und Diesel so billig verkauft werden und als Kraftstoff eingesetzt werden, um für die meisten Verbraucher bei gleichem Nutzen wirtschaftlich zu sein. Das Thema ist aber nicht allein der Brennstoffzelle vorbehalten. Natürlich gibt es aber auch Ausnahmen, wie z.B. beim Regionalverkehr Köln, wo der Wasserstoff für Busse günstiger als Diesel und damit schon heute wirtschaftlich ist.

3. Effiziente Produktion von Wasserstoff

Ja, aber wie effizient ist denn eine Produktion von Fahrzeugen, die defacto zwei Antriebssysteme brauchen?

Brennstoffzellenfahrzeuge sind Elektrofahrzeuge und haben nur einen Antrieb: E-Motor mit Getriebe. Die Brennstoffzelle mit Wasserstoff-Tank ersetzt dabei die Batterie als Energiespeicher. Um Bremsenergie rekuperieren zu können, wird eine kleine Batterie (ca. 1 bis 1,5kWh) eingesetzt.

Dann bleibt jedes Brennstoffzellenfahrzeug ein batterieelektrisches Fahrzeug?

Bei großen Fahrzeugen, zum Beispiel bei Bussen, wird aus einer Batterie gefahren und die Brennstoffzelle lädt konstant die Batterie. Das ist wirtschaftlicher und langlebiger für Batterie und Brennstoffzelle. Getankt wird dennoch nur Wasserstoff.

Kann man denn eine Brennstoffzelle so schnell hoch- und runterfahren, wie der Fahrstrombedarf sich ändert?

PEM-Brennstoffzellen, die auch im PKW eingesetzt werden, werden zwischen -20°C und +80°C betrieben und liefern nach wenigen Sekundenbruchteilen hohe Leistungen und fahren genauso schnell wieder herunter. Im PKW liefern sie daher die Fahrleistung und man kann zusätzlich noch durch die kleine Batterie „boosten“ oder puffern. SOFC-Brennstoffzellen, die als Blockheizkraftwerk eingesetzt werden, sind deutlich langsamer, da sie bei über 800°C arbeiten.

Es geht doch in der Konstruktion und Produktion immer um die Frage: Wie groß wird die Batterie und wie groß die Brennstoffzelle?

Ja und das ist ein Vorteil, denn bei hoher Wirtschaftlichkeit können viele Varianten modular angeboten werden. Der Fahrzeughersteller FAUN zum Beispiel bietet ein E-Nutzfahrfahrzeug an, welches in der Grundversion einen E-Antrieb hat. Je nach Fahrzeuggröße, Müllmenge oder lokaler Infrastruktur werden 1 bis 4 Brennstoffzellenmodule und/oder Batteriemodule hinzugenommen.

Jeder, der ein Brennstoffzellenfahrzeug baut, muss doch erst einmal ein komplettes Batteriefahrzeug hinstellen?

Nein. Den Toyota Mirai und den Hyundai Nexo gibt es nur als Brennstoffzellenvarianten. Und den DAIMLER GLC gibt es sowohl als Verbrenner- oder Brennstoffzellenvariante.

Wird das Gesamtsystem Fahrzeug durch die Brennstoffzelle, den Wasserstoff-Tank zum Beispiel, nicht deutlich komplexer, viel störanfälliger, ineffizienter und teurer?

Brennstoffzellenfahrzeuge sind ähnlich komplex wie Verbrenner-Hybrid-Fahrzeuge. Sie werden für die gleichen Einsatzbedingungen und Lebensdaueranforderungen gebaut und sind ebenso robust. Sie bestehen aus Metall- und Kunststoffteilen aus herkömmlichen Werkstoffen, die mit bestehenden Kompetenzen der Zulieferindustrie gefertigt werden und auch genauso wiederverwendet und recycelt – mit Ausnahme der Batterie zum Rekuperieren. Die Fahrzeuge sind schon auf dem aktuellen Stand der Technik und für eine Kreislaufwirtschaft ohne kritische Rohstoffe prädestiniert. Das ist meines Erachtens ein wichtiger Vorteil.

Der Wirkungsgrad im Laborzyklus bei Raumtemperatur liegt bei 55-60% und ist damit doppelt so hoch wie bei Verbrennungsmotoren. Er ist aber geringer als bei batterieelektrischen Modellen. Im realen Ganzjahresbetrieb sieht es anders aus, da die Abwärme schließlich genutzt und oft auch gebraucht wird. Brennstoffzellenfahrzeuge haben in allen Jahreszeiten die gleichen Fahrleistungen und Reichweiten, was für viele Nutzer ein absolutes Muss ist, um das Benzin- oder Dieselfahrzeug zu ersetzen. Was ist unser Ziel: Efficiency First oder saubere Alternativen für Benzin und Diesel anbieten?

Ergibt es dann nicht viel mehr Sinn, erst einmal die Batterietechnologie, inklusive von Recyclingtechnologien, zu optimieren und diese ganze zusätzliche technische Komplexität nur dann reinzubringen, wenn es nicht anders geht?

Nein. Denn es wird für beides beträchtliche Märkte geben und andere Technologieländer investieren in beides, insbesondere China. Wir waren bei Batterie und Brennstoffzelle um Längen führend und haben für beides exzellente Kompetenzen in Deutschland und insbesondere in Sachsen. Bei der Wertschöpfung für Li-Ion-Batterien haben wir den Zug längst verpasst, weil wir uns lange auf dem Verbrenner ausruhen konnten. Soll sich das bei Brennstoffzellen wiederholen? Wir haben in Sachsen und Europa schon die richtigen Kompetenzen, Ressourcen und Industrien. Nutzen wir sie doch einfach, bevor es andere tun.

4. Automobiler Strukturwandel – Erhalt von Arbeitsplätzen in der Zulieferindustrie

Ja, aber ist es wirklich sinnvoll, Fahrzeuge technisch so zu verkomplizieren, nur damit Arbeitsplätze in der Zulieferindustrie erhalten werden können?

Die Komplexität und der Wertschöpfungsanteil vor Ort sind bei Verbrennern und Brennstoffzelle sehr ähnlich und das stellte bislang noch kein Problem für unsere Industrie dar. Man kann also gleichzeitig Wertschöpfung erhalten und Benzin und Diesel durch saubere Antriebe ersetzen, wo es die Batterie allein nicht schafft.

5. Saubere Antriebe

Ja, aber haben Brennstoffzellen nicht auch einen hohen Anteil knapper und bei der Förderung problematischer Rohstoffe?

PEM-Brennstoffzellen hatten lange einen hohen Gold- und Platinanteil. In den aktuellen Brennstoffzellenfahrzeugen ist die frühere Goldbeschichtung der Bipolar-Platten bereits durch Kohlenstoff ersetzt worden und der Platinbedarf je Fahrzeug hat sich von 100g (2010) auf unter 10g (2018) verringert. Im Vergleich enthalten aktuelle Abgaskatalysatoren von Benzinfahrzeugen 3-4 Gramm Platin. In der Forschung, unter anderem an der TU Chemnitz wird an Katalysatormaterialien gearbeitet, ist man schon bei Platinfreien alternativen, wie z.um Beispiel Eisen. Das restliche Brennstoffzellensystem besteht aus herkömmlichen Werkstoffen wie Edelstahl, Aluminium, Kunststoff sowie technischen Textilien. Hinzu kommt der E-Motor, der identisch ist mit dem eines Batteriefahrzeuges sowie die Bordbatterie. Die größte Baustelle im Brennstoffzellensystem ist die energieintensive Herstellung und das Recycling der Carbonfasern im Tank.

Wie gestaltet sich der Umwelt-Impact bei Brennstoffzellen und deren Herstellung? Gibt es geschlossene Stoffkreisläufe bzw. funktionierende Recyclingstrategien für die eingesetzten Materialien?

Mit der Herstellung der Brennstoffzellen ist aus den genannten Gründen kein negativer Umwelt-Impact gegenüber der Herstellung von Verbrennungsmotoren zu erwarten. Die eingesetzten Komponenten und Werkstoffe sind geeignet für eine regionale geschlossene Kreislaufwirtschaft und zum großen Teil auch als Ersatzteile wiederverwendbar. Das Stichwort ist hierbei ist Re-Usage.

6. Brennstoffzellen-Industrie

Ja, aber ist von der Wasserstofftechnologie tatsächlich, konkret und auch zeitnah ein Beitrag zum Strukturwandel und Wirtschaftswachstum in Sachsen zu erwarten? Welche ganz konkreten wirtschaftlichen Möglichkeiten ergeben sich für Unternehmen unserer Region?

Mehrere KMU und große Unternehmen in Sachsen entwickeln im Moment neue Produkte und Verfahren und davon viele in unseren 10 HZwo-Transferprojekten, die insbesondere durch die Technologieförderung des Freistaat Sachsen unterstützt werden. Davon stehen beim Thema einige noch am Anfang, aber beachtlich viele Unternehmen bieten bereits Produkte an. Geschäftsfelder sind Produktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen, Test und Engineering, Fahrzeugbau, Infrastrukturbetreiber, Komponentenentwicklung und -Produktion, Textiltechnik, Maschinen- und Anlagenbau, Werkzeugbau, Beschichtungstechnik, Präzisionsbearbeitung.

Ja, aber wie gut sind Unternehmen in Sachsen dafür aufgestellt, im Bereich der Wasserstoffindustrie Fuß zu fassen?

Das KnowHow im Bereich Produktion und Maschinenbau sowie bestehende Fertigungskompetenzen in Unternehmen werden durch Wissens- und Technologietransfer aus der sächsischen Forschung ergänzt, um neue Produkte und Geschäftsmodelle zu entwickeln. Insbesondere KMUs sind sehr offen, aber in aller Regel auf Unterstützung bei Forschung und Entwicklung angewiesen. Auch Betriebsstätten großer Unternehmen widmen sich zunehmend den Themen und stehen dabei oftmals bereits im innerbetrieblichen Wettbewerb um die neuen Produkte. Große Unternehmen sind durch professionelles Business Development in der Lage wesentlich langfristiger im Voraus neue Handlungsfelder anzugehen. KMUs sind da wesentlich agiler, benötigen dafür aber auch kurz- bis mittelfristige Absatzmöglichkeiten oder staatliche Zuschüsse.