Mittwoch, 10.08.2022
Technologie
Wasserstoff und E-Mobilität

Verbrenner bekommt eine zweite Chance

Künftig fahren wir alle elektrisch. Wirklich? Schaut man genauer hin, haben Verbrenner noch lange nicht ausgedient. Sie haben sogar eine CO2-neutrale Zukunft. Mit Wasserstoff. Die aktuellen Projekte im Überblick.

Verbrenner bekommt eine zweite Chance: CO2-neutrale Zukunft – mit Wasserstoff

Bild: Shutterstock

Der Verbrennungsmotor hat ausgedient – die Mobilität von morgen ist elektrisch: So lautet das Credo von weiten Teilen der Politik und Fahrzeugindustrie. Zwar versprechen Autokonzerne wie Mercedes-Benz, Audi oder BMW, dass sie bis Ende der Dekade nur noch Autos mit Batteriebetrieb bauen und verkaufen wollen – in Europa zumindest. Wo die Fahrzeuge dann alle den Strom beziehen sollen, bleibt dabei geflissentlich offen.
 
Unbeantwortet ist auch die Frage, wie er Güterverkehr ohne Verbrenner bis in den hintersten Winkel des Landes kommen soll. Heute legt ein LKW gut eine Million Kilometer im Jahr zurück. Der Laster steht nur während der Zwangspause des Fahrers oder am Wochenende. Ein Blick auf die Parkplätze entlang der Autobahnen zeigt: Lastwagen, die dort länger stehen, könnten niemals Batterien aufladen, denn es gibt weit und breit keine Infrastruktur dafür.

Doch auch technisch gibt es Grenzen. E-Lastwagen mit Batterie haben eine begrenzte Reichweite von wenigen hundert Kilometern. Dann steht eine längere Ladepause an. Das ist allenfalls für den Nahverkehr realistisch. So will die Post im Zustelldienst bis 2025 rund 37.000 Akku-basierte E-Fahrzeuge betreiben. Im Güterfernverkehr sehen die Hersteller von schweren Nutzfahrzeugen hingegen in der Brennstoffzelle eine klimafreundliche Lösung. Die Technologie setzt Wasserstoff in elektrische Energie um, die dann einen E-Motor speist. Das hat hat den Vorteil, dass das Gas über das bestehende Tankstellennetz vertrieben werden kann. Der Tank im LKW ist in wenigen Minuten wieder voll.

Brennstoffzellen für schwere Trucks 

Die Brennstoffzellen in den Trucks treiben ebenfalls eine E-Maschine an. Als Zwischenspeicher dient eine Batterie, die immer dann mit eingreift, wenn mehr Energie benötigt wird, beispielsweise beim Beschleunigen. Daimler Truck mit Volvo sowie Iveco haben mit der Entwicklung und Produktion von ersten Serienmodellen begonnen. Doch von einer flächendeckenden Verbreitung dieser Technologie sind wir genauso weit entfernt, wie von der E-Mobilität als Massenphänomen. In beiden Fällen fehlt es an der Infrastruktur. Aktuell gibt es in ganz Deutschland lediglich 100 Tankstellen mit einem Wasserstoff-Anschluss.
 
Im europäischen Ausland ist das Netz noch übersichtlicher und in Südeuropa gar nicht vorhanden. Das gilt auch für den ländlichen Raum in Deutschland.  Das Konsortium H2 Mobility, in dem der Investor HY24 sowie Hersteller und Mineralölwirtschaft beteiligt sind, will 110 Millionen Euro in den Ausbau von weiteren 200 Großtankstellen investieren. Zum Vergleich: In Deutschland werden derzeit rund 14.500 Anlagen betrieben. 

Aufwändige und teure Technik

Der Ausbau ist zögerlich, denn die Technologie ist anspruchsvoll und teuer. Die Wasserstoff-Moleküle sind so klein, dass sie herkömmliche Werkstoffe durchdringen. Normaler Stahl wird dadurch spröde, weil sich die H-Atome in das Metall-Gitter einlagern. Die Tanks müssen deshalb speziell dickwandig und beschichtet sein. Der Gas-Spezialist Linde bietet Wasserstoff in flüssiger Form, was aufwändige und energieintensive Kühlanlagen bedingt, denn der Siedepunkt liegt bei minus 252 Grad.
  
Durch den technischen Aufwand kostet das Modell von Iveco deshalb aktuell das dreifache der Diesel-Version. Das schreckt die Speditionen ab, die ohnehin derzeit jeden Euro umdrehen müssen. So bietet der Ulmer Hersteller ein Leasing-Modell an, das nach gefahrenen Kilometern aufgebaut ist, um überhaupt Fahrzeuge auf die Strecke zu bringen.

Mit dem Modell Mirai bietet Toyota dennoch auch ein Automobil mit Brennstoffzelle an. Das Modell geht bereits in die zweite Generation. Die Japaner haben sich vorgenommen, von dem schnittigen Viertürer sogar eine sechsstellige Zahl absetzen. Auch der koreanische Wettbewerber Hyundai steckt sich hohe Ziele für 2030: 700.000 Brennstoffzellen sollen dann pro Jahr hergestellt werden: Für Autos, LKWs, andere Nutzfahrzeuge, sowie möglicherweise für erste Flugzeuge und Schiffe.
 
Vom aktuellen Brennstoffzellen-Modell Nexo hat Hyundai in Deutschland bislang allerdings noch keine hundert Stück abgesetzt. Der Hauptmarkt ist Asien, vor allem Südkorea, wo die Infrastruktur gut ausgebaut ist. Dort wurden mit 8500 Einheiten mehr als die Hälfte der 15.000 Wasserstoff-Autos verkauft, die 2021 insgesamt auf den Weltmarkt gekommen sind.

Viel Energie geht verloren 

Energie-Experten rechnen allerdings vor, dass ein Auto mit Akku-Technik mehr als 75 Prozent der elektrischen Energie tatsächlich nutzt, die in einer Windkraft- oder Photovoltaik-Anlage erzeugt werden. Hingegen bleiben bei der Kette vom Strom über die Wasserstofferzeugung per Elektrolyse, die Kompression (oder Kühlung), den Transport, die Tankanlage, die Brennstoffzelle und den Puffer-Akku im Auto nur gut 25 bis 30 Prozent der Energie übrig. Das bedeutet, dass für Wasserstoffmobilität pro Kilometer mehr als die dreifache Strom-Menge notwendig ist. Bei dieser Rechnung ist es kein Wunder, dass die Politik die Technologie derzeit nicht vorantreibt. „Wasserstoff ist Zeitverschwendung“, meint deshalb Tesla-Boss Elon Musk.

Wasserstoff-Motoren bauen auf bewährte Technik

Das Urteil des selbstsicheren Amerikaners könnte jedoch voreilig sein: Vor allem Japaner und Koreaner arbeiten an einer Technologie, die Wasserstoff in konventionellen Motoren verarbeiten kann. Hierzu haben sich sogar die Wettbewerber Toyota, Mazda und Subaru mit den Motorradbauern Yamaha und Kawasaki zu einer Allianz zusammengeschlossen. „Wir wollten zeigen, dass es möglich ist, bestehende Automotoren in Wasserstoff-Verbrennungsmotoren umzurüsten“, ist sich Naoaki Ito, Chefingenieur von Toyota, sicher. 
Von Yamaha kommt bereits ein Aggregat auf Basis eines Benzinmotors mit gewaltigen fünf Liter Hubraum, das mit Wasserstoff als Brennstoff arbeitet. Es ist für den Sportwagen Lexus RC F vorgesehen. Der V8 der Luxusmarke von Toyota kommt CO2-Neutral auf eine Leistung von 450 PS und brummt dennoch wie ein Sportwagen. Toyota selbst hat zudem einen Dreizylinder-Turbomotor im Yaris GR auf Wasserstoffbetrieb umgerüstet. Japaner und Koreaner sind also technologisch deutlich breiter aufgestellt als die deutsche Konkurrenz, die hier gar nicht präsent sind. Das von BMW geplante Wasserstoffmodell X5 greift auf die Technik von Toyota zurück.

Schiffsmotor auf Diesel-Basis

Die Effizienz der Wasserstoff Motoren auf Verbrennerbasis ist beeindruckend. Das liegt daran, dass der Brennwert von einem Kilogramm Wasserstoff liegt bei 33 Kilowattstunden, also bei mehr als dem Dreifachen des Energiegehalts von einem Liter Benzin oder Diesel. Gleichwohl bleiben die besonderen technischen Herausforderungen und der erhebliche Aufwand zur Produktion von Wasserstoff. Dennoch setzt auch MAN auf eine Erweiterung der Verbrennertechnik. Vor Kurzem hat der Maschinenbauer ein V12-Aggrregat vorgestellt, das mit Wasserstoff und Diesel betrieben werden kann. Die Emissionen sinken zwischen 50 und 80 Prozent. Für Lastwagen ist das 1000 PS starke Aggregat zu schwer. Es ist seit Mai in einem Arbeitsboot der niederländischen Werft Windcat Workboats im Einsatz.

Der Motorenhersteller Deutz hat ein Sechszylinder-Aggregat entwickelt, das ebenfalls Wasserstoff direkt verbrennt. In einer Pilotphase wird es in diesem Jahr in Zusammenarbeit mit dem Versorger Rheinenergie bei einer stationären Anlage zur Stromerzeugung eingesetzt. Ab 2024 soll die Serienproduktion anlaufen. Der Sechszylinder soll vorerst bei Generatoren und dem Schienenverkehr eingesetzt werden, später ist an eine Verwendung bei Nutzfahrzeugen, Landwirtschafts- und Baumaschinen gedacht.

Bahn will vor Ort produzieren 

Die Antriebe von Deutz könnten eine Alternative für die Bahn werden. Die testet derzeit den Mireo Plus H von Siemens Mobility. Er besitzt einen Wasserstoffantrieb bestehend aus Brennstoffzelle und Pufferbatterie Langfristig will die Bahn ihre Dieseltriebzüge im Regionalverkehr damit ersetzen. Von 2024 an ist der Probebetrieb zwischen Tübingen, Horb und Pforzheim geplant. Die Bahn erprobt parallel Lösungen für die Versorgung von Zügen. Dafür entwickelt DB Energie mobile Tankstellen mit denen Wasserstoff direkt vor Ort mit Strom aus dem Bahnnetz hergestellt und in einem mobilen Speicher gelagert wird. So kann ein Zug so schnell betankt werden wie eine Dieselversion.

Mit Wasserstoffantrieb in die Luft 

Airbus arbeitet mit dem französisch-amerikanischen Triebwerksbauer CFM International an der Entwicklung eines wasserstoffgetriebenen Flugzeugmotors. Bis zur Mitte des Jahrzehnts soll ein sogenannter Demonstrator für ein solches Triebwerk stehen, das mit Wasserstoff statt mit Kerosin läuft. Von 2035 an sollen die ersten Maschinen im regulären Betrieb abheben. 

Gleichzeitig arbeitet Airbus mit Linde am Aufbau einer Versorgungsinfrastruktur an Flughäfen. Mit dem Zulieferer Elring-Klinger kooperiert Airbus an der Entwicklung von Brennstoffzellen in Flugzeugen. Die Schwaben sind bisher Marktführer bei Dichtungsringen und Zylinderkopfdichtungen für Verbrennungsmotoren. In einem ersten Schritt soll die Bordküche so von den Triebwerken abgekoppelt werden und so den Kerosinverbrauch absenken. 

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