E-Mobilität

Seit Herbst 2018 ist der H2-Triebzug Alstom Coradia iLint auf dem Elbe-Weser-Schienennetz unterwegs. Der Betreiber LNVG hat vom weltweit ersten H2-Triebzug weitere 14 Exemplare bestellt, die bis 2021 folgen sollen. Der Zug bietet eine Höchstgeschwindigkeit von 140 km/h sowie eine Reichweite von ca. 1000 km. (Bild: René Frampe)

Wasserstoff: Energielieferant der Zukunft?

Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen haben zahlreiche Vorteile, die sich für Fahrzeuge nutzen lassen. Zudem dienen sie zur Zwischenspeicherung von Energie in Häusern und erhöhen damit die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Ist Wasserstoff die Energie der Zukunft?

Bis 2050 soll die Schweiz CO2-neutral werden, so der Wille von Bundesrat und Volk. Dass dieses Ziel ohne Kompensation im Ausland erreicht wird, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit utopisch. Unter anderem müssten im Inland nach vorsichtigen Schätzungen mindestens 1500 Wind- und 6500 Solarstromanlagen entstehen. Davon sind wir jedoch sehr weit entfernt. Nach dem Abschalten unserer veralteten AKWs wird die Abhängigkeit vom Ausland noch grösser, werden doch bereits heute rund 80% der verbrauchten Gesamtenergie importiert.

Abhängig vom Ausland

Allein die jährlich rund 11-12 Mio. importierten Tonnen Erdöl stellen mehr als 50% unseres Gesamtenergieverbrauchs bereit. Davon waren 2017 rund 70% Treibstoffe (Benzin, Kerosin, Dieselöl etc.) und 30% Erdölbrennstoffe (Heizöl). Letzterer fällt seit Jahren moderat, was primär mit der Substitution von Öl- durch Erdgas- oder Holzheizungen sowie durch Wärmepumpen zusammenhängt. Der Treibstoffkonsum hingegen stagniert seit ca. zehn Jahren auf hohem Niveau. Hier wurden 2017 insgesamt 9,743 Mio. Tonnen Erdölprodukte konsumiert.

Die resultieren Negativfolgen der CO2-Emissionen (Erderwärmung, Luftverschmutzung etc.) sind ebenso bedenklich wie wirtschaftliche Abhängigkeit vom Ausland durch Energieimporte. Hinzu kommt, dass selbst Wind- und Wasserkraftwerke stets mit Einsprachen eingedeckt werden, weshalb alle grossen Schweizer Energiekonzerne an ausländischen Ökostromproduzenten beteiligt sind. Trotz Bemühungen zum Stromsparen sorgen allein das Bevölkerungswachstum sowie die fortschreitende Digitalisierung im Verbund mit unseren Mobilitäts- und Konsumbedürfnissen für einen steigenden Stromverbrauch, der durch E-Mobility wohl kaum sinkt.

Mögliche Alternativen

Dazu gibt es jedoch Alternativen in Form von wasserstoffbetriebenen (H2) Fahrzeugen (Autos, Busse, LKW, Züge, Schiffe etc.). Dabei wird die mit H2 oder einem anderen Gas zugeführte Energie in einer Brennstoffzelle in Gleichstrom umgewandelt. Die Idee hinter der Brennstoffzelle ist fast 200 Jahre alt. Neben dem deutsch-schweizerischen Physiker und Chemiker Christian F. Schönbein (1799-1868) gilt auch der britische Jurist und Physikochemiker Sir William Grove (1811-1896) als Vater der Brennstoffzelle.

Die Bauarten der Brennstoffzelle unterscheiden sich in der Art der Elektrolyte und im verwendeten Brennstoff. Für den Hausgebrauch eignen sich Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC). Andere Typen mit Methanol als Brennstoff und solche mit Elektrolyten aus Laugen, Säuren oder geschmolzenen Alkalikarbonaten kommen für Kleinanlagen u.a. aus Sicherheitsgründen nicht in Frage.

Aus Sicht der Endanwender (etwa für Brennstoffzellen-Heizungen) ist entscheidend, ob vor allem Wärme gebraucht wird und der Strom quasi ein Nebenprodukt ist oder umgekehrt, wenn also die Stromproduktion im Vordergrund steht wie beim Einsatz in Fahrzeugen. Wichtig zu wissen ist darum das Verhältnis von produziertem Strom zur Wärme, was als elektrischer Wirkungsgrad in Prozent angegeben wird. Brennstoffzellen kommen hier auf 30 bis 60%. Da die Brennstoffzelle möglichst viele Stunden im Jahr laufen soll, lohnt sich der Einsatz in Gebäuden mit nur geringem Heizbedarf nicht.

Brennstoffzellen und Ökostrom

Das gilt vor allem dann, wenn die Wärmeleistung hoch ist. Im Sommer findet die Wärme sonst keinen Abnehmer, was zur Folge hat, dass sich die gesamte Anlage abschaltet, sobald der Pufferspeicher voll ist. Für den Winter ist in unseren Breitengraden jedoch eine Zusatzheizung notwendig, weshalb die Gesamtleistung der Brennstoffzellen-Heizung so gewählt werden sollte, dass nur der Grundbedarf gedeckt wird. Der Rest wird von einer sekundären Heizungsanlage bzw. aus dem Stromnetz bestritten.

Überschüssigen Strom aus Brennstoffzellen kann man entweder ins öffentliche Stromnetz einspeisen oder im lokalen Akku zwischenspeichern. Alternativ kann man überschüssigen Ökostrom mit einer Brennstoffzelle in H2 umwandeln und in Tanks zwischenspeichern, um später damit zu heizen oder Fahrzeuge zu betanken. Denn Wind- und Solarstrom sind wetterabhängig und stehen oft gerade dann nicht zur Verfügung, wenn Strom gebraucht wird. Allerdings ist diese Mehrfachwandlung von Energieformen verlustbehaftet und auch nicht gerade günstig.

Wasserstoffspeicher

H2 ist durch Speicherung also umkehrbar und dient dessen Aufbewahrung zur späteren Nutzung. Dazu bestehen zwei gebräuchliche Methoden:

  • Druckgasspeicherung mit Speicherung in Druckbehältern durch Verdichten mit Kompressoren
  • Flüssiggasspeicherung mit Speicherung in verflüssigter Form durch Kühlung und Verdichten

Die erste Variante galt jahrzehntelang als Hauptproblem, weil keine genügend druckbeständige Tanks verfügbar waren. Denn H2 flüchtig und war früher nach einigen Tagen aus den Tanks verschwunden. Durch Einsatz neuer Materialien wurde der Schwund durch Diffusion stark verringert. Waren um die Jahrtausendwende für H2-Fahrzeuge noch Drucktanks mit 200 bis 350 bar üblich, so sind es heute 700 bis 800 bar und mehr. Weil sich durch stärkere Kompression deutlich mehr H2 speichern lässt, steigt die Speicherkapazität. Ein modernes H2-Tanksystem für einen PW wiegt heute nur noch 125 kg, wobei der Energieaufwand zur Komprimierung auf 700 bar ca. 12 % des Energieinhaltes des H2 beträgt.

Zur Speicherung grosser H2-Vorräte (etwa in Kavernen) werden Flüssiggasspeicher eingesetzt (zweite Variante). Weil oberhalb des kritischen Punktes von H2 bei −240 °C keine Druckverflüssigung mehr möglich ist, wird der Wasserstoff zur Verflüssigung stark gekühlt und verdichtet. Der Energieaufwand inkl. Transport beträgt

  • 28-46 % für die Verflüssigung (je nach Menge und Methode),
  • bis zu 3 % pro Tag durch s.g. Boil-Off-Verluste und
  • 6 % für den Transport zwischen Verflüssigungsstation und Tankstelle

von der gesamthaft mit H2 erzeugten Energie.

Hohe Verluste

Bei der zweiten Variante entsteht ein grosser Aufwand bei der Wärmedämmung der H2-Tanks und der Leitungen. Flüssiges H2 hat eine um den Faktor 800 höhere Dichte als gasförmiges. Trotzdem benötigt flüssiges H2 je Gewichtseinheit viel Raum. Dessen Dichte beträgt lediglich 71 kg/m3, was in etwa kleinporig geschäumtem Polystyrol entspricht. In einen 20 L-Eimer passen nur 1,42 kg flüssiges H2., was nur einem Zehntel einer äquivalenten Benzinmenge entspricht.

Boil-Off-Verluste treten beim Ablassen von H2 bei zu grossem Druck im Tank auf. Dieser Druckaufbau entsteht durch die Temperaturdifferenz von rund 300°C zwischen der Umgebungsluft und dem stark heruntergekühlten Inneren des Tanks, was zu einem Wärmestrom durch langsames Verflüchtigen des H2 führt.

Zur Betankung von Fahrzeugen wurden Tankroboter entwickelt, welche die Vorgänge für Kopplung des Fahrzeugs und dessen Betanken übernehmen. Das Umfüllen benötigt nur wenig Energie, erzeugt aber weitere Ausgasungsverluste. Auch der Transport von H2 von der Fabrik zu Tankstellen oder Lagertanks mit grossen Tanklastern kostet durch das grosse Tankvolumen bzw. der kleinen Energiedichte bis zu 6 % der Gesamtenergie. Beim Transport von Diesel und Benzin sind es nur 0,2 %.

H2-Produktion mit Wasserkraft

Wegen des günstigen Emissionsverhaltens von H2 bei der Umwandlung in Strom (und umgekehrt) in einer Brennstoffzelle rückt es zunehmend in den Fokus, zumal sich H2 problemlos lokal herstellen lässt. So wird beim Wasserkraftwerk Gösgen in Kürze die erste Anlage der Schweiz zur Produktion von H2 im kommerziellen Betrieb in Betrieb genommen. Die 2-MW-Anlage wurde von der Hydrospider AG am linksseitigen Ufer des Aarekanals in lediglich sechs Monaten Bauzeit errichtet.

An Hydrospider halten die Alpiq und H2 Energy je 45 % Anteile, die restlichen 10 % . die Linde AG. Die umweltfreundliche Anlage produziert H2 für rund 50 Brennstoffzellen-Elektro-LKW mit Strom aus Wasserkraft. Doch die Pläne gehen deutlich weiter: Hydrospider will künftig H2 für bis zu 1600 Brennstoffzellen-LKW herstellen. Diese will Hyundai Hydrogen Mobility, ein Joint Venture zwischen Hyundai Motors und H2 Energy, bis 2025 auf die Schweizer Strassen bringen. Mit H2 betriebene Brennstoffzellen-Elektro-LKW nehmen eine zentrale Rolle zur Dekarbonisierung des Schwerverkehrs ein, sofern das H2 aus erneuerbaren Energiequellen stammt.

H2 für Strassenfahrzeuge

Während die Markteinführung H2-betriebener Busse (Solaris, Mercedes) für 2021 geplant ist, sind H2-Autos (Toyota und Hyundai) bereits erhältlich – allerdings als noch teure Kleinserie. Im Herbst 2020 startet in Japan die Produktion der zweiten Generation des Toyota Mirai. Er bietet dank optimiertem Brennstoffzellensystem und grösseren Wasserstofftanks eine bis zu 30 % höhere Reichweite (ca. 500 km) sowie eine elegantere Form. Während vom eigenwillig geformten Vorgänger in fünf Jahren 10'000 Exemplare in Kleinserie gebaut wurden, können durch den Bau einer neuen Fertigungsstätte jährlich 30'000 Einheiten entstehen.

Die deutsche Autoindustrie hat sich einseitig auf Elektrofahrzeuge fixiert und scheint das Potential von H2 noch nicht erkannt zu haben. So investiert VW bis 2025 30 Mia. € in neue E-Fahrzeuge plus weitere 15 Mia. € für den chinesischen Markt. BMW baute zwar seit 1979 (!) immer wieder Prototypen auf Basis modifizierter Serienfahrzeuge, zuletzt sogar eine Kleinserie von 100 "Hydrogen7". Leider hatten sich die Bayern vor rund 10 Jahren wegen technischer Probleme und der Nichtverfügbarkeit von H2 vom Thema verabschiedet, planen für 2022 aber ein grosses SUV mit H2-Antrieb von Technologiepartner Toyota.

H2 für Triebzüge

Mit der Produktion von H2-Triebzügen beginnt neben Alstom nun auch Stadler. Zurzeit entstehen fünf Schmalspurzüge für die Tiroler Zillertalbahn. Diese muss ihre veralteten Dieselzüge ersetzen, darf aus touristischen Überlegungen aber keine Oberleitung bauen. Neben der seltenen Spurweite von 760 mm prägt eine weitere Besonderheit das Projekt. Ähnlich wie in Gösgen wird das für den Bahnbetrieb nötige H2 am oberen Ende des Zillertals mit heimischer Wasserkraft produziert.

Bereits jetzt liegen in Tirol spannende Erkenntnisse vor. So kostet ein H2-Zug zwar rund 8 % mehr als ein herkömmlicher Wechselstromzug, aber dafür spart man ja die Oberleitung – im Fall der Zillertalbahn rund 22 Mio. Euro. Zudem wird die H2-Bahn etwa 1,8-mal mehr Strom brauchen als ein gewöhnlicher Triebzug. Denn auch hier wird der Strom via Brennstoffzelle in H2 umgewandelt, mit dem die Züge betankt werden. Die Brennstoffzellen an Bord wandeln das H2 dann wieder in elektrische Energie zurück. Immerhin besteht die Absicht, die Abwärme aus der Umwandlung zur Heizung der Bahnhofsanlagen und der Fahrzeuge zu nutzen. Später will man das H2 auch für die Busse des Verkehrsunternehmens nutzen.

Was tut der Staat für H2?

Zur Freude der noch jungen H2-Industire überreichte Andreas Scheuer, deutscher Bundesminister für Verkehr und digitale Infrastruktur, am 17.10.19 "Zukunftsschecks" in Höhe von rund 23,5 Mio. Euro. Damit werden H2-Projekte in Deutschland gefördert – vom H2-Gabelstapler über die Entwicklung eines H2-Busses bis hin zu einer H2-Strassenreinigungsmaschine.

Ob der hiesige Bundesrat Kenntnis davon hat, ist nicht bekannt. Sämtliche Schweizer H2-Initiativen werden wie üblich privat finanziert, so die erwähnte Anlage in Gösgen. Nur die erste öffentliche H2-Tankstelle in Hunzenschwil/AG erhielt Fördermittel des Bundesamtes für Energie (BFE). Weitere Tankstellen sollen folgen.