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Technik: Wasserstoffantrieb der Zukunft

Technik: Wasserstoffantrieb der Zukunft Eine unendliche Geschichte

Der Wasserstoffantrieb stirbt immer wieder – und steht kurz danach wieder auf. Die großen Fortschritte bei Elektroantrieben und der gigantische Kostendruck machen der Brennstoffzelle eine Zukunft in Pkw schwerer denn je. Doch einige Hersteller hoffen auf echte Serienmodelle noch in diesem Jahrzehnt – wieder einmal.

Die Brennstoffzelle hat eine bewegte Geschichte. In den 1980er Jahren begann die Automobilindustrie, die Verwendung von Wasserstoff als Energiequelle für Elektroautos zu erforschen. Doch auch nach vier Jahrzehnten ist die Technologie nach wie vor nicht ausgereift. Einige Marken haben die saubere Zukunftstechnologie mittlerweile aufgegeben, andere legten die milliardenschweren Projekte auf Eis und wenige investieren weiter. Derzeit bleibt dem Verbraucher nichts anderes übrig, als auf den ersten Brennstoffzellen-Pkw zu warten, der keine Einschränkungen im Alltag mit sich bringt und keine 70.000 Euro kostet. In der Politik ist Wasserstoff ein deutlich präsenteres Thema als bei den Kunden. So wurde erst im Januar 2017 auf dem Weltwirtschaftsforum im Davos ein Hydrogen Council mit dem Ziel gegründet, einen Beitrag zur Begrenzung der globalen Erwärmung auf zwei Grad Celsius bis 2050 zu leisten. Zu den Gründungsmitgliedern gehörten die Automobilhersteller BMW, Mercedes, Honda, Hyundai und Toyota.

Eine unendliche Geschichte

Brennstoffzelle 2024

Neben dem dünnen Tankstellennetz ist der Brennstoffzelle der Tank unverändert ein großes Thema. Was die Behälter für den flüssigen Wasserstoff an Bord des Autos betrifft, so sind diese heute zylindrisch und benötigen viel Platz, was sich auf die Art der Fahrzeuge auswirkt, die ein Fuel-Cell-System verwenden können. Allerdings wird in naher Zukunft ein technologischer Quantensprung erwartet, da Tanks aus Verbundwerkstoffen entwickelt werden, die unterschiedliche Formen annehmen und in Fahrzeuge verschiedener Formen und Größen eingebaut werden können. Besonders groß sind die Erwartungen an jene Tankformen, die in Form und Größe der flachen Batterien gleichkommen, die in Elektroautos verwendet werden. Eines der wichtigsten europäischen Projekte trägt den Namen Bryson, wird von BMW und den Fachhochschulen / Universitäten in Dresden und München geleitet und vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanziert.

Um eine Reichweite über 500 Kilometer zu erzielen, müssen Brennstoffzellenfahrzeuge fünf bis zehn Kilogramm Wasserstoff in Behältern speichern können, die bei 700 bar crashsicher komprimiert werden. Kohlenstofffasern sind mit mehr als 50 Prozent der Gesamtkosten das teuerste Bauteil, das bei der Konstruktion der Behälter verwendet wird. Die Kosten für Fuel-Cell-Speichersysteme sind in den letzten Jahren deutlich gesunken und liegen derzeit bei etwa 15 Euro / kWh. Bis 2030 soll sich das halbieren. Aktuelle Analysen gehen davon aus, dass sich der europäische Markt für Brennstoffzellen bis 2030 zu einem der größten Märkte der Welt entwickeln wird. Laut einer Studie, die die Berater von McKinsey gerade dem Hydrogen Council vorgelegt haeb, nimmt die Aktivität in diesem Bereich rapide zu. Derzeit laufen weltweit mehr als 1.400 Entwicklungsprojekte in aller Welt, die Investitionen in Höhe von 570 Milliarden Dollar und 45 Millionen Tonnen sauberen Wasserstoff pro Jahr bis 2030 umfassen. Europa hat die meisten Projekte (540), gefolgt von Nordamerika (248); aber auch in Indien, China, Japan und im Nahen Osten ist ein exponentielles Wachstum der Investitionen zu verzeichnen.

Unverändert hat die Wasserstoffindustrie mit Gegenwind zu kämpfen, was einen Teil der Verzögerungen erklärt. Die Produktionskosten für grünen Wasserstoff sind allein in den letzten Jahren um 30 bis 65 Prozent gestiegen. Selbst langfristig scheint es zweifelhaft, dass der verwendete Wasserstoff überwiegend wirklich CO2-neutral hergestellt sein wird. Nach Schätzungen der internationalen Agentur für erneuerbare Energien werden zwei Drittel des Wasserstoffs und seiner Derivate, die der Endverbraucher im Jahr 2050 verbrauchen wird, nachhaltig gewonnen; ein Drittel kommt aus gemischt hergestelltem, und somit blauem Wasserstoff. Während sich die Infrastruktur für die Wasserstoffbetankung in China und Südkorea beschleunigt hat, ist die Entwicklung in Europa und Nordamerika langsamer. Weltweit gibt es etwas mehr als 1.100 Wasserstofftankstellen. Davon befinden sich rund 800 in Asien, 245 in Europa (die meisten davon - 94 - in Deutschland) und 351 in China. Da überrascht es nicht, dass der Absatz von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen geografisch mit dem Vorhandensein einer Infrastruktur korreliert. Europa versucht, die verlorene Zeit aufzuholen: Investition von 45 Milliarden Euro in den grünen Pakt der Europäischen Kommission bis 2027 und der EU-Verkehrsinfrastrukturfonds, der 284 Millionen Euro - etwa ein Drittel seines Budgets - für die Einrichtung von Wasserstofftankstellen bereitgestellt hat. Andererseits legt die jüngste Bestätigung der Richtlinie über erneuerbare Energien fest, dass 42 Prozent des von der Industrie in Europa genutzten Wasserstoffs im Jahr 2030 aus nachhaltigen Quellen stammen werden, und sieht den Bau von Wasserstofftankstellen in Abständen von höchstens 200 Kilometern entlang des TEN-T (transeuropäisches Verkehrsnetz) in dieser Region vor.

Die ersten Studien gehen auf das Jahr 1984 zurück; aber der erste Brennstoffzellen-Prototyp namens NECAR I, ein Kleintransporter, dessen Laderaum vollständig von dem System belegt ist, wurde erst 1994 vorgestellt. Es folgten die A-Klasse Fuel Cell im Jahr 2003 und die B-Klasse im Jahre 2010. In der zweiten Hälfte des letzten Jahrzehnts glaubte die schwäbische Marke, die ideale Symbiose gefunden zu haben, als sie den Prototyp des weltweit ersten Plug-in-Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs vorstellte. Der Brennstoffzellen-GLC war dank der Kombination von Brennstoffzellen- und Batterietechnologie ein vollelektrischer Plug-in. Das System war 30 Prozent kompakter und passte in einen herkömmlichen Motorraum. Es erzeugte 40 Prozent mehr Strom, verbrauchte 90 Prozent weniger Platin und wog ein Viertel weniger. Es hatte eine Reichweite von fast 500 Kilometern und konnte in etwa drei Minuten mit Wasserstoff betankt werden. Mittlerweile hat sich Mercedes zumindest die Pkw betreffend von der Brennstoffzelle verabschiedet und setzt allein auf Elektroautos.

Nach Anfängen mit Prototypen des BMW 5er GT, unterwegs mit Brennstoffzellentechnik von Kooperationspartner Toyota, begann im Sommer 2022 die Produktion von Brennstoffzellensystemen im Stammwerk München und der Einbau in eine Testflotte des BMW X5. Im iX5 Hydrogen, der wie der Mercedes ein batterieelektrisches System mit einem brennstoffzellenelektrischen System kombiniert, befindet sich das Herzstück des Brennstoffzellensystems im Motorraum, es hat die Größe eines Dreizylinder-Verbrennungsmotors und wiegt 180 Kilogramm. Die beiden röhrenförmigen Kohlefasertanks sind unter der Rückbank und im Mitteltunnel in einer T"-Konfiguration untergebracht und haben ein Fassungsvermögen von sechs Kilogramm, was eine Reichweite von 500 bis 600 Kilometern ermöglicht. Die Spitzenleistung beträgt 275 kW / 374 PS - die Dauerleistung ist jedoch geringer, 125 kW/170 PS - dank der 150-kW-Hochspannungsbatterie mit einer Kapazität von 2,3 kWh, die sich unter dem Kofferraumboden befindet und als zeitlich begrenzte Energiereserve für plötzlichen höheren Leistungsbedarf dient. „Aus unserer Sicht ist die Brennstoffzelle eine wichtige Säule im Antriebsportfolio“, erläutert BMW-CEO Oliver Zipse, „wir wollen dem Kunden die Wahl lassen. Wer dies nicht tut, der riskiert Marktanteile und das kann sich niemand erlauben.“

Allein oder in Partnerschaft mit BMW steht Toyota seit Jahrzehnten an der Spitze dieses Wasserstoff- Kreuzzugs. Das Programm wurde 1992 gestartet, obwohl die erste Fuel-Cell-Kleinserienlimousine, der Mirai, erst 2015 vorgestellt wurde. Im Jahr 2020 wurde die zweite Generation des Systems mit dem Mirai II eingeführt, der auch im Toyota Crown zum Einsatz kam, und vor kurzem wurde der Prototyp des Hilux Fcell Pick-up vorgestellt. Einer der interessanten Aspekte des Mirai II erläutert Projektleiter Ryotaro Shimizu: „Dieses Auto ist nicht emissionsfrei, sondern eher ein Fahrzeug mit negativen Emissionen, da die Luft, die hinter dem Auto zurückbleibt, dank eines sehr leistungsfähigen Luftfilters reiner ist als die, die durch den vorderen Kühlergrill einströmt und zur Reinigung der Umwelt beiträgt.“ Die Technologie von Toyota wurde auf andere Anwendungen ausgedehnt, z. B. in Lkw und Bussen in Projekten in den Niederlanden und Portugal, in Schiffen in Norwegen und in Zügen in Europa.

Auch die Südkoreaner entwickeln seit 25 Jahren an der Brennstoffzelle. Der erste Prototyp war der Santa Fe FCEV zu Beginn dieses Jahrhunderts. Im Jahr 2013 begann die Produktion des Brennstoffzellen-SUV ix35 in Kleinserie, und fünf Jahre später wurde er durch den Nexo abgelöst. Heute ist er das meistverkaufte Brennstoffzellenauto der Geschichte, mit rund 37.000 Einheiten gefolgt vom 25.000 Mal verkauften Mirai. Im Jahr 2020 wurde der XCIENT Fuel Cell zum ersten in Serie produzierten Brennstoffzellen-LKW. Die Entwicklung der dritten Generation der Hyundai-Brennstoffzelle für das Nachfolgefahrzeug des Nexo, aber auch für den Einsatz in Bussen, Lastwagen oder Schiffen wird derzeit abgeschlossen. Bis 2028 will Hyundai seine gesamte Palette an Nutzfahrzeugen elektrifizieren, entweder mit Batterie- oder Wasserstoffantrieb.

Auch Honda experimentiert seit knapp drei Jahrzehnten am Wasserstoff als Antrieb für Autos. Auf den kompakten FCX von 2002 folgten 2008 der bekannte FCX Clarity und 2016 der Clarity. Im Jahr 2024 wird die japanische Marke zumindest auf dem nordamerikanischen und japanischen Markt mit dem Verkauf einer Brennstoffzellenversion des Honda CR-V beginnen. Auf der Tokio Mobility Show Ende letzten Jahres wurde als Gemeinschaftsprojekt zwischen Honda und Isuzu der Giga Fuel Cell Truck vorgestellt, der 2027 auf den Markt kommen soll. Zur gleichen Zeit will Honda einen neuen Wasserstoff-Pkw auf den Markt bringen, für den ein jährliches Produktionsvolumen von etwa 2000 Einheiten prognostiziert wird. In diesem Jahr soll ein neues, gemeinsam mit General Motors entwickeltes Brennstoffzellen-Fahrzeug vorgestellt, das in den USA und Japan auf den Markt kommen wird. Hierbei wird ein neues Brennstoffzellenmodul verwenden, das Honda Ende letzten Jahres auf der Europäischen Wasserstoffwoche in Brüssel vorgestellt hat.

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