Wasserstoffantrieb

Ein Wasserstoffantrieb nutzt Wasserstoff als Treibstoff oder Kraftstoff. Im Wesentlichen lassen sich folgende Konzepte unterscheiden:

• die Verbrennung in einem Verbrennungsmotor   - siehe auch: Wasserstoffverbrennungsmotor
• die Umsetzung in einer Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor   - siehe auch: Brennstoffzellenfahrzeug
• die Nutzung als Treibstoffkomponente in Raketen   - siehe auch: Raketentreibstoff

12-Zylinder-Wasserstoffverbrennungsmotor des BMW Hydrogen 7

Treibstoff und Abgase

Der als Treibstoff dienende Wasserstoff ist keine Primärenergiequelle, sondern ein künstlich zu erzeugender Energieträger. Zu seiner Herstellung ist Energie erforderlich, die bei der chemischen Reaktion im Motor oder in der Brennstoffzelle teilweise wieder freigesetzt wird.

Die Abgase einer Brennstoffzelle bestehen aus reinem Wasserdampf.

Die Abgase bei Wasserstoffverbrennung in einer Luft atmenden Verbrennungskraftmaschine enthalten zusätzlich Stickstoffmonoxide, die bei den hohen Temperaturen im Brennraum aus dem in der Luft enthaltenen Stickstoff entstehen. Bei hohen Luftüberschüssen (λ>>1) entstehen weniger Stickoxide, allerdings sinkt dann auch der ohnehin relativ niedrige Wirkungsgrad. Bei Kolbenmotoren gelangen weiterhin Spuren von CO und Kohlenwasserstoffen in das Abgas, die von der unvollständigen Verbrennung des Schmieröls an der Zylinderwand herrühren.

Erzeugung

Die wesentlichen Verfahren zur Wasserstofferzeugung sind

1. Die thermochemische Konversion kohlenstoffhaltiger Energiequellen (in der Regel Fossile Energieträger) bei Temperaturen von 300 °C bis 1000 °C. Das älteste Verfahren dieser Art ist die Dampfreformierung mit einem Marktanteil von etwa 90 %. Mit diesem Verfahren wurde früher aus Kohle und Wasserdampf das Stadtgas (Synthesegas) hergestellt, das ca. 60 % Wasserstoff enthielt. Durch weitere Prozessschritte kann nahezu der gesamte Energieinhalt der Energiequelle an Wasserstoff gebunden werden. Der Nachteil ist die Entstehung des Klimagases CO₂. Es gibt auch Versuche, Wasserstoff auf diesem Weg aus Biomasse herzustellen. Entsprechende Demonstrationsanlagen befinden sich derzeit im Bau.
2. Wasserstoff fällt als Nebenprodukt bei einer Reihe chemischer Prozesse (z. B. Chlor-Alkali-Elektrolyse) an. Die Mengen sind erheblich. Allein der in der Region Köln als Nebenprodukt anfallende Wasserstoff würde ausreichen um 40.000 PKW dauerhaft zu betreiben (Stand 2010).
3. Vergleichsweise noch selten wird Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser hergestellt. Hier werden inzwischen Wirkungsgrade von 70 bis 80% erreicht (siehe Wasserelektrolyse#Technische Wasserelektrolysen. Es gibt aktuell Projekte, bei denen der Elektrolyseur direkt durch Windkraftanlagen versorgt wird. Gerade an windreichen Tagen mit geringer Stromnachfrage bietet sich diese Art der Wasserstofferzeugung an, da der überschüssige Strom für die Elektrolyse verwendet werden kann, anstatt die Windenergieanlagen vom Netz zu nehmen.|Hybrid-Kraftwerk
4. Versuche, Wasserstoff in einem Wasserstoffbioreaktor mit Algen über eine Variante der Photosynthese herzustellen befinden sich derzeit noch im Forschungsstadium.

Speicherung

Tank von Linde für Flüssigwasserstoff, Museum Autovision, Altlußheim

Ein Problem bei der Verwendung von Wasserstoff für den Antrieb von Fahrzeugen stellt die Wasserstoffspeicherung dar. Zurzeit sind zwei Systeme technisch verfügbar: Die Speicherung von flüssigem Wasserstoff bei tiefen Temperaturen um 20 Kelvin oder die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck. Beide Konzepte befinden sich in der Erprobung in Fahrzeugen. Konzepte, die noch einen höheren Entwicklungsbedarf haben, sind die Speicherung in Metallhydrid-Speichern oder in Nanoröhren.

Energiedichten im Vergleich

Auf die Masse bezogen:

• Wasserstoff: 33,3 kWh/kg
• Erdgas: 13,9 kWh/kg
• Benzin: 12,7 kWh/kg
• Diesel: 11,6 kWh/kg

Auf das Volumen bezogen:

• Wasserstoff (flüssig): 2360 kWh/m³
• Benzin: 8760 kWh/m³
• Erdgas (20 MPa): 2580 kWh/m³
• Wasserstoffgas (20 MPa): 530 kWh/m³
• Wasserstoffgas (Normaldruck): 3 kWh/m³

Wirtschaftlichkeit

„Die Verwendung von Wasserstoff im Verkehr ist wegen der hohen Energieverluste und Kosten der Produktion, der Aufbereitung und des Transportes nicht zu befürworten. Auch die Herstellung von Methanol vor allem aus Erdgas ist nicht sinnvoll, da das Erdgas auch ohne die Verluste der Methanolherstellung direkt genutzt werden könnte. Selbst sofern regenerative Energieträger im Straßenverkehr eingesetzt werden könnten, wäre der Ersatz von alten hochemittierenden fossilen Kraftwerken durch diese regenerative Energie (Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft) wesentlich sinnvoller als der Ersatz von benzinbetriebenen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor durch Wasserstoffantriebe. Würde diese regenerative Energie direkt genutzt werden, könnten auch kabelgebundene Transportmittel, wie Straßenbahn, Fernbahnen und Oberleitungsbusse als „Nullemissionsfahrzeug“ betrieben werden.“

– Umweltbundesamt

„Das mit Wasserstoff aus regenerativ erzeugtem Strom betriebene Brennstoffzellenfahrzeug weist im Vergleich zu allen anderen Fahrzeugtypen die beste Emissionsbilanz auf. Diese Variante realisiert weitgehend ein Nullemissionsfahrzeug, sofern unterstellt wird, dass dem Brennstoffzellenantrieb nur der regenerativ erzeugte Strom zugerechnet wird und die Umweltwirkungen der Herstellung der Anlagen vernachlässigt werden.“

– Umweltbundesamt

Da auch die wesentlich besser handhabbaren flüssigen Kohlenwasserstoffe (siehe Synfuel, Sunfuel) und Alkohole (Methanol für Brennstoffzellen sowie Methanol und Ethanol für Verbrennungsmotoren) eingesetzt werden können, könnte die Wasserstofftechnologie als Fahrzeugantrieb in Zukunft an Bedeutung verlieren. Dem steht allerdings entgegen dass die Handhabung von Wasserstoff durch die aktuellen technischen Entwicklungen (Wasserstofftankstellen, Sicherheitsaskpekte)inzwischen ähnlich gut zu handhaben ist.

Ebenso kann Solarstrom auch direkt zum Antrieb von Elektrofahrzeugen mit Batteriebetrieb genutzt werden sofern kurze Reichweiten und lange Ladezeiten akzeptabel sind. Eine Kombination aus Batterie und Brennstoffzelle kann hierbei als wirtschaftliche Lösung betrachet werden.)

Anders verhält es sich bei der Verknüpfung von Windenergienutzung und Wasserstoffproduktion. Bei den über 20.000 in Deutschland installierten Windenergieanlagen ergibt sich regelmäßig das Problem, dass in sehr windhöffigen Zeiten mehr Strom erzeugt wird, als Abnehmer zur Verfügung stehen. Hier bietet es sich an, den überschüssigen Strom zu nutzen und per Elektrolyse in Wasserstoff umzuwandeln. Dieser kann wiederum für Mobilitätszwecke, zur Verbrennung in Motoren verwendet werden. Ein entsprechendes Projekt wird aktuell für den Flughafen Berlin-Brandenburg-International geplant, wo eine Tankstelle die allgemeine Öffentlichkeit, sowie die Busflotte des Flughafens mit Wasserstoff aus Windkraft versorgen wird. |Berliner Flughäfen

Ein Problem bei der wirtschaftlichkeit des Brennstoffzellenantriebes sind die Kosten für den Katalysator. Benötigt ein Katalysator 60g Platin so belaufen sich die Kosten auf knapp 3.000,- Eur allein für das Platin (zum Vergleich: der Katalysator eines benzingetriebenen Fahrzeugs benötigt nur ca. 20g Platin). Brennstoffzellen die mit weniger Platin auskommen befinden sich derzeit in der Entwicklung.

Anwendungsbeispiele

Die erste private Wasserstofftankstelle in Europa wurde am 12. Januar 1999 in Hamburg in Betrieb genommen. Die Betankung erfolgte mit Wasserstoffgas. Kunden waren sechs örtliche Betriebe, die sich ein entsprechendes Fahrzeug angeschafft hatten, um damit Liefertätigkeiten ihres Unternehmens zu erledigen. Die erste öffentliche Wasserstofftankstelle in Deutschland folgte im Mai 1999 am Münchner Flughafen. Hier wurde neben Wasserstoffgas für Flughafenbusse auch flüssiger Wasserstoff zum Betanken für Pkws bereitgestellt.

Am 12. November 2004 wurde in Berlin die weltgrößte Wasserstofftankstelle eröffnet. In diesem Zusammenhang erklärten die Automobilkonzerne BMW und DaimlerChrysler, mit marktreifen Fahrzeugen sei etwa im Jahre 2020 zu rechnen.

Eine Kleinserie wasserstoffbetriebener Busse wurde von der Daimler-Tochter EvoBus gebaut und zur weltweiten Erprobung in Großstädten zur Verfügung gestellt. Da es sich hierbei um Stadtbusse handelt, entfällt das Problem des fehlenden Tankstellennetzes. In der Stadt ist nur eine Tankstelle auf dem Betriebshof des Busbetreibers nötig. 2004 wurden wasserstoffgetriebene Busse in einem gemeinsamen Projekt von DaimlerChrysler, Shell und dem isländischen Umweltministerium in Reykjavík erprobt.

Im August 2004 hatte der TÜV-Rheinland das Wasserstoff-Fahrzeug Hysun3000 zugelassen.

In Hamburg sind seit 2004 drei durch Brennstoffzellen und Elektromotoren angetriebene Busse in der praktischen Erprobung, sechs weitere seit April 2006. Das Projekt der Hamburger Hochbahn AG und Vattenfall Europe heißt HH2.

Das DeepC (in englischer Aussprache: Tiefsee) ist ein wasserstoffbertriebenes, unbemanntes Unterwasserfahrzeug. 2004 in Betrieb genommen ist das Projekt inzwischen beendet.

In Berlin waren zur Fußball-Weltmeisterschaft 2006 zwei Busse mit Wasserstoffverbrennungsmotor im Dauereinsatz. Sie legten dort 8.500 Kilometer zurück und haben im Laufe des Jahres 2006 in Berlin-Spandau den Linienbetrieb aufgenommen. 10 weitere Busse sind 2007 hinzugekommen, für 2009 plant Berlin die Anschaffung von 250 Bussen mit Wasserstoffantrieb.

Erste serienreife Fahrzeuge

Wasserstoffeinfüllstutzen eines BMW, Museum Autovision, Altlußheim, Deutschland

Mazda verleast seit März 2006 Wasserstoff RX-8 und ist somit der erste Autohersteller, der ein Fahrzeug mit Wasserstoffverbrennungsmotor anbietet.

Schon 1982 hat BMW einen "3er" mit Wasserstoffantrieb als Testfahrzeug betrieben. Dieses Fahrzeug hat mehr als 100.000 km mit Wasserstoff zurückgelegt, hatte trotz höherem Gewicht (durch die mit braunem Pulver gefüllte Wasserstoffflasche im Kofferraum) bessere Beschleunigungswerte und eine höhere Endgeschwindigkeit als das Original. Es handelte sich dabei um ein Modell mit Serienmotor bei dem der Einspritzzeitpunkt verändert worden war. Einziges Problem damals: der Tank war nach 1-2 Wochen leer, da der Wasserstoff durch den Stahl hindurch diffundierte. Als Abhilfe sollte ein Keramiktank eingesetzt werden. Es wurden bereits PR Maßnahmen gesetzt um die innovativen BMW Verkäufer auf die neue Marktsituation vorzubereiten, zur Markteinführung kam es allerdings nicht.

BMW ist nun der zweite Hersteller, der einen Wasserstoffverbrennungsmotor für PKWs zur Serienreife gebracht hat. Der Motor kann sowohl mit Wasserstoff als mit Benzin angetrieben werden. BMW hat auf der Auto-Show 2006 in Los Angeles das ab November 2007 erhältliche Modell 760h „Hydrogen 7“ vorgestellt. Es basiert auf dem 760i der BMW-7er-Reihe und kann von BMW geleast werden (ein Verkauf ist derzeit nicht vorgesehen). Der herkömmliche 12-Zylinder Verbrennungsmotor der 7er Reihe wurde dabei für die Verbrennung von Wasserstoff modifiziert. Der Motor leistet 260 PS und 390 Nm Drehmoment. Die Höchstgeschwindigkeit liegt bei ca. 230 km/h (elektronisch abgeregelt). Wegen des Wasserstoff-Tanks wurde der Kofferraum von 500 l auf 250 l verkleinert.

Entwicklung geht weiter

BMW hat bekanntgegeben, dass die Weiterentwicklung von Wasserstoffverbrennungsmotoren eingestellt wird. Der Feldversuch mit Luxuslimousinen, die mit Wasserstoff betrieben werden, wird nicht weitergeführt. "Es wird vorerst keine neue Wasserstoff-Testflotte geben", sagte BMW-Entwicklungsvorstand im Dezember 2009.

Das Aus für den wasserstoffgetriebenen Verbrennungsmotor bedeutet für BMW aber nicht das Ende der Entwicklung des Wasserstoffantriebes. Dies beweist der 2010 vorgestellte 1er BMW mit Brennstoffzellenantrieb.

Massenmarkt für Wasserstofffahrzeuge ab 2015

Die Fahrzeughersteller Toyota, Nissan und Honda haben die Produktionskosten für wasserstoffgetriebene Fahrzeuge inzwischen drastisch reduziert und planen den Einsatz von Großserien in Japan ab 2015 in Verbindung mit zahlreichen Wasserstofftankstellen in den japanischen Metropolregionen.

Auch Mercedes wird spätestens 2015 mit der Großserienfertigung von Wasserstofffahrzeugen beginnen. Um die altagsstauglichkeit des Wasserstoffantriebes nachzuweisen startet Mercedes eine Weltumrundung mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der B-Klasse. Bereits 200 Serienfahrzeuge dieses Typs sind 2010 an Kunden ausgeliefert worden.

Unfallrisiko bei Wasserstofffahrzeugen

Mit Wasserstoff betriebene PKW sind nicht gefährlicher als mit Benzin oder Gas betriebene Fahrzeuge.

„Der wichtigste Unterschied zwischen Wasserstoff und Benzin besteht darin, dass Wasserstoff ein Gas und Benzin eine Flüssigkeit ist. Wasserstoff ist das leichteste Element auf der Erde – für die Sicherheit ist das ein großer Vorteil. Denn so verflüchtigt sich der Kraftstoff an der Luft sehr schnell und kann nur sehr kurz entzündet werden. Benzin dagegen verdampft langsamer und hat auch dann noch eine größere Dichte als Luft. Benzindampf bleibt daher oft lange Zeit am Boden und damit dort, wo er sich am ehesten entzünden kann. Ein weiterer zentraler Punkt ist die Frage, unter welchen Bedingungen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch explodiert – etwa wenn nach einem Unfall oder aufgrund eines Lecks Kraftstoff austritt. Hier ist grundsätzlich von Nachteil, dass Wasserstoff in einem sehr großen Konzentrationsbereich von vier bis 75 Prozent gezündet werden kann. Wirklich bedeutend ist dabei allerdings nur die untere Grenze, also jene vier Prozent Wasserstoff in der Luft, ab denen sich das Gemisch entzünden kann.

Allerdings brennt Wasserstoff mit hoher Wahrscheinlichkeit ab, bevor überhaupt ein explosives Gemisch entsteht – denn dafür sind mindestens 18 Prozent Wasserstoff in der Luft nötig. Bei Benzin dagegen liegt diese Detonationsgrenze bei nur 1,1 Volumenprozent; Benzindämpfe explodieren daher leichter als Wasserstoff.

Damit es überhaupt zur Explosion oder zum Brand kommt, muss in beiden Fällen ein entstandenes Kraftstoff-Luft-Gemisch erst einmal entzündet werden. Im Fall von Wasserstoff ist dafür eine geringere Energie nötig als bei Benzin – allerdings reicht schon die Energie eines elektrischen Funkens aus, um selbst Benzindämpfe zu entzünden. Das macht das Betanken von Benzinfahrzeugen grundsätzlich riskant. Auf der anderen Seite hat Wasserstoff eine höhere Zündtemperatur als Benzin, welches sich dadurch wesentlich leichter als Wasserstoff an heißen Oberflächen entzünden kann, etwa am Autokatalysator oder dem Auspuffkrümmer.

Hat sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet, beeinflussen weitere Faktoren den Ablauf. So hat Wasserstoff im Gegensatz zu Benzin eine sehr hohe Verbrennungsgeschwindigkeit. Eine Wasserstoff-Flamme brennt also sehr schnell und – aufgrund der geringen Dichte – steil nach oben ab.

Darüber hinaus hat Wasserstoff eine geringere Wärmestrahlung als Benzin. Neben einer frei verbrennenden Wasserstoff-Flamme wird es aus diesem Grund weniger heiß als neben einer Benzinflamme – mit dem Vorteil, dass benachbarte Gegenstände wie Autositze oder andere Fahrzeuge nicht so leicht Feuer fangen. Auch für Personen in der Nähe ist somit die Gefahr geringer, Verbrennungen zu erleiden.“

– Dr.-Ing. Axel Stepken, Vorstandsmitglied TÜV Süddeutschland

Die heute verwendeten Drucktanks halten (im gegensatz zu Benzintanks) auch schwere Unfälle unbeschadet aus.

Ein gutes Beispiel für das Verhalten von Wasserstoff zeigte sich bei mehreren Unfällen von Tankwagen die mit Flüssigwasserstoff beladen waren. Hier kam es jeweils zur Explosion bzw. zum abbrennen des Wasserstoffes: Es gab keine, oder nur leicht Verletzte, niemand kam ums Leben. Eine vergleichbare Explosion von Benzin- oder Flüssiggastankwagen führte meistens zu einer Katastrophe mit zahlreichen Opfern, wie z. B. bei dem Tanklastzugunglück von Los Alfaques (217 Tote, 300 Verletzte).

Das Hauptproblem dürften Lecks sein. Wasserstofftanks und Rohrleitungen müssen aufgrund des gegenüber z.B. Erdgas bzw. Propan/Butan geringeren Moleküldurchmessers wesentlich besser abgedichtet sein. Manche Materialien sind ungeeignet, da sie für Wasserstoff durchlässig sind. Lecks werden nicht nur zu hohen Transportverlusten beitragen, sondern bilden ein Sicherheitsrisiko, wenn sich Gas ansammelt und sich ein Wasserstoff-Luft-Gemisch bildet. Deshalb sind Wasserstofftanks und Leitungen auch aus besonderen Kunststoffen, die eine Diffusion weitestgehend verhindern. Da solche Systeme vom TÜV abgenommen werden, kann man davon ausgehen dass die Sicherheit im alltäglichen Gebrauch gewährleistet ist. Ein Vorteil ist die geringe Dichte des Wasserstoffs - entwichenes Gas steigt, solang es noch relativ rein und unvermischt ist, nach oben und kann sich nicht - wie Benzindämpfe, Propan oder Butan - in Vertiefungen sammeln.

„Auf der anderen Seite besteht eine höhere Explosionsgefahr, wenn Wasserstoff in geschlossenen Räumen freigesetzt wird, etwa in Garagen oder Tunneln. Hier ist für eine erhöhte Belüftung und eventuell für zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen zu sorgen. Die chemische Industrie nutzt Wasserstoff in großen Mengen seit über hundert Jahren. Die sicherheitstechnischen Erfahrungen sind dort hervorragend.“

– Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband

Literatur

• Sven Geitmann: Wasserstoff-Autos – Was uns in Zukunft bewegt. Hydrogeit Verlag, Kremmen Mai 2006. ISBN 3-937863-07-9

Weblinks

• Wasserstoffmotor bei Katalyse Institut für angewandte Umweltforschung 4. Mai 2001
• alternative Kraftstoffe: Wasserstoff
• Die Rolle des Wasserstoffs in einer nachhaltig geführten Energiewirtschaft