Bradford Bates, in der Ford Motor Company für alternative Energiequellen zuständig, war noch 1996 ausgesprochen skeptisch: Er werde den Brennstoffzellen-Pkw nicht mehr erleben – denn der käme frühestens in 30 Jahren.
Inzwischen sieht er die Dinge anders. Jetzt läßt sich der erfahrene Entwicklungsingenieur mit der Aussage zitieren: Er werde sich ein Brennstoffzellen-Auto kaufen, noch bevor er zu alt zum Fahren sei. Bates ist 60.
So schnell kann das gehen. “Detroit im Brennstoffzellen-Fieber”, titelte der Informationsdienst “Wasserstoff-Spiegel”. Neue Verhältnisse: Nicht nur das führende Konsortium um Daimler-Benz und seine Partner – auch die jahrelang abwartenden amerikanischen Unternehmen General Motors, Ford und Chrysler setzen nun auf die Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb.
Noch Anfang der neunziger Jahre galt ein Serieneinsatz in Straßenfahrzeugen als futuristische Schimäre. Keinesfalls vor 2020, lautete damals das einhellige Urteil der Fachleute. Und heute? “Unser Ziel ist es, bis Mitte des nächsten Jahrzehnts eine Serienlösung anzubieten”, so Daimler-Benz-Forschungsvorstand Klaus-Dieter Vöhringer im Mai 1998 bei der Jungfernfahrt von “Necar (New Electric Car) 3” – einem A-Klasse-Versuchsfahrzeug mit Brennstoffzelle. General Motors, der größte Automobilbauer weltweit, zeigte auf der diesjährigen Detroiter Auto-Show ein Brennstoffzellen-Versuchsfahrzeug auf der Basis des EV-1 (Electric Vehicle). Der stellvertretende Vorstandsvorsitzende Harry Pearce will das Fahrzeug bis 2004 produktionsreif haben. Die Ford Motor Company unterschrieb einen Kooperationsvertrag mit Daimler-Benz und dem Brennstoffzellen-Spezialisten Ballard Power Systems aus Kanada. Die Dreierallianz investiert 700 Millionen US-Dollar und will Brennstoffzellen-Antriebe für Fahrzeuge entwickeln und vermarkten. Zieljahr für die Kommerzialisierung: wiederum 2004.
“Schuld” an dieser Terminierung sind die kalifornischen Behörden. Unheilschwanger – aus Sicht der Autoindustrie – dräut das Gesetzeswerk des “California Clean Air Act”: Wer demnächst im bevölkerungsreichsten US-Bundesstaat Autos mit Verbrennungsmotoren verkaufen will, muß auch eine bestimmte Quote emissionsfreier “Zero-Emission-Vehicles” unter die Leute bringen. Andernfalls zahlt er Strafe. 1998 sollte das Gesetz ursprünglich in Kraft treten. Mangels Alternativen setzten die Hersteller zunächst auf batteriegetriebene Elektrofahrzeuge für Kalifornien. Aber die kranken an Nachteilen wie kleinem Aktionsradius, mangelndem Fahrgast- oder Gepäckraum und hohem Preis, gemessen am Gebotenen. Die Automobilindustrie verhandelte neu. Doch alles, was die kalifornischen Behörden zugestanden, war eine Fristverlängerung bis 2003. In einem zweiten Anlauf rechnen sich die Hersteller jetzt Chancen aus, 2004 mit Brennstoffzellen-getriebenen Fahrzeugen anzutreten. Für den privaten Autonutzer, auch hierzulande, heißt das: Nach mehr als einem Jahrhundert Verbrennungsmotor-Ära rückt ein ernstzunehmender Nachfolgekandidat ins Rampenlicht.
Das Konzept des Brennstoffzellen-Fahrzeugs verlangt dem Kunden keinen Verzicht auf gewohnten Komfort und persönliche Sicherheit ab: ein Viersitzer mit angemessenem Gepäckraum, einem 50-Kilowatt-Aggregat und 400 Kilometer Reichweite. Das signalisieren die bislang gezeigten Versuchsstadien.
Unübersehbar sind die Umweltvorteile des Antriebs. Ohne Flamme reagiert im Brennstoffzellenstapel (“Stack”) das Brenngas Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff. Die chemische Energie des Wasserstoffs wird als Strom frei und treibt einen Elektromotor an. Aus dem Auspuff kommt – bei Antrieb mit reinem Wasserstoff – nur Wasserdampf.
Wasserstoff gibt es freilich nicht an der Tankstelle um die Ecke, auch nicht im Jahr 2004. Genau wie heute wird flüssiger Kraftstoff in die Tankstutzen gurgeln. Methanol ist einer der Favoriten. “Reformer” – kleine chemische Reaktoren an Bord der Autos – verwandeln parallel zum Pedaltritt den Kraftstoff in wasserstoffreiches Gas, das in den Stack strömt.
Der Kohlenstoff des Methanol-Moleküls (CH3OH) taucht als Kohlendioxid (CO2) im Abgas auf – allerdings pro gefahrenem Kilometer mindestens 30 Prozent weniger als beim Benzin- oder Dieselmotor. Stickoxide, die – als Ozonvorläufer – für die Photosmog-geplagten Kalifornier der Anlaß zum “Clean Air Act” waren, entstehen überhaupt nicht. Das Herz der “kalten Verbrennung” – die Betriebstemperatur liegt bei zirka 80 Grad Celsius – ist eine etwa einen Zehntelmillimeter dicke Kunststoff-Folie: die “Proton Exchange Membrane”, kurz PEM. Beiderseits ist sie mit dem Katalysator Platin beschichtet. Sonst würde die stromliefernde Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff nur extrem langsam ablaufen.
Die glibberige, unansehnliche PEM-Folie samt ihrer Platinhaut ist der Superstar im Vorhaben Brennstoffzellen-Auto. Standardprodukt ist ein Fluor-Kunststoff (Polytetrafluorethylen) mit dem Handelsnamen “Nafion”, hergestellt vom US-Chemiekonzern DuPont. Ein Quadratmeter ergibt rund fünf Kilowatt (kW) Leistung – und kostet bislang rund 1000 Mark. Für das 50-kW-Aggregat eines Personenwagens wären derzeit umgerechnet mehr als 10000 Mark allein für die benötigten zehn Quadratmeter PEM-Folie fällig. Und noch ein Kostenproblem: In einigen Versuchsfahrzeugen trägt jeder Quadratmeter Membran 40 Gramm Platin. Die zehn Quadratmeter PEM im Brennstoffzellen-Pkw des Jahres 2004 wären nach dem aktuellen Stand mit Edel-Katalysator im Wert von 8000 Mark beschichtet.
“Für den Alltagsgebrauch ist das undenkbar”, kommentiert Georg Frank. Der promovierte Physiker arbeitet bei Aventis Research & Technologies, einem Unternehmen der Hoechst-Gruppe. Seit 1995 leitet er ein Projekt, dessen Ziel kurz gefaßt lautet: neben anderen Komponenten eines PEM-Stacks eine Membran entwickeln, die dasselbe leistet wie die bisher erhältlichen – aber in Massenproduktion nur noch zirka fünf Prozent der heutigen Membranen kostet.
Es sieht gut aus”, sagt Frank. “Das Teure an der handelsüblichen Fluor-Membran ist der Herstell- prozeß – wir hingegen nutzen kostengünstigere Verfahren und Rohstoffe.” Das Hoechst-Team ist umgestiegen, verrät er: auf einen Kunststoff, der keine Fluor-Atome enthält. Das erschließt den Weg zur billigeren Membran.
Doch Georg Frank schätzt die neue, fluorfreie Membran nicht nur aus Kostengründen. Er sieht weitere Vorteile:
Erstens: mehr Leistung. Da die neue Membran sehr viel dünner als heute erhältliche hergestellt werden kann, erhöht sich die Leistungsdichte im Brennstoffzellen-Stapel. Man benötigt für dieselbe Leistung einen kleineren Stack, was zusätzlich die Kosten senkt.
Zweitens: einfaches Recycling. Um – wie bei ausgemusterten Drei-Wege-Katalysatoren – das Platin rückzugewinnen, wird man verbrauchte PEM-Aggregate wiederaufarbeiten müssen. Das heißt: verbrennen und dabei das Platin ausschmelzen. Bei fluorfreien Membranen müssen die Kamingase nicht aufwendig vom ätzenden Fluorwasserstoff gereinigt werden.
Den Platinverbrauch so gering wie möglich zu halten, ist eines der zentralen Ziele auf dem Weg zum Brennstoffzellen-Auto – aber keines, das das Aventis- Team lösen muß. Das tun andere – in diesem Fall Degussa und Heraeus. Sie wollen die Platin-Belegung der Membran von zunächst 40 Gramm auf ein Gramm pro Quadratmeter drücken: Statt reinem Platin wird billigere Platin-Legierung eingesetzt und diese – in wenige Nanometer starken Partikeln (“Cluster”) – in Kohlekörnchen eingebettet.
Im “Leitprojekt PEM-Brennstoffzelle”, unter Federführung des Bundesforschungsministeriums, kooperieren bundesweit Forschungs- und Hochschulinstitute sowie sechs Industriefirmen, um die revolutionäre Energietechnik von Deutschland aus voranzutreiben: BASF – Katalysatoren für den Reformer, Degussa und Heraeus – Katalysatoren für die PEM-Membran, Hoechst – PEM-Membran, Siemens – Brennstoffzellen-Stack, Daimler-Benz – Brennstoffzellen-Stack und Gaserzeugung im Reformer.
In der Reformierung des Methanols zum Brenngas sieht Dr. Ferdinand Panik, Leiter des Projekthauses Brennstoffzelle von Daimler-Benz in Kirchheim-Nabern, die “größere Herausforderung an uns Ingenieure als der Stack selbst”. Daß man auf gutem Wege sei, habe die Jungfernfahrt des “Necar 3” im Mai 1998 bewiesen. “Allerdings”, räumt Panik ein, “ist das Kaltstartverhalten noch nicht in Ordnung.” Doch er sieht nicht schwarz: “Wir werden Ende 1998 dazu unsere Lösung präsentieren.” Alle Signale auf Grün für das methanoltankende Auto von morgen – so scheint es. Oder doch nicht ganz? Im Hintergrund murrt jemand: die Mineralölindustrie.
Wenn der Sprit zur Neige geht, heißt es die nächste Tankstelle aufsuchen – das wird im Zeitalter des Brennstoffzellen-Autos nicht anders sein als heute. Doch die Mineralöl-Branche muß dann dort auch den Alkohol Methanol anbieten. Der ist bei Raumtemperatur flüssig, wie die gewohnten Kraftstoffe – aber: Methanol ist korrosiv. Mit der Zeit greift es metallische Rohre und Tankwände an. Methanol kann ferner Gummidichtungen und Kraftstoffschläuche aufquellen und – durch Herauslösen der Weichmacher – verspröden lassen.
Hinzu kommt die Explosionsgefahr. “Bei Temperaturen zwischen plus 10 und plus 36 Grad Celsius bilden sich explosionsfähige Gasgemische in Methanol-Lagertanks”, weiß Arwed Barsch, Leiter der Produkttechnik Kraft- und Brennstoffe bei der Hamburger Esso AG.
“Diese Risiken lassen sich allerdings mit zusätzlicher – wenn auch aufwendiger – Sicherheitstechnik beherrschen”, sagt Barsch. Zudem gebe es Methanol-resistente Materialien, die dem Lösemitteleffekt widerstünden – ebenso Stoffe, die das Korrodieren verhindern. Nur: Wie lange dauert das Umrüsten des kompletten Tankstellennetzes – und wer bezahlt das? Am besten niemand, plädiert der US-Energieminister Frederico Peña und empfiehlt: gar nicht erst umrüsten.
Im Rahmen des Forschungsprogramms “Partnership for a New Generation of Vehicles” erbrütete ein Konsortium unter Leitung des US-Department of Energy einen methanollosen Weg zum PEM-Brennstoffzellen-Auto. Die Unternehmensberatung Arthur D. Little (ADL), die Brennstoffzellen-Firma Plug Power und das Los Alamos National Laboratory stellten im Oktober 1997 das Ergebnis vor: den “Multifuel-Reformer”. Er verdaut Benzin.
Dr. Richard Stobart zeichnet als Projektleiter im ADL-Technologiezentrum in Cambridge/England für den Multifuel-Reformer verantwortlich. “Der Daimler-Reformer ist technisch gut”, räumt er ein, “aber unserer ist viel flexibler: Er läuft nach Wunsch mit Propan, Methanol, Ethanol, Benzin, Diesel oder Erdgas.” Bislang existieren allerdings erst Laborversionen.
Chemiker nennen diese Art von Anlage einen “Partial Oxidation Fuel Processor”, kurz POX. Bis zu 81 Prozent des Kraftstoffs kann der Multifuel-Reformer in Wasserstoff umwandeln – gegenüber maximal 85 Prozent beim Wasserdampf-Reformer von Daimler-Benz. Stobart läßt dieser Nachteil kalt. “Ein paar Prozent Wirkungsgrad weniger sind nicht so wichtig. Worauf es ankommt, ist, daß die existierende Tankstellen- und Kraftstoff-Infrastruktur weiter genutzt werden kann. Das ist volkswirtschaftlich vernünftig.” Davon will Daimler-Benz-Entwickler Ferdinand Panik nichts wissen. “Wir sollten endlich mit der Sackgassen-Perspektive fossiler Kraftstoffe Schluß machen”, fordert er. “Methanol und Wasserstoff bieten uns die Chance, endlich eine dauerhaft gesicherte Kraftstoffversorgung aufzubauen.”
Sein Argument: Methanol läßt sich auch CO2-neutral aus nachwachsenden Rohstoffen, aus kohlenstoffhaltiger Biomasse, erzeugen. Bliebe es jedoch beim fossilen Energieträger Benzin als Kraftstoff, wäre ein weiterer CO2-Anstieg in der Erdatmosphäre vorprogrammiert. Außerdem, so Panik, benötige der Multifuel-POX-Reformer höhere Betriebstemperaturen, sei größer, schwerer, teurer und im Emissionsverhalten schlechter als der Wasserdampf-Reformer.
Im Moment kämpfen Paniks Konkurrent Stobart, dessen Multifuel-POX-Reformer und die dafür eigens gegründete Vermarktungsfirma Epyx mit ganz anderen Widrigkeiten. Jahrelang hatte man mit Chrysler am benzinbetriebenen Brennstoffzellen-Fahrzeug gearbeitet. Im Mai 1998 entschwand der Partner plötzlich – in eine Fusion mit dem Reformer-Konkurrenten Daimler-Benz (künftig “Daimler-Chrysler”). Nun muß erst mal ein neuer Fahrzeugpartner her.
Wie die PEM-Brennstoffzelle funktioniert
Die “Proton Exchange Membrane”, kurz PEM, ist undurchlässig für die beiden gasförmigen Reaktionspartner Wasserstoff und Luft/Sauerstoff. Die mit Wasser gelartig aufgequollene Membran fungiert als Elektrolyt, als Medium für elektrisch geladene Teilchen: In Form von positiv geladenen Atomkernen (Protonen) diffundiert Wasserstoff, der auf der Anodenseite der PEM stromliefernde Elektronen abgegeben hat, durch die Membran. Auf der Kathodenseite reagiert der dort anströmende Sauerstoff, unter Aufnahme von Elektronen, mit den Wasserstoffkernen: Es entsteht Wasser.
Beiderseits ist die Membran mit dem Katalysator Platin beschichtet. Sonst würde die stromliefernde Reaktion nur extrem langsam ablaufen. Poröse Graphit-Elektroden sorgen für guten Stromtransport. Bipolarplatten, die die Gasströme lenken, grenzen die hintereinandergestapelten Brennstoffzellen-Einheiten gegenseitig ab. Um einen Personenwagen der Mittelklasse anzutreiben, rechnen die Entwicklungsingenieure mindestens mit einem 50-Kilowatt-Aggregat. Dafür müssen rund 260 PEM-Brennstoffzellen ihre Leistung addieren. Sehr viel kleiner dimensioniert sind PEM-Brennstoffmodule für Handys und Notebook-Computer: Sie kommen mit einem Kilowatt Leistung aus.
Reformer: Kampf der zwei Konzepte
Der Brennstoffzellen-Pkw bliebe Illusion ohne einen “Reformer” – das ist ein kleiner chemischer Reaktor, in dem ein flüssiger Kraftstoff in wasserstoffreiches Brenngas für die PEM-Brennstoffzelle verwandelt wird.
Design-Studie EV 1 von General Motors (oben), Necar 3 von Daimler-Benz: Noch sind die Aggregate beider Brennstoffzellen-Autos zu klobig – bis 2004 müssen sie kräftig schrumpfen.
Zwei grundverschiedene Konzepte konkurrieren hier miteinander. Sie verkörpern gleichzeitig unterschiedliche Energie-Weltbilder: Wasserdampf-Reformer – er verarbeitet Methanol oder gegebenenfalls komprimiertes Erdgas (siehe Schema oben). Der für den Fahrzeugbetrieb am weitesten entwickelte, mit einem Vorsprung von etwa zwei Jahren vor den Konkurrenten, stammt von Daimler-Benz. Er könnte den Einstieg in eine regenerative Energiewirtschaft begünstigen: Methanol läßt sich aus nachwachsender Biomasse gewinnen – oder sogar direkt aus dem CO2 der Luft (bild der wissenschaft 5/1995, “Unverhoffte Karriere”). POX-Multifuel-Reformer – er läuft mit beliebigen Kohlenwasserstoffen, inklusive Benzin und Diesel (siehe Schema unten). Das Kürzel POX steht für “Partial Oxidation”. Die Unternehmensberatung Arthur D. Little stand für die 1997 vorgestellte Anlage Pate. Ihr Vorteil: Uneingeschränkte Nutzung der vorhandenen Tankstellen-Infrastruktur. Der Nachteil aus Umweltschutzsicht: Der POX-Reformer würde dazu verführen, weiterhin fossile Energiequellen auf Mineralölbasis zu nutzen – damit stiege der CO2-Gehalt der Atmosphäre weiter.
Brennstoffzellen für den Pkw: Allianzen und Solisten
Hektik beherrscht die Szene: Weltweit formieren sich Allianzen und Kooperationen. Beim Einstieg in die Brennstoffzellen-Technologie suchen Autofirmen nach starken Partnern. Solisten bislang: die weltgrößte US-Firma General Motors – mit Tochter Opel – und der größte japanische Hersteller Toyota.
Infos im Internet
“Fuel Cells 2000” – Meilensteine in der Brennstoffzellen-Technologie weltweit http://www.fuelcells.org/fcnews.shtml
Thorwald Ewe
