Die Sacramento-Connection

Über die kalifornischen Highways düsen die ersten Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Autohersteller, Mineralölfirmen und Behörden wollen gemeinsam den Öko-Autos die Zukunft öffnen. „Schon wieder Fehler 142″, schimpft mein Begleiter auf dem Beifahrersitz, „bitte fahren Sie doch mal rechts ran!” Ich parke das Auto vor einer Einfahrt und Rich Tuso verzeichnet den Ausrutscher ein wenig ungehalten in seinem Fahrtenprotokoll. Dann soll ich erneut den Motor starten und dieses Mal das Gaspedal etwas sanfter drücken. Ich bin im kalifornischen Sacramento auf Testfahrt am Steuer des „New Electric Car” (Necar) 4A von DaimlerChrysler. Der schnittige A-Klasse-Mercedes erscheint auf den ersten Blick ganz normal – einer unter Tausenden von Familienkutschen, die sich täglich durch den Verkehr in der kalifornischen Hauptstadt Sacramento wühlen. Doch in seinem Bauch liegen wie Gedärme meterweise Rohre, die dem Auto durch Wasserstoff und Sauerstoff Leben einhauchen. Schließlich ist das Herz des Necar ein Komplex aus mehreren hundert Brennstoffzellen, die aus der Oxidation von Wasserstoff elektrischen Strom erzeugen, der den Motor und sämtliche elektrischen Systeme versorgt. Als Abfallprodukt entsteht dabei lediglich Wasserdampf. Auf dem Heck des Necar prangt also zurecht in großen Lettern das Gütesiegel: „No Emission”. Rich Tuso kennt den Necar wie seine Westentasche. Der Kalifornier ist Mechaniker und Testfahrer bei DaimlerChrysler. Zusammen mit einem Kollegen bewegt er den Wagen jeden Tag wie ein Jockey ein edles Rennpferd. Zwei bis vier Stunden kreuzt er täglich durch die Stadt, immer auf der Suche nach Fehlern bei der Funktion des Wagens. Bisher hat sich das flotte Gefährt gut bewährt. Über 6000 Kilometer hat Rich damit seit November letzten Jahres zurückgelegt, größere Probleme gab es nicht. „Fehler 142 trat in letzter Zeit jedoch häufiger auf”, bekennt der Techniker und erläutert den Code: „Die Brennstoffzelle liefert eine zu geringe Spannung, weil sie zu wenig Wasserstoff bekommt.” Wenn nur eine der 440 Zellen des Necar unterversorgt ist, schaltet sich automatisch das ganze System aus – und man oder frau muß rechts ran fahren. Der Necar ist zu Hause auf dem Gelände der California Fuel Cell Partnership in Sacramento, vor dessen Einfahrt die Flaggen von sieben Nationen flattern. Die internationale Organisation wurde im April 1999 gegründet und hat sich auf ihre bunten Fahnen geschrieben, gemeinsam die Brennstoffzellen-Technologie zu fördern, zu testen, und zu vermarkten. „Wir sind ein lockerer Verband von 19 Partnern aus Industrie und behördlichen Organisationen”, erklärt Joe Irvin, Sprecher der California Fuel Cell Partnership. Darunter findet sich alles, was in der Branche Rang und Namen hat, wie Ford, Hyundai, Nissan, Volkswagen, DaimlerChrysler, Shell, Exxon und das kalifornische Umwelt- und Verkehrsministerium. „Diese Partnerschaft ist eine große Chance, etwas gemeinsam zu bewegen”, meint Wolfgang Weiss, der Vertreter von DaimlerChrysler bei der California Fuel Cell Partnership. Der Ingenieur berichtet, daß sich die beteiligten Autohersteller mit den Ölunternehmen bereits auf gemeinsame Standards einigen konnten. So ist das Design der Tankanschlüsse in allen Brennstoffzellen-Autos gleich, und die Einfüllstutzen der Zapfsäulen sind dazu kompatibel. Doch Weiss will noch mehr: „Man könnte durch eine gemeinsame Massenproduktion von Bauteilen für die Brennstoffzellen, die jeder Hersteller braucht, die Kosten deutlich senken.” Daß man gerade in Kalifornien einen Konsens sucht, um der Brennstoffzellen-Technologie aus den Startlöchern zu helfen, liegt nicht nur am wohligen Klima des Sonnenstaates. Hier gibt es pro Einwohner mehr Autos als anderswo auf der Welt, und außerdem verbrauchen die Kalifornier gut 10 Prozent des gesamten Benzinvorrats der USA: 50 Milliarden Liter im Jahr. In den nächsten zwei Jahren wollen die Partner daher rund 50 Brennstoffzellen-Autos auf die Straße bringen – das wäre weltweit die größte Testflotte. Momentan parken auf dem Gelände in Sacramento nur zwei Wasserstoff-Autos: der Necar und ein Fahrzeug von Honda. „Die Wagen anderer Hersteller erhalten gerade den letzten technischen Schliff oder werden auf Auto-Shows präsentiert”, erklärt Irvin. Ende des Jahres rechnet er aber mit mindestens 20 Modellen vor der Einfahrt. Die meisten Testfahrzeuge werden mit reinem Wasserstoff fahren. Den tanken sie aus einer Zapfsäule auf dem Hinterhof der California Fuel Cell Partnership. Im Spätsommer sollen eine Methanol-Tankstelle und entsprechende Fahrzeuge hinzukommen, ab 2003 noch eine gewöhnliche Benzin-Tankstelle. „Wir experimentieren zunächst mit allen drei Kraftstoffen”, sagt Irvin. „Es muß sich zeigen, welcher das größte Potential hat.” Um diesen Prozeß zu beschleunigen, läuft gerade eine umfangreiche Studie über das Projekt. Sie soll den Vertrieb, die Akzeptanz durch die Käufer und die Umweltverträglichkeit der drei Kraftstoffe vergleichen. „Am einfachsten wäre es natürlich, wenn man wie gewohnt Benzin in sein Brennstoffzellen-Auto füllen könnte”, sagt Irvin. Die Infrastruktur dafür ist schon vorhanden – die rund 20000 Tankstellen in Kalifornien müßten sich nicht umstellen und die Autofahrer auch nicht. Doch es gibt technische Probleme: Der Reformer, der den Wasserstoff während der Fahrt für die Brennstoffzellen aus dem Benzin raffinieren soll, ist technisch noch nicht ausgereift. „Es ist schwierig, diesen Prozeß, der normalerweise bei 800 Grad Celsius in chemischen Fabriken und Ölraffinerien abläuft, unter die Motorhaube zu packen”, erklärt Jim Uihlein, Ingenieur und Sprecher für den britischen Ölmulti BP in Sacramento. Außerdem bereitet der Schwefel im Benzin Schwierigkeiten: Er zerstört den Platin-Katalysator in der Brennstoffzelle. An der Lösung dieser Probleme arbeiten der Automobilhersteller General Motors und der Ölkonzern Exxon Mobil. Sie verkündeten kürzlich, Ende 2002 mit einem Prototypen eines benzinbetriebenen Brennstoffzellen-Fahrzeugs aufwarten zu können, der dann auch in der California Fuel Cell Partnership getestet werden soll. DaimlerChrysler, Ford und Nissan setzen auf die Unabhängigkeit vom Rohöl und investieren in den Treibstoff Methanol. Um diesen flüchtigen Alkohol fit für die Brennstoffzelle zu machen, muß auch hier ein Prozeß, der sonst großtechnisch abläuft, unter die Motorhaube kommen. „Im Methanol-Reformer wird der Wasserstoff dem Alkohol entrissen”, erklärt DaimlerChrysler-Ingenieur Weiss. „ Dazu muß Wasserdampf entstehen, damit unter Druck, mit Hilfe eines Katalysators und bei Temperaturen von rund 280 Grad Celsius das Methanol oxidiert wird.” Der Nachteil: Bei der Oxidation entsteht als Abfallprodukt auch das Treibhausgas Kohlendioxid. Genauso kritisch ist die Handhabung des giftigen Alkohols Methanol. Wird es versehentlich verschluckt, kann das tödliche Folgen haben, selbst Hautkontakt mit dem Lösemittel kann Leber- und Nierenschäden verursachen und zur Erblindung führen. Und da sich der Stoff sehr gut in Wasser löst, besteht die Gefahr, daß lecke Methanoltanks das Grundwasser verseuchen. Daher gilt: Freie Fahrt dem Wasserstoff! „Für die Brennstoffzelle ist es der ideale Lebenssaft, mit dem sie keine schädlichen Emissionen produziert. Zudem sind technisch aufwendige Reformer überflüssig”, sagt Jerry Martin von dem zur kalifornischen Umweltbehörde gehörenden Air Ressource Board (ARB). Alle in der Partnerschaft vertretenen Autohersteller experimentieren daher mit dem farb- und geruchlosen Gas. Doch auch dieser Stoff hat seine Tücken: Obwohl er pro Kilogramm dreimal mehr an Energie liefert als jeder andere Kraftstoff, ist es schwierig, genug davon in einen Autotank zu packen. So passen in den Tank des Necar nur zwei Kilogramm Wasserstoffgas – das entspricht sechs bis sieben Liter Diesel. Das Fahrzeug kommt damit nur etwa 200 Kilometer weit. Vergrößert werden könnte diese Distanz mit Tanks, die flüssigen Wasserstoff beherbergen. Um ihn zu gewinnen, muß das Gas auf minus 253 Grad Celsius gekühlt werden. Bei DaimlerChrysler gibt es Prototypen von Brennstoffzellen-Fahrzeugen, die mit flüssigem Wasserstoff bis zu 450 Kilometer Reichweite schaffen. Trotzdem setzt der Automobilkonzern eher zögerlich auf diese Alternative. „Es gibt Probleme, wenn das Fahrzeug längere Zeit steht”, sagt Weiss. „ Wird ein voll gefülltes Auto zum Beispiel während des Urlaubs drei Wochen lang nicht bewegt, ist der Tank danach leer.” Das liegt daran, daß der flüssige Wasserstoff im Lauf der Zeit verdampft und einen kritischen Druck aufbaut, der abgelassen werden muß. „Das Gas strömt dann einfach über Lüftungsklappen ins Freie”, erklärt der Ingenieur. Das ist zwar völlig ungefährlich, aber wer möchte schon gern seinen kostbaren Treibstoff einfach in die Luft jagen? Dies ist nur eines der Probleme, die dem Wasserstoff anhaften. „Das Unglück des Luftschiffs Hindenburg lastet noch schwer auf der Seele der Amerikaner”, sagt Jerry Martin vom ARB. Obwohl die Industrie bereits seit mehr als 100 Jahren über Erfahrungen mit dem leicht brennbaren Wasserstoff-Gas verfügt und respektvoll mit ihm umgeht, haben die US-Bürger nur wenig Vertrauen. Testfahrer Rich Tuso kann die Bedenken nicht nachvollziehen: Er fühlt sich sicher mit dem Gastank seines Necar, der aus Stahl gefertigt und mit Glasfasern ummantelt ist. Der Behälter ist kugelsicher und übersteht bei Crash-Tests selbst den Aufprall nach einem Fall aus 30 Meter Höhe unbeschadet. „Außerdem sind der Tank und sämtliche Wasserstoffleitungen mit Sensoren ausgestattet”, erläutert Rich. „ Wenn diese ein Leck vermelden, schaltet sich der Motor automatisch ab.” Auch das Tanken ist nichts Besonderes. Alles erinnert an die Tankstelle um die Ecke: bunte Säulen, tickende Meßanzeiger, schwarze Schläuche, klobige Einfüllstutzen. Ungewöhnlich ist nur, daß im Kofferraum über dem rechten Hinterrad ein zusätzlicher Anschluß angebracht ist, den Rich zunächst mit einem grauen Schlauch mit der Zapfsäule verbinden muß. „Dieser Schlauch ist mit Drucksensoren ausgestattet, die die Kapazität des Tanks messen und der Säule melden, wieviel wir tanken können”, erklärt Rich. Befüllt wird das Testauto dann ganz herkömmlich: Rich führt den Kolben ein, legt einen Hebel um – und Wasserstoff saust schubweise unter leichtem Gurgeln ins Fahrzeug. Nach vier Minuten ist ein Brennstoffzellen-Auto gefüllt. Trotzdem müssen die Mineralölfirmen das schlechte Image des Gases verbessern, um den Stoff an die Verbraucher zu bringen. „ Der Autofahrer der Zukunft wird Wasserstoff tanken, und er soll es an unseren Tankstellen tun”, sagt Graham Batcheler, Präsident von Texaco Energy Systems, ein Ableger des US-amerikanischen Ölgiganten. Um sich dafür zu rüsten, forscht die Firma an verbesserten Tanklagersystemen, die einen höheren Druck aushalten und damit mehr Wasserstoff lagern können als die bisherigen Behälter. Materialien aus Graphit-Fasern mit Nanostrukturen kommen dafür in Frage, denn sie können 20 Prozent des Wasserstoffs absorbieren. Konkurrent BP will dagegen die totale Revolution an der Zapfsäule. „BP-Tankstellen sollen künftig ihren Wasserstoffbedarf selbst produzieren”, verrät Jim Uihlein. Ähnlich wie heute großtechnisch Wasserstoff aus Erdgas raffiniert wird, soll das Verfahren im Kleinstformat an der Tankstelle in der Nachbarschaft etabliert werden. Dann sollen in containergroßen Nebengebäuden Methan aus Erdgas und Wasserdampf unter Druck und bei hohen Temperaturen zu Wasserstoff verwandelt werden. Der Nachteil: Es entsteht Kohlendioxid, das bei der Wasserstoffgewinnung en miniature direkt in die Luft entlassen werden muß. Obwohl der Konzern auf lange Sicht auf Wasserstoff setzt, wird BP kurz- bis mittelfristig auf Methanol umstellen oder einfach beim Benzin bleiben. Die Automobilbranche bereitet die Markteinführung ihrer Brennstoffzellen-Fahrzeuge bis zum Jahr 2003 vor. Die kalifornischen Umweltgesetze verlangen, daß Hersteller ab 2003 zwischen 4000 bis 15000 Null-Emissions-Fahrzeuge pro Jahr im Sonnenstaat verkaufen müssen. Dabei scheint klar zu sein, daß diese Fahrzeuge kommerziell nicht überlebensfähig sein werden. Die Brennstoffzellen-Autos werden wohl zunächst als „ Flottenfahrzeuge” über die kalifornischen Highways düsen, also etwa als Postautos, Schulbusse oder Taxen, die nach einer bestimmten Zeit immer zum gleichen Standort zurückkehren, um dort zentral gewartet und betankt zu werden. Der Normalverbraucher muß sich mit dem umweltfreundlichen Fahrgefühl noch etwas gedulden. „ Vermutlich werden die hier getesteten Prototypen erst in zehn Jahren in ein Serienfahrzeug münden”, spekuliert Jo Irvin. PEM-Brennstoffzellen: Vom Weltraum auf die Straße Obwohl es viele Spielarten von Brennstoffzellen gibt, haben die Autohersteller einen Favoriten: die „Proton Exchange Membrane” -Zelle (PEM). Ihr Herz ist eine Kunststoffmembran, die mit einem Platin-Katalysator überzogen ist. Sie spaltet Wasserstoff in seine Bestandteile: Protonen und Elektronen. Nur die Protonen können die Membran passieren. Die Elektronen wandern über einen Stromkreis zur anderen Seite der Membran und liefern so den gewünschten Strom – ehe sie sich wieder mit den Protonen und Sauerstoff zu Wasser vereinen. Das Wasser wird als Dampf ausgestoßen – ungefähr 10 Liter pro 100 gefahrene Kilometer. Das Testauto von DaimlerChrysler mit seinen 440 in Serie geschalteten Brennstoffzellen-Einheiten bringt es auf eine Spannung von 400 Volt. PEMs umkreisten bereits in den Gemini-Raumkapseln der sechziger Jahre die Erde. Doch sie waren zu teuer und die Energieausbeute war zu gering, um sie in kommerziellen Produkten einzusetzen. Das änderte sich in den achtziger Jahren, als amerikanische Forscher die Menge des im Katalysator benötigten Platins auf ein Zehntel senken konnten. Außerdem schaffte es die kanadische Firma Ballard Power, die Energiedichte in den Zellen durch verbesserte Systeme zur Befeuchtung der Membran zu erhöhen. Zur Zeit arbeitet Ballard Power zusammen mit Ford und DaimlerChrysler an einem für die Massenproduktion geeigneten Design der PEM-Zellen. Nicht nur Autos sollen mit Brennstoffzellen ausgestattet werden, sondern auch tragbare Generatoren, Stromanlagen in Wohnhäusern und Großkraftwerke. Kompakt • Dank der strengen kalifornischen Umweltgesetze wird in dem Sonnenstaat im Südwesten der USA intensiv an Tests und an der Einführung von „Null-Emissions”-Fahrzeugen gearbeitet. • Noch ist offen, ob Wasserstoff, Methanol oder herkömmliches Benzin das Rennen um den Treibstoff künftiger Brennstoffzellen-Autos machen wird. • Brennstoffzellen-Fahrzeuge werden wahrscheinlich zuerst in Bussen, Taxen und von Paketzustellern eingesetzt. bdw-Community Fernsehen In Kooperation mit bdw hat „nano”, das Zukunftsmagazin in 3Sat, einen Fernsehfilm über Brennstoffzellen-Autos produziert. Erstausstrahlung am Mittwoch, 29. August 2001, um 18.30 Uhr. Wiederholungstermine im Internet: www.3sat.de/nano/ Lesen Konstantin Ledjeff, Falko Mahlendorf, Jürgen Roes (Hrsg.) BRENNSTOFFZELLEN C.F. Müller Verlag, 2001, DM 79,– Erklärung der Brennstoffzellen-Typen mit Entwicklungsstand und Anwendungsfeldern Experimentieren KOSMOS BRENNSTOFFZELLE EXPERIMENTIERKASTEN Kosmos Verlag, 2000, DM 198,– INTERNET Website der California Fuel Cell Partnership: www.fuelcellpartnership.org Infos über Necar auf den Forschungs- und Technologieseiten von DaimlerChrysler: www.daimlerchrysler.de/research/ research_g.htm Allgemeine Infos zu Brennstoffzellen: • www.etechnik.fh-aachen.de/~krause/ labor /zke/bz/bz.html • techni.tachemie.uni-leipzig.de/bz/ Désirée Karge