Aufbruchstimmung hat die Energiebranche erfaßt: Die technischen Fortschritte bei der Brennstoffzelle beflügeln die Phantasie und lassen die Hoffnung auf eine umweltfreundliche Stromversorgung wieder aufleben.
Fritz Prinz baut Hubschrauber, kaum größer als Wespen. Militärs könnten sie zu Hunderten als Spione in feindliches Territorium schicken, von wo sie Daten übermitteln. Heute aber geht dem kleinen Helikopter aus seinem Labor an der Universität Stanford in Kalifornien noch recht schnell der Strom aus. „Das Problem ist die Energieversorgung”, sagt der Professor, „selbst die besten Batterien speichern nicht genügend Energie, um unseren Mesicopter länger als ein paar Sekunden in der Luft zu halten. Winzig kleine Brennstoffzellen wären besser.” Er und sein Team sind gerade dabei, solche Geräte zu entwickeln. Die wären dann wohl die kleinsten Brennstoffzellen der Welt.
Seit die Brennstoffzelle – deren Prinzip man schon seit 1839 kennt – aus ihrem jahrzehntelangen Dornröschenschlaf erwacht ist, hat sie die technische Welt elektrisiert. Nach Angaben der Firma Eco-Consult in Brüssel gibt es weltweit mehr als 150 stationäre oder mobile Demonstrationsprojekte für diese Technologie, 21 davon allein in Deutschland. „Die Brennstoffzellen-Technologie befindet sich in einer entscheidenden Phase”, urteilten im Frühjahr die Experten des Bundestagsausschusses für Technikfolgenabschätzung, „wichtige Weichenstellungen im Prozeß der Innovation sind zu erwarten.”
Auch wenn die Öffentlichkeit heute am meisten über mobile Brennstoffzellen in Autos spricht, sind die Kraftpakete eigentlich besser für den stationären Betrieb geeignet. Allzulange dürfte es nicht mehr dauern, bis die ersten dezentralen Brennstoffzellen-Systeme in die praktische Erprobung gehen: Brennstoffzellen, die Gebäude individuell mit Strom und Wärme versorgen. Kai Klinder, Produktmanager beim Heizungssystem-Hersteller Vaillant in Remscheid, ist sicher: „Die individuelle Stromproduktion mit Brennstoffzellen-Heizgeräten wird langfristig die Energieversorgung revolutionieren.”
Entsprechend optimistisch schätzen Experten die Marktchancen ein: Die Helmut Kaiser Unternehmensberatung in Tübingen hat ermittelt, daß hier ein Milliardenmarkt in Sicht ist: Im Jahr 2010 soll der Umsatz mit stationären Brennstoffzellen-Systemen aller Größen und den dazugehörigen Dienstleistungen in Europa über 2,5 Milliarden Euro betragen. In Westeuropa wird allein im häuslichen Bereich mit kleinen Systemen ein Umsatz von knapp einer Milliarde Euro erwartet.
Vaillant ist gerade dabei, Brennstoffzellen-Systeme für den Einsatz in Sechs- bis Zehnfamilienhäusern sowie im Kleingewerbe zu entwickeln, die mit Erdgas betrieben werden. „Noch in diesem Jahr wollen wir es unter Praxisbedingungen testen”, sagt Klinder. „Anschließend planen wir einen Test mit 50 Systemen, die übers Netz computergesteuert den erzeugten Strom verteilen, sozusagen ein virtuelles Kraftwerk.” Später, nach einer mehrjährigen Phase der Markteinführung wären derartige Brennstoffzellen-Heizgeräte kaum teurer als konventionelle: Legt man heutige Energiepreise zugrunde, würden sich die Anschaffungskosten für ein solches Gerät nach 6 bis 7 Jahren amortisieren.
Größere Einheiten lassen sich auch als zentrale Heizkraftwerke nutzen: „Wir gehen davon aus, daß in Deutschland bis 2015 ein Marktpotential von bis zu 65 Terawattstunden pro Jahr erreicht werden kann – das entspricht annähernd dem Jahresstromverbrauch von Belgien”, erklärt Dietmar Kuhnt, Vorstandsvorsitzender des Essener Energiekonzerns RWE. Anfang 2002 wollen RWE, Thyssengas, Siemens Westinghouse und die italienische Enel in Essen eine Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage mit Gasturbine ans Stromnetz anschließen. Sie wird 300 Kilowatt leisten und einen elektrischen Wirkungsgrad von 58 Prozent aufweisen. Wird gleichzeitig die entstehende Wärme zum Heizen genutzt, steigt der Wirkungsgrad auf 80 Prozent.
Ein weiteres derartiges System errichtet Siemens Westinghouse in Mailand. Es soll im September 2002 fertig sein. Andere große Anlagen sollen in den kommenden Jahren im Forschungszentrum Fort Meade bei Washington in den USA und in Marbach bei Stuttgart entstehen. Dort soll Ende 2003 die bislang größte Brennstoffzellen-Demonstrationsanlage mit Kraft-Wärmekopplung in Europa in Betrieb gehen.
Heute sind die Anlagen allerdings im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken noch viel zu teuer. Thomas Voigt, Leiter des Geschäftssegments Stationäre Brennstoffzellen bei Siemens Westinghouse in Pittsburgh, hofft, durch eine Serienfertigung den Preis von derzeit 40000 auf unter 4000 Dollar pro Kilowatt senken zu können. „Die Wirtschaftlichkeit sehen wir bei rund 2000 Mark pro installiertem Kilowatt”, meint Manfred Remmel, Vorstandsmitglied der RWE – ein Ziel, das bis zum Ende der Dekade erreicht werden soll.
Ähnlicher Optimismus herrscht bei kleinen und kleinsten Brennstoffzellen, die bald die teuren und umweltschädlichen Batterien für Laptops und Handys ablösen könnten. Vor zwei Jahren stellte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg eine Brennstoffzelle vor, die etwa die Größe einer Untertasse hat und bis zu 50 Watt Leistung bietet. So wie dieser kleine Stromlieferant arbeitet auch eine Neuentwicklung von Motorola nicht mit gasförmigem Wasserstoff, sondern verstromt direkt flüssiges Methanol – einen Alkohol, der in Patronen zugeführt wird. Zusammen mit Forschern des Los Alamos National Laboratory in New Mexico haben die Ingenieure von Motorola einen Prototypen gebaut, der eine Kantenlänge von nur vier Zentimetern hat. In drei bis fünf Jahren soll die Minizelle marktreif sein und nicht mehr kosten als heute ein normaler Akku.
Noch kleiner ist eine Mikro-Brennstoffzelle, an der ein Team des ISE unter der Leitung von Christopher Hebling gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Freiburg arbeitet. Mit Verfahren der Mikrostrukturtechnik haben die Forscher auf einer Unterlage aus elektrisch leitendem Kunststoff Strömungskanäle von nur rund 0,15 Millimetern Dicke erzeugt. „Stapelt man fünf dieser flachen Brennstoffzellen aufeinander, so erhält man Folien von etwa 2,5 Millimeter Dicke”, erklärt Hebling. „Sie sind flexibel und könnten beispielsweise an Uhren gleichzeitig als Armband mit Display und zur Stromversorgung dienen.”
Diese Zellen sind aber immer noch groß im Vergleich zu den Brennstoffzellen, die im Labor von Fritz Prinz in Stanford entstehen. Dort hat ein Team unter der Leitung von Sang-Joon Lee demonstriert, daß es mit mäanderartigen Membranstrukturen möglich ist, die aktive Oberfläche in der Brennstoffzelle drastisch zu erhöhen, ohne das Volumen der gesamten Zelle stark zu verändern. Ein paar technische Probleme müssen noch gelöst werden, dann will Prinz seine Mini-Hubschrauber damit ausrüsten.
Der Schub bei den Brennstoffzellen hat nun auch die Vision einer Wasserstoffwirtschaft wieder mit Leben erfüllt. Denn Brennstoffzellen benötigen Wasserstoff. Will man sie mit Erdgas, Methanol oder Benzin betreiben, muß man einen Reformer davorschalten, der wie eine kleine Chemiefabrik wirkt und aus dem Sprit den Wasserstoff herauslöst. Dabei entsteht unweigerlich auch Kohlendioxid. Besser wäre es deshalb, die innovativen Kraftpakete direkt mit Wasserstoff zu füttern.
Als vor gut 20 Jahren die Idee aufkam, solar erzeugten Wasserstoff als Energieträger zu nutzen, wurden die Pioniere noch als Spinner verlacht. Zaghafte Versuche in Deutschland, Solarzellen in größerem Maßstab zu produzieren, endeten im Bankrott. Und immer wieder fanden sich Pessimisten, die auf die angeblich viel zu hohen Kosten einer Wasserstoffwirtschaft hinwiesen und glaubten, damit sei das gesamte Projekt zum Scheitern verurteilt.
Heute ist das Blatt dabei, sich zu wenden. Weltweit engagieren sich große Firmen in Initiativen, die als Kondensationskerne bei der Entstehung eines Netzwerks für saubere Energie dienen können. Mittlere und kleine Unternehmen besetzen zunehmend Nischen mit guten Zukunftsaussichten. Es wird auch langsam Zeit: Nach Schätzungen der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Hannover werden die bekannten Erdölvorräte der Welt nur noch etwa 40 Jahre reichen. Bereits in 20 Jahren wird aus diesem Grund Öl und damit auch Benzin so teuer sein, daß uns die heutigen Verhältnisse paradiesisch erscheinen werden, meinen die Experten aus Hannover. Die Erdgasvorkommen werden ihrer Schätzung zufolge in 65 Jahren erschöpft sein, nur die Kohlevorräte reichen voraussichtlich länger.
Noch wesentlich dringlicher als der Ersatz von Erdöl ist nach Ansicht vieler Experten das CO2-Problem: Die Verbrennung fossiler Energieträger erzeugt Kohlendioxid, das als Treibhausgas zur Erwärmung der Erdatmosphäre beiträgt. Je schneller und radikaler die Emissionen vermindert werden, desto besser für die Umwelt und die Zukunft unserer Nachkommen.
Aus früheren Umstellungen auf andere Energieträger, beispielsweise von Holz auf Kohle, von Kohle auf Erdöl und von Öl auf Gas, weiß man, daß bis zu einer etwa 50prozentigen Marktdurchdringung 50 bis 70 Jahre vergehen. Wenn die Industriegesellschaft also für das Ende des Ölzeitalters rechtzeitig gerüstet sein will, muß sie heute damit beginnen, neue Energiearten einzuführen.
Doch es ist schwierig, ein so komplexes Wirtschaftsgefüge wie das der Industrieländer auf andere Energien umzustellen – sind hierfür doch eine Vielzahl von technischen, infrastrukturellen, politischen und psychologischen Veränderungen erforderlich. So nützt es nichts, Autos mit Wasserstoffantrieb zu entwickeln, solange es keine Tankstellen für den neuen Kraftstoff gibt. Umgekehrt wird kein Energielieferant in ein entsprechendes Tankstellennetz investieren, solange keine Wasserstoff-Fahrzeuge auf dem Markt sind.
Daher sitzen nun die großen „Global Player” bei diesem Spiel in den Startlöchern und belauern sich gegenseitig, um rechtzeitig loszusprinten, sobald sich etwas tut bei der Besetzung von Marktsegmenten. Denn wer zu spät kommt, kriegt vielleicht nicht genug ab von dem künftigen Milliardenkuchen. Es sind also weniger die hehren Ziele wie Nachhaltigkeit und Klimaschutz, sondern vor allem konkrete wirtschaftliche Überlegungen, die die Unternehmen heute antreiben, in eine Wasserstoffwelt zu investieren.
Am aktivsten sind bisher die großen Automobilfirmen. Während sich Ford, DaimlerChrysler und Volkswagen unter anderem in der California Fuel Cell Partnership (siehe Beitrag „Die Sacramento-Connection” auf Seite 95) engagieren, hat es sich die Münchner BMW Group zum Ziel gesetzt, Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft schon in den nächsten Jahren auf den Weg zu bringen. Dabei setzen die Bayern nicht auf Elektroautos mit Brennstoffzelle, sondern favorisieren den guten alten Verbrennungsmotor, der direkt mit Wasserstoff angetrieben wird.
Zur Weltausstellung Expo 2000 in Hannover hatte BMW im vergangenen Jahr eine Kleinserie von 15 Wasserstoff-Fahrzeugen aufgelegt, die sich mittlerweile im Alltagsbetrieb bewährt und mehr als 100000 Kilometer zurückgelegt haben. „Während von Brennstoffzellen-Fahrzeugen bisher nur Prototypen existieren, sind unsere Wasserstoff-Autos täglich auf der Straße”, betont Detlef Frank, bei BMW zuständig für Wissenschaft und Verkehrspolitik. Und Entwicklungsvorstand Burkhard Göschel kündigte im Mai 2000 an: „Unser Auto ist technologisch reif, wir wollen damit bald in Serie gehen.” Damit könne man auch die Entwicklung einer Wasserstoff-Infrastruktur schnell auf den Weg bringen.
Um dafür zu werben, startete BMW Anfang des Jahres eine „Clean Energy WorldTour”, auf der das Unternehmen seine „ Null-Liter-Fahrzeuge” in Großstädten rund um die Welt der Öffentlichkeit vorstellte und für den Einsatz von Wasserstoff warb.
Allerdings ist die Umstellung auf Wasserstoff allein keine Lösung des CO2-Problems, denn Wasserstoff kommt in der Natur nur in gebundener Form, etwa in Wasser, vor und muß zunächst unter Einsatz von Energie aus seinen Verbindungen gelöst werden. Man kann dies auf chemischem Wege oder mit der elektrischen Zerlegung von Wasser, der sogenannten Elektrolyse, erreichen. Wenn man also mit Wasserstoff Ressourcen sparen und die Umwelt entlasten will, muß man ihn mit erneuerbaren Energiequellen erzeugen. Billiger Strom aus Wasserkraft in Kanada oder Norwegen käme dafür in Frage, aber auch Solarstrom aus dem Sonnengürtel der Erde.
Fortschrittliche Erdöl-Förderländer wie Dubai haben diese Option erkannt und wollen ihre mit Öl verdienten Milliarden nun in den Aufbau einer solaren Infrastruktur stecken, um nach dem Versiegen der Ölquellen die Sonne zu nutzen und deren Energie zu verkaufen. In der Wüste am persischen Golf ist die Sonneneinstrahlung intensiv genug, um wirtschaftlich sinnvoll Strom und daraus Wasserstoff zu erzeugen – zum Beispiel mit einem Parabolrinnen-Kraftwerk, einer Solarfarm, bei der das Sonnenlicht in zahlreichen parabelförmigen Rinnen konzentriert wird, wo es Wasser verdampft und so eine Turbine antreibt. Schon in drei Jahren, so munkeln einheimische Experten, könnte auf diese Weise in Dubai die solare Herstellung von Wasserstoff anlaufen.
Internationale Ölfirmen wie British Petrol (BP), Shell oder Aral ebenso wie Gaslieferanten, etwa die Firma Linde, beginnen nun ebenfalls, an die Zukunft zu denken. „Für unsere Raffinerien stellen wir schon heute 1200 Tonnen Wasserstoff am Tag aus Erdgas her”, erklärt Michael Jones von BP, „diese Menge würde ausreichen, um rund fünf Millionen Brennstoffzellen-Autos zu versorgen.” Das dabei anfallende Kohlendioxid könnte man in Zukunft zurückhalten und aus der Atmosphäre entfernen, zum Beispiel indem man es in leere Erdgaslagerstätten zurückpumpt. British Petrol arbeitet daran, die nötige Technologie zu entwickeln. Nach Ansicht von Jones könnte dies ein Zwischenschritt sein von den heutigen fossilen Kraftstoffen zu solarem Wasserstoff.
Vieles wird natürlich von den politischen Bedingungen abhängen. Und in dieser Hinsicht wird die Politik auch zunehmend aktiv: Während etwa die US-amerikanische Administration die Klimaziele von Kyoto noch unterläuft, sind andere schon dabei, Gesetze und Vorschriften auf die neuen Energieträger zuzuschneiden. Kalifornien ist der Vorreiter, aber auch hierzulande gibt es eine Reihe von Initiativen. So will das Bundeswirtschaftsministerium etwa 100 Millionen Mark aus den Zinsersparnissen als Folge der UMTS-Einnahmen in ein dreijähriges Förderprogramm für mobile und stationäre Brennstoffzellen stecken. Davon sollen Brennstoffzellen-Busse, Wasserstoff-Tankstellen, die Markteinführung kleiner Blockheizkraftwerke sowie Zellen für den Antrieb von Lokomotiven finanziert werden.
Vor drei Jahrzehnten kannte man das Internet noch nicht. Heute ist es zu einem festen Bestandteil unseres Alltags geworden. In 30 Jahren werden wir vielleicht auch den Schritt in eine ökologisch sinnvolle und nachhaltige Energiewirtschaft schon hinter uns haben.
Kompakt
• Das Einsatzspektrum der Brennstoffzellen reicht von Akkus in Handys oder Laptops über die Stromversorgung von Elektroautos bis zum Kleinkraftwerk im Keller.
• Prototypen für große Brennstoffzellen-Kraftwerke werden derzeit in Essen, Mailand und Marbach am Neckar gebaut.
• Automobil- und Ölkonzerne entwickeln Technologien für einen Einstieg in eine Wasserstoff-Energiewirtschaft.
bdw-Community
INTERNET
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme entwickelt kleine und kleinste Brennstoffzellen für portable Anwendungen:
www.ise.fhg.de
Informationen über die Clean Energy WorldTour von BMW:
www.bmwgroup.com/cleanenergy
Wasserstoff-Tankstellenprojekt am Flughafen München – dort tanken Wasserstoffautos und Brennstoffzellenbusse:
www.hydrogen.org/h2muc/intro.html
Das Northeast Advanced Vehicle
Consortium berichtet über Brenstoffzellen-Aktivitäten bei Fahrzeugen in Nordamerika:
www.navc.org
Informationen über Wasserstoff und
Brennstoffzellen auf den Internetseiten der HyWeb von der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH:
www.hydrogen.org/indexd.html
Brennstoffzellen-Neuigkeiten aus dem
Automobilsektor:
www.ballard.com/whatsnew_archive.asp
Infos über Brennstoffzellen von
Fuel Cells 2000:
www.fuelcells.org
Brigitte Röthlein
