TEIL C

Wasserstoff - Ausgewählte Länder (I)

Bundesrepublik Deutschland

Anknüpfend an den Erfahrungen mit den bereits im II. Weltkrieg gebauten Walther­U-Booten mit Wasserstoffantrieb sowie den Versuchen mit einem Wasserstoff-betriebenem He-S-2 Düsenflugzeug durch Dr. Hans Joachim Papst von Ohain (1911 - 1998) werden ab den 1970ern verstärkt Forschungen betrieben.

Der inzwischen verstorbene Prof. Eduard W. Justi entwickelte schon 1964 ein großindustrielles H₂-Konzept, bei dem südliche Solarfarmen Meerwasser spalten und den entstehenden Wasserstoff durch Pipelines in den Norden pumpen sollen. Auch Ludwig Bölkow, der weltweit wohl berühmteste Ingenieur und Raumfahrtpionier Deutschlands, war bis zu seinem Tod 2003 ein unermüdlicher Protagonist der globalen Wasserstoffwirtschaft, die sich seiner Meinung nach auch gut in das bereits vorhandene Pipeline-Netz Europas integrieren ließe.

Daimler-Benz beginnt sich bereits 1973 mit dem Einsatz von Wasserstoff als Sekundärenergieträger im Autoverkehr zu beschäftigen. 1975 fährt ein Mercedes-Transporter als erstes Fahrzeug der Welt mit einem Wasserstoffmotor. Ebenfalls ab 1975 fördert das BMFT diesen Alternativtreibstoff mit rund 26 Mio. DM. Zuvor war eigentlich nur das Pilotprojekt EVA der KfA Jülich von Bedeutung, bei dem ab 1970 mit Hilfe eines kleinen Hochtemperaturreaktors erstmals Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wurde.

Das einzige Wasserstoff-Terminal der Welt gibt es in Wilhelmshaven (Stand 1975), hier ist auch der Mutterhafen des in Deutschland gebauten Wasserstofftankers ‚Golar Freeze’.

Die Firma BBC entwickelt sogenannte Membrel-Zellen, die mit einer neuer Elektrolysetechnik mittels besonderen Katalysatoren funktioniert. Zur Anwendung gelangten dabei Ruthenium, Iridium, Rhodium und Platin (s.o.).

An der Universität Trier-Kaiserslautern beginnen unter der Leitung von Prof. Hans May ab 1977 erfolgreiche Versuche zur Wasserstoffnutzung mit kombinierten Systemen, d.h. einem Wasserstoff-Benzin-Mischkonzept. Dabei wird bei Fahrzeu­gen – besonders bei Leerlaufphasen in Ballungsräumen – auf reinen H₂-Betrieb umgeschaltet, da gerade in derartigen Fällen beim Benzinbe­trieb besonders hohe Schadstoffemissionen anfallen.

Auch die Technische Universi­tät Braunschweig forscht auf dem Wasserstoffsektor, hier sollen Eloflox-Elektrolysezellen entwickelt werden, die durch poröse Elektroden mit zusätzlich eingebrachtem Katalysatormaterial einen um 10 – 20 % verminderten Strom­verbrauch haben.

Neben dem Forschungsvorhaben der Ruhr­kohle AG zur Herstellung von Wasserstoff aus Kokereiabgasen unterstützt das BMFT auch Versuche der Daimler­-Benz AG mit Metallhybridspeichern (s.d.). Der Preis der Speicher­masse, eine Kombination aus Eisen-Titan und Magnesium-Nickel, beträgt im Jahr 1976 pro Kilogramm 7 DM; eine andere Mischung besteht aus einer ebenfalls sehr teuren Titan-Vanadium-Mangan-Legierung. Diese Art der Wasserstoffspeicherung erfordert auch eine Wasserkühlung der Tanks, um die beim Betanken entstehende Wärme abzuführen. Die Tanks hatten außerdem die Nachteile eines sehr hohen Gewichts (320 kg), eines großen Volumens (das siebenfache eines herkömmlichen Benzintanks) und einer relativ geringen Reichweite (120 – 150 km).

Ab 1976 läuft in Berlin ein Großversuch mit 30 Wasserstoffbussen – und die DFVLR experimentiert mit gekoppelten Wasserstoff-Flüssigtanks und kleinen Hybridspeichern zum Auffangen der Abdampfrate, womit eine verlustlose Speicherzeit bis zu 10 Tagen möglich wird.

In Stuttgart-Vaihingen existiert bereits 1979 eine Wasserstoff-Tankstelle für das vom TÜV zugelassene Experimentierfahrzeug der DFVLR, einen BMW 520. Ende 1979 findet bei der DFVLR dann auch die erste Weltkonferenz zum Thema ‚Wasserstoff in der Luftfahrt’ statt. Im Vergleich mit Kerosin würde die gleiche Reichweite von Flugzeugen mit Flüssig-Wasserstoff-Betrieb (LH2) das dreifache Tankvolumen erfordern. Allerdings bieten sich durch das LH2 zwei Verfahren an, den Treibstoff besser zu nutzen, die beide darauf beruhen, daß der Flüssig-Wasserstoff extrem kalt ist (minus 253°C). Zum einen könnte man die Kühlluft für die Strahltriebwerke vorkühlen, womit ihr Wirkungsgrad um einige Prozent gesteigert werden kann. Das zweite Verfahren fußt auf der theoretischen Überlegung, daß man mit dem ultrakalten LH2 wiederum Stickstoffgas abkühlen kann, das dann durch Spalten an den Vorderkanten der Flügel austritt und diese auf einer Temperatur von minus 100°C hält. Bei solchen Temperaturen bildet die Außenluft keine Wirbel mehr, sondern strömt laminar – wirbellos glatt – um die Kanten. Dadurch reduziert sich der Luftwiederstand erheblich.

Im Oktober 1984 wird in Berlin eine 15-monatiger Test mit fünf auf Wasserstoff-Betrieb umgerüsteten Mercedes-Notarztwagen gestartet. Im Leerlauf arbeitet der 6-Zylinder-Motor mit reinem Wasserstoff, im normalen Streckenbetrieb werden 30 – 50 % Benzin zugemischt und auf der Autobahn geht es mit Benzin pur weiter. Die Fahrzeuge mit 2 t Leergewicht besitzen zwei Eisen-Titan-Metallhydrid-Speicher von jeweils 140 kg und einen 25-l-Benzintank, die Reichweite beträgt 150 km und die Höchstgeschwindigkeit 185 km/h. Außerdem werden noch fünf Transporter auf Alltagstauglichkeit getestet, beteiligt sind die Jüdische Gemeinde und das Deutsche Rote Kreuz. Sehr beanstandet wird die lange Tankzeit von bis zu 20 Minuten.

1985 fördert das BMFT das ‚Hot Elly’-Verfahren (s.o.) und das Fraunhofer-Institut für Treib- und Explosivstoffe in Pfinztal gibt ein neuartiges Speicherverfahren für Wasserstoff bekannt. Kleinste gläserne Hohlkugeln mit Durchmessern von einigen Hundertstel Millimetern lassen bei Temperaturen von 300°C bis 400°C den Wasserstoff sie durchdringen, während sie bei normaler Raumtemperatur praktisch undurchlässig sind. Die Kügelchen halten einen Innendruck von über 100 bar aus. Während bei Stahlflaschen das Gewichtsverhältnis 99 % Stahl zu 1 % Wasserstoff beträgt, soll die mit der neuen Methode erreichbare ‚Nutzlast’ rund 6 % betragen.

Siemens entwickelt einen Metallhydrid-Speicher, der in 23 Litern des Metallpulvers etwa 9 m3 Wasserstoff binden kann. Das Gas wird durch Wärmezufuhr wieder frei und dient zum Betrieb einer Brennstoffzelle.

Während Daimler-Benz das sichere, aber voluminöse Hybridspeicher-Prinzip bevorzugt, beschäftigt sich BMW ab 1987 mehr mit superisolierten Spezialtanks, in denen der Wasserstoff auf minus 250°C heruntergekühlt wird. Damit soll eine Fahrzeug-Reichweite von 400 km erreicht werden können.

Im selben Jahr gibt MBB bekannt, daß man sich dort mit der Entwicklung eines wasserstoffbetriebenen Überschall-Verkehrsfluzeugs beschäftigt. Diese ‚transatmosphärischen Vehikel’ sind Flugmaschinen die zwar wie Flugzeuge starten und landen – aber auch in einer hohen Raketenbahn von einem Punkt der Erde zum anderen rasen können. Schon bei den heutigen Wasserstoffkosten läge der Energieverbrauch pro ‚Sitzkilometer’ (die Rechnungseinheit der Fluggesellschaften) etwa 15 % unter den Kosten für Kerosin, ohne daß zusätzliche Investitionen nötig wären (Stand 1989).

Im Herbst 1987 startet das Deutsch-Saudische Gemeinschaftsprojekt HYSOLAR, bei dem eine von der DFVLR entwickelte 10 kW-Solaranlage auf dem Gelände der Universität Stuttgart am Pfaffenwald zur Wasserstoffproduktion genutzt wird. Eingesetzt wurden Solarzellen aus polykristallinem Silizium mit einem Wirkungsgrad von 11 %, den die Forscher in Nachfolgeanlagen auf 14 % hochtrimmen wollten. Die DFVLR ging zum damaligen Zeitpunkt davon aus, daß „alle technischen Komponenten bereits erfunden, verfügbar und oft sogar schon anderweitig im Einsatz“ seien (weitere Details s.u. bei Saudi-Arabien).

Am Institut für Chemische Verfahrenstechnik der DFVLR in Lampoldshausen bei Heilbronn wird ebenfalls 1987 ein neuentwickelter Wasserstoff-Dampferzeuger vorgestellt, der insbesondere für den Einsatz in konventionellen Kraftwerken vorgesehen ist, wenn dort die Stromabgabe binnen weniger Sekunden stark erhöht werden muß. Da man von einer Amortisationszeit von nur einem Jahr ausgeht wird der Entschluß gefaßt, bereits 1988 mit dem Bau eines 10 bis 25-MW-Aggregats zu beginnen. Der Dampferzeuger sollte dann ab 1990 an einem 150-MW-Block des Braunkohlekraftwerks Frimmersdorf bei Grevenbroich seinen Demonstrationsbetrieb aufnehmen. Bei der Wasserdampf-Kanone strömen aus Drucktanks Wasserstoff und Sauerstoff in einem chemisch genau vorgegebenen Verhältnis in die Brennkammer. Weil dort Temperaturen von mehr als 3.000°C entstehen, wird auch noch Wasser in das Aggregat gespritzt, um die turbinenseitig geforderten 550°C Betriebstemperatur zu erhalten.

Der Grund für die ungewöhnlich niedrige Amortisationszeit liegt darin, daß Großkraftwerke im Verbundnetz auf Anforderung der ‚Deutschen Verbundgesellschaft’ verpflichtet sind, zur Frequenzstabilisierung 2,5 % mehr Leistung in 5 Sekunden – und 5 % mehr Leistung innerhalb von 30 Sekunden bereitzustellen, was bislang nur durch die Drosselung der Turbinen im Normalbetrieb gewährleistet werden konnte, was wiederum mit Verlusten durch erhöhten Wärmeverbrauch verbunden war. Eine Miniversion des Dampferzeugers steht 1987 unmittelbar vor der Serienproduktion.

Der Pforzheimer Apparatebauer Kammerer GmbH entwickelt ein 5 bis 15 kW starkes Wasserstoff-Aggregat, das insbesondere zur Dampfsterilisation von Bioreaktoren eingesetzt werden soll.

Das Max-Planck-Institut für Kohleforschung in Mülheim entwickelt einen Wasserstoff-Speicher mit Magnesiumhydrid, der eine um den Faktor vier größere Energiemenge speichern kann als andere Metallhydridspeicher.

1988 wird in Putzbrunn bei München die Gesellschaft für Hochtemperatur-Elektrolyse zur Wasserstofferzeugung (GHW) gegründet, an der MBB und die Linde AG zu je 40 % sowie die Hamburger Elektrizitätswerke AG zu 20 % beteiligt sind. Produktziel ist eine Anlage im kW-Bereich, die zur Hälfte vom BMFT gefördert wird. Im gleichen Jahr beginnt die Firma BOMIN gemeinsam mit dem Verein Eurosolar eine Pressekampagne zugunsten modernen Wasserstoffspeicher. Da im Grunde kein Material absolut undurchdringlich für Wasserstoff ist, sollten in Zukunft nur noch Hybridspeicher eingesetzt werden, die das Gas während des Betriebs gleichzeitig auch reinigen. Und da es unterschiedliche ‚heiße’ und ‚kalte’ Hybridspeicher-Mischungen gibt, könnte ein Zusammenschluß zwischen ihnen eine Art Wärmepumpe bilden, die über einen H₂-Kreislauf zum Kühlen eingesetzt wird:

LaNi5	10°C
FeTi	19°C
MgCu2	240°C
MgNi	250°C

Zwischen 1988 und 1990 errichten der Elektrizitätsversorger Bayernwerk, die Unternehmen MBB, Siemens, BMW und die Linde AG gemeinsam für rund 70 Mio. DM ein Solar-Wasserstoff-Demonstrationsvorhaben im oberpfälzischen Neunburg vorm Wald, nur wenige Kilometer von der ehemaligen WAA-Baustelle in Wackersdorf entfernt. Gefördert wird das Vorhaben zu 35 % vom BMFT und zu 15 % vom Bayerischen Staatsministerium für Forschung und Technologie. Es werden 3.000 m² Solarzellen installiert, deren Wirkungsgrad zwischen 10 und 15 % liegt. Dort geht 1990 auch die erste Tankstelle für Flüssigwasserstoff in Betrieb, wobei das Betanken zum damaligen Zeitpunkt noch eine Stunde dauerte (1999 geht es dann schon innerhalb von nur zwei Minuten!).

Anfang der 1990er entwickelt BMW gemeinsam mit der DFVLR ein Wasserstoff-Fahrzeug auf Basis des 745 i, das mit einem Kühltank ausgerüstet ist, welcher bei – 253°C etwa 160 l Wasserstoff faßt und eine Reichweite von 400 km ermöglicht. Die Befüllung des Tanks dauert 2 – 3 Minuten. Nach Versuchen mit einer Testflotte sollte das Fahrzeug eigentlich ab 2000 in den Handel kommen, zu einem Preis, der etwa 15 % über dem eines konventionellen Fahrzeugs liegen würde.

Nach Überlegungen der Firma Airbus Industrie, eine A 300 für den Wasserstoffantrieb zu modifizieren, wird auf der ILA’90 in Hannover ein Modell vorgestellt. Nachdem dort aber überraschend Tupolew mit seiner seit anderthalb Jahren fliegenden TU-156 landet, beginnt 1990 eine deutsch-sowjetische Kooperation mit dem Titel ‚Cryoplane’, die in verschiedenen Arbeitsgruppen schon seit Ende 1988 vorbereitet worden war. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit soll bis 2010 ein umweltfreundlicher Jet auf Basis des Airbus A 310 entstehen, der mit Wasserstoff oder Methanol betrieben wird. Damals hielt man einen Erstflug des Wasserstoff-Airbus für 1997 noch möglich. Nach verschiedenen Studien und Vorarbeiten begann die DASA dann 1995 mit Bau eines Wasserstoff-Demonstrationsflugzeugs auf Basis des Regionalverkehrsflugzeuges Do 328 mit einem extrem stickoxidarmen Triebwerk von Pratt & Whitney.

1994 stellt DaimlerChrysler mit dem ‚Necar 1’ sein erstes Wasserstoff-Kfz vor (s.u. Brennstoffzelle), und im Mai 1996 den weltweit ersten wasserstoffbetriebenen Personenwagen. Die Entwickler gehen davon aus, daß das Fahrzeug deutlich vor 2010 in Serie gehen könnte.

In Stuttgart findet im Juni 1996 die bereits 11. Weltkonferenz über Wasserstoffenergie statt. Man hat den Ehrgeiz, zu diesem Zeitpunkt einen Wasserstoff-Bus vorzustellen, ein umgerüstetes Modell auf Basis der von dem Unternehmen MAN Nutzfahrzeuge AG seit 1994 mit Erdgasantrieb in Serie gefertigten Fahrzeuge. Außerdem soll ab April/Mai 1996 in Erlangen und München ein erster Stadtlinienbus mit einer Reichweite von 250 km auf seine Praxistauglichkeit getestet werden.

Doch Mitte der 1990er Jahre kürzt die Bundesregierung ihre Wasserstoff-Förderprogramme drastisch. Bis dahin hatten Staat und Industrie in die Erforschung der Wasserstoffwirtschaft bereits mehrere Milliarden Mark investiert. Danach stellen Bund und Länder noch rund 50 Mio. € jährlich zur Verfügung.

Ebenfalls 1996 wird von der Firma Solar-Wassersstoff-Bayern GmbH (SWB) in Neunburg vorm Wald ein neuartiges 15 kW Heizgerät ohne Flamme vorgestellt, das vom Institut für Energieverfahrenstechnik und dem Forschungszentrum Jülich entwickelt worden war. Das Brennstoffgemisch (Erdgas und bis zu 50% Wasserstoff) durchströmt zusammen mit Luft einen porösen Körper, der aus einem keramischen Faserformteil besteht, dessen Oberfläche mit katalytisch aktiven Materialkien beschichtet ist. Hier reagieren des Bestandteile des Gasgemischs flammenlos miteinander – wobei sie die gewünschte Wärme freisetzen.

1997 dreht das erste wasserstoffbetriebene Fahrzeug in den neuen Bundsländern seine Runden. Studenten der Fachhochschule Stralsund statten einen Ford-Kombi mit 2 Stück 60 l Druckgasflaschen aus, deren Gas direkt in die Saugrohre de 1,4 l Ottomotors eingespritzt wird. Die erreichte Höchstgeschwindigkeit von 40 km/h soll in den kommenden Jahren erhöht werden, als Reichweite werden 100 km angestrebt.

Über die Nutzung von Graphit als Wasserstoffspeicher wird ebenfalls 1997 berichtet. Sowohl Daimler-Benz als auch das Ulmer Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung testen Mikrofasern aus Graphit, bei denen die Graphitgitter einen hohen kristallinen Anteil mit festen Abständen zwischen den einzelnen Kohlenstoffgitter-Ebenen besitzen. Zwischen diesen Ebenen können sich Wasserstoffatome fest und dicht gepackt anlagern – anders als etwa an Aktivkohle und andere Stoffe mit großer Oberfläche.

Die Unternehmen AlliedSignal, Bodensee Gerätewerk und die Daimler-Benz Aerospace Airbus beteiligen sich daran, ein Hilfstriebwerk, wie es beim A 320 verwendet wird, mit einer speziellen Brennkammer, die von MTU entwickelt wurde, auf Wasserstoffbetrieb umzustellen. Außerdem soll ein neuartiges Verfahren zur Gemischaufbereitung integriert werden, das an der Fachhochschule Aachen entstanden war. 1998 gibt die Daimler-Benz Aerospace Airbus GmbH bekannt, daß man im Rahmen des CRYOPLANE-Projektes die Überzeugung gewonnen hätte, daß wasserstoffbetriebene Flugzeuge sicher, zuverlässig umweltfreundlich und „für den täglichen Einsatz hervorragend geeignet“ sind.

Auf der IAA 1998 stellt MAN die beiden Versuchsbusse für den Münchner Flughafen vor, deren Speicher mit einem Volumen von 2.580 Liter H₂ eine Reichweite von 150 km erlauben – bei Einhaltung des auf dem Flughafen geltenden 30 km/h-Limits. Der Antrieb leistet 190 PS.

Messer Griesheim entwickelt einen Wasserstoff-Tank für Fahrzeuge, dessen innerer Tank berührungslos in der äußeren Hülle schwebt und nur durch Magnete fixiert wird. Durch diese Technik soll das Entweichen von Wasserstoff effektiv reduziert werden.

Anfang 1999 wird in Hamburg die erste öffentliche Wasserstofftankstelle in Betrieb genommen, beteiligt sind neben der Deutschen Shell und der Hamburger Wasserstoffagentur noch zehn weitere Industrieunternehmen. Genutzt wird die Tankstelle für den Betrieb von sechs Kleintransportern.

Am 5. Mai 1999 geht am Flughafen München der weltweit erste vollautomatische Tankroboter für flüssigen und gasförmigen Wasserstoff in Betrieb, der von der Firma Reis Robotics im unterfränkischen Obernburg am Main, in Kooperation mit der Linde AG hergestellt worden war. Dabei hatte man auf einer Grundentwicklung aufgebaut, an der die Unternehmen Aral, Daimler-Benz und BMW beteiligt waren. Genutzt wird dieser Tankroboter von BMW-Fahrzeugen (Flüssigwasserstoff) und Flughafenbussen (gasförmiger Wasserstoff). Das ‚MUC-H2-Projekt’ kostete 34 Mio. DM und erhielt eine 50%-ige Förderung des Freistaates Bayern. Weitere teilnehmende Firmen waren: GHW/HEW, Grimm, HDW, IAW, MAN, Mannesmann, Neoplan und Siemens. Der gesamte Tankaufenthalt dauert rund fünf Minuten und umfasst auch die automatische Identifizierung des Fahrzeugtyps zur Anpassung des Tankvorgangs selbst. Als Preis für einen Liter H₂ werden 1,10 DM angegeben – aufgrund der niedrigen Energiedichte von Wasserstoff entsprechend 3,30 DM/l Benzin-Äquivalent. BMW feiert die Entwicklung mit doppelseitigen Anzeigen in Tageszeitungen, bei denen unter der Überschrift ‚Der sauberste 12-Zylinder der Welt – ab heute auch mit Tankstelle’ 12 wassergefüllte Trinkgläser schweben – sehr subtil.

Ebenfalls 1999 verkündet Daimler-Chrysler, daß das Unternehmen bis 2003 oder 2004 eine serienreife Brennstoffzelle vorstellen wird (s.d.). BMW geht dagegen davon aus, daß Brennstoffzellen auf ‚absehbare Zeit’ noch nicht konkurrenzfähig sein werden und stellt ein Drei-Stufen-Programm vor: Über das Erdgasfahrzeug mit Druckgas, dann Flüssiggas wollen sich die BMW-Ingenieure schließlich zu einem mit flüssigem Wasserstoff betriebenen Fahrzeug vorarbeiten. Der Autokonzern präsentiert im Mai 2000 die ‚erste in Serie gebaute Wasserstoff-Flotte der Welt’ – 15 Limousinen der 7er-Reihe (Typ 750 hL), die während der Expo 2000 in Hannover sowie in München als Service-Shuttle ihre Alltagstauglichkeit beweisen sollen. Diese Wagen haben allerdings immer noch zwei Tanks, so daß mit Benzin weitergefahren werden kann, wenn nach 350 km der Wasserstoff zu Neige geht.

Weiter geht es hier mit der Entwicklung in Deutschland ab 2000...

 

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