TEIL C

Die Brennstoffzelle - Ausgewählte Länder (V)

USA

Die Firma Union Carbide experimentiert in den späten 1950er und frühen 1960er Jahren mit Alkali-Zellen. Man baut dabei auf Ergebnissen aus den 1930ern auf, die von Wissenschaftler wie G. W. Heise, E. A. Schumacher und Karl Kordesch erarbeitet worden waren. Unter anderem werden Brennstoffzellen an einer mobilen Radaranlage der U.S. Army demonstriert, und 1967 entsteht ein Zellen-betriebenes Motorrad (s.o.).

Bereits 1955 modifiziert Willard Thomas Grubb, ein Chemiker bei General Electric (GE), die ursprüngliche Brennstoffzelle durch die Anwendung einer schwefelhaltigen Ionen-Austauscher-Membran aus Polystyrene als Elektrolyt. Drei Jahre später findet ein anderer Chemiker von GE, Leonard Niedrach, eine Methode um Platin auf dieser Membran zu deponieren – womit die ‚Grubb-Niedrach-Brennstoffzelle’ geschaffen war. GE führt diese Entwicklung weiter, bis sie dann im Gemini-Projekt ihre Anwendung findet, dem ersten kommerziellen Einsatz einer Brennstoffzelle.

1959 stellt Allis Chalmers den Traktor ‚D-12’ vor, der mit einem 15 kW AFC-System ausgestattet ist, das aus 4 Stacks zu je 252 Zellen besteht. Der knapp 1,3 t schwere Trecker ist mit Propangasflaschen ausgerüstet.

In den frühen 1960ern läßt sich der Triebwerkshersteller Pratt & Whitney die Patente von Bacon lizenzieren, und gewinnt den Wettbewerb der NASA zur Ausrüstung der Apollo-Missionen mit Alkali-Brennstoffzellen.

Ab 1960 sind dann über 20 Forscherteams damit beschäftigt, die Möglichkeiten des neuen Systems auszuschöpfen, die US-­Luftwaffe erprobt die Zellen in Flugzeugen und man plant Kraftstationen in verschiedenen Dimensionen.

Im Rahmen eines High-School-Projektes baut der amerikanische Forscher Roger E. Billings 1965 das erste wasserstoffbetriebene Auto (s.d.). Später entwickelt er die sichere Speicherung von Wasserstoff in Metallhydrid-Tanks und die LaserCel-Brennstoffzelle. Außerdem baut er zusammen mit einem Team der International Academy of Science die Brennstoffzelle samt Metallhydrid-Tank in einen Ford Fiesta ein, der unter dem Namen ‚LaserCel 1’ im Juni 1991 der Öffentlichkeit vorgestellt wird.

Trotz dieser langjährigen Vorarbeit geht die Entwicklung schleppend voran, die Höhe der Fördergelder beträgt im Jahre 1978 z.B. nur 48 Mio. $, und es entstand bislang erst ein einziges Demonstrationskraftwerk mit 456 Brennstoffzellen in New York. 1980 soll Manhattan allerdings eine 4,5 MW-Anlage erhalten, die nach diesem Prinzip funktioniert. Ich habe allerdings keine weiteren Informationen über dieses Projekt finden können.

Das Electric Power Research Institute in Palo Alto, Kalifornien, hat Mitte der 1970er ein Großprojekt in Planung, dessen Ziel ein 150-MW-Kraftwerk ist, das mit einer Kohlevergasungsanlage gekoppelt ist. Weiterhin bestehen Planungen für ein 600 MW-Kraftwerk gleicher Bauart.

1977 stellt die United Technology Corp. eine 1 MW Einheit vor, bis 1979 soll eine 4,8 MW Einheit ans Netz gehen, und bis 1980 ist von 56 Einheiten à 26 MW die Rede. Der Wirkungsgrad soll dabei von 37 % (1980) auf 47 % (1985) steigen – bzw. sogar auf 54 %, wenn die Abwärme von rund 177°C mitgenutzt wird. Diese Werte beziehen sich auf Phosphorsäure-Brennstoffzellen. Die Lebensdauer dieser Zellen wird mit bis zu 40.000 Stunden angegeben.

Nach einer weiteren zeitlichen Lücke ohne neue Informationen hört man erst 1993, daß die Ballard Power Systems gemeinsam mit der National Coach Corp. und der XCELLSIS Fuel Cell Engines Inc. den ersten Prototyp eines Brennstoffzellen-Busses baut, der mit einer 120 W PEMFC-Zelle betrieben wird. Es besitzt eine Reichweite von 160 km und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 95 km/h. 1997 wird die Prototypversion zum Stückpreis von 1,4 Mio. $ angeboten und man hofft, ihm 1998 bei einer Kleinserie für 600.000 $ anbieten zu können.

Die Kosten einer 200 kW-Anlage liegen 1994 bei 1 Mio. $.

1995 entwickelten GM und das Los Alamos Laboratorium eine kompakte Zelle, die bis 2000 auf die Größe einer Hutschachtel ‚geschrumpft’ werden soll – bei einer Leistung von 30 kW (ca. 41 PS). Das Projekt wird von öffentlicher Seite mit 35 Mio. $ gefördert.

Die Firma ONSI stellt ebenfalls 1995 Kleinserien der phosphorsauren Brennstoffzellen (PAFC) her, mit denen dann 50 kW bzw. 200 kW Anlagen gefertigt und exportiert werden – vier davon nach Deutschland (Typ PC 25), andere nach Japan sowie in verschiedene europäische Länder. Als Lebensdauer werden 40.000 Betriebsstunden genannt. Aufgrund der Arbeitstemperatur von 200°C sind diese Zellen besonders für den Kraft-Wärme-Kopplungs-Betrieb geeignet. Sie erreichen einen Wirkungsgrad von 40 % und werden ab 1998 auch von dem italienischen Lizenznehmer CLC Ansaldo für den europäischen Markt gebaut. Bis Ende 2000 hatte ONSI bereits über 100 derartige Anlagen verkauft, zu einem Stückpreis von rund 2 Mio. DM.

Eine Karbonatschmelze-Brennstoffzelle (MCFC) kann in einem Großversuch ihre Funktionsfähigkeit demonstrieren: Mit einer elektrischen Leistung von knapp 2 MW erreicht man einen Wirkungsgrad von 43,6 %.

Mitte der 1990er Jahre arbeitet man in den USA auch an Hochtemperatur-Brennstoffzellen im Bereich zwischen 650°C und 1.000°C, wobei Schmelzkarbonat-Zellen (MCFC) mit Leistungsgrößen von einigen hundert Kilowatt und oxidkeramische Zellen (SOFC) mit einigen Kilowatt realisiert werden.

In Chicago rollt Mitte 1996 der erste Brennstoffzellen-Bus vom Band. Und Ford will bis Ende 1998 drei Fahrzeuge mit einer Leistung bis 65 kW präsentieren

Völlig überraschend stellt Anfang 1997 die Firma Chrysler ein eigenes Brennstoffzellen-Konzept vor. Hierbei wird das Fahrzeug – wie üblich – zwar mit Benzin betankt, dieses dann jedoch an Bord ‚aufgeknackt’ und mittels Kupfer- und Zinkoxidkatalysatoren in einem mehrstufigen Prozeß in Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Der Vorteil liegt auf der Hand: Das Fahrzeug kann sich an jeder x-beliebigen Tankstelle neuen Kraftstoff besorgen. Selbst Diesel soll sich umwandeln lassen. Im Vergleich zum herkömmlichen ‚Verbrennungsbetrieb’ wird der Verbrauch etwa halbiert. Das erste Forschungsauto soll in zwei Jahren fertig sein, bis zur Serienreife wird es allerdings noch rund 20 Jahre dauern.

Um den Vorsprung Europas und Japan einzuholen arbeitet man seit 1997 außerdem an einer Gemeinschaftsentwicklung von GM, Ford und Chrysler, die vom ‚Departement of Energy’ und vom ‚Departement of Transportation’ gefördert wird. Gleichzeitig entwickelt die GE-Tochter Plug Power gemeinsam mit dem US-Nationallaboratorium in Los Alamos im Auftrag des Energieministeriums den ‚ersten Elektromotor mit benzinbetriebener Brennstoffzelle’. Das Versuchsaggregat hat eine elektrische Leistung von 50 kW und erreicht einen Wirkungsgrad von rund 23 % (verglichen mit den 12 % des Gesamtsystems ‚Kraftstoffherstellung/-bereitstellung’ bei einem benzinbetriebenen Ottomotor).

Auf der Detroit Motor Show 1998 werden deutlich mehr Zukunftsstudien vorgestellt als zuvor, und Ford gibt bekannt, daß man gemeinsam mit Daimler-Benz mehr als 400 Mio. § in die Brennstoffzellen-Entwicklung stecken wird, um bis 2004 zur Serienreife zu gelangen. Zeitgleich will auch GM den abgaslosen Antrieb in die Produktion überstellen. Seit dem Frühjahr befinden in Chicago drei Brennstoffzellen-Busse von Daimler-Benz im Langzeittest, die pro Stück etwa 2 Mio. DM gekostet haben

Nachdem Siemens Mitte des Jahres den Geschäftsbereich fossil befeuerter Kraftwerke von Westinghouse übernimmt, gehen dort nun zwei SOFC-Konzepte in den (internen) Wettbewerb: das ‚planare’ Siemens-Erdgas/Luft-Blockheizkraftwerk (s.o.) sowie die SOFC der Amerikaner mit ihrem röhrenförmigen Aufbau. Nach den ersten 25 kW Anlagen errichtet Westinghouse 1998 in den Niederlanden ein 100 kW Blockheizkraftwerk.

1999 gilt das US-Unternehmen International Fuel Cells (IFC), Tochter der United Technologies Corp. (UTC), als die erfahrenste Firma auf dem Brennstoffzellen-Markt. IFC hat 90 Brennstoffzellen-Batterien für Apollo-Kapseln, 25 für Space-Shuttles und weit mehr als 300 für stationäre Aufgaben entwickelt und hergestellt.

Da insbesondere in Kalifornien mit der langfristig vorgegebenen ‚0-Emmission’ ein regelrechtes ‚Terminator’-Ziel gesteckt wird, werden die neuen Brennstoffzellen-Autos gerne gerade dort vorgestellt (schon ab 2003 werden in Kalifornien nur Neuwagen von Herstellern zugelassen, die auch Null-Emissions-Fahrzeuge anbieten). Neben der A-Klasse von Daimler-Chrysler (75 PS) ist das in diesem Jahr der ‚P 2000’ von Ford (100 PS), dessen Karosserie aus Gewichtsgründen komplett aus Aluminium gefertigt ist. Mit einer vollen Tankladung von 1,4 kg komprimiertem gasförmigen Wasserstoff ergibt sich eine durchschnittliche Reichweite von 160 km. Umgerechnet in Benzineinheiten beträgt der Verbrauch auf 100 km etwa 3,5 l.

GM, größter Autokonzern der Welt, kooperiert derweil mit Toyota, der Nr. 1 in Japan.

Ebenfalls 1999 gründet die DaimlerChrysler (DC) gemeinsam mit US-Regierungsbehörden, mit drei Mineralölfirmen Arco, Shell und Texano und mit Ford die ‚California Fuel Cell Partnership’, um bis 2001 fünf verschiedene Autos zu testen. Und bis 2003 soll die Flotte der Testfahrzeuge auf 30 Pkw und 20 Busse mit Brennstoffzellenantrieb anwachsen.

Im Jahr 2000 wird der von Amory Lovins konzipierte ‚Hypercar Revolution’ vorgestellt, der durch das 1994 gegründete Hypercar Center bis zur Produktreife weiterentwickelt wurde. Das Hybridfahrzeug ist mit einer PEM Brennstoffzelle ausgestattet und hat ein Leergewicht von 857 kg. Seine Länge beträgt 4,56 m, die Breite 1,83 m und die Höhe 1,55 m. Der Wagen kommt in 8,3 Sekunden von 0 auf 100 km/h und hat eine Reichweite von 530 km.

Wissenschaftler der University of Pennsylvania entwickeln 2000 eine Brennstoffzelle, die auch billige Kohlenwasserstoffe umsetzen kann. Bislang waren Brennstoffe wie Butan nicht anwendbar, da bei ihrer Umwandlung Kohlenstoffablagerungen entstanden, welche die Zellen ‚verstopften’. Die Forscher veränderten deshalb die Zusammensetzung des Brennstoffzellenmaterials so, daß diese Ablagerungen vermieden werden. Die neuen Zellen arbeiten nun auch mit Methan, Ethan, Butan und Toloul – und die Treibstoffe können direkt genutzt werden.

Das US-Energieministerium sagt im Jahr 2000 voraus, daß 2030 jedes vierte Auto einen Brennstoffzellenantrieb haben wird. Und GM und Exxon Mobil vermelden einen ‚Durchbruch’ durch die Entwicklung eines Reformers, der für Benzin ausgelegt ist.

Ende 2000 gibt GM bekannt, daß man in zwei Jahren einen Prototyp des Chevrolet Pick-up ‚S-10’ mit Brennstoffzellenantrieb vorstellen wird. Das Fahrzeug soll mit einem Reformer ausgestattet werden, der ein wasserstoffreiches Gas aus herkömmlichen Benzin gewinnt.

2002 stellt GM seine Konzeptstudie ‚Autonomy’ vor, die von einer GM Brennstoffzelle und vier Radnabenmotoren mit jeweils 25 kW angetrieben werden soll.

Die beiden wesentlich weniger futuristischen Brennstoffzellen-Fahrzeuge vom Typ ‚Toyota FCHV-5’, die im Dezember 2002 an US-Amerikanische Universitäten Irvine und Davis im Bundesstaat Kalifornien ausgeliefert werden, liefern so gute Testergebnisse, daß das Unternehmen dem Bau einer weiteren Tankstelle in Torrance plant. Außerdem werden 2003 weitere Modelle ausgeliefert, die jeweils für eine Dauer von 30 Monaten verleast werden.

Toyota arbeitet mit den beiden Hochschulen an der Entwicklung von funktionalen, Brennstoffzellen-freundlichen Modell-Gemeinschaften in Nord- und Süd-Kalifornien. Beteiligt an diesem Vorhaben zur Schaffung einer Wasserstoff-Infrastruktur sind außerdem Institutionen wie das California Air Resources Board (CARB) und das South Coast Air Quality Management Board (SCAQMD) sowie Unternehmen wie Stuart Energy und Air Products. Ein Netzwerk von sechs Tankstellen soll Mitte 2003 fertig gestellt sein. In den vorangegangenen fünf Jahren hat Toyota in die Entwicklung von modernen Transportsystemen (u.a. Brennstoffzellen-Fahrzeuge) mehr als 2 Mio. US-$ investiert. Für die folgenden dreieinhalb Jahre sind nochmals finanzielle Mittel in gleicher Höhe vorgesehen.

Im Februar 2003 beginnt der Brennstoffzellen-Hersteller HaveBlue Ventura Harbor/Kalifornien mit den Tests seines in der Entwicklung befindlichen Brennstoffzellen-Systems für Segel- und Motoryachten; Testobjekt ist eine 42 Fuss lange Catalina-Segelyacht von OSEAN.

Das US-Unternehmen Neah Power Systems mit Sitz in Bothell, im US-Bundesstaat Washington, entwickelt 2003 eine kleine und kompakte Brennstoffzelle auf Basis eines patentierten Silizium-basierten Designs, das eine besonders hohe Effizienz und Energiedichte bei kleinen Abmaßen ermöglichen soll. Mit der Brennstoffzelle kann ein Notebook bis zu acht Stunden mit einer ‚Ladung’ betrieben werden, wozu rund 120 Wh nötig sind. Gegenüber aktuellen Akkus weist die Brennstoffzelle damit eine zwei- bis dreimal längere Betriebsdauer auf, sie fällt auch deutlich kleiner aus als herkömmliche PEM-Brennstoffzellen und läßt sich direkt in Notebooks integrieren, statt außen angebaut zu werden.

Der Silizium-Kern des patentierten Verfahrens ist porös und soll die üblicherweise bei Brennstoffzellen eingesetzte PE-Membran für die Katalyse ersetzen. Die Silizium-Trennschicht, die mit Millionen von mikroskopisch kleinen Poren durchsetzt ist, bietet zwei Vorteile. Einmal erhöht der Silizium-Kern mit etwa 400 Mikron Durchmesser die zur chemischen Reaktion verwendbare Katalysatorfläche erheblich. Im Vergleich dazu beträgt die Stärke der Polymer-Membranen etwa 10 Mikron. Zum anderen saugt der poröse Kern die Reaktionspartner Methanol, Wasser und Sauerstoff wie ein Schwamm auf. Die kalte Verbrennung von Sauerstoff und Methanol in diesem ‚Schwamm’ erzeugt Strom mit weitaus höherem Wirkungsgrad als beim Membran-Verfahren.

Die Neah-Lösung kann zudem in einem geschlossenen System betrieben werden, denn der nötige Sauerstoff kommt aus einem eigenen Tank. Damit reduziert sich die Gefahr bei offenen Zellen mit Luftzufuhr, die Zelle durch Staub und Schmutzpartikel zu beschädigen. Die ‚Abgase’ Kohlendioxid und Wasserdampf werden ebenfalls aufgefangen und können elektronische Bauteile nicht gefährden. Dadurch kann die Zelle in Batterieschächten normaler Notebooks eingesetzt werden.

Die Energie-Abteilung des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Richland, Washington, stellt im Mai 2003 das bislang kleinste Energiesystem der Welt auf Basis eines Wasserstoff-Erzeugers plus Brennstoff-Zelle vor. Das System besteht aus der Brennstoffzelle selbst sowie einem Reformer, der Wasser und Brennstoffe wie Butan, Diesel, Düsentreibstoff oder Methanol in ein an Wasserstoff reiches Gas umwandeln kann, und sich auf der Fläche eines Zehn-Cent-Stückes unterbringen läßt. Das vorgestellte System hat eine Leistung von 20 mW bei nur einem Drittel des Gewichtes herkömmlicher Batterien. Das Projekt ist mit Geldern des US-Verteidigungsministeriums finanziert und soll in erster Linie dazu dienen, die elektronische Ausrüstung künftiger Krieger mit Energie zu versorgen.

Im Dezember 2003 beginnt Boeing mit Testflügen einer einsitzigen Propeller-Maschine, die mit zwei 25 kW-Brennstoffzellen des britischen Herstellers Intelligent Energy ausgerüstet ist. Es handelt sich damit um das erste bemannte Brennstoffzellen-Flugzeug der Welt, nachdem das texanische Unternehmen Lynntech zuvor bereits ein unbemanntes Modell gestartet hatte.

Der kalifornische Hersteller von Brennstoffzellen-Membranen PolyFuel, gibt im Januar 2004 bekannt, daß man einen technologischen Durchbruch bei den Membranen für Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (Direct Methanol Fuel Cell = DMFC) erzielt hätte. Die neuen Membranen zeichnen sich durch einen höheren Wirkungsgrad, einen geringeren Methanol-Wasser-Austausch und eine größere Stabilität bei höheren Methanol-Konzentrationen aus. Muster der neuen Membran-Technik würden derzeit für die weltweit führenden Hersteller von Unterhaltungs-Elektronik und andere Entwickler von DMFCs bereit gestellt.

Wissenschaftler der Pennsylvania State University stellen im März 2004 eine Brennstoffzelle vor, die mit menschlichem Abwasser gespeist werden kann. Die Microbial Fuel Cell nutzt chemische Prozesse ähnlich denen, die auch bei der Verdauung ablaufen: Bakterien zersetzen die im Abwasser vorhandene organische Materie. Dabei werden Elektronen freigesetzt, die sich normalerweise mit Sauerstoff verbinden. Indem dieser Sauerstoff ferngehalten wird, können die Elektronen daher genutzt werden, um Strom zu erzeugen. Die nur aus einer Kammer bestehende Brennstoffzelle ist eine 15 cm langen Röhre mit einer Kathode im Zentrum, die von einer nur für Protonen durchlässigen Membran umgeben ist. Um die Kathode herum sind acht Anoden angeordnet. Hier vollbringen die Bakterien ihr Zersetzungswerk. Die dabei freigesetzten Protonen wandern zur Kathode, die Elektronen zu den Anoden. Von dort werden sie über einen externen Stromkreislauf zur Anode geleitet, wo sie sich mit den Protonen und Sauerstoff aus der Luft zu Wasser verbinden. Frühere, mit Glukose arbeitende Modelle hätten mit zwei Kammern für Anode und Kathode gearbeitet, was ihre Zusammenschaltung zu großen Systemen erschwere.

Derzeit befindet sich das Verfahren noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Die Energieausbeute beträgt lediglich ein Zehntel dessen, was den Berechnungen der Wissenschaftler zufolge möglich sein müsste. Aber auch auf dem heutigen Stand könnte das System aus den Abwässern von 100.000 Menschen etwa 51 kW Strom erzeugen. Ein Anwendungsgebiet für die Microbial Fuel Cell sind Entwicklungsländer, wo der Betrieb von Kläranlagen häufig an der fehlenden Energie scheitert.

Vom 22. – 29. Mai 2004 findet in Athen die Phaethon2004 statt, ein Solarmobil Rennen zur Olympiade in Griechenland. Und an der Tour de Sol 2004 nimmt ein ‚Sparrow’ teil, der auf Brennstoffzellen-Betrieb umgerüstet wurde. Die Stromversorgung übernimmt ein mitgeführtes Windrad, das in den Fahrpausen aufgeklappt und -gestellt wird.

Eine Arbeitsgruppe am California Institute of Technology (Caltech) im kalifornischen Pasadena stellt im Juni 2005 eine Hochtemperaturbrennstoffzelle für schwerere Kohlenwasserstoffe vor, die außen jedoch so kalt ist, daß man sie mit der bloßer Hand anfassen kann. Die Festelektrolytbrennstoffzelle liefert 0,35 W, und ihre maximale Spannung beträgt 1,0 V – mit zwei Stück ließe sich also ein MP3-Player versorgen. Sie wird mit Propan betrieben und kommt ohne Heizelemente aus, da man einen geeigneten Katalysator gefunden hat: Ein poröser Film aus Ruthenium und Cer-Dioxid katalysiert die Reaktion von Propan mit Sauerstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Für den Start der Reaktion ist zwar nach wie vor ein Erwärmen auf über 300°C nötig, doch einmal gestartet, läuft die Reaktion ohne Heizung weiter. Falls es gelingt, einen noch besseren Katalysator zu finden, könnte eventuell auch die Startheizung entfallen.

An der Universität von Illinois wird Mitte 2005 eine membranlose Brennstoffzelle vorgestellt, in der eine laminare Strömung den Brennstoff Methanol vom Sauerstoff trennt. Hier ist also keine Membran mehr nötig, um das Mischen von molekularem Wasserstoff und Sauerstoff zu unterbinden. Wegen der erforderlichen laminaren Strömung läßt sich die Apparatur zwar nicht beliebig groß bauen, die Zellen lassen sich jedoch parallel und/oder seriell verbinden. Die Kosten der eingesparten Membran machen bis zu 40 % aus.

Forscher an der US-amerikanischen Rice Universität beginnen im März 2006 mit einem weiteren Projekt, um in den kommenden fünf Jahren die Verwendung von Mikroorganismen für die Energieproduktion in Brennstoffzellen zu nutzen. Zum Einsatz kommt der Bakterienstamm Shewanella oneidensis, welcher anstatt Sauerstoff Metall konsumiert, um es in Energie zu verwandeln. Aufgrund der metallabbauenden Eigenschaften dieses Stammes wurde ihm schon großes Potenzial als Bio-Sanierungsmittel zur Entfernung toxischer Metalle aus der Umwelt attestiert. Die Bakterien produzieren als Abfallprodukt ihres Stoffwechsels überschüssige Elektronen, die ausgeschieden werden. Das Ziel der Forscher ist es, sie mit verschmutztem Wasser zu füttern und dadurch Energie zu gewinnen. Diese durch Bakterien betriebenen Energiezellen könnten beispielsweise kleine, handflächengroße Roboter versorgt werden. Auch Hybrid-Brennstoffzellen, in der sich ein Bakterienstamm vom Abfallprodukt eines anderen ernährt, sind denkbar.

Ein halbtransparentes Modell-Auto ‚H-Racer’ mit Brennstoffzelle, Nachfüllstation und Solarpanel für 100 $ gibt es ab Mai 2006 von dem amerikanischen Unternehmen Horizon Fuel Cell Technologies (inzwischen auch in Deutschland erhältlich).

Laut dem US-Hybrid-Spezialisten ISE Corporation, fahren Mitte 2006 bereits 800 Hybrid-Busse in nordamerikanischen Städten herum. Die Zahl dürfte in den nächsten Jahren auf 3.000 anwachsen, wie ein Blick in die Auftragsbücher zeigt, da die Hybrid-Busse vergleichsweise rund 20 % weniger Sprit verbrauchen – und bei Fahrzeugen mit Hebebühne sogar bis zu 50 %, da der Motor nicht mehr im Leerlauf agieren muß, nur um ab und an die Hydraulik zu betreiben, die sich durch die Batterie des Hybriden auch wesentlich effizienter antreiben läßt. Der US-Hydraulikspezialist Eaton hat solche Fahrzeuge bereits gebaut und will noch in diesem Jahr bis zu 24 Stück in Betrieb nehmen.

Auch Lieferfahrzeuge mit Transportklappen oder Müllwagen sollen mit Hybrid-basierter Hydraulik einfach und günstig nachgerüstet werden. Dabei wird hier im Gegensatz zu konventionellen Hybrid-Motoren, die Bremsenergie in Batterien oder Ultrakondensatoren speichern, eine Hydraulikflüssigkeit eingesetzt, um Stickstoff zu komprimieren. Die Kraft des komprimierten Gases wird später wieder freigesetzt, um Beschleunigungsenergie zu generieren.

Auf der Los Angeles Auto Show im November 2006 zeigt Ford den Prototypen eines 6-sitzigen Brennstoffzellen-betrieben ‚Explorer’, der eine Reichweite von 560 km hat. Mit diesem Wagen sind in weniger als einem Jahr bereits Testfahrten von insgesamt gut 27.000 km durchgeführt worden, wobei mit einer 24-stündigen Einzelfahrt über 2.500 km ein neuer Rekord aufgestellt wird. Das Auto wiegt 2.560 kg, der Wasserstofftank faßt 10 kg H₂ bei 700 bar, und es ist mit einer 60 kW Ballard Brennstoffzelle, einer 50 kW Hybridbatterie und einem 130 kW (Dual 65 kW) Elektromotor ausgestattet.

Grenzen der Brennstoffzellennutzung

Neben dem Wasser (als Abgas) fällt auch eine beträchtliche Menge Wärmeenergie an. Besonders beim Betrieb bei niederen Temperaturen funktioniert das Prinzip nur mit hochwertigen Katalysatoren – wegen der chemischen Trägheit der Kohle (die in Form von Elektroden Einsatz finden kann) sind aber sowieso hohe Temperaturen erforderlich.

Man braucht Elektrolyten, die Ionen passieren lassen, für Elektronen aber undurchlässig sind – und gleichzeitig die direkte Vermischung der Gase verhindern. Ferner müssen Wasser und andere Reaktionsprodukte, die sich an den Elektroden niederschlagen oder den Elektrolyten verändern, zuverlässig abgeführt werden. Weitere technische Probleme sind die oftmals allzu schnelle Korrosion der Zelle oder die geeignete Gestaltung der Elektroden, damit diese die Gase hinreichend schnell heranführen und in Strom umsetzen können. Solange nicht reine Gase verbrannt werden, deren Herstellung meist sehr aufwendig ist, ist innerhalb des Elements ein hoher Druck erforderlich.

PEM-Zellen arbeiten zwar zwischen 20°C und 100°C, oberhalb von 60°C nehmen die Verdunstungsverluste der Membran derart zu, daß im mobilen Einsatz (Verkehr) zusätzliches Wasser mitgeführt werden muß. Da die PEM-Zellen viel Wärme abgeben, wird dieser Wert im sommerlichen Betrieb schnell überschritten. Unterhalb von 0°C gefriert das Wasser in den Zellen, weshalb das System entweder beheizt oder zur Selbsterwärmung unter Last gesetzt werden muß – was in beiden Fälle Energie verbracht.

Siemens und andere Hersteller verfügen über Stacks (Brennstoffzellen-Bündel), die mit einem Druck von 0,5 bar und schlichtem Lüfter arbeiten – während die Ballard/Daimler-Zellen einen zusätzlichen, energiefressenden Luftkompressor mit 3 bar benötigen.

Die für die Zellen notwendigen Edelmetalle machten die Anlagen lange Zeit nahezu unbezahlbar. Pro kW installierter Leistung wurden noch 1994 rund 2.500 Dollar angesetzt. Und trotz aller Preisreduzierungen scheint es eine Herstellungskostengrenze für Brennstoffzellen zu geben, die bei etwa 100 DM/kW liegt, was etwa drei mal so hoch ist wie die Kosten von Benzinmotoren (Stand 1999).

Beim Betrieb mit aus Erdgas gewonnenem Methanol büßt das Gesamtsystem durch die Zwischenschritte Erdgas – Methanol – Wasserstoff – Strom – Elektromotor den eigentlich guten Wirkungsgrad der Brennstoffzellen fast vollständig wieder ein. Methanol ist außerdem aggressiv und ziemlich giftig (s.d.), was Probleme in der Verteilerkette und im Einsatz bereiten kann.

Die anfänglich hergestellten Brennstoffzellen hatten eine Lebensdauer von kaum mehr als 200 Stunden – das mindeste, das aber eine wirtschaftliche Nutzung erfordern würde, sind 2.000 Stunden (Stand 1980). Diese Grenze wurde im Laufe der Jahre überschritten (s.o.).

Eine allgemein zugängliche Studie (Text Nr. 33/99) des Bundesumweltamtes von 1999 kommt zu dem Schluß, daß Fahrzeuge mit Otto-Motoren ab 2005 umweltfreundlicher und wirtschaftlicher fahren werden als mit Brennstoffzellen.

An dieser Stelle ist es wohl auch angebracht, die kritische Meinung Forschungsinstituts Akasol in Darmstadt zu zitieren, wo man denkt, daß die Weiterentwicklung künstlich verlangsamt wird. Die Industrie sei ganz bewußt vom Elektroauto auf die Brennstoffzelle umgeschwenkt, nur um Zeit zu gewinnen. Daß die Brennstoffzelle noch immer nicht ‚fertig’ sind, ist den Konzernen nur recht, da die Industrie so lange wie irgend möglich am Verbrennungsmotor festhalten will:

„Hätte man all das Engagement, das in den letzten Jahren in Hybrid und Brennstoffzelle geflossen ist, in das Elektroauto gesteckt, dann wäre es längst auf der Straße, und zwar nicht als teures Spielzeug, sondern als Massenmodell eines Großserienherstellers.“

Konsens jedenfalls ist, daß die Brennstoffzellen-Technologie im Fahrzeugbereich keine Chance mehr hat, sobald entsprechend starke, günstige und leichte Batterien auf den Markt kommen.

Erdgas-Fahrzeuge

Ich werde diese Technologie nicht behandeln, da sie im Grunde nur eine Variation der Wasserstoff- und/oder Methanol-Fahrzeuge darstellt und außerdem auf einem fossilen Energieträger als Betriebsstoff beruht.

Allerdings gibt es im Jahr 2000 bereits mehrere Produzenten, die diese Wagen anbieten, welche im Schnitt 3.000 – 5.000 DM teurer sind als die normalen Modelle, z.B. Fiat, Iveco, Volvo und Mercedes. Bis zum 31.12.2000 bekam man in Berlin beim Kauf eines Neuwagens eine Prämie von 2.500 DM von der GASAG.

Die Umrüstung normaler Wagen auf Erdgasbetrieb kostet zwischen 5.000 und 7.000 DM, der Preis für einen Liter flüssiges Erdgas beträgt 1,25 DM. In Berlin gibt es zwei Tankstellen (Stand 2000), und die Zahl der erdgasbetriebenen Taxen nimmt im Laufe der Jahre sichtbar zu.

 

Als nächstes kommen wir nun zu dem ebenfalls recht großen Bereich der Windenergie.

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