TU-Professor: "Brennstoffzelle hat zwei große Vorteile"

Der Chemnitzer Professor Thomas von Unwerth ist überzeugt: An Autos mit Wasserstoffantrieb führt bei der Elektromobilität kein Weg vorbei.

Die Brennstoffzelle ist als Antriebstechnik nicht nur für Nutzfahrzeuge interessant, sie wird sich auch im Pkw-Markt durchsetzen, glaubt Thomas von Unwerth, der an der TU Chemnitz den Lehrstuhl für Alternative Antriebe leitet. Jan-Dirk Franke hat mit ihm gesprochen.

Freie Presse: Wenn es um Elektromobilität geht, beherrscht der batterieelektrische Antrieb die öffentliche Debatte, über die Brennstoffzelle wird kaum gesprochen. Woran liegt das?

Prof. Thomas von Unwerth: Als die Debatte um die Elektromobilität vor zehn bis 15 Jahren in Gang kam, haben sich die Autohersteller recht schnell für das Batteriefahrzeug entschieden. Denn erstens ist das System nicht allzu komplex: Man hat eine Batterie, einen Motor und eine Steuerung. Und zweitens ging man davon aus, dass die Batteriepreise fallen und die Energiedichten sich nahezu linear nach oben entwickeln, sodass man alle paar Jahre mit einer Verdoppelung der Energiedichte und damit der Leistungsfähigkeit rechnen kann.

Das passiert aber so nicht, oder?

Jeder natürliche Prozess ist auf Dauer nie eine lineare Funktion, sondern er bewegt sich auf einer S-Kurve und gelangt irgendwann an physikalische Grenzen. Für die Batterie heißt das: Es gibt sicher noch Entwicklungspotenzial, aber nicht mehr in dem Maße wie vor zehn Jahren. Die Energiedichten bei der Batterie werden in den nächsten zehn Jahren vielleicht noch aufs Doppelte zu trimmen sein, aber eben nicht mehr viel weiter. Und das ist nicht genug, um große Reichweiten bei geringen Ladezeiten zu erzielen.

Aber 500 Kilometer Reichweite sind doch heute schon kein Problem?

Man kann eine große Reichweite erzielen, indem man viel Batterie mitnimmt. Tesla packt 500 Kilogramm ins Auto, damit kommt man dann auch 500 Kilometer weit. Aber für diese Reichweite ist viel Energie nötig - etwa 100 Kilowattstunden. Die muss man in möglichst kurzer Zeit in das Fahrzeug reinbringen. Das nennt man Ladeleistung. Eine hohe Leistung im Megawattbereich, die nötig wäre, um in gleicher Zeit wie bei einem Benzinauto zu tanken, auf elektrischem Wege in das Auto zu bringen, das bestätigt jeder Elektrotechniker, ist nicht möglich. Das heißt, man wird immer mit einer längeren Ladezeit leben müssen. Wie lange die ist, ob eine dreiviertel Stunde oder zwei Stunden, das ist von der Anschlussleistung abhängig. Dazu kommt, dass Batterien sehr hohe Ladeleistungen nicht allzu oft mögen, dann altern sie sehr schnell. Sie müssen außerdem während des Ladens stark gekühlt werden. Damit ist klar: Für den Alltagsgebrauch der breiten Masse - wir reden über 1,3 Milliarden Autos weltweit - ist das nicht tauglich.

Ein prominenter Branchenexperte sagte unlängst, die Brennstoffzelle könne man für den Pkw-Bereich vergessen, das ist nur etwas für Nutzfahrzeuge und Stadtbusse. Was meinen Sie?

Es ist sehr attraktiv insbesondere für Nutzfahrzeuge. Weil dort noch mehr Energie benötigt wird, um die schweren Fahrzeuge zu bewegen. Da ist die Brennstoffzelle mit ihrer hohen Energiedichte wirtschaftlich eher interessant als im Pkw-Bereich. Aber: Was für Nutzfahrzeuge sinnvoll ist, kann man auch auf den Pkw herunterprojizieren. Dass das funktioniert, zeigen Hersteller wie Toyota und Hyundai bereits mit der zweiten Generation von Fahrzeugen.

Südkorea hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2030 der weltweit führende Hersteller beim Brennstoffzellenantrieb zu werden. Verschläft Deutschland hier einen Trend?

Die deutschen Autobauer beschäftigen sich schon damit. Daimler arbeitet seit den 1980er-Jahren daran, genauso Volkswagen und BMW. Man hat viele Versuche gemacht und Prototypen aufgebaut. Zugegeben, vor 30 Jahren bestanden solche Brennstoffzellensysteme noch aus Komponenten, die den Laderaum eines Nutzfahrzeugs füllten. Das ist heute nicht mehr der Fall. Heute reden wir über Systeme, die nicht mehr größer sind als ein Vierzylinder-Verbrennungsmotor. Und die sind alltagstauglich. Aber: Bis ein Modell in die Serienproduktion überführt werden kann, ist noch einmal ein gewisser Aufwand nötig.

Hersteller wie Toyota und Hyundai fertigen längst in Serie.

Diese Firmen arbeiten seit Jahren auch deutlich intensiver daran. Die deutschen Autohersteller haben bis zum Dieselskandal vor drei Jahren keinerlei Druck gehabt, sich mit dem Thema stärker zu beschäftigen.

Aber nun ist der Druck ja da...

Ja. Da muss was passieren. Dass der Verbrennungsmotor ein Auslaufmodell geworden ist, ist vielen bewusst geworden. Es ist aber auch klar, dass man sich nicht über Nacht von einer solch wichtigen Mobilitätstechnologie verabschieden kann. Und wir müssen auch immer die gesamte Energiekette anschauen: Wo kommt der Strom her, wo der Wasserstoff? Zu einer Null-CO2-Bilanz kommt man erst, wenn der Strom zu 100 Prozent aus regenerativen Energien erzeugt wird.

Aber noch kommt ein wesentlicher Teil des Stroms ja aus Kohlekraftwerken.

Solange Braunkohlekraftwerke im Energiemix Bestand haben, geht die Rechnung nicht auf. Die Kohlendioxid-Emissionen im deutschen Strommix liegen bei rund 500 Gramm pro Kilowattstunde. Wenn man damit sein Fahrzeug lädt, ist das nicht besser als wenn man mit Diesel oder Benzin fährt. Grün fährt nur, wer auch grünen Strom lädt. Grün ist übrigens auch der Wasserstoff, der mit Strom aus einer Fotovoltaikanlage erzeugt wird.

Was sind die Vorteile einer Brennstoffzelle, wieso brauchen wir diese Technologie?

Mit der Brennstoffzelle haben wir zwei entscheidende Vorteile: Erstens können wir aufgrund der höheren Energiedichte des Wasserstoffs eine nennenswerte Energie im Fahrzeug unterbringen. Und wir können diese schnell nachladen. Innerhalb von drei Minuten lässt sich ein Fahrzeug für 500 Kilometer Reichweite betanken. Damit ist es sehr ähnlich zum Betankungsprozess eines Verbrennungsmotor-Fahrzeugs. Die Zapfsäulen für den Wasserstoff kann man an bestehenden Tankstellen einrichten. Das ist vergleichsweise einfach zu realisieren und für große Stückzahlen sogar recht kostengünstig umsetzbar, weil man nicht so viele braucht - im Gegensatz zu den Ladesäulen, die für die Batterieautos errichtet werden müssen.

Aber die Stromladesäulen benötigen ja auch viel weniger Platz...

Klar. Aber das wird nicht überall funktionieren. Nehmen wir einmal einen sehr dicht besiedelten Stadtteil wie den Chemnitzer Kaßberg, wo abends kaum noch ein Parkplatz zu finden ist: Will man jeden, der dort wohnt, mit einer Ladesäule fürs Elektroauto beglücken? Das ist schwer vorstellbar. Hinzu kommt: Die Stromkabel, die dort verlegt müssten, um die Leistung zur Verfügung zu stellen, würden - falls das technisch überhaupt möglich ist - so viel Geld verschlingen, dass es sich betriebswirtschaftlich nicht rechnen würde.

Das batterieelektrische Auto ist also in der Hauptsache etwas für Eigenheimbesitzer?

Sagen wir so: Alle, die ein eigenes Haus besitzen mit einer Garage und einer Anschlussmöglichkeit für das Ladekabel, haben sicher kein Problem ihr Auto aufzuladen. Es gibt Anwendungsfälle, wo das Batterieauto absolut Berechtigung hat.

Die Brennstoffzellentechnologie hat auch Nachteile. Einen schlechteren Wirkungsgrad zum Beispiel.

Gar keine Frage: Das Batteriefahrzeug hat den Vorteil des besseren Wirkungsgrades. Aber: Der Wirkungsgrad ist nur ein Bewertungskriterium - sicher ein wichtiges, aber nicht das allein entscheidende. Die anderen Punkte wie Energiedichte, Nachladefähigkeit, Lebensdauer, Sicherheitsaspekte und Kosten spielen auch eine Rolle.

Der Wirkungsgrad ist also nicht alles?

Ja. Was oft nicht beachtet wird: Durch die Brennstoffzelle wird infolge der chemischen Reaktion Abwärme freigesetzt. Diese wird natürlich genutzt - im Winter zum Beheizen oder Scheibenfreimachen, im Sommer zum Klimatisieren. Man braucht Wärme, um die Klimaanlage zu betreiben. Wenn man aus Strom Wärme erzeugt, hat man hingegen einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Über das komplette Jahr gerechnet und mit Heizung und Klimatisierung, liegen Batterie- und Wasserstofffahrzeug beim Wirkungsgrad nicht mehr weit auseinander.

Als ein Nachteil gilt auch: Zur Herstellung der Zelle wird Platin benötigt, ein seltenes und teures Metall.

Dieser Stoff war einmal ein erheblicher Nachteil. Für einen adäquaten Fahrzeugantrieb benötigte man etwa 100 Gramm Platin, das war durchaus ein Kostentreiber. In heutigen Systemen stecken aber nur noch etwa zehn Gramm Platin, und so viel findet man auch in einem Fahrzeugkatalysator. Es gibt also ein erhebliches Substitutionspotenzial. Abgasanlagenhersteller könnten in das Geschäftsfeld einsteigen und in Zukunft nicht mehr Katalysatoren beschichten, sondern Brennstoffzellenmembranen.

Autos mit Wasserstoffantrieb sind bislang sehr teuer. Was treibt die Kosten in die Höhe?

Die erforderlichen Komponenten inklusive der Brennstoffzelle werden bis heute noch nicht in entsprechend großen Mengen hergestellt. Das ist immer deutlich teurer, als wenn man Produkte in millionenfachen Stückzahlen herstellt. Diesen Serienskalierungseffekt brauchen wir noch.

Ist der denn in Sicht?

Wir arbeiten wir mit vielen Partnern aus der Industrie in einem Innovationscluster daran, es heißt "HZwo - Antrieb für Sachsen". Dieser Cluster, der vom Freistaat gefördert wird, bemüht sich, genau diese Komponenten zur Serientauglichkeit zu bringen.

Was wurde denn bislang schon erreicht?

Der Cluster hat inzwischen 56 Unternehmen und zehn Forschungseinrichtungen als Mitglieder und Partner. Fünf Forschungsprojekte sind bereits gestartet und 15 weitere befinden sich in Antragstellung.

Können Sie ein Beispiel nennen?

In einem Projekt geht es um die Entwicklung und Fertigung eines Wasserstoffdrucktanks. Es gibt bislang keinen Hersteller dafür in Sachsen. Ein Konsortium aus drei Firmen arbeitet in Kooperation mit der TU Chemnitz derzeit daran.

Gibt es das nicht schon?

Ja, aber nicht aus Sachsen. Und es gibt noch Optimierungspotenzial. Das ist die Intention des Innovationsclusters: Es geht darum, hier eine Wertschöpfungskette zu etablieren, damit später einmal viele Komponenten aus sächsischer Fertigung kommen können.

Von Kritikern der Technologie wird gern angebracht, dass die Tanks ja explodieren könnten, etwa bei einem Unfall.

Das stimmt so nicht. Es ist sehr schwer, ein Benzinfahrzeug zur Explosion zu bringen und genauso ist das bei einem Wasserstofffahrzeug. Die Tanks sind Tüv-zertifiziert und haben einen 20 Millimeter starken Karbonfasermantel. Damit kann man über Bordsteine fahren und auch einen Auffahrunfall haben, den Tanks passiert so gut wie nichts. Die sind so steif, dass sie, wenn sie Schaden nehmen, vom Auto und Fahrer sowieso nichts mehr übrig ist. Aber die Tanks explodieren nicht, denn im Tank sind 100 Prozent Wasserstoff und die zünden genauso wenig wie 100 Prozent Benzin. Dafür braucht man das exakt richtige Gemisch mit Sauerstoff. Sicherheitsmechanismen verhindern das. Ein Wasserstoffauto ist aus meiner Sicht heute genauso sicher wie ein Benziner.

Das Tankstellennetz für Wasserstoff ist noch sehr dünn, es gibt bislang nur zwei in Sachsen. Das reicht doch nicht.

Es gibt Bestrebungen, die darauf hinwirken, dass wir bis 2023 ein Netz von rund 400 Tankstellen in Deutschland etabliert haben, das wird auch vom Bund gefördert. Bislang sind bundesweit schon 60 Tankstellen entstanden. Davon befinden sich leider erst zwei in Sachsen - eine in Dresden, die andere in Leipzig. In Meerane kommt demnächst noch eine dazu, und eine vierte soll dann in Chemnitz errichtet werden. Also, es tut sich was. Damit es vorwärts geht, braucht es aber auch eine gewisse Anzahl an Fahrzeugen, die in den Markt kommen.

Das ist das typische Henne-Ei-Problem...

Ja. Die Autohersteller sagen: Solange es keine Tankstellen da sind, brauchen wir auch keine Fahrzeuge verkaufen. Umgekehrt ist es das Gleiche. Deswegen war es richtig und wichtig, dass der Bund hier hilft. Wenn 2025 die 400 Tankstellen da sind, ist das fürs Erste ausreichend, um quer durch die Republik zu fahren, ohne sich Sorgen um eine Tankmöglichkeit machen zu müssen.

Bei den 400 Tankstellen soll ja nicht Schluss sein. Bis 2030 sind gut 1000 vorgesehen. Reicht das?

Zumindest reicht das erst einmal für eine Flächendeckung. Wir haben heute etwa 14.000 Benzin- und Dieseltankstellen, das ist ein sehr gut abgedecktes Netz. An manchen Ausfallstraßen stehen ja auch schon mal zwei, drei Tankstellen hintereinander. Dass in den Jahren darauf ein dichteres Wasserstoff-Netz geschaffen werden muss, steht aber außer Frage.

Kann man denn in Deutschland genug Wasserstoff erzeugen, um einen höheren Anteil an Fahrzeugen zu betreiben?

Wenn Sie allein die Energie betrachten, die nicht erzeugt wird, weil Windkraftanlagen abgeschaltet sind, dann könnte man allein damit einen ganz erheblichen Anteil an Fahrzeugen im Freistaat betreiben. Ansonsten steht noch der sogenannte "graue" Wasserstoff zur Verfügung, der in der chemischen Industrie anfällt. Der Chemiepark in Leuna etwa produziert im Zuge der Chlor-Alkali-Elektrolyse als Nebenprodukt so viel Wasserstoff, dass man einen Großteil der deutschen Busflotte damit betreiben könnte.

Welche Möglichkeiten gibt es, um Wasserstoff zu erzeugen?

Man kann ihn mit Hilfe von Strom per Elektrolyse aus Wasser herstellen. Auch aus Erdgas lässt sich Wasserstoff erzeugen: Im Erdgas ist ein erheblicher Anteil enthalten: Ein Kohlenstoffatom trägt vier Wasserstoffatome. Man kann hier mit sogenannten Reformierungsverfahren Kohlenwasserstoff und Alkohol in Wasserstoff umwandeln. Als Nebenprodukt fällt dabei allerdings Kohlendioxid an. In der chemischen Industrie entsteht Wasserstoff oft als Nebenprodukt.

Aber Ziel muss doch die Nutzung regenerativer Energien sein, oder?

Ja, das muss kommen in der Endausbaustufe. Aber wir müssen im ersten Schritt wirtschaftlicher werden, sonst wird sich die Technologie nicht im Markt durchsetzen. Ein "grauer" Wasserstoff könnte in der Umstellungsphase helfen.

Damit sich die Brennstoffzelle durchsetzt, müssten die Autos deutlich günstiger werden. Wird sich da etwas tun?

Ganz sicher. Skaleneffekte sind bislang ja noch gar nicht zu erkennen.

Und dann muss nur noch die deutsche Autoindustrie aufspringen.

Ja, das muss sie. Sie tut das aber auch schon. Die Hersteller haben das Thema schon nicht mehr in der Forschung, sondern in der Entwicklung. Das bedeutet, dass erhebliche Gelder reingesteckt werden. Auch wenn Hersteller bei der Vermarktung zunächst erst einmal auf die Batterie setzen - an der Brennstoffzelle wird kein Weg vorbeiführen. Als alltagstaugliches Fortbewegungsmittel für die breite Masse sind Brennstoffzellenautos deutlich besser geeignet.

Zur Person

Thomas von Unwerth leitet seit Juli 2010 die Professur Alternative Fahrzeugantriebe an der Fakultät für Maschinenbau der TU Chemnitz. Der 51-Jährige ist in Lüdenscheid (NRW) aufgewachsen und hat in Dortmund Maschinenbau studiert. Er beschäftigt sich seit Jahren mit dem Thema Brennstoffzelle, war unter anderem auch in der Konzernforschung bei VW tätig. (jdf)

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2Kommentare
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  • 1
    1
    Zeitungss
    19.02.2019

    @bürgeren...…: Batterien hin oder her, die müssen auch geladen werden, wo auch bei Ihnen außer das Abschalten der Kohlekraftwerke NICHTS kommt. Vergessen sie die paar Windmühlen und die zur Stromerzeugung umfunktionierten Agrarflächen. Eine Antwort ist immer noch offen, wo stehen gasbetriebene Grundlastkraftwerke, diese Frage haben Sie bis heute nicht beantwortet. Sie sollten wirklich nicht glauben, dass der Strom für Batteriefahrzeuge nur vom Himmel fällt, es wäre mancher Tag ein Wandertag. Manche glauben wirklich, Industrie, Haushalte und Verkehr brauchen in Zukunft keinen Strom mehr und der "grüne" Strom deckt alles ab. Aufwachen ist hier angesagt, wenn es finster bleibt einfach durchschlafen, damit kann man einige Engpässe überbrücken.
    Wie gesagt, die Antwort zu den Gaskraftwerken in der Grundlast fehlt noch.

  • 3
    6
    bürgerenergie
    19.02.2019

    "Die Energiedichten bei der Batterie werden in den nächsten zehn Jahren vielleicht noch aufs Doppelte zu trimmen sein, aber eben nicht mehr viel weiter. Und das ist nicht genug, um große Reichweiten bei geringen Ladezeiten zu erzielen."
    meint Prof. Unwerth, TU Chemnitz, einst in der Entwicklung bei VW tätig.

    Wofür aber ist das "nicht genug"? Es ist bspw. eben nicht erforderlich für die Vielzahl, die übergroße Mehrzahl der regional und lokal verkehrenden PKWs.

    Warum eigentlich hat es ein Professor nötig, andere Entwicklungen, die ja eben weltweit bestimmt werden und zurzeit klar preferiert sind, schlecht zu reden, um seine Technologie (und seine Forschungsgelder?) zu begründen? Das macht mich stutzig, bei aller Technologieoffenheit, die wir haben sollten, und bei aller Berechtigung, die in einer neuen Energie- und Verkehrswelt auch das H2-Fahrzeug haben wird.

    Dabei wird aber - spätestens wenn Klimagase einen angemessenen Preis erhalten (wie es übrigens in einigen maßgeblichen Industrieländern schon heute der Fall ist) - die Effizienz von höchster Bedeutung sein. Und da schneidet eben mit mehr als dem doppelten Wirkungsgrad das batterieelektrische Fahrzeug deutlich besser ab.

    Zudem werden dann Autos, mit oft nur einem, max. 2 Nutzern, weit weniger Teil der Mobilität sein (können), als es heute der Fall ist.

    Nun werden wir aber Wasserstoff aus regenerativem Sonnen- und Windstrom künftig in großen Mengen bekommen. Dieser aber lässt sich weit effizienter, da die Wärme sinnvoll verwendend, in stationären Anwendungen (Gebäude, Industrie, ...) nutzen. Und eben in mobilen Langstreckenanwendungen sowie im Lastverkehr.

    Die wichtigen Fragen zu Batterien, Rohstoffen, Erdöl, Kinderarbeit, Krieg um Rohstoffe ... wurden in diesem Interview im Wesentlichen ausgespart (warum eigentlich?). Ich möchte daher JETZT HIER auch nicht darauf eingehen.



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