Die Energie der Zukunft im Tank?

	Foto: BMW

Die Mineralöl-Vorräte auf der Erde sind begrenzt. Die Suche nach einer Alternative zum Benzinauto liegt daher nah und das Wasserstoffauto ist ein heißer Favorit. Doch wie realistisch ist eigentlich der Traum vom benzin- und schadstofffreien Fahren?

Von Susanne Hein und Daniel Schwenk

Die Autobauer stellen sich auf die Zukunft ein!  Fast jeder Konzern hat inzwischen ein Szenario für den Weg in die Wasserstoff-Zukunft entwickelt. Darin werden fossile Brennstoffe, Atom- und Wasserkraftwerke Schritt für Schritt von regenerativen und sauberen Techniken abgelöst. Erdwärme, Wind, Sonne und Biomasse könnten uns, so die Vision, noch in diesem Jahrhundert mit ausreichend Energie versorgen.

Sie würden den Strom liefern, der zur Gewinnung von Wasserstoff durch elektrische Spaltung von Wasser (Elektrolyse) in Sauerstoff und Wasserstoff gebraucht wird. Mit dem Energieträger Wasserstoff werden dann vor allem Brennstoffzellen gespeist, die als elektrochemische Kleinkraftwerke in großem Maßstab Strom erzeugen sollen.

Nicht nur GM, sondern auch die anderen Automobilhersteller nehmen an, dass der Individualverkehr besonders in Entwicklungsländern wie China, Indien oder Russland dramatisch zunehmen wird. In etwa zwei Jahrzehnten, so befürchten Forscher, gibt es mehr als 1,1 Milliarden Autos auf unserem Planeten. Rund ein Drittel mehr als heute. Was aber, wenn irgendwann nicht mehr genug Treibstoff vorhanden ist? Mit dem Erdöl gehen auch Benzin und Diesel eines Tages zuende. Die Transportindustrie hängt heute noch fast hundertprozentig von Erdölprodukten ab. Für die Zukunft aber sind die Autohersteller gezwungen, Antriebssysteme zu verwenden, die ohne Benzin und Diesel auskommen. Verschiedene Hersteller haben elektrische Wasserstoff-Fahrzeuge entwickelt, in denen die Brennstoffzelle den üblichen Verbrennungsmotor als Antrieb ersetzt. Aus diesen Prototypen von Brennstoffzellenautos (Link zu www.Brennstoffzellenautos.com) könnte eines Tages das Auto der Zukunft hervorgehen.
Im Szenario von General Motors wird frühestens ab 2010 Wasserstoff flächendeckend dazu benutzt, Elektrofahrzeuge anzutreiben und gleichzeitig auch Unternehmen und Haushalte mit Strom zu versorgen.
Zunächst einmal sollen in den kommenden Jahren Fahrzeugflotten wie Wasserstoff-Busse von einigen zentralen Wasserstofftankstellen testweise mit dem Brennstoff versorgt werden. Parallel dazu werden einige Pkw mit Brennstoffzellen an private Haushalte in der Umgebung dieser Tankstelle vermietet.
Innerhalb der nächsten zehn Jahre plant GM sein alternatives Antriebskonzepts „AUTOnomy“ in der Produktion umzusetzen. Die Ingenieure haben hierbei sämtliche Vorteile eines Wasserstoffantriebs berücksichtigt. Das Ergebnis ist ein völlig neues Automobil. Es besteht aus einem flachen Fahrgestell, das mit unterschiedlich gestaltbaren Wagenaufsätzen zum Brennstoffzellenauto „Hy-wire“ zusammengesetzt wird. Funktionen wie Lenkung und Bremsen, die heute noch mechanisch funktionieren, werden genau wie der Antrieb in zukunft elektronisch gesteuert.
Daneben sollen immer mehr Tankstellen aufgebaut werden, die vor Ort mit einem Reformer aus Erdgas Wasserstoff herstellen. Wenn immer mehr erdgasvernetzte Tankstellen zur Verfügung stehen, ist „Hy-wire“ auch bereit, mit insgesamt drei Fahrgestelltypen in Serie zugehen.
Die Stromversorgung für Industrie und Haushalte, so sieht es GM voraus, wird zunehmend durch Brennstoff-Generatoren mit integriertem Wasserstofferzeuger geschehen. Erst werden solche Unternehmen mit Energie versorgt, die sich einen Stromausfall nicht leisten können, d.h. Krankenhäuser, Telekommunikationsfirmen oder Datenbankzentralen. Danach setzt man solche Generatoren dann auch in anderen Wirtschaftsbereichen ein und ergänzt auf gleiche Weise die Stromversorgung in Wohnhäusern.
Ein steiniger Weg
Ist die Vision von einer automobilen Welt, in der sich Brennstoffzellenautos gegen die heute üblichen Benziner durchgesetzt haben, eigentlich haltbar? Wird Wasserstoff, so wie in der Vision von GM, uns in Zukunft mit Energie versorgen?
Es gibt bislang keine einheitlichen Standards, wie der Wasserstoff an Bord des Autos gespeichert wird. Die heutigen Prototypen sind entweder mit flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff im Tank unterwegs. Doch die Infrastrukturen für beide Systeme sind völlig unterschiedlich. Und bislang scheint sich noch keine Alternative durchzusetzen. Allein für den Aufbau einer flächendeckenden Wasserstoffinfrastruktur rechnet die Initiative Verkehrswirtschaftliche Energiestrategien mit Kosten von bis zu 100 Milliarden Euro. Dabei geht es ausschließlich um Tankstellen und Transportsysteme. Und das Netz muss ziemlich dicht gestrickt sein, denn Prototypen -gleich welcher Bauweise- erreichen momentan nicht die Reichweiten gewöhnlicher Pkw. Das Testauto Necar 4 von Daimler Chrysler (DC) schafft es mit einer Tankfüllung flüssigen Wasserstoffs immerhin 450 Kilometer weit.
Aber nicht nur die Frage der Speicherung (Link zu Infokasten „Wasserstoff“) ist noch ungeklärt. Auch wie der Wasserstoff das Auto antreibt ist noch offen. Am Ende soll das Auto stehen, das Wasserstoff tankt, der in einer Brennstoffzelle den Motor antreibt. Was aber ist zuerst aufzubauen? Ein flächendeckendes Netz für Wasserstofftankstellen oder eine serienreife Flotte von Brennstoffzellenautos? Der Übergang ins Wasserstoffzeitalter ist ein „Henne-Ei-Problem“. Kein Kunde kauft sich ein Brennstoffzellenauto, wenn er nicht schon ein Netz von Tankstellen hat, ohne die er nicht fahren kann. Auf der anderen Seite wird niemand Tankstellen bauen für Autos, die es noch gar nicht gibt. Die meisten Autohersteller wollen das "Henne-Ei-Problem" mit technischen Übergangslösungen umgehen. Nur welche davon wird zum Schrittmacher für den direkten Brennstoffzellenbetrieb ?
Viele Experten favorisieren die sogenannte On-Board-Reformierung. Dabei werden zunächst einmal fossile Brennstoffe, wie Ergas, Benzin oder Diesel an Bord des Fahrzeugs in Wasserstoff umgewandelt und erst dann in die Brennstoffzelle geleitet. Vorteil: Serienreife Brennstoffzellenautos könnten auf den Markt kommen, die im Fall von Benzin oder Diesel ohne neue Infrastruktur auskommen. Daimler Chrysler und General Motors haben die ersten Prototypen mit dieser Technik entwickelt. Dagegen aber sprechen Umweltargumente. Da fossile Brennstoffe eingesetzt werden, produzieren auch diese Motoren beim Reformieren CO2, wenn auch deutlich weniger als herkömmliche Verbrennungsmotoren. Allerdings, Erdöl und Erdgas gehen zuende. Die Reformierung könnte also sowieso nur eine Zwischenlösung auf dem Weg zum direkten Brennstoffzellenbetrieb sein.
Tanken an der Hausbar? Über Brasiliens Straßen rollen seit Jahren ethanolbetriebene Autos. In Deutschland haben Ingenieure von DaimlerChrysler die Idee aufgegriffen. Sie experimentieren mit Methanol im Tank. Dieser nicht-trinkbare Alkohol kann ebenfalls im Auto in Wasserstoff umgewandelt werden. Dabei wird Methanol, anders als Benzin aus verschiedensten Rohstoffen hergestellt. Größerer Mengen des Alkohols könnten kurzfristig aus Kohle gewonnen werden. Szenarien für die Zukunft sehen Methanol aus Biomasse im Tank. Ernteabfälle oder Holz spezieller Nutzplantagen könnten vergast werden um den Treibstoff zu produzieren. Schöner Nebeneffekt: Die Kohlenstoffbilanz bliebe dabei ausgeglichen, kein CO2 würde netto freigesetzt.
Im Sommer 2002 war ein Testfahrzeug von Daimler Chrysler medienwirksam von San Francisco nach Washington DC unterwegs. Alle 450 Kilometer stand ein Methanoltank an der Strecke. Denn Methanol ist zwar flüssig wie Benzin, zerstört aber wegen seiner chemischen Eigenschaften herkömmliche Speicher und muss daher in speziell gefertigten Tanks gelagert werden. Geht man also den Umweg über Methanol und will eine reine Wasserstoffwirtschaft aufbauen, müsste man also zweimal eine neue Infrastruktur aufbauen und finanzieren: zuerst eine für Methanol und Jahre später eine für Wasserstoff. DaimlerChrysler setzt dennoch auf Methanol, vor allem da der Umgang mit einem flüssigen Treibstoff wie Methanol wesentlich einfacher als der mit Wasserstoff ist. Momentan entwickeln die Ingenieure aus Stuttgart eine Brennstoffzelle, die direkt mit Methanol betrieben werden soll. Der technisch aufwändige und somit teure Reformer, der aus Methanol den Wasserstoff freisetzt, würde hier nicht mehr gebraucht. Im Idealfall könnte diese Idee also eine Wasserstoffinfrastruktur unnötig machen.
Bei Ford und BMW heißt die Devise: Erst die Tankstelle, dann die Brennstoffzelle. Sie verzichten ganz auf Reformierungssysteme. Ihre Prototypen tanken heute den Wasserstoff wie Benzin, der dann direkt verbrannt wird. Vorteil dieser Technik: Heute gängige Verbrennungsmotoren müssten nur geringfügig angepasst werden, um Wasserstoff zu nutzen. Deshalb, so argumentieren die Firmen, könnten solche Autos schneller und billiger in Serienreife gehen, als Brennstoffzellenautos, die eine völlig andere Technologie benötigen. Dafür haben sie ein anderes Problem. Die Idee funktioniert erst dann, wenn es eine flächendeckende Versorgung mit Wasserstofftankstellen gibt. Dann allerdings könnten die Fahrzeuge nach und nach auf Brennstoffzellen umgerüstet werden.
Zwei unterschiedliche Konzepte also wollen den Weg in die Wasserstoffzukunft weisen. Die einen wollen von Anfang an den Wasserstoff an der Tankstelle abholen. Die anderen wollen ihn zunächst im Auto selbst aus anderen Energieträgern gewinnen. Gemeinsames Ziel ist ein Brennstoffzellenauto, das Wasserstoff tankt. Und das gemeinsame Problem auf lange Sicht: Wo soll die unglaubliche Menge Wasserstoff für unsere Autos herkommen? Dieses Problem stellt sich weniger für die Autohersteller. Deren Entwicklungen sind vielversprechend, noch bestehende Schwierigkeiten, wie die geringen Reichweiten der Prototypen dürften bald gelöst sein. Die Produktion von ausreichend Wasserstoff aber ist eine gigantische und womöglich unlösbare Aufgabe.
Das Geschäft mit dem Wasserstoff wird das Geschäft mit Benzin ablösen. Und die Akteure werden dieselben sein. Die Mineralölkonzerne von heute sind die Wasserstoffkonzerne von Morgen. Sie investieren heute schon Milliarden in die Wasserstofftechnik. Aber sie werden Mühe haben, ausreichend Wasserstoff zu produzieren.
Für die industrielle Produktion von Wasserstoff gibt es heute zwei gängige Verfahren:
Aus Erdöl, Kohle und Erdgas wird das Gas bei hohen Temperaturen gewonnen. Ein industrieller Prozess, bei dem allerdings neben anderen Schadstoffen auch CO2 frei wird. Die Abhängigkeit des Verkehrs von fossilen Brennstoffen würde dabei zudem nur verlängert und nicht beendet. Auch wenn Kohle und Gas nach allen Hochrechnungen später als Erdöl zuende gehen.
Ein zweites Herstellungsverfahren ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Eine umgekehrte Brennstoffzelle also, die keinen Strom erzeugt, sondern Strom verbraucht. Ein Brennstoffzellenauto fährt also, wenn der Wasserstoff elektrolytisch hergestellt wird, mit elektrischem Strom. Der in der Brennstoffzelle benutzte Wasserstoff ist lediglich eine Speicherform für den elektrischen Strom. Aber Strom wird zukünftig ein kostbares Gut sein. Der Strom der heute aus unserer Steckdose kommt, stammt im Wesentlichen aus Atomkraftwerken und fossilen Brennstoffen. Erdöl, Kohle und Erdgas werden von unserem Planeten verschwinden, in Deutschland zumindest auch die Atommeiler abgeschaltet. Regenerative Energiequellen müssten also soviel Strom produzieren, dass wir unseren Wasserstoffbedarf für den Verkehr decken können. Und die Konkurrenz um die knappe Ressource regenerativer Strom ist groß. Haushalte und Industrie müssen mit Strom versorgt werden. Wasserstoff soll irgendwann nicht nur Autos antreiben, sondern auch Computer, Kameras und Verkehrsüberwachungssysteme.
Die Vorteile einer Welt-Wasserstoff-Wirtschaft gegenüber einer Energiewirtschaft, die auf fossilen Brennstoffen basiert liegen auf der Hand: Fossile Brennstoffe sind in absehbarer Zeit aufgebraucht. Wind-, Sonnen- oder Wasserkraft stehen der Welt unbegrenzt zur Verfügung, genau wie Wasserstoff, der unendlich oft aus Wasser gewonnen werden kann.
Die Energie- und Wasserstofferzeugung ist ein sauberer Prozess ohne Umweltbelastungen wie etwa bei Öl oder Kohle und ohne mögliche Gefahren für die Menschheit wie bei der Atomkraft.
Allerdings könnte es dennoch beim schönen Schein der reinen Wasserstoffgesellschaft bleiben. Wasserstoff steht zwar unbegrenzt zur Verfügung. Trotzdem liefert er keine Energie wie die permanenten Kernfusionen in unserer Sonne oder die über Jahrmillionen entstandenen Kohle- und Ölvorräte. Wasserstoff ist wie eine Batterie, die nur das freigeben kann, was zuvor geladen wurde. In welchem Umfang wir diese „Wasserstoffbatterie“ benutzen können hängt einzig und allein von der Menge an Strom ab, die regenerativ hergstellt werden kann. Wind und Biomasse gelten dabei als besonders wachstumsfähige Energiequellen, während Wasserkraft in Deutschland ihr Potential so gut wie ausgeschöpft hat. Solarenergie wird wohl auf Jahrzehnte zu teuer bleiben, um wettbewerbsfähig Wasserstoff zu erzeugen. Die direkte Einspeisung des teuren Solarstromes ins Stromnetz ist wesentlich ökonomischer. Selbst am Fraunhoferinstitut, wo Solarzellen betriebene Elektrolyse-Einheiten entwickelt werden, glaubt man nicht an eine Verwendung in der Verkehrstechnik. Wie viel Wasserstoff momentan regenerativ hergestellt werden könnte, ist umstritten. Beim heutigen Verkehrsaufkommen in Europa, so schätzt Aral, ließen sich rund 30 Prozent des Bedarfs decken. Einige Länder haben es da leichter. Island mit seinen unzähligen heißen Quellen könnte heute schon genug regenerativen Wasserstoff für sein Verkehrsaufkommen herstellen. Wüstenstaaten hätten Platz für riesige Solaranlagen. Insgesamt aber sind wir weit davon entfernt, weltweit unseren Energiebedarf regenerativ zu decken. Die meisten Studien gehen zudem davon aus, dass wir in 50 Jahren zwei- bis viermal so viel Energie verbrauchen, wie heute.
Das Wasserstoffauto wird kommen. Womöglich schon 2010 werden wie im Szenario von General Motors die ersten serienmäßigen Fahrzeuge vom Band rollen. Mit dem Wasserstoffauto wird eine neue Ära in der Verkehrsgeschichte beginnen. Dann steht uns eine neuer, unbegrenzter und sauberer Energiespeicher zur Verfügung. Ein Problem allerdings wird auch der Wasserstoff nicht lösen können: Was liefert uns in Zukunft die Energie, um ihn zu gewinnen?

Susanne Hein
studiert Publizistik- und Kommunikationswissenschaften an der FU Berlin
Daniel Schwenk
Chemiker, macht derzeit eine Zusatzaubildung zum Wissenschaftsjournalisten