Der Antrieb des Fortschritts - Motorkonzepte für Wasserstofffahrzeuge
Von Bernd Müller
Mittlerweile fahren schon hunderte moderne Wasserstofffahrzeuge über die Straßen der Welt. Nach Ansicht von Experten wird es aber noch Jahre dauern, bis die Serienfertigung beginnt und das saubere Auto für jedermann zu haben ist. Bis dahin sind noch zwei grundsätzliche Fragen zu klären: Nach welchem Konzept wird Wasserstoff das Auto der Zukunft antreiben? Und: Ab wann wird die Technik erschwinglich sein?
Derzeit verfolgen die großen Automobilkonzerne zwei Strategien, um die Wasserstofftechnik voranzubringen: zum einen die Brennstoffzelle, zum anderen den Wasserstoffverbrennungsmotor. Insbesondere BMW, aber auch Ford und MAN treiben letzteren voran. Dabei handelt es sich um Ottomotoren, die auf die Nutzung von Wasserstoff abgestimmt sind. So können Konstrukteure auf jahrzehntelang gesammeltes Wissen zurückgreifen.
Die Brennstoffzelle dagegen ist noch relativ jung. Die Ingenieure müssen deshalb in Riesenschritten voraneilen, wenn sie in absehbarer Zeit ein Brennstoffzellenfahrzeug auf den Markt bringen wollen, das es mit der ausgefeilten Ottomotor-Technik von heute aufnehmen kann. Die Brennstoffzelle hat allerdings einen entscheidenden Vorteil: Ihr Wirkungsgrad ist etwa doppelt so hoch wie der des Verbrennungsmotors. Das macht sie als Antrieb der Zukunft so außerordentlich attraktiv. Die Brennstoffzelle liefert den erzeugten Strom an den Elektromotor, der das Fahrzeug antreibt. Beide zusammen können schon bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment erzeugen. Und gerade das zur Verfügung stehende Drehmoment ist für den Fahrspaß entscheidend. So sind Brennstoffzelle und Elektromotor die ideale Kombination für die Sprintstrecke im Stadtverkehr.
"Das Ziel der Autobauer ist es, ein umweltfreundliches Fahrzeug zu entwickeln, das in Sachen Leistung, Beschleunigung oder Fahrdynamik den heutigen Autos ebenbürtig ist", sagt Werner Tillmetz, Vorstand des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) in Ulm und ehemaliger Brennstoffzellen-Projektleiter bei Daimler. "Sonst steht zu befürchten, dass die Kunden die Autos trotz Umweltvorteil nicht akzeptieren."
Obwohl die aktuellen Testfahrzeuge - der F-Cell von Daimler, der HydroGen3 von GM/Opel oder der Focus FCEV Hybrid von Ford - bereits erstaunlich leistungsfähig sind und Geschwindigkeiten bis zu 150 Kilometer pro Stunde erreichen, müssen auf dem Weg zum konkurrenzfähigen Fahrzeug noch einige Hürden gemeistert werden. Dabei kämpfen die Autoingenieure noch mit einigen Schwachpunkten der Brennstoffzelle: dem hohen Preis, der mäßigen Langzeitstabilität und ihrem Einfrieren beim Parken bei knackigen Minusgraden.
- Schnell unterwegs: Der F-Cell von Daimler erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 150 Kilometer pro Stunde. Foto: Daimler Benz AG
Obwohl also noch Optimierungsbedarf besteht, können sich die modernen Brennstoffzellenfahrzeuge sehen lassen. Daimler jagte seine F-Cell-A-Klasse ohne große Probleme von San Francisco über die Rocky Mountains bis nach Washington. Und 2006 meisterte ein HydrogGen3-Zafira von Opel eine 10.000 Kilometer lange Marathonreise durch 14 europäische Länder. Lieferwagen mit Wasserstoffherz leisten seit mehr als drei Jahren zuverlässig ihren Dienst bei Logistikunternehmen. Angesichts solcher Erfolge resümiert ZSW-Vorstand Tillmetz: "In Sachen Brennstoffzelle sind alle Hersteller ähnlich weit. Um die Fahrzeuge zu verkaufen, müssen aber trotzdem noch einige Eigenschaften optimiert werden." Entscheidend sei letztlich, wer die beste Markteinführungsstrategie habe und wie stark die politische Unterstützung für diese emissionsfreie Technik sei. BMW dürfte, nach Einschätzung von Experten, in Sachen Markteinführung dank konventioneller Technik derzeit die Nase vorn haben.
Noch während der Produktion der aktuellen 7er-Reihe will das Münchner Unternehmen ein Oberklassefahrzeug mit Wasserstoffantrieb auf die Straße bringen. Dabei setzt die Firma auf einen so genannten bivalenten Verbrennungsmotor, der sowohl mit Benzin als auch mit Wasserstoff betrieben werden kann. Seine Vorteile liegen auf der Hand: Die Ingenieure beherrschen bereits die Fertigungsprozesse für solche Maschinen und können die Produktion von Wasserstoffmotoren leicht in bestehende Strukturen integrieren. Das spart Geld. Der Hersteller ist deshalb optimistisch, dass die Fahrzeuge nicht wesentlich teurer als die klassische Variante sind.
BMW sieht den bivalenten Motor vor allem als einen ersten Schritt in die Wasserstoffwirtschaft, der zu einer Zeit kommt, in der noch keine nennenswerte Infrastruktur existiert. Noch gibt es längst nicht an jeder Ecke eine H2-Tankstelle. Um die Lücken zwischen den Zapfsäulen zu überbrücken, ist das Fahrzeug deshalb mit zwei Tank- und Leitungssystemen ausgestattet. Die Wasserstofffüllung reicht immerhin für 300 Kilometer. Ist der Ökotreibstoff verbraucht, schaltet die Maschine automatisch auf Benzin um. Damit kommt der Wagen nochmals rund 600 Kilometer voran.
- Vision einer "Wasserstoff-Tankoase". Noch gibt es längst nicht an jeder Ecke eine H2-Tankstelle. Grafik: Linde-AG
Anders als BMW arbeitet Ford zu gleichen Teilen am Verbrennungsmotor und am Brennstoffzellenantrieb. Damit will das Unternehmen den Weg in die Wasserstoffzukunft in Etappen gehen. "Gleichzeitig auf Brennstoffzelle und den neuen Treibstoff Wasserstoff umzusteigen, halte ich für schwierig" sagt Roland Krüger vom Ford-Forschungszentrum in Aachen. So testet das Unternehmen seit Sommer 2006 den Focus C-MAX H2 ICE mit monovalentem Verbrennungsmotor. Da der Wasserstoff als Gas verbrannt wird, ist seine Energiedichte relativ gering. Deshalb wurde ein Kompressor installiert, der das Gas verdichtet, bevor er es in die Brennkammer schickt. Ladeluftkühler verhindern, dass sich der Wasserstoff schon beim Komprimieren zu stark erwärmt.
Um zu zeigen, zu welchen Rekordleistungen ein Wasserstoffauto fähig ist, griffen die BMW-Ingenieure ebenfalls auf ein monovalentes System zurück. Im Dezember 2006 verkündete die Firma schließlich Rekordwerte. Auf der französischen Hochgeschwindigkeitsstrecke Miramas war das monovalente Zwölfzylinderfahrzeug H2R mit einer Spitzengeschwindigkeit von mehr als 300 Kilometern pro Stunde über den Asphalt gebraust.
Doch alle Geschwindigkeitsrekorde können nicht über das bisherige große Manko der Wasserstofffahrzeuge hinwegtäuschen: die geringe Reichweite. Mehr als 500 Kilometer schafft bislang niemand. In einem Kilogramm Wasserstoff steckt zwar deutlich mehr Energie als in einem Liter Benzin doch lässt sich das Gas im Auto bisher nicht stark genug verdichten. Um 500 Kilometer weit zu fahren, benötigt man rund fünf Kilogramm Wasserstoff. Das entspricht inklusive Tanksystem einem Volumen von bis zu 120 Litern, vorausgesetzt man benutzt flüssigen Wasserstoff. Der muss allerdings aufwändig isoliert werden, damit das Gas nicht zu schnell verdampft. Bislang nutzen die Hersteller zumeist Tanks, die Wasserstoff als Druckgas bei 350 bar speichern. Das ist weniger dicht, so dass sich damit noch deutlich weniger nutzbare Moleküle mitnehmen lassen. So ist die Suche nach dem optimalen Pkw-Tank eine der größten Herausforderungen auf dem Weg in die automobile Wasserstoffzukunft. Mittlerweile sind auch 700-bar-Tanks aus Carbonfasern in der Serienentwicklung, die mehr Wasserstoff fassen. Doch sind sie derzeit noch sehr teuer und nicht von der Stange verfügbar.
So funktioniert eine Brennstoffzelle:
Jede einzelne Brennstoffzelle gleicht einem vielschichtigen Sandwich, das die Gase voneinander trennt. Auf der einen Seite strömt Wasserstoff heran, auf der anderen Sauerstoff. In der Mitte des Sandwichs befindet sich die "Protonen-Austausch-Membran" (Proton Exchange Membran - PEM). Durch diese Kunststofffolie wandern selektiv Protonen, um sich auf der anderen Seite mit dem Sauerstoff zu Wasser zu vereinen. Die PEM ist von einer hauchdünnen platinhaltigen Katalysatorschicht umgeben. Darauf ruht eine Gasdiffusionslage aus Kohlefaserpapier. Den Abschluss, quasi den Deckel und Boden des Sandwichs, bilden zwei "Bipolarplatten".
Um Energie zu erzeugen, lässt man Wasserstoff und Sauerstoff durch Gaskanäle in den Bipolarplatten in die Zelle strömen. Im Kohlefaserpapier verteilt sich das Gas gleichmäßig über die ganze Fläche der flachen Zelle. In der Katalysatorschicht auf der Wasserstoffseite schließlich geben die Wasserstoffatome je ein Elektron ab und wandeln sich in positiv geladene Kationen. Als solche können sie die PEM passieren. Die freigesetzten Elektronen fließen als nutzbarer Strom zur Kathode. Auf der Sauerstoffseite angekommen, wandeln sie die Sauerstoffmoleküle in negativ geladene Sauerstoff-Anionen um. Diese reagieren schließlich mit den Wasserstoff-Kationen zu Wasser.