Die Brennstoffzelle: Eine Technologie mit Zukunft?
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Vielerorts ist man davon überzeugt, dass Wasserstoff einen zunehmend wichtigen Beitrag zu nachhaltiger Mobilität leisten kann. In einem Interview spricht Jürgen Guldner, Leiter der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie bei BMW, über die Chancen der Antriebsform und erklärt, dass die Investition in zwei Infrastrukutren – Ladesäulen und Wasserstofftankstellen – der cleverere Weg sei.
Für Autofahrer, die viel unterwegs sind und hohe Anforderungen an die Flexibilität haben, könnten sogenannte “Fuel Cell Electric Vehicles” (FCEVs), also Brennstoffzellenfahrzeuge, eine passende Antwort sein. Dieser Überzeugung ist nicht nur der Autobauer BMW, sondern auch der Hydrogen Council, eine weltweite Initiative von Mitgliedern aus führenden Energie-, Transport- und Industrieunternehmen.
Der Hydrogen Council sieht Wasserstoff in der Zukunft nicht nur als nachhaltigen Antrieb für Fahrzeuge, sondern auch als sauberen Energieträger für Wärme, Strom und die Industrie. Auch laut einem Bericht der IEA (International Energy Agency) besitze Wasserstoff ein großes Potenzial als Energieträger der Zukunft. Vor allem, weil er sich durch seine Speicher- und Transportfähigkeit in unterschiedlichsten Anwendungen einsetzen lässt.
„Wasserstoff wird als vielseitige Energiequelle eine Schlüsselrolle bei der Energiewende und damit beim Klimaschutz spielen. Wasserstoff ist eine der effizientesten Möglichkeiten, erneuerbare Energien zu speichern und zu transportieren”, sagt auch Oliver Zipse, Vorstandsvorsitzender von BMW. Um das besagte Potenzial von Wasserstoff optimal auszuschöpfen, produziert die BMW Group Brennstoffzellensysteme im eigenen Kompetenzzentrum für Wasserstoff in München. „Wasserstoff ist das fehlende Puzzleteil für emissionsfreie Mobilität, denn eine einzige Technologie wird nicht ausreichen, um klimaneutrale Mobilität weltweit zu ermöglichen“, so Zipse weiter.
In der Brennstoffzelle (vorne) findet die chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff aus den Tanks und dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft statt | Bild: BMW
“Noch sind wir ganz am Anfang”
Auf dem Gebiet der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie sieht sich die BMW Group in einer Vorreiter-Rolle – und treibt die Entwicklung permanent voran. Doch wie funktioniert es genau? In der Brennstoffzelle findet die chemische Reaktion zwischen dem gasförmigen Wasserstoff aus den Tanks und dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft statt. Für eine hohe Effizienz des Antriebs ist eine gleichmäßige Versorgung der Membran in der Brennstoffzelle mit den beiden Medien entscheidend.
Neben technologischen Analogien zum Verbrennungsmotor wie Ladeluftkühler, Luftfilter, Steuergeräten und Sensorik, hat BMW für das neue Brennstoffzellensystem auch spezielle Wasserstoff-Komponenten entwickelt. Dazu gehören beispielsweise der hochdrehende Kompressor mit Turbine oder eine Hochvolt-Kühlmittelpumpe. Die Herstellung der Brennstoffzellensysteme erfolgt dabei in zwei Schritten. Zunächst werden die einzelnen Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellen-Stack gestapelt. Danach findet die Montage aller weiteren Komponenten zu einem vollständigen Brennstoffzellensystem statt. Die einzelnen Brennstoffzellen erhält die BMW Group von Entwicklungspartner Toyota. Beide Unternehmen blicken auf eine langjährige Zusammenarbeit zurück und kooperieren in diesem Bereich bereits seit dem Jahr 2013 miteinander.
Im Gespräch mit dem Onlinemagazin Edison erklärt Jürgen Guldner, seit 2018 Leiter des Gesamtbereiches Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie und -Fahrzeugprojekte bei BMW, dass der Hersteller seit langem das Ziel verfolge, bis 2050 klimaneutral zu werden; entsprechend dem Pariser Abkommen. Als Ergebnis ihrer Bemühungen und Erfahrungen hätten sie erkannt, dass eine umfassende Nutzung verschiedener Technologien entscheidend sei, anstatt sich ausschließlich auf eine Technologie zu konzentrieren. Dieser Ansatz spiegele sich auch in der Vielfalt der batterieelektrischen Fahrzeuge wider, die BMW sukzessive auf den Markt gebracht hat, einschließlich besonderer Modelle wie einem batterieelektrischen Rolls Royce.
Dabei erläutert er, dass BMW bei der Entwicklung von Modellen mit Brennstoffzellenantrieb ähnliche Schritte wie bei Batterie-Elektroautos verfolge. Derzeit befinde man sich noch “ganz am Anfang”. Die iX5-Hydrogen-Fahrzeuge, die derzeit in begrenzter Stückzahl im Einsatz sind, gehören zu einer Pilotflotte. Obwohl diese Fahrzeuge bereits einen fortgeschrittenen Entwicklungsstand aufweisen, handele es sich weiterhin um Prototypen. Durch die Sammlung von Erfahrungen mit diesen Fahrzeugen möchten die Münchner den optimalen Zeitpunkt für die Einführung eines Serienangebots ermitteln. Eine endgültige Entscheidung darüber stehe noch aus, könnte jedoch gegen Ende des Jahrzehnts fallen.
Der 400 PS starke BMW iX5 Hydrogen wird aktuell im Rahmen eines Pilotprojektes eingesetzt. Dieser sei in wenigen Minuten vollgetankt und biete über 500 Kilometer Reichweite | Bild: BMW
Der BMW iX5 Hydrogen als Innovationstreiber
„Wir können uns vorstellen, in der Zukunft eine gemeinsame Fahrzeugarchitektur für den batterieelektrischen und brennstoffzellenelektrischen Antrieb zu haben“, heißt es weiter. Im Hinblick auf BMWs Neue Klasse, die 2025 auf den Markt kommen soll, gibt Guldner Einblick in die Vision des Herstellers. Die Idee sei, potenziell den gleichen Elektromotor, die gleiche Fahrsoftware und die gleiche Art der Energiespeicherung sowohl für Batterien als auch für Wasserstofftanks zu nutzen. Dieser Ansatz soll Effizienz und Flexibilität in der Produktion gewährleisten.
Ob BMW auch Wasserstoff für Verbrennungsmotoren im Pkw-Bereich einsetzen möchte, wird klar verneint. BMW konzentriere sich im Pkw-Segment ausschließlich auf die Nutzung von Wasserstoff in Form von Brennstoffzellen. Allerdings gibt es im Lkw-Bereich Überlegungen und Aktivitäten bezüglich Wasserstoff-Verbrennungsmotoren. Guldner ist der Meinung, dass die Zukunft der Mobilität zwar elektrisch ist, sich aber die Straßen zweigleisig entwickeln werden. Im Schwerlastverkehr könnte Wasserstoff gegenüber Batterien bevorzugt werden, während im Pkw-Bereich die Tendenz umgekehrt sein werde. Er erkennt die individuellen Präferenzen der Verbraucher an und sieht in batterieelektrischen und brennstoffzellenelektrischen Fahrzeugen Technologien, die sich gegenseitig sinnvoll ergänzen können.
Im Rahmen des Interviews gibt der Wasserstoff-Experte auch detaillierte Einblicke in die Technologie des iX5 Hydrogen. Das Brennstoffzellensystem des Fahrzeugs ist im Vorderwagen platziert, wobei die Tanks sechs Kilogramm Wasserstoff aufnehmen können. Dies ermögliche dem Fahrzeug eine Reichweite von etwa 500 Kilometern, abhängig von der individuellen Fahrweise. Besonders hervorgehoben wird die ungewöhnlich kleine, aber äußerst leistungsfähige Batterie des SUVs.
Weiterhin hebt Guldner die Brennstoffzelle des iX5 hervor, die mit 125 kW die stärkste im Pkw-Bereich sei. Deren Leistung könne dauerhaft abgerufen werden, was dem Fahrzeug eine konstante Geschwindigkeit von 185 km/h auf der Autobahn ermöglichen soll. Man habe keinen Unterschied zwischen Spitzen- und Dauerleistung. Jedoch weist der iX5 Hydrogen keinen Allradantrieb auf, da dies nicht im Fokus der Entwicklungen gestanden sei. Das wird eine Hausaufgabe für die nächste Fahrzeuggeneration sein, wie Guldner hinzufügt.
Das Tanken mit Wasserstoff geht so schnell wie mit herkömmlichen Benzin oder Diesel, die Anzahl von Tankstellen in Europa ist allerdings aktuell sehr begrenzt | Bild: BMW
Der Hauptvorteil ist die kurze Tankdauer
BMW nutze dieselbe Brennstoffzellen-Technik wie der Toyota Mirai. “Der Rest, der sogenannte Stapel und das Gesamtsystem etc. – das ist alles unser Design und wird hausintern in Landshut gefertigt. Mit Toyota arbeiten wir seit zehn Jahren sehr erfolgreich und kollegial zusammen. Wir haben uns auch viel ausgetauscht über das Gesamtsystem”, erklärt er weiter. In Bezug auf künftige mögliche Kooperationen mit anderen deutschen Herstellern möchte Guldner jedoch keine Angaben machen.
Dass die Anzahl von Wasserstoff-Tankstellen im Vergleich zu Ladestationen für batterieelektrische Fahrzeuge aktuell in Europa sehr begrenzt ist, darauf weist auch der promovierte Elektrotechniker hin. Er gibt an, dass Deutschland in Bezug auf die Wasserstoffinfrastruktur jedoch “sehr weit vorne” sei, während auch in anderen europäischen Ländern schrittweise Wasserstofftankstellen entstehen. Er ist sich sicher, dass die Zeit für Wasserstofffahrzeuge kommen wird und BMW möglicherweise in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts ein Serienprodukt anbieten könne. Dabei betont er die Notwendigkeit, die Technologie weiterzuentwickeln und die Kosten auf ein nachhaltiges Skalierungsniveau zu senken.
Das Wasserstofffahrzeug sei sehr ähnlich zu einem batteriebetriebenen Elektroauto – es fahre genauso elektrisch und sei lokal emissionsfrei, da die Abluft nur aus reinem Wasserdampf bestehe. Die Möglichkeit, ein Wasserstoffauto schnell aufzutanken, mache die Sache so interessant. Diese Kombination dürfte besonders attraktiv für Menschen sein, die keine Möglichkeit zum elektrischen Laden zu Hause oder im Büro haben und daher auf öffentliche Ladestationen angewiesen sind. Doch für BMW gehe es nicht um ein Entweder-Oder. Beide Technologien seien notwendig, um die Mobilitätswende erfolgreich zu bewältigen. Guldner betont die Bedeutung eines weiteren massiven Ausbaus der elektrischen Ladeinfrastruktur und erkennt die globalen Herausforderungen in diesem Bereich an. Kunden, die häufig Langstrecken fahren und ihre Fahrzeuge weiterhin wie bisher nutzen möchten, könnten sich künftig für Wasserstoff als attraktive Alternative entscheiden.
Trotz Weiterentwicklung der Wasserstofftechnologie sei der Autobauer weiterhin bestrebt, die Ladezeiten von Batterieautos zu verringern. Dennoch werde weiterhin ein Unterschied bestehen zu den drei oder vier Minuten, die ein Tankvorgang bei Wasserstofffahrzeugen dauert. Ziel von BMW sei es, alle Kunden von den Vorteilen des emissionsfreien Fahrens zu überzeugen, und dafür sei aus Sicht von Guldner das Angebot verschiedener Optionen die richtige Vorgehensweise.
Wasserstofftankstellen sollen effizienter sein als einzelne Ladesäulen, da sie mehr Fahrzeuge in kürzerer Zeit bedienen können | Bild: H2 Mobility
“Zwei Infrastrukturen sind wirtschaflticher als eine”
Die Integration von Wasserstoff als Energieträger spiele “im großen Rahmen Energiesystem” eine wichtige Rolle, insbesondere mit Blick auf die Entlastung der Infrastruktur. Guldner weist darauf hin, dass eine strategische Umstellung vom Heizen mit Gas auf elektrische Heizsysteme in Deutschland bevorsteht, wodurch das Stromnetz weiter ausgebaut werden müsse. Ein bedeutender Vorteil von Wasserstoff bestehe darin, dass vorhandene Erdgas-Pipelines genutzt werden könnten. Die Bundesregierung plane laut Guldner, die europäischen und deutschen Erdgasnetze schrittweise in ein umfassendes Verteilnetz für Wasserstoff umzubauen, was nicht nur die Wasserstoffnutzung fördere, sondern auch zur Entlastung der Stromnetze beitrage.
Der Experte sieht eine klare Notwendigkeit von zwei Infrastrukturen: Ladesäulen und Wasserstofftankstellen. Dabei verweist er auf Studien, die darauf hinweisen sollen, dass die Kombination beider Technologien kostengünstiger sei als die ausschließliche Konzentration auf die elektrische Ladeinfrastruktur. Er greift dabei auf ein Schaubild einer Studie des Forschungszentrums Jülich aus dem Jahr 2018 zurück. Hieraus soll hervorgehen, dass die Kosten für den Aufbau von Ladesäulen mit zunehmender Anzahl von Elektroautos stärker steigen würden als die Kosten für den Aufbau von Wasserstofftankstellen. Dies liege unter anderem daran, dass letztere effizienter seien und mehr Fahrzeuge bedienen können als einzelne Stromanschlüsse.
Bei der Infrastruktur für Wasserstoff-Tankstellen sei das Kostenmodell anders strukturiert. Zwar erfordere der Aufbau eine anfängliche Investition in die Basisinfrastruktur, aber die Kosten pro Tankstelle würden anschließend “mehr oder weniger” konstant bleiben. Er bezieht sich auf Berechnungen von McKinsey aus dem vorherigen Jahr, die verschiedene Szenarien für die Elektrifizierung des Verkehrs in Europa bis 2050 untersucht haben. Dass 40 Prozent der Lkw und 15 Prozent der Kleinlaster und Pkw im Jahr 2050 wasserstoffbetrieben sind, hält Guldner für nicht unrealistisch. Diese Annahmen könnten zu einer Einsparung in Höhe von etwa 300 Milliarden Euro in Europa und einer deutlich besseren Klimabilanz des Verkehrssektors führen. Der Experte betont, dass solche Szenarien zeigen, dass zwei separate Infrastrukturen unter dem Strich kostengünstiger seien als eine alleinige Fokussierung auf die elektrische Ladeinfrastruktur.
Er glaubt, dass Wasserstoff eine vielversprechende Zukunft haben kann. Vor allem, wenn emissionsfreie Mobilität konsequent verfolgt wird. Er verweist auf die Alternative Fuel Infrastructure Regulation (AFIR) der Europäischen Kommission, die bis 2030 ein flächendeckendes Netz für sowohl elektrisches Laden als auch Wasserstofftanken vorsieht. Trotz der ehrgeizigen Ziele bis 2030, die in nur sechs Jahren erreicht werden müssen, betont er, dass dieser Rechtsakt für alle EU-Mitgliedsstaaten bindend ist. Das Ziel sei die Initiierung eines Basisnetzes mit rund 600 Wasserstofftankstellen in Europa, die in etwa 200 Kilometer Abstand zueinander stehen. Damit könne man mit einem iX5 Hydrogen problemlos quer durch Europa zu fahren. “In Asien ist die Dynamik noch höher als in Europa, was den Tankstellenaufbau betrifft. Europa muss sich dieser Dynamik bewusst sein”, heißt es abschließend.
Quellen: Edison – Zwei Infrastrukturen sind billiger als eine / BMW – Wasserstoffauto: Alles, was Sie jetzt wissen sollten / FZ Jüllich – Comparative Analysis of Infrastructures: Hydrogen Fueling and Electric Charging of Vehicles
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