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Brennstoffzellen – Ewige Zukunftstechnologie?

Mit einem Schlitten durch eine vakuumierte Röhre, per Carsharing, mit dem eigenen Elektro- oder Brennstoffzellen-Fahrzeug an sein Ziel kommen. Noch hat die Mobilität der Zukunft viele Gesichter. Eins ist dabei wohl sicher – emissionsfrei, vernetzt und nahezu lautlos wird sie sein.
Kaum ein anderes Thema beschäftigt die deutsche Industrie so, wie die Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Der Druck auf die Unternehmen wächst. Viele europäische Nachbarstaaten haben bereits angekündigt, Verbrennungsmotoren in nicht allzu ferner Zukunft verbieten zu wollen. Jüngst gesellte sich Großbritannien mit einem Verkaufsverbot für Kraftfahrzeuge mit Benzin- oder Dieselmotoren ab 2040 hinzu. Besonders schockierend war allerdings der Vorstoß der chinesischen Regierung, die ab 2018 eine verbindliche Absatzquote für Elektro- oder Hybridautos von acht Prozent fordert.
Carl Martin Welcker, Präsident des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) betonte in seiner Eröffnungsrede zum 9. Maschinenbaugipfel zwar, dass dieser Wandel von technischen Entwicklungen und vom Markt getragen werden sollte und nicht von der Politik. Dennoch fordern die getroffenen politischen Entwicklungen zum Handeln auf. Dabei ist allerdings noch nicht geklärt, welche Technologie jetzt eigentlich die der Zukunft ist.

Einig bis 2025 – danach ist vieles möglich

Das zeigt auch die kürzlich weltweit durchgeführte Umfrage der Schweizer Wirtschaftsprüfungsgesellschaft KMPG bei 200 Automobilherstellern, -zulieferern, Händlern und Mobilitätsdienstleistern. Einig sind sich alle, dass dem Elektroantrieb die Zukunft gehört, doch scheiden sich die Geister bei den Antriebstechnologien. Bis 2025 sieht die Mehrheit der Befragten den Hybridantrieb, die Verbindung von Elektro- und Verbrennungsmotor, noch vor dem rein elektrischen. Doch auch die Brennstoffzellen- Technologie gewinnt zunehmend an Bedeutung. So prognostiziert die Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzellen des VDMA ein Wachstum von 90 Prozent für das laufende Jahr. Doch liegt Europa mit Deutschland als Treiber noch weit hinter den USA, Kanada, Japan und Korea.

Deshalb widmet der Verband dem zukunftsträchtigen Thema auf dem Maschinenbaugipfel 2017 einen Platz im Forum „Zukunft des Antriebsstrangs: Auswirkungen für den Maschinen- und Anlagenbau.“ So wird neben der aktuellen Situation der Elektromobilität in Deutschland und deren Zukunft, auch die nachhaltige Mobilität mit Brennstoffzellen im Forum und der Podiumsdiskussion erörtert.
Das Thema beschäftigt den VDMA schon eine ganze Zeit. Bereits 2002 wurde für das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. die Auswirkungen von Brennstoffzellen-Produkten auf den Maschinen- und Anlagenbau untersucht. Nach Gesprächen mit 65 Unternehmen weltweit, darunter 33 Entwickler und Hersteller von Brennstoffzellen sowie 32 Unternehmen aus sieben ausgewählten VDMA Fachverbänden, wurden bis zum Jahr 2020 zwei Szenarien abgeleitet. Die Untersuchung ging 2002 davon aus, dass bis zum Jahr 2010 die Brennstoffzelle vor allem im Bereich Strom bzw. Strom-/Wärmeerzeugung eingesetzt wird. Als Antrieb für mobile Anwendungen werde sie wohl nur als Nischenprodukt verfügbar sein.

Ab 2010 könnten sich laut der Untersuchung zwei verschiedene Szenarien etablieren. Durch massive Fortschritte in der Brennstoffzellen-Entwicklung können technische und kostenseitige Herausforderungen bewältigt werden.  Es könne dadurch zu einer breiten Markteinführung der Brennstoffzelle als Antrieb zunächst für PKW, danach auch für Nutzfahrzeuge und Maschinen kommen. In Szenario B wären die erforderlichen Schritte in der Entwicklung als Antrieb nicht erreicht worden. Somit würde es bei der Nutzung der Brennstoffzelle als Strom- und Wärmelieferant bleiben.

Folgen für den Maschinen- und Anlagenbau

Die Auswirkungen der Einführung von Brennstoffzellen-Produkten auf die einzelnen Fachverbände des VDMA wurden in der Untersuchung in Chancen, Risiken und Anpassung gegliedert. Bei einer breiten Markteinführung von Brennstoffzellen-Produkten ab 2010 würden vor allem die Branchen der Druck- und Papiertechnik, der Druckluft- und Vakuumtechnik, der Kunststoff- und Gummimaschinen, der Schweiß- und Druckgastechnik sowie der Textil- und verfahrenstechnische Maschinen vom Absatz bestehender Produkte in neuen Märkten profitieren. Negative Auswirkungen hätte das Szenario A bei den Branchen der Antriebstechnik, der Bergbau-, Prüf- und Werkzeugmaschinen sowie bei Fluidtechnik und Power Systems. Durch die Markteinführung der Brennstoffzellen würden einige ihrer Produkte teilweise substituiert werden. Einige Branchen könnten sich durch die Integration der Brennstoffzelle in ihr bestehendes Produktportfolio den Entwicklungen anpassen. Das gälte für Unternehmen aus den Bereichen Allgemeine Lufttechnik, Amaturen, Pumpen sowie Robotik und Automation.

Das zweite Feld der 2002 durchgeführten Untersuchung war die Analyse der Produktionstechniken für Systeme und Komponenten der Brennstoffzellen-Technologie. Daraus sollten dann die Forschungsfelder für die Entwicklung von Produktionstechniken zur Herstellung von Brennstoffzellen-Systemen abgeleitet werden. Als zusätzliche Hürde für die breite Markteinführung sprach damals zudem die Treibstoff-Problematik.

Produktionsverfahren seit Langem bekannt

Weltweit existieren 13 verschiedene Verfahren zur Bereitstellung molekularen Wasserstoffs. Fünf nutzen Kohlenwasserstoffe als Ausgangsmaterial, drei Verfahren Biomasse und die weiteren fünf spalten Wasser in seine Bestandteile. Die am weitesten verbreitete und aktuell wirtschaftlichste Methode ist die Dampfreformierung. Hierbei wird in zwei Schritten aus Kohlenwasserstoffen Wasserstoff erzeugt. Als mögliche Ausgangsstoffe können Erdgas, Biomasse oder Kohlenwasserstoffe aus Erdöl eingesetzt werden. Um die langkettigen Kohlenwasserstoffe in die Bestandteile Methan (CH4), Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) aufspalten zu können, wird unter hohen Druck und hoher Temperatur Wasserdampf hinzugegeben. Anschließend im Reformer dem Methan, unter höherer Temperatur aber gleichbleibendem Druck, Wasser hinzugegeben. Nach Ablauf der Reaktion bleiben Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff zurück. Da das Kohlenstoffmonoxid nicht vollständig umgesetzt werden kann, wird mit Hilfe der Wassergas-Shift-Reaktion dieses, abermals unter Zugabe von Wasser, zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgesetzt.
Durch die Nutzung fossiler Brennstoffe als Ausgangsprodukte, emmitiert der Wasserstoffherstellungsprozess genauso viel klimaschädliches Kohlenstoffdioxid wie bei seiner Verbrennung. Die Verwendung von Biomasse könnte die Klimabilanz des Prozesses verbessern, da nur so viel CO2 ausgestoßen wird, wie die Pflanzen bei ihrem Wachstum gebunden haben.

Herstellung auch ohne CO2

Bereits in den 1980er Jahren entwickelte die Firma Kværner ein gleichnamiges Verfahren zur Wasserstoffherstellung. Dieses nutzt ebenfalls Kohlenwasserstoffe als Ausgangsprodukt, jedoch ohne Kohlenstoffdioxid als Abfallprodukt. Die Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Methan aus Erd- oder Biogas, werden mit Hilfe eines Plamsabrenners bei sehr hohen Temperaturen bis 1600 Grad in reinen Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt. Dank des hohen Energiegehalts der Produkte und der hohen Temperatur des Heißdampfs ergibt sich ein Wirkungsgrad von nahezu 100 Prozent. Zum Vergleich: Braunkohlekraftwerke besitzen einen Wirkungsgrad von 44 Prozent, Kernkraftwerke von 35 Prozent und Photovoltaikanlagen gerade einmal 15 Prozent. 

Doch die Umfrage bei den Unternehmen zeigte auch, dass Qualität und Kosten von Brennstoffzellen-Systemen abhängig von der Entwicklung und Optimierung der Produktionstechniken sind. Großteils waren fehlende Fertigungs- und Verfahrenstechniken zur Serienfertigung von Teilen und die damit verbundenen Zielkosten und Qualitäten für die Defizite verantwortlich. Besonderen Forschungsbedarf sahen die befragten Unternehmen auf dem Gebiet der Schmelzkarbonat-, der Polymerelektrolyt- und der Festoxidbrennstoffzelle.

Für ein Gelingen sind nicht nur die Hersteller und Entwickler von Brennstoffzellen verantwortlich. Auch die Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus müssen ihr Know-How einsetzen, um Produktiontechniken der neuen Technologie zu entwicklen und zu optimieren. Um aus den Herausforderungen der Mobilität von morgen Chancen für die deutsche Industrie zu machen, fordert Carl Martin Welcker auch „ein klares Bekenntnis der Politik zur Investition und Innovation“, denn nur so seien die Chancen auch wahrnehmbar.

Akzeptanz in Deutschland

Aussagen wie, Wasserstoff sei „eine schreckliche Wahl, weil er hochentzündlich ist. Dann steckt sich jemand eine Zigarette an und alles explodiert.“, des Elektroautopioniers und Tesla Gründer Elon Musk in einem Spiegel Interview finden in Deutschland wenig Zustimmung. „Aus repräsentativen Umfragen wissen wir, dass es in Deutschland eine hohe Akzeptanz für Wasserstoff gibt.“, sagt Dr. Klaus Bonhoff, Geschäftsführer der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie GmbH (NOW). „Diese positive Einstellung herrscht, solange der Wasserstoff grün ist.“, ergänzt er.

Die chemischen Eigenschaften des Wasserstoffs machen ihn als Energieträger, unter den richtigen Vorraussetzungen, relativ ungefährlich. Als Element mit der geringsten Atommasse ist Wasserstoff 18 mal leichter als Luft und verflüchtigt sich somit umgehend. Die untere Zünd- beziehungsweise Explosionsgrenze von rund 4 Volumenprozent ist somit kaum zu erreichen. Auch im Falle einer Entzündung wäre die Deflagration, der schnelle Abbrand des Gases, wahrscheinlicher als die Detonation. Das bestätigen auch die Rettungskräfte. „Ein Einsatz mit ausströmendem Wasserstoff würde uns nicht beunruhigen“, sagt der Sprecher der Feuerwache 3, zuständig für Brandschutz und Gefahrgut bei der Berufsfeuerwehr Nürnberg. „Zwar haben wir noch keine Einsatzerfahrung mit dem Gas gehabt, jedoch verhält es sich wie Erdgas und ist auch so zu behandeln.“

Grundlagen sind geschaffen

„2017 ist die technische Basis für eine Produktion geschaffen“, sagt Dr. Klaus Bonhoff. „Unternehmen müssen sich nun entscheiden, wo sie ihr Geld investieren“. Er empfiehlt, dual zu investieren, sowohl in reine Elektro- als auch in Brennstoffzellen-Technologien. „Die größte Herausforderung ist es nun, nicht die ganze Kraft in The Next Big Thing zu stecken, sondern in ein Portfolio.“
Was für die Technologien im Kleinen gilt, gilt ebenso für die Mobilität im Großen.
„Für die Mobilität der Zukunft ist ein Gesamtkonzept gefragt“, schloss VDMA-Präsident Carl Martin Walcker den Themenbereich Mobilität in seiner Eröffnungsrede ab. „Ohne eine substantielle Änderung wird es nichts mit den Klimazielen von Paris.“ Vielleicht bringt die Brennstoffzelle genau die gewünschte Änderung.

 

Bildnachweis: Tankstelle (Philipp Plum)

 

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