Wasserstoffauto

12-Zylinder-Wasserstoffverbrennungsmotor des BMW Hydrogen 7

Ein Wasserstoffantrieb nutzt Wasserstoff als Treibstoff oder Kraftstoff. Im Wesentlichen lassen sich folgende Konzepte unterscheiden:

• die Verbrennung in einem Verbrennungsmotor   - siehe auch: Wasserstoffverbrennungsmotor
• die Umsetzung in einer Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor   - siehe auch: Brennstoffzellenfahrzeug
• die Nutzung als Treibstoffkomponente in Raketen   - siehe auch: Raketentreibstoff

Für den Einsatz in Wasserstoffflugzeugen ist die Verbrennung in Gasturbinen vorgesehen.

Treibstoff und Abgase

Der als Treibstoff dienende Wasserstoff ist keine Primärenergiequelle, sondern ein künstlich zu erzeugender Energieträger. Zu seiner Herstellung ist Energie erforderlich, die bei der chemischen Reaktion im Motor oder in der Brennstoffzelle teilweise wieder freigesetzt wird.

Die Abgase einer Brennstoffzelle bestehen aus reinem Wasserdampf.

Die Abgase bei Wasserstoffverbrennung in einer Luft atmenden Verbrennungskraftmaschine enthalten zusätzlich Stickstoffmonoxide, die bei den hohen Temperaturen im Brennraum aus dem in der Luft enthaltenen Stickstoff entstehen. Bei den hohen Luftüberschüssen entsteht jedoch weit weniger Stickoxid als bei anderen Kraftstoffen. Bei Kolbenmotoren gelangen weiterhin Spuren von CO₂, CO und Kohlenwasserstoffen in das Abgas, die von der unvollständigen Verbrennung des Schmieröls an der Zylinderwand herrühren.

Erzeugung

Die wesentlichen Verfahren zur Wasserstofferzeugung sind

1. Die thermochemische Konversion kohlenstoffhaltiger Energiequellen (in der Regel Fossile Energieträger) bei Temperaturen von 300 °C bis 1000 °C. Das älteste Verfahren dieser Art ist die Dampfreformierung mit einem Marktanteil von etwa 90 %. Mit diesem Verfahren wurde früher aus Kohle und Wasserdampf das Stadtgas (Synthesegas) hergestellt, das ca. 60 % Wasserstoff enthielt. Durch weitere Prozessschritte kann nahezu der gesamte Energieinhalt der Energiequelle an Wasserstoff gebunden werden. Der Nachteil ist die Entstehung des Klimagases CO₂. Es gibt auch Versuche, Wasserstoff auf diesem Weg aus Biomasse herzustellen.
2. Wasserstoff fällt als Nebenprodukt bei einer Reihe chemischer Prozesse (z. B. Chlor-Alkali-Elektrolyse) an.
3. Vergleichsweise selten wird Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, da der Wirkungsgrad bei nur 50 % liegt und elektrische Energie deutlich teurer als fossile Energieträger ist.
4. Versuche, Wasserstoff in einem Wasserstoffbioreaktor mit Algen über eine Variante der Photosynthese herzustellen, führten bislang nicht zu befriedigenden Ausbeuten.

Speicherung

Tank von Linde für Flüssigwasserstoff, Museum Autovision, Altlußheim

Ein Problem bei der Verwendung von Wasserstoff für den Antrieb von Fahrzeugen stellt die Wasserstoffspeicherung dar. Zurzeit sind zwei Systeme technisch verfügbar: Die Speicherung von flüssigem Wasserstoff bei tiefen Temperaturen um 20 Kelvin oder die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck. Beide Konzepte befinden sich in der Erprobung in Fahrzeugen. Konzepte, die noch einen höheren Entwicklungsbedarf haben, sind die Speicherung in Metallhydrid-Speichern oder in Nanoröhren.

Energiedichten im Vergleich

Auf die Masse bezogen^[1]:

• Wasserstoff: 33,3 kWh/kg
• Erdgas: 13,9 kWh/kg
• Benzin: 12,7 kWh/kg
• Diesel: 11,6 kWh/kg

Auf das Volumen bezogen:

• Wasserstoff (flüssig): 2360 kWh/m³
• Benzin: 8760 kWh/m³
• Erdgas (20 MPa): 2580 kWh/m³
• Wasserstoffgas (20 MPa): 530 kWh/m³
• Wasserstoffgas (Normaldruck): 3 kWh/m³

Wirtschaftlichkeit

„Die Verwendung von Wasserstoff im Verkehr ist wegen der hohen Energieverluste und Kosten der Produktion, der Aufbereitung und des Transportes nicht zu befürworten. Auch die Herstellung von Methanol vor allem aus Erdgas ist nicht sinnvoll, da das Erdgas auch ohne die Verluste der Methanolherstellung direkt genutzt werden könnte. Selbst sofern regenerative Energieträger im Straßenverkehr eingesetzt werden könnten, wäre der Ersatz von alten hochemittierenden fossilen Kraftwerken durch diese regenerative Energie (Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft) wesentlich sinnvoller als der Ersatz von benzinbetriebenen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor durch Wasserstoffantriebe. Würde diese regenerative Energie direkt genutzt werden, könnten auch kabelgebundene Transportmittel, wie Straßenbahn, Fernbahnen und Oberleitungsbusse als „Nullemissionsfahrzeug“ betrieben werden.“

– Umweltbundesamt^[2]

Da auch die wesentlich besser handhabbaren flüssigen Kohlenwasserstoffe (siehe Synfuel, Sunfuel) und Alkohole (Methanol für Brennstoffzellen sowie Methanol und Ethanol für Verbrennungsmotoren) eingesetzt werden können, könnte die Wasserstofftechnologie als Fahrzeugantrieb in Zukunft an Bedeutung verlieren. Ebenso kann Solarstrom auch direkt zum Antrieb von Elektrofahrzeugen genutzt werden.

Anwendungsbeispiele

Die erste private Wasserstofftankstelle in Europa wurde am 12. Januar 1999 in Hamburg in Betrieb genommen. Die Betankung erfolgte mit Wasserstoffgas. Kunden waren sechs örtliche Betriebe, die sich ein entsprechendes Fahrzeug angeschafft hatten, um damit Liefertätigkeiten ihres Unternehmens zu erledigen.^{[3] [4]} Die erste öffentliche Wasserstofftankstelle in Deutschland folgte im Mai 1999 am Münchner Flughafen. Hier wurde neben Wasserstoffgas für Flughafenbusse auch flüssiger Wasserstoff zum Betanken für Pkws bereitgestellt.^{[5] [6]}

Am 12. November 2004 wurde in Berlin die weltgrößte Wasserstofftankstelle eröffnet. In diesem Zusammenhang erklärten die Automobilkonzerne BMW und DaimlerChrysler, mit marktreifen Fahrzeugen sei etwa im Jahre 2020 zu rechnen.^[7]

Eine Kleinserie wasserstoffbetriebener Busse wurde von der Daimler-Tochter EvoBus gebaut und zur weltweiten Erprobung in Großstädten zur Verfügung gestellt. Da es sich hierbei um Stadtbusse handelt, entfällt das Problem des fehlenden Tankstellennetzes. In der Stadt ist nur eine Tankstelle auf dem Betriebshof des Busbetreibers nötig. 2004 wurden wasserstoffgetriebene Busse in einem gemeinsamen Projekt von DaimlerChrysler, Shell und dem isländischen Umweltministerium in Reykjavík erprobt.

Im August 2004 hatte der TÜV-Rheinland das Wasserstoff-Fahrzeug Hysun3000 zugelassen.

In Hamburg sind seit 2004 drei durch Brennstoffzellen und Elektromotoren angetriebene Busse in der praktischen Erprobung, sechs weitere seit April 2006. Das Projekt der Hamburger Hochbahn AG und Vattenfall Europe heißt HH2^[8].

Das DeepC (in englischer Aussprache: Tiefsee) ist ein wasserstoffbertriebenes, unbemanntes Unterwasserfahrzeug. 2004 in Betrieb genommen ist das Projekt inzwischen beendet.

In Berlin waren zur Fußball-Weltmeisterschaft 2006 zwei Busse mit Wasserstoffverbrennungsmotor im Dauereinsatz. Sie legten dort 8.500 Kilometer zurück und haben im Laufe des Jahres 2006 in Berlin-Spandau den Linienbetrieb aufgenommen. 10 weitere Busse sind 2007 hinzugekommen, für 2009 plant Berlin die Anschaffung von 250 Bussen mit Wasserstoffantrieb.

Erste serienreife Fahrzeuge

Wasserstoffeinfüllstutzen eines BMW, Museum Autovision, Altlußheim, Deutschland

Mazda verleast seit März 2006 Wasserstoff RX-8 und ist somit der erste Autohersteller, der ein Fahrzeug mit Wasserstoffverbrennungsmotor anbietet. ^[9][10]

Schon 1982 hat BMW einen "3er" mit Wasserstoffantrieb als Testfahrzeug betrieben. Dieses Fahrzeug hat mehr als 100.000 km mit Wasserstoff zurückgelegt, hatte trotz höherem Gewicht (durch die mit braunem Pulver gefüllte Wasserstoffflasche im Kofferraum) bessere Beschleunigungswerte und eine höhere Endgeschwindigkeit als das Original. Es handelte sich dabei um ein Modell mit Serienmotor bei dem der Einspritzzeitpunkt verändert worden war. Einziges Problem damals: der Tank war nach 1-2 Wochen leer, da der Wasserstoff durch den Stahl hindurch diffundierte. Als Abhilfe sollte ein Keramiktank eingesetzt werden. Es wurden bereits PR Maßnahmen gesetzt um die innovativen BMW Verkäufer auf die neue Marktsituation vorzubereiten, zur Markteinführung kam es allerdings nicht.

BMW ist nun der zweite Hersteller, der einen Wasserstoffverbrennungsmotor für PKWs zur Serienreife gebracht hat. Der Motor kann sowohl mit Wasserstoff als mit Benzin angetrieben werden. ^[11] BMW hat auf der Auto-Show 2006 in Los Angeles das ab November 2007 erhältliche Modell 760h „Hydrogen 7“ vorgestellt. Es basiert auf dem 760i der BMW-7er-Reihe und kann von BMW geleast werden (ein Verkauf ist derzeit nicht vorgesehen). Der herkömmliche 12-Zylinder Verbrennungsmotor der 7er Reihe wurde dabei für die Verbrennung von Wasserstoff modifiziert. Der Motor leistet 260 PS und 390 Nm Drehmoment. Die Höchstgeschwindigkeit liegt bei ca. 230 km/h (elektronisch abgeregelt). Wegen des Wasserstoff-Tanks wurde der Kofferraum von 500 l auf 250 l verkleinert.

Unfallrisiko bei Wasserstofffahrzeugen

Bei einem normalen Verkehrsunfall stellt ein Fahrzeug mit Wasserstoffantrieb wie bei allen gas-betriebenen Fahrzeugen die Rettungskräfte vor zusätzliche Probleme. So muss vor der Annäherung ans Fahrzeug eine Messung der Gaskonzentration durchgeführt werden, um evtl. Explosionsgefahren auszuschließen. Solange eine explosive Mischung vorhanden ist können die Helfer den Verletzten nicht helfen da sie sich selbst in Lebensgefahr bringen würden. Wasserstoff ist aber in dieser Beziehung noch gefährlicher als Benzin oder Autogas. Dafür gibt es folgende Gründe:

1. Flüssiger Wasserstoff verdampft beim Austritt viel schneller und in größeren Mengen als Benzin und bildet daher viel schneller explosive Gemische mit der Luft.
2. Solche Gemische mit Wasserstoff explodieren mit viel größerer Gewalt als mit Autogas oder Benzin
3. Wasserstoff-Luft-Gemische explodieren in einem viel breiteren Mischungsverhältnis als Autogas-Luft-Gemische oder Benzin-Luft-Gemische. Weiterhin können die Flammen verbrennenden Wasserstoffes bei Tageslicht normalerweise nicht mit bloßem Auge wahrgenommen werden, obwohl sie mit höherer Temperatur verbrennen als Benzin, aber bei Kontakt mit Fremdstoffen (mitverbrennenden Fahrzeugbestandteilen) färbt sich die Flamme. Gegenüber Benzin hat Wasserstoff jedoch den Vorteil, keine Lachen bilden zu können. Bei einem Leck verflüchtigt sich der Wasserstoff sehr schnell und stellt dann keine weitere Gefahr dar, kann aber währenddessen, wie oben beschrieben, schwere Explosionen verursachen.

Das Hauptproblem dürften Lecks sein. Wasserstofftanks und Rohrleitungen müssen aufgrund des gegenüber z.B. Erdgas bzw. Propan/Butan geringeren Moleküldurchmessers wesentlich besser abgedichtet sein. Manche Materialien sind ungeeignet, da sie für Wasserstoff durchlässig sind. Lecks werden nicht nur zu hohen Transportverlusten beitragen, sondern bilden ein Sicherheitsrisiko, wenn sich Gas ansammelt und sich ein Wasserstoff-Luft-Gemisch bildet. Ein Vorteil dabei ist jedoch die geringe Dichte des Wasserstoffs - entwichenes Gas steigt, solang es noch relativ rein und unvermischt ist, nach oben und kann sich nicht - wie Benzindämpfe, Propan oder Butan - in Vertiefungen sammeln. Es sollte jedoch beachtet werden, dass in beiden Fällen mit explosiven Gasen hantiert wird, und somit ein gewisses Risiko nicht ausgeschlossen werden kann. Das heißt, dass die Risiken der beiden Gase schwer gegeneinander abzuwägen sind und somit nicht festgestellt werden kann welches nun gefährlicher ist.

Literatur

• Henning Boetius: Die Wasserstoffwende - Eine neue Form der Energieversorgung
• Sven Geitmann: Wasserstoff-Autos – Was uns in Zukunft bewegt. Hydrogeit Verlag, Kremmen Mai 2006. ISBN 3-937863-07-9

Weblinks

• Wasserstoffmotor bei Katalyse Institut für angewandte Umweltforschung 04.05.2001
• alternative Kraftstoffe: Wasserstoff
• Die Rolle des Wasserstoffs in einer nachhaltig geführten Energiewirtschaft

Quellen

1. ↑ Energieinhalte im Vergleich
2. ↑ Bewertung alternativer Treibstoffe und Antriebe (Stand: 1. September 2006)
3. ↑ ECO-News vom 30. März 1999, abgefragt am 11. März 2009
4. ↑ Deutscher Wasserstoff-Verband: Pressemitteilung Nr. 1/99 vom 13. Januar 1999, abgefragt am 11. März 2009
5. ↑ Flughafen München: Wasserstofftankstelle, abgefragt am 11. März 2009
6. ↑ Aral eröffnet die erste öffentliche Wasserstofftankstelle der Welt, abgefragt am 11. März 2009
7. ↑ Netzzeitung Interview mit BMW Forschungsleiter Raymond Freymann (2005)
8. ↑ HH2-Projekt bei hh2wasserstoff.de
9. ↑ Mazda verleast Wasserstoff RX-8
10. ↑ Spiegel Artikel über den MAZDA RX-8 HYDROGEN RE
11. ↑ Zeitungsbericht über den Hydrogen 7 von BMW.