Sind alternative Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen eine Lösung für unsere zukünftigen Energieprobleme im mobilen Sektor?

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1 Onlineversion der Seminarfacharbeit: "Sind alternative Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen eine Lösung für unsere zukünftigen Energieprobleme im mobilen Sektor?" (2005) Weiter Informationen, sowie die Kolloquium-Präsentation zur Arbeit, findet sich unter: Wichtiger Hinweis: Alle Inhalte wurden sorgfältig geprüft und nach bestem Wissen erstellt. Aber für die hier dargebotenen Informationen wird kein Anspruch auf Vollständigkeit, Aktualität, Qualität und Richtigkeit erhoben. Es kann keine Verantwortung für Schäden übernommen werden, die durch das Vertrauen auf die Inhalte oder deren Gebrauch entstehen. Dies gilt speziell, aber nicht ausschließlich, für ältere Fach- und Studienarbeiten. Die Arbeiten dürfen zu nichtkommerziellen Zwecken (z.b. nichtkommerzielle Ausarbeitungen) direkt oder indirekt zitiert werden. Die Quelle ist zu nennen. Zu anderer Nutzung ist im Vorfeld der Autor zu kontaktieren. Alle Rechte vorbehalten COPYRIGHT Martin Herrmann, B. Sc.

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3 Seminarfacharbeit SIND ALTERNATIVE ANTRIEBSSYSTEME AUF BASIS VON WASSERSTOFF IN KRAFTFAHRZEUGEN EINE LÖSUNG FÜR ZUKÜNFIGE ENERGIEPROBLEME IM MOBILEN SEKTOR? Fach: Physik / Wirtschaft und Recht Seminarfachlehrer: Frau Kühn Seminarfachbetreuer: Dipl.- Ing.- Dieter Krüger Solar- Dorf Kettmannshausen e.v. Verfasser: Martin Herrmann Friedrich Neuber Robert Wiedemann Abgabedatum: 11. Oktober

4 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung X5 2 Konventionelle und alternative Antriebssysteme X6 3 Wasserstoff als alternativer Kraftstoff in Kraftfahrzeugen X7 3.1 Geschichte des Wasserstoffs und seiner Anwendungen X7 3.2 Steckbrief Wasserstoff X Herstellungsverfahren X Elektrolyse X Dampfreformierung Partielle Oxidation Autotherme Reformierung Kvaerner Verfahren Biomasse Grünalgen Speichermöglichkeiten Druckgasspeicherung Flüssiggasspeicherung Metallhydridspeicher Flüssige Hydride Graphit-Nano-Fasern (GNF) Natriumborhydrid Sicherheitsaspekte Tankstelleninfrastruktur 26 4 Alternative Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff Wasserstoffverbrennungsmotor Der wasserstoffbetriebene Vier-Takt-Otto-Motor Der wasserstoffbetriebene Dieselmotor Der bivalente Wasserstoffverbrennungsmotor Vor- und Nachteile des Wasserstoffverbrennungsmotors Brennstoffzellenantriebe Aufbau- und Funktionsprinzip Wirkungsgrad Fahrzeuge mit direkter Wasserstoffversorgung Fahrzeuge mit Wasserstofferzeugung an Bord Hybridsysteme Vor- und Nachteile 38 5 Wirtschaftlichkeit Energiepotential Vergleiche der Antriebssysteme Förderung der einzelnen Länder Einführung des Wasserstoffautos in den USA 42 6 Forschungsaktivitäten 43 3

5 7 Wasserstoffprojekte für Kraftfahrzeuge Die kalifornische Zero Emission Vehicle - Gesetzgebung California Fuel Cell Partnership Clean Energy Partnership Clean Urban Transport for Europe Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project 47 8 Eigenanteil 49 9 Fazit Anhang Quellenverzeichnis 64 Versicherung 67

6 1 Einleitung Das ständig wachsende Verkehrsaufkommen stellt eine Belastung für Mensch, Umwelt und Ressourcen da. Gerade in den großen Metropolen und Wirtschaftsräumen wächst die Belastung für den Menschen extrem. So sterben in Österreich etwa Menschen im Jahr nur an der Luftverschmutzung, die durch den Straßenverkehr verursacht wird. 1 Da die derzeitige Situation in den Amerikanischen Städten nicht anders ist, hat die Kalifornische Regierung die Automobilindustrie der Welt ab 1991 gezwungen ein Fahrzeug zu entwickeln, welches keine Schadstoffemissionen ausstößt. Die Katalysatoreinführung 1974 in Kalifornien hatte nach 18 Jahren die Smogbildungen in Los Angeles nicht drosseln können, da sich in dieser Zeit der Fahrzeugbestand um das Dreifache erhöhte. Das so genannte Zero Emission Vehicle (ZEV oder Nullemissionsfahrzeug) soll Mensch und Umwelt entlasten. Die Endlichkeit des Erdöls zwingt die Automobilindustrie zusätzlich, nach neuen Alternativen zusuchen. Zurzeit gibt es 840 Millionen Fahrzeuge auf der Welt. Die weitere Motorisierung vieler im Asiatischen Raum befindlicher Entwicklungsländer steht in der näheren Zukunft uns noch bevor. Ein immenses Wachstum an Konsumenten für Erdöl ist die Folge, die Preise für Öl werden stark ansteigen. Das Fahren eines Automobils ist für unsere Mobilität von wichtiger Priorität. Die Senkung des Ausstoßes an Treibhausgasen ist ein wesentlicher Aspekt, bei der Entwicklung neuer Antreibe für Kraftfahrzeuge. Die Erde muss als eine Leihgabe betrachtet werden, die von Generation zu Generation vererbt wird. Leider hat dieses Erbe seit der Industrialisierung an Wert verloren. Der individuelle Straßenverkehr ist der Hauptverursacher für die wachsende Konzentration an Treibhausgasen in der Luft. Der verstärkte Treibhauseffekt zeigt sich in Wetterextremen wie Hurrikans oder starke Stauregen immer häufiger. Das Hauptziel ist den konventionellen benzinbetrieben Ottomotor durch neue alternative Antriebstechnologien auf Basis von Wasserstoff oder anderen Kraftstoffen zu substituieren. Die Seminarfacharbeit soll Chancen und Möglichkeiten des neuen Kraftstoffes Wasserstoff aufzeigen. Programme für Wasserstofffahrzeuge auf nationaler und internationaler Ebene sollen vorgestellt werden und wie weit ihre Lösungen sind. 1 Die Brennstoffzelle zwischen Umwelt-, Energie- und Wirtschaftspolitik (S.1) 5

7 2 Konventionelle und alternative Antriebsysteme und ihre Kraftstoffe Seit über 100 Jahren ist das Prinzip des Verbrennungsmotors nun bekannt. In dieser Zeit hat sich die Technologie allerdings nicht viel weiterentwickelt. Es gibt verschiedene Variationen, die bekanntesten sind der Otto-Motor, der Dieselmotor und der Wankelmotor. Auch die verschiedensten Treibstoffe für diesen Antrieb existieren. Der bekannteste und am weitesten verbreitete Kraftstoff ist Benzin. Benzinangetriebene Fahrzeuge haben eine lange Entwicklungsphase hinter sich und sind damit ausreichend getestet und funktionieren zuverlässig. Allerdings sind die immensen Umweltbelastungen und die erschöpflichen Rohstoffquellen Gründe dafür nach Alternativen für diese Antriebstechnologie zu suchen. 15 Fahrzeuge mit einem Dieselmotor sind ebenfalls weit verbreitet. Die Vor- und Nachteile gegenüber dem Benzinmotor heben sich in etwa auf, die negativen Seiten besitzen allerdings beide. Die Belastungen für die Umwelt sind teilweise noch größer und auch wenn man Dieselkraftstoff biologisch über Raps herstellen kann, wird die Hauptproduktion doch über Erdöl realisiert, was das Problem der Erschöpflichkeit der natürlichen Ressourcen mit sich bringt. 16 Ein weniger verbreiteter Kraftstoff ist Methanol. Damit angetriebene Fahrzeuge haben den Vorteil, dass ihr Kraftstoff aus nachwachsenden Rohstoffen wie Chinagras hergestellt werden kann. Außerdem ist die Umweltbelastung dieser Fahrzeuge relativ gering, da bei der Herstellung der Luft so viel CO 2 entzogen wird, wie bei der Verbrennung wieder entsteht. Allerdings ist der Energiegehalt von Methanol nur halb so groß wie der von Benin oder Diesel. Um damit ein normales Auto betreiben zu können ist es lediglich notwendig einen zusätzlichen Wasserbehälter einzubauen. Auch Ethanol kann als Kraftstoff eingesetzt werden. In Brasilien werden 80% der Fahrzeuge damit angetrieben. Es wird dort aus dem nachwachsenden Zuckerrohr gewonnen und ist wie das Methanol CO 2 -neutral. 17 Ein anderer Kraftstoff ist Flüssiggas. Es besteht aus Propan und Butan und ist damit ein fossiler Brennstoff. Die Umweltbelastungen dieses Treibstoffs sind geringer als von Benzin sind aber trotzdem nicht zu vernachlässigen. 17 Eine weitere Kraftstoffalternative ist Erdgas. Bei diesen, größten Teils aus Methan bestehenden fossilen Brennstoff, entsteht bei der Verbrennung CO 2, allerdings ist die Umweltbelastung nur ein Teil von der von Benzin oder Diesel. Die Umrüstkosten für ein Die Wasserstoff-CD 6

8 normales Auto sind zwar nicht sehr niedrig, dafür wird Erdgas in Deutschland stark subventioniert. 17 Ein dem Erdgas sehr ähnliches Gasgemisch ist Biogas. Neben Methan besteht es auch aus CO 2 und anderen Gasen. Die Stoffe, die beim Verbrennen entstehen sind lediglich die, die zuvor in den Pflanzen zwischengespeichert wurden, wodurch Biogas sehr umweltfreundlich ist. Allerdings ist der Energiegehalt von Biogas geringer als der von Erdgas und damit sehr schlecht. 17 Die einzige wirkliche Alternative zum Verbrennungsmotor ist der Elektromotor. Primär wurde dieser, wenn überhaupt in Elektrofahrzeugen, in Kombination mit einem Akkumulator eingesetzt. Sie sind emissionsfrei, zumindest wenn der Strom umweltfreundlich hergestellt wurde. Allerdings ist die Reichweite dieser Autos sehr gering, nämlich nur rund 100 km. Auch die immens langen Ladezeiten des Akkus von ca. 8 Stunden sind kaum akzeptabel. 18 Auch Kombinationen von verschiedenen Antriebssystemen bzw. Energiespeichern sind möglich. Diese Fahrzeuge werden als Hybridfahrzeuge bezeichnet. 19 Einen neuen alternativen Antrieb, stellt die Brennstoffzelle in Kombination mit dem Elektromotor und dem Kraftstoff Wasserstoff dar. 3 Wasserstoff als alternativer Kraftstoff in Kraftfahrzeugen 3.1 Geschichte des Wasserstoffes und seiner Anwendungen 1766 entdeckte der englische Chemiker Henry Cavendish beim Experimentieren mit Quecksilber und Säuren Wasserstoff als Element und legte damit den Grundstein für eine große Entwicklung dieses Elements. Er nannte seine Entdeckung unechte oder brennbare Luft beschrieb er nach weiteren Experimenten erstmals die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Am 28. August 1783 benutzte der Franzose Alexandre Cesar Charles Wasserstoff erstmals in der Luftfahrt als Treibgas um einen Ballon steigen zu lassen prägte sein Landsmann der Naturwissenschaftler Antoine Lavoisier den Namen dieses Elements. Er nannte es hydro-gène (hydro = Wasser, griechisch; genes = erzeugend) was also soviel wie Wasser-Bildner bedeutet Die Wasserstoff-CD

9 Schon im Jahr 1807 wurde vom Schweizer Francois Isaac de Rivaz (Abb. M1 im Anhang Wasserstofffahrzeug Rivaz) das erste Fahrzeug mit Wasserstoffantrieb entwickelt. Es funktionierte erstaunlicherweise schon damals mit einem ersten primitiven Wasserstoffantrieb. Eine weitere Anwendung von Wasserstoff war das Wasserstofffeuerzeug was 1810 unter anderen vom deutschen Dichter Johann Wolfgang von Goethe in den Ilmenauer Salons benutzt wurde wurde das Prinzip der Brennstoffzelle von Sir William Robert Grove entdeckt und ein erster Prototyp gebaut. Dieser experimentiere zu dieser Zeit mit der Elektrolyse von Wasser und stellte fest, dass sich dieser Prozess auch umkehren ließ. Bald stellte er eine galvanische Gasbatterie (Abb. M2 im Anhang galvanische Gasbatterie) vor. Diese konnte durch so genannte kalte Verbrennung aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugen. Diese erste Brennstoffzelle bestand aus zwei Platinelektroden, die in Schwefelsäure getaucht waren. Diese Elektroden wurden dann mit Wasserstoff und Sauerstoff umspült. Aufgrund mangelnder Stromstärke und Stromleistung und doch ziemlich hoher Kosten, konnte sich die Brennstoffzelle in diesen Zeitraum allerdings nicht gegen Erfindungen wie den Elektrodynamo oder den Verbrennungsmotor durchsetzen. Trotzdem ist es erstaunlich, dass eine für uns so moderne Technologie mehr als 150 Jahre vor ihrer eigentlichen Nutzung im Straßenverkehr konstruiert und angewendet werden konnte. 23 Der berühmte Schriftsteller und Zukunftstheoretiker Jules Verne konnte sich bereits im Jahr 1874 in seinem Buch Die geheimnisvolle Insel vorstellen, das Wasserstoff und Sauerstoff die natürlichen Brennstoffe ablösen und diese auch für Lokomotiven und Dampffahrtschiffe eingesetzt werden könnten. Im Jahr 1898 gelang es dem britischen Physiker und Chemiker James Dewar in London flüssigen Wasserstoff herzustellen. Zu Beginn des nächsten Jahrhunderts gelang es Ernst Wiss Wasserstoff in Druckgasflaschen zu speichern. Dadurch war es bereits Anfang des 20. Jahrhunderts möglich Wasserstoff zu speichern und zu transportieren Durch die Katastrophe des Zeppelins-Luftschiffes Hindenburg am 6. Mai 1937 (Abb. M3 im Anhang Explosion der Hindenburg ), bei dem über 30 Menschen starben, wurde die Verwendung von Wasserstoff nahezu völlig eingestellt, und das obwohl der Umfall nur bedingt mit den Wasserstoff zu tun hat, sondern auf einen Kabelbrand zurückzuführen ist. In der Luftfahrt wurde er nun nicht mehr verwendet, obwohl es die bis dahin schnellste Möglichkeit war den atlantischen Ozean zu überqueren. Bis zur zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts blieben Wasserstoff und Brennstoffzelle nahezu ungenutzt. Es wurden zwar in

10 den 20er Jahren einige Verbesserungen an der Brennstoffzelle durchgeführt, aber auch diese verhalfen ihr nicht zum Durchbruch. Erst in den 50er Jahren wurden die Brennstoffzellen für die Raumfahrt interessant, da eine leistungsfähigere Alternative zu Batterien gesucht wurde. Die immensen Kosten für den Reinheitsgrad der entsprechenden Gase spielten dabei keine Rolle wurden Brennstoffzellen erstmals für die Gemini-Projekte in der Raumfahrt eingesetzt. Von da an spielten sie in der Raumfahrt eine große Rolle. Beispielsweise in den Apollo-Mondflug- Missionen. Die Brennstoffzellen wurden für die Bordstromerzeugung und Trinkwasserversorgung genutzt. 22 In den 60 Jahren wurde das erste deutsche wasserstoffangetriebene Auto von Karl Kordesch entwickelt. Er verwendete in dem umgebauten Auto des Fahrzeugkonzerns Austin eine alkalische Brennstoffzelle und Druckgasbehälter zur Wasserstoffspeicherung (Abb. M4 im Anhang umgebauter Austin) stellte der Autokonzern Mercedes-Benz eines der ersten Testfahrzeuge mit Wasserstoffantrieb her. Es wurde bereits damals mit einem Wasserstoffmetallhydridspeicher (siehe Metallhydridspeicher) ausgestattet. Mit dieser Technologie ausgestattet legten von 1984 bis 1988 die damals als Berlinflotte bezeichneten Transporter und Kombi-Pkws von Mercedes-Benz eine Strecke von über eine Million Kilometer zurück. Im Jahr 1985 wurde in einem Bus, des Automobilekonzerns Volkswagen, eine vom deutschen Technologiekonzern Siemens AG entwickelte alkalische Brennstoffzelle eingebaut. 23 Am 28. Januar 1986 gab es allerdings wieder einen herben Rückschlag für den Wasserstoff. Die amerikanische Raumfähre Challenger (Abb. M5 im Anhang Explosion der Challenger) der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA explodierte aufgrund eines defekten Dichtungsringes. Diese Fehlkonstruktion an der Feststoffrakete löste eine Explosion der Wasserstofftanks aus und tötete sieben Astronauten. Die Raumfähre hatte mit rund 14,5 Mio. Litern den größten Flüssigwasserstofftank, der bis dahin gebaut wurde. Das Vertrauen in die Wasserstofftechnologie wurde dadurch in der Bevölkerung, speziell in den Industriestaaten, stark beeinträchtigt. Trotzdem wurde 1988 erstmalig ein russisches Verkehrsflugzeug vom Typ Tupolev TU 155 so umkonstruiert, das die Triebwerke mit flüssigem Wasserstoff oder flüssigem Erdgas angetrieben werden konnten. Ab diesem Zeitpunkt begann man Wasserstoff nun auch wieder in der Luftfahrt zu benutzen. Ein Jahr danach wurde auch das erste U-Boot mit einer Brennstoffzelle ausgestattet. Das unter der Bezeichnung U1 fahrende Unterseeboot

11 der Bundesmarine funktionierte mit einem von der Firma Siemens entwickelten 100 kw Brennstoffzellen-Aggregat. Im selben Jahr wurde im russisch-deutschen Entwicklungsprogramm Cryoplane ein Flugzeug vom Typ Airbus 310 entwickelt, welches mit einem Wasserstofftriebwerk funktionierte Mit dem Beginn der 90er Jahre wurde die Brennstoffzellentechnologie durch die Erfindung leistungsfähiger Membranen und korrosionsbeständigerer Werkstoffe auch für weitere zivile Zwecke interessant. Seit ca wurde intensiv an der Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie gearbeitet, nicht zuletzt wegen des gestiegenen Umweltbewusstseins und den Forderrungen nach Verringerung der Schadstoffemissionen und den schonenden Umgang mit fossilen Brennstoffen begann man in der bayrischen Stadt Neunburg mit dem Aufbau eines Demonstrationskraftwerkes auf Wasserstoffbasis. Dieses diente der Bevölkerung und der Industrie dazu, Einblicke in die neue Technologie zu geben. Im selben Jahr begann der Energiekonzern Ruhrgas AG Essen mit der Entwicklung einer 200 kw Brennstoffzelle. Das Aggregat dient für die Stadtwerke Bochums als Strom- und Wärmelieferant stellte Daimler-Benz das erste Modell der NECAR-Reihe (New Electric Car) vor (Abb. M6 im Anhang NECAR 1-3). Dieses Neue elektrische Auto war ein Demonstrationsobjekt um die Funktionsweise der Brennzoffzelle im Straßenverkehr zu demonstrieren. Seit dieser Zeit wurde die NECAR-Reihe in fünf Fahrzeugentypen fortgesetzt und weiterentwickelt, wo viele neue Technologieansätze eingesetzt wurden. 28 Im Jahr 1997 wurde von der Siemens AG der erste Brennstoffzellengetriebene Gabelstapler entwickelt. Gegen Ende der 90er Jahre wurde auf dem Münchener Flughafen ein großes Wasserstoffprojekt in Angriff genommen. An dem Projekt, das mittlerweile mehrere Phasen hinter sich hat, beteiligen sich mehrere Firmen. Es werden verschiedene Anwendungen von Wasserstoff getestet, beispielsweise sind die drei Shuttlebusse des Flughafens mit Wasserstoffantrieb ausgestattet. Die Entwicklung des Wasserstoffautos BMW 750 hl wurde im Jahr 1999 abgeschlossen. Dieser Pkw von den Bayrischen Motorenwerken ist in der Lage mit seinem 5,4-Liter-Zwölf-Zylinder-V-Motor sowohl Benzin als auch Wasserstoff zu verbrennen. Im Jahr 2000 wurde im Rahmen des Münchner Wasserstoffprojekts eine Testserie mit 15 Fahrzeugen dieses Typs, gestartet. Am 5. Mai 1999 wurde in München, ebenfalls im Rahmen des Wasserstoffprojektes die erste offizielle Wasserstofftankstelle

12 eröffnet. In den folgenden Jahren wurden deutschlandweit weitere dieser Tankstellen errichtet Steckbrief Wasserstoff Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Zeichen H und steht im Periodensystem an erster Stelle. Bei Raumtemperatur liegt er gasförmig in Molekülform (H 2 ) vor. Das leichteste und flüchtigste Element ist außerdem ungiftig, nicht reizend, umweltneutral, nicht wassergefährdend, geruch- und geschmacklos, unsichtbar, nicht radioaktiv oder krebserzeugend sowie im Freien nicht explosiv. Des Weiteren handelt es sich um das häufigste Element im Weltall mit etwa 55% Gewichtsanteil und den Hauptbestandteil unseres größten Wärme- und Stromlieferanten, der Sonne. Der Schmelzpunkt, also die Temperatur, bei der Wasserstoff in den flüssigen Zustand übergeht, beträgt minus 259,15 Grad Celsius. Der Siedepunkt, und damit der Übergang zum gasförmigen Zustand, liegen bei minus 252,8 Grad Celsius. Wasserstoff ist sehr reaktionsfreudig und wird in der Öffentlichkeit, spätestens nach dem Brand des Luftschiffes Hindenburg 1937, als explosiv und gefährlich eingestuft. Dabei ist er bei ordnungsgemäßem Umgang, nicht gefährlicher als Benzin oder Erdgas. Er hat darüber hinaus den Vorteil, dass er sich durch die geringe Atommasse extrem schnell mit der Umgebungsluft vermischt und dadurch die Konzentration gering bleibt. Die Gefahr einer Explosion ist also geringer als bei Gas. Schüler kennen Wasserstoff hauptsächlich aus Versuchen zur Wasser-Elektrolyse und der Knallgasprobe, bei der er mit Sauerstoff in einer stark exothermen Reaktion (unter Energieabgabe) zu Wasser reagiert. Bisher wird Wasserstoff als Energieträger eigentlich nur in der Raumfahrt als Raketentreibstoff eingesetzt. Er kommt als zukünftiger Universal-Treibstoff in die engere Auswahl. Bei seiner normalen Verbrennung mit Sauerstoff entsteht Wasser als Reaktionsprodukt, ebenso bei seiner elektrochemischen Reaktion mit Sauerstoff in der Brennstoffzelle. Abb. F1: Modell eines Wasserstoffmoleküls the moving idea.cleanenergy (BMW Group) 3 Wasserstoffprojekt Flughafen München (Argemuc) 11

13 Wasserstoff nutzt man in der chemischen Industrie in Raffinerien, bei der Fetthärtung, bei der Herstellung von Düngemitteln (Ammoniaksynthese), für Kunststoffen und Kunstharzen sowie als Lösungsmittel. Warum aber hat man sich ausgerechnet für Wasserstoff als Kraftstoffalternative entschieden? Unsere heutigen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas stehen der Menschheit nicht unbegrenzt zur Verfügung im Gegenteil ihre Vorräte werden in naher Zukunft zu Neige gehen. Außerdem erzeugen diese fossilen Brennstoffe bei ihrer Verbrennung umweltschädliche Treibhausgase und tragen somit zur globalen Erwärmung bei, welche bereits heute verheerenden Ausmaße annehmen (z.b. Abschmelzen der Gletscher, Hurrikans und Überschwemmungen). Deshalb ist es von entscheidender Bedeutung einen neuen Energieträger zu finden, der umweltschonend und in großen Mengen vorhanden ist. Wasserstoff ist hierfür hervorragend geeignet er ist regenerativ und seine Verbrennung ist emissionsfrei, da reines Wasser entsteht. In der Natur liegt er fast ausschließlich in gebundener Form (Wasser, Pflanzen) vor und kann deshalb nur mit Energieaufwand gewonnen werden. Man kann aus erneuerbaren Energieträgern (Solarstrahlung, Wind und Wasser) Wasserstoff herstellen, ihn als regenerativen sekundären Energieträger gut speichern. In der Wasserstoffenergiewirtschaft gilt: Wasserstoff ist immer so sauber oder nachhaltig wie der Energieträger, aus dem er hergestellt wird. Das heißt, wenn Wasserstoff aus Kohle, Erdöl oder Erdgas hergestellt wird, dann wird auch Kohlendioxid freigesetzt. Das Energie- und Treibhausgasproblem wird auch auf das Null- Emission- Auto übertragen. Weitere Vorteile liegen in der Sicherheit. Durch seine geringe Dichte verflüchtigt sich Wasserstoff sehr schnell und die Explosionsgefahr ist gegenüber Benzin und Erdgas deutlich niedriger. Außerdem sind die Wasserstoffvorräte unerschöpflich, da er immer wieder aus Wasser im Wasserstoffkreislauf gewonnen werden kann (Abb. R5 im Anhang- Wasserstoffkreislauf). 3.3 Herstellungsverfahren Insgesamt werden in Deutschland jährlich ungefähr 20 Milliarden m³ Wasserstoff erzeugt, weltweit sind es etwa 500 Mrd. m³. Dies entspricht sowohl bundes- als auch weltweit einem Wasserstoff-CD 12

14 Anteil von jeweils 1,5 % des Energiebedarfs. Rund 40 % des momentanen Bedarfs könnte gedeckt werden, indem der Wasserstoff verwendet wird, der in der Industrie als Nebenprodukt anfällt. Zum Teil bleibt dieser Anteil jedoch völlig ungenutzt. Abb. F2: Herstellungsmenge von Wasserstoff in Milliarden m³ Deutschland Welt Dampfreformierung Partielle Oxidation von Schweröl Petrochemie: Benzinreformierung 2,5 90 Petrochemie: Ethylenproduktion 3,6 33 Sonstige chemische Industrie 0,9 7 Chlor-Alkali-Elektrolyse 0,9 10 Kohlevergasung 2,1 50 Gesamt Elektrolyse Das derzeit gängigste großtechnische Verfahren zur Wasserstoffherstellung ist die Elektrolyse von Wasser, welche bereits seit mehr als 80 Jahren kommerziell eingesetzt wird. Auf lange Sicht bietet sie die einzige sinnvolle Methode zur Produktion großer Mengen an Wasserstoff. Wasser ist eine sehr stabile chemische Verbindung, um es in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen muss man Energie aufwenden. Bei der Elektrolyse geschieht das in Form elektrischer Energie. Zuerst muss das Wasser aber leitfähig gemacht werden, das heißt es werden elektrische Ladungsträger zugeführt, dazu eignen sich Salze, Laugen oder Säuren. Kathoden- und Anodenraum werden von einem ionendurchlässigen Diaphragma getrennt, das ein Vermischen der Flüssigkeiten verhindert und zugleich den Ionenfluss nicht beeinträchtigt. Wird nun eine Gleichspannung an die beiden Elektroden angelegt, so scheidet sich an der Anode Sauerstoff und an der Kathoden Wasserstoff ab. Bei Optimierung in großtechnischen Elektrolyseanlagen kann ein Wirkungsgrad zwischen 60 % und 80 % erreicht werden. Aufgrund des hohen Energiebedarfs empfiehlt sich aus Umweltgründen die Nutzung regenerativer Energien. Für die Wasserelektrolyse ergeben sich die folgenden Reaktionsgleichungen: 13

15 Kathode: 2 H 2 O + 2 e - H OH - Anode: 2 H 2 O O H e - Gesamtreaktion: 2 H H 2 + O 2 Die Membran- oder alkalische Elektrolyse ist zwar die gebräuchlichste Form, doch man unterscheidet außerdem in Hochdruck-, Niederdruck- und Hochtemperaturelektrolyse Dampfreformierung Bei der Dampfreformierung fällt zurzeit die größte Menge Wasserstoff als Nebenprodukt an. Hierbei werden häufig auftretende Kohlenwasserstoffe in Form von Erdgas wie zum Beispiel Methan in zwei Schritten vom Wasserstoff getrennt. Zuerst wird der Kohlenwasserstoff im Reformer bei 800 bis 900 C und etwa 25 bar mit Wasserdampf zur Reaktion gebracht. Anschließend wird das entstandene Kohlenmonoxid im zweiten Prozess, der sogenannten Shiftreaktion, getrennt und erneut mit Wasserdampf versetzt. Dabei entsteht nochmals Wasserstoff. Das nun entstandene Restgas wird von unerwünschten Stoffen wie Kohlendioxid gereinigt und zur Verbrennung dem Reformer zugeführt, da es noch zu 60% brennbare Verbindungen enthält. Für die beiden Prozessteile ergeben sich die folgenden Reaktionsgleichungen: 1. Allgemein: C n H m + n H 2 O n CO + (n + m/2) H 2 Beispiel: CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 (Methan) 2. Allgemein: n CO + n H 2 O n CO 2 + n H 2 Beispiel: CO + H 2 O CO 2 + H 2 Diese Art der Wasserstoffgewinnung ist schon lang erprobt und technisch sehr ausgereift, deshalb bestehen bereits große Reformierungsanlagen mit Produktionskapazitäten von m³ pro Stunde Partielle Oxidation Bei diesem ebenfalls ausgereiften Verfahren werden Erdgas oder schwere Kohlenwasserstoffe (z. B. Heiz- oder Rückstandsöl) mit Sauerstoff versetzt. Nach der exothermen ersten Reaktion folgt wieder eine Shiftreaktion um das entstandene Kohlenmonoxid zu entfernen. Anschließend wird das Produktgas einer CO 2 -Reinigung unterzogen, ähnlich der Dampfreformierung. 14

16 In der Praxis wird meistens noch etwas Wasser zugesetzt um einerseits die extrem hohen Temperaturen und andererseits die Russbildung unter Kontrolle zu bekommen. Aufgrund dessen müsste man korrekterweise von einer autothermen Reformierung mit wenig Wasser sprechen. Für die partielle Oxidation ergeben sich folgende Reaktionsgleichungen: 1. Allgemein: C n H m + n/2 O 2 n CO + m/2 H 2 Beispiel: C 10 H O 2 10 CO + 11 H 2 (Heizöl) C 24 H O 2 24 CO + 6 H 2 (Kohle) 2. (siehe Dampfreformierung) In kohlereichen Ländern wie China und Südafrika kann als Ausgangsprodukt für die partielle Oxidation auch Kohle verwendet werden. Die Kohle muss hierbei jedoch erst zermahlen und mit Wasser zu einer Suspension gemischt werden Autotherme Reformierung Diese Kombination aus Dampfreformierung und partieller Oxidation dient dazu den Wirkungsgrad zu optimieren. Dieses Verfahren funktioniert sowohl mit Methanol als auch mit Erdgas, Diesel, Benzin und jedem anderen Kohlenwasserstoff bzw. Kohlenwasserstoffgemisch. Entscheidend ist die genaue Dosierung der Luft- und Wasserdampfzufuhr, denn der gesamte Vorgang muss so abgestimmt werden, dass der exotherme Verlauf der Oxidation den Energiebedarf der Reformierung deckt. Auf diese Weise ergänzen sich beide Prozesse optimal und der Wirkungsgrad erhöht sich Kværner-Verfahren Seit Beginn der 80er Jahre entwickelt die Kværner Engineering S.A. aus Norwegen das sogenannte Kværner-Verfahren ("Kværner Carbon Black and Hydrogen Process") zur CO 2 - freien Erzeugung von Wasserstoff. Kohlenwasserstoffe (z.b. Erdgas, Erdöl) werden in einem Plasmabrenner bei ca C in Aktivkohle (reinen Kohlenstoff) und Wasserstoff getrennt. Diese saubere Lösung erreicht unter Berücksichtigung aller verwertbaren Produkte einen Wirkungsgrad von nahezu 100% (48%-Wasserstoff, 40%-Aktivkohle, 10%-Heißdampf). Außerdem treten an sich keine nennenswerten Emissionen auf, aber dieses Verfahren hat auch einen Nachteil seinen immensen Energieaufwand. 15

17 Seit der Errichtung einer Pilotanlage in Kanada im Jahr 1992 werden dort pro Stunde rund 500 kg Aktivkohle und 2000m³ Wasserstoff sowie Heißdampf mit einer Leistung von 1000 kw erzeugt. Für die Zukunft plant man Anlagen mit m³ Wasserstofferzeugung stündlich. Für das Kværner-Verfahren ergibt sich folgende Reaktionsgleichung: Allgemein: C n H m n C + m/2 H 2 Beispiel: CH 4 C + 2 H 2 (Methan) Biomasse Neben den Verfahren, bei denen unter anderem durch Verbrennung aus Biomasse Energie erzeugt wird, kann man Biomasse auch für die Wasserstoffproduktion nutzen. Die erste Stufe bei der Herstellung ist hierbei die Pyrolyse (Zersetzung chemischer Verbindungen durch Einwirkung hoher Temperaturen), bei der als Endprodukte Primärgase (Erdgase), Koks und Methanol entstehen. In der zweiten Stufe, der eigentlichen Vergasung, entstehen durch Reaktionen mit Wasserdampf und Sauerstoff ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan. Es schließt sich der bereits bekannte Prozess der Dampfreformierung mit Shiftreaktion an, wodurch ein wasserstoffreiches Gas entsteht. Verwendet man Biomasse mit hohem Feuchtigkeitsanteil, beispielsweise Biomüll von Haushalten, kann durch anaerobe Methangärung ein 60 bis 70 % methanhaltiges Biogas erzeugt werden, das in Brennstoffzellen der neuen Generation, beispielsweise der MCFC direkt als Brenngas verwendet werden kann und hohe Wirkungsgrade ermöglicht Grünalgen Für eine weitere Art der schadstofffreien Wasserstoffgewinnung macht man sich die Grünalge zu Nutze. Da dieser Prozess aber erst vor kurzem entdeckt wurde, ist noch viel Forschungsbedarf notwendig, um höhere Ausbeuten an Wasserstoff zu erlangen. Grundlage des Ganzen bildet das Enzym Hydrogenase mit dessen Hilfe Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespaltet wird. Die dafür notwendige Energie stellt die Photosynthese bereit. Wird die Grünalge nun auf eine Schwefeldiät gesetzt, so verlangsamt sich der Stoffwechsel. Dadurch kann sie die Energie der Photosynthese nicht mehr nutzen und gibt ihren eigentlichen Energiespeicher Wasserstoff an die Umgebung ab. 16

18 Wissenschaftlern der Universität Bonn ist es gelungen, das Gen mit dem Bauplan der Hydrogenase aus Grünalgen zu isolieren. Das Forschungsteam vom Botanischen Institut hat das Enzym bereits so gentechnisch verändert, dass die Chlorophyceae (lat.) im Vergleich zu ihren natürlichen Verwandten zwei- bis dreimal soviel Wasserstoff produzieren kann. Im Rahmen eines international geförderten Projektes versuchen die Forscher jetzt die Hydrogenase an künstlichen Membranen zu befestigen und eine "biochemische Batterie" zu erzeugen. 3.4 Speichermöglichkeiten Da sich diese Arbeit hauptsächlich auf den Brennstoffzelleneinsatz in Personenkraftwagen beschränkt, gibt es verschiedene Anforderungen an die Speichermethoden für Wasserstoff. Der Tank sollte möglichst klein, leicht, sicher, einfach handhabbar und günstig in der Herstellung sein aber dennoch ein maximales Fassungsvermögen bieten. Natürlich können nicht alle Kriterien gleichzeitig und in gleich hohem Maße erfüllt werden, doch es gibt von Methode zu Methode verschiedene Vor- und Nachteile Druckgasspeicherung 1901 gelang es Ernst Wiss Wasserstoff erstmals in Druckgasfalschen zu speichern, damit ist diese Methode die älteste und heute am weitesten verbreitete. Hierbei wird Wasserstoffgas mit etwa 200 bis 300 bar Druck komprimiert und in spezielle Speichertanks gepresst. Der gasförmige Wasserstoff hat jedoch auch im komprimierten Zustand einen hohen Raumbedarf, weshalb zur Verringerung der benötigten Tankgröße im Fahrzeugbau momentan an Drucktanks mit bis zu 700 bar Druck geforscht wird. Bei der stationären Lagerung großer Mengen von Wasserstoff stellt die Druckgas- Wasserstoffspeicherung aufgrund der relativ geringen Kosten eine gute Lösung dar. Kleinere H 2 -Mengen lassen sich einfach in Druckgasflaschen speichern. Hierbei gilt: Je höher der Druck im Tank, desto höher ist auch die Speicherdichte. Mit der Einführung erdgasbetriebener Fahrzeuge wurden Druckgastanks aus Stahl entwickelt. Hinzu kamen später Die Wasserstoff-CD

19 Composite-Tanks (Vollverbunddruckflaschen), die mitunter bis zu einem Druck von 350 bar befüllt werden können. Die volumenspezifische Speicherdichte reicht von Stahlflaschen bis zu 0,8 kwh/l bei leichten Vollverbundflaschen. 0,5 kwh/l bei Die Wasserstoffgastanks bestehen aus mehreren Schichten: eine Innenhülle aus möglichst korrosionsbeständigem Metall, meist Legierungen aus Aluminium oder Edelstahl. Diese erste Schicht wird entweder von Glasfasern, Kunststofffasern oder einer Kombination aus beidem in mehreren Schichten umwickelt und mit Harzen verklebt. Auch wenn heutige Wasserstoffbehälter aus vielen verschiedenen Schichten bestehen, so gibt es doch Abdampfverluste. Diese lassen sich aber nicht vermeiden, da es sich bei Wasserstoffatomen bzw. -molekülen um die kleinsten Teilchen handelt und sie durch alle Stoffe hindurch diffundieren können. Ein zylindrischer Speicher hält am besten hohen Drücken stand. Trotz Komprimierung des Wasserstoffs auf 200 bar wird viel Raum für die Drucktanks benötigt. Sie werden zumeist auf dem Dach von Bus- oder Lieferwagenkonzepten eingebaut. Komprimierter Wasserstoff wird heute entweder per Lkw oder Eisenbahn vom Produzenten zum Verbraucher geliefert oder, in entsprechend infrastrukturell erschlossenen Industrieräumen, über ein Pipelineverteilnetz verteilt, an welches mehrere Produzenten und Verbraucher angeschlossen sind. Abb. F3: auf einem Busdach angebrachte Druckgasbehälter Flüssiggasspeicherung Kühlt man Wasserstoffgas auf minus 253 Celsius herunter, so geht es in den flüssigen Zustand über und man erhält Flüssigwasserstoff (LH 2 ; engl.: liquid hydrogen). Bei diesem Wechsel vom gasförmigen in den flüssigen Zustand wird jedoch ein Energieaufwand von 36 kj/g benötigt. Um den Wasserstoff zu verflüssigen, braucht man zirka ein Drittel der gespeicherten Energie. Das Volumen verringert sich um 99,9 %. Deshalb stellt die Flüssigwasserstoffspeicherung die masse- und volumenbezogene derzeit beste Speichermethode für den Einsatz von Wasserstoff in Fahrzeugen dar. Doch ein Herunterkühlen des Wasserstoffs auf diese Extremtemperaturen erfordert einiges an technischem Aufwand. Das komplette Treibstoffsystem, von der Betankungsanlage über Treibstoffleitungen bis zum Tank, muss einerseits der eisigen Kälte standhalten können und zum Anderen äußerst gut isoliert sein, um die extrem tiefe Temperatur halten zu können. 18

20 Ein sogenannter Kryotank (griech.: kryogen - tiefkalt) besteht aus einem mit flüssigem Wasserstoff gefüllten Innenbehälter, der sich speziell aufgehängt in einem Außenbehälter befindet. Im Zwischenraum sorgt ein künstliches Vakuum für die notwendige Isolierung des Innenbehälters. Außerdem ist noch eine Schicht mit bis zu 70 Lagen Aluminiumfolie eingearbeitet. Abb. F4: Kryotank der Linde AG Einzige Schwachstelle der Isolierung ist die Aufhängung des Tanks im Außenbehälter. Hier kann ein geringer Wärmetransport vom eiskalten Innenbehälter zum umgebungswarmen Außenbehälter stattfinden. Übersteigt die Innentemperatur des Tankes die Siedetemperatur von Wasserstoff, so verdampft dieser, was Druck erzeugt. Bis zu fünf Bar, etwa doppelt so viel wie der Luftdruck eines Autoreifens, hält der Kryotank problemlos aus. Ein höherer Gasdruck im Wasserstofftank wird aus Sicherheitsgründen über Sicherheitsventile abgelassen. Dieser Vorgang ist nicht viel anders oder gefährlicher als bei einem Auto, das in der prallen Sonne steht und bei dem Benzin verdunstet. Wird das Auto zwischendurch gefahren, wird wie beim Benzintank durch den Verbrauch automatisch der Druck abgebaut. Der als Beispiel herangezogene Kryotank der Linde Gas AG wurde erstmals auf der IAA 2001 (Internationale Automobil Ausstellung) in Frankfurt präsentiert und findet im BMW 745h sowie 750hL seinen Platz. Hier wird dem Anstieg der Innentemperatur durch ein aktives Kühlsystem, das keine zusätzliche Energie verbraucht, entgegen gewirkt. Somit ist es laut Herstellerangaben möglich, den flüssigen Wasserstoff 12 Tage lang ohne jegliche Verluste zu speichern. Damit wäre diese Art von Kryotanks dichter als heutige Benzintanks. Und so funktioniert es: Auf dem Weg zum Motor tauscht der Wasserstoff einen Teil seiner Kälte, die dann ohnehin nicht mehr gebraucht wird, mit der angesaugten Außenluft. Diese kühlt so stark ab, dass sie flüssig wird. Die jetzt minus 191 Celsius kalte Flüssigluft durchströmt in dem CooLH2 genannten System dann einen Kühlmantel, der den Innentank umgibt und wie ein Kühlschrank wirkt. Eine kurze Fahrt, beispielsweise von der Tankstelle zur Garage, genügt, um den Kühlschrank aufzuladen. 19

21 3.4.3 Metallhydridspeicher In den 80er Jahren verstärkte Daimler-Benz gemeinsam mit Mannesmann die Forschung an einer weiteren Speichertechnologie, den Metallhydridspeichern. Hierbei erfolgt eine Anlagerung von gasförmigem Wasserstoff an bestimmten Metallen bzw. metallischen Legierungen (in Form eines feinen Granulats oder Pulvers), die diesen wie ein Schwamm speichern und wieder abgeben können. In der ersten Reaktionsphase, der sogenannten α-phase, werden an der Metalloberfläche katalytisch gespaltene Wasserstoffmoleküle, also Wasserstoffatome, als Einlagerungs- oder Zwischengitteratome in das Metallgitter eingebaut. Erhöht man nun den Druck im Speicher, erhöht sich auch die Wasserstoffkonzentration im Metallgitter. Ist eine Sättigung der α-phase erreicht, bildet sich an einigen Stellen Metallhydrid. Dieser Vorgang wird β-phase genannt. Da diese Reaktion exotherm verläuft, muss die Reaktionswärme abgeführt werden, um einen Stillstand der Reaktion zu vermeiden. Beim Phasenübergang verändert sich das ursprüngliche Metallgitter sehr stark, wodurch das Ausgangsmaterial in feines Pulver zerfällt. Da diese Reaktionen reversibel, das heißt umkehrbar, sind, kann man durch Zufuhr der vorher abgegebenen Wärmeenergie den nun hochreinen Wasserstoff zurückgewinnen. Dafür wird auch keine zusätzliche Energie benötigt, da die Brennstoffzelle ausreichend Wärme erzeugt. Das Speichern von Wasserstoff in Metallhydriden erlaubt eine weitestgehend verlustfreie Speicherung über einen langen Zeitraum, da das Gas chemisch gebunden ist und nicht entweichen kann. Auch sicherheitstechnisch gesehen sind Metallhydridspeicher daher absolut unbedenklich. Problematisch für den Fahrzeugbau dagegen ist die Tatsache, dass Metallhydridspeicher nur über eine geringe massenspezifische Speicherdichte verfügen (nur 1,7-4,5 % H 2 -Masse gegenüber der Legierung) und somit sehr schwer sind. Ein Wasserstoffschwamm, der einem 40 Liter Benzin fassenden herkömmlichen Tank entsprechen soll, würde ganze 200 Kilogramm wiegen, was bei voller Betankung in etwa dem achtfachen Gewicht entspricht. Ein zusätzliches Problem ist, dass je nach Legierung zur Freisetzung des Wasserstoffs sehr hohe Temperaturen erforderlich sind. Betanken ließen sich die Speicher an einer entsprechenden Tankstelle unkompliziert mit komprimiertem Wasserstoffgas, wie dies auch bei der Druckgasspeicherung der Fall ist. Unter den Automobilherstellern engagiert sich hauptsächlich 20

22 Toyota für die Entwicklung leistungsfähiger Metallhydridspeicher. Eines der größten Metallhydridspeichersysteme befindet sich am Flughafen München, wo im Mai 1999 die weltweit erste Wasserstofftankstelle eröffnet wurde. Die Metallhydrid- Speichertanks dienen zur Speicherung des eigens per Elektrolyse hergestellten Wasserstoffgases. Abb. F5: Metallhydridspeicher Flüssige Hydride Die chemische Bindung von Wasserstoffatomen in sogenannten flüssigen Hydriden, wie Methanol (CH 3 OH), ist ebenfalls eine verbreitete Art der Wasserstoffspeicherung. Ein Vorteil gegenüber anderen Speichermöglichkeiten ist die einfache Handhabung ähnlich der von Benzin. So ließe sich Methanol im Gegensatz zu Wasserstoff mit relativ geringen technischen Veränderungen in die bestehende Tankstelleninfrastruktur einbeziehen und auch das Tanksystem der Fahrzeuge wäre nahezu identisch. Nachteilig dagegen ist, dass eine chemische Bindung von Wasserstoff an Kohlenwasserstoffen, wie bei Benzin und Diesel, bei der Verbrennung Kohlenmonoxid und - dioxid sowie Stickoxide freisetzt. Zwar wären diese Emissionen im Falle von Methanol gegenüber benzinbetriebenen Fahrzeugen um etwa 35% geringer, bei reinem Wasserstoff fielen diese jedoch vollständig weg. Momentan gibt es zwei verschiedene Konzepte, um Methanol als Kraftstoff im Fahrzeug einzusetzen: 1. Mit Hilfe von Reformern an Bord der Brennstoffzellenfahrzeuge kann aus dem Methanol Wasserstoff produziert werden, der dann wie gewohnt in Brennstoffzellen umgewandelt werden kann. 2. Ein anderer Ansatz besteht darin, die chemisch gebundene Energie des Methanols in speziellen Brennstoffzellen direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Solche Direkt- Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) sind zurzeit jedoch noch nicht hundertprozentig ausgereift. Abb. F6: Tankvorgang bei einem mit Methanol betriebenen Fahrzeug 21

23 3.4.5 Graphit-Nano-Fasern (GNF) Ein sehr viel versprechendes Verfahren der Wasserstoffspeicherung, zu dem jedoch noch Grundlagenforschung betrieben wird, ist die Graphit-Nano-Faser-Speicherung. Wasserstoff wird hierbei zwischen mehreren Lagen Graphitfasern eines Querschnitts von 5-10nm eingelagert. In Graphitnanospeichern sollen zwischen 7,5 und 75 % des Karbongewichts in Form von Wasserstoff gespeichert werden können. Die Northeastern University in Boston hat in ersten Versuchen mit sogenannten Carbonnanotubes bereits eine Speicherfähigkeit von % des Karbongewichts nachgewiesen. Ein GNF-Fahrzeugtank von etwa 25 l Volumen und 15 kg Graphitmasse könnte einem viersitzigen Kleinwagen mit Brennstoffzellenantrieb mindestens km Reichweite ermöglichen, vielleicht auch deutlich mehr bis zu 6000 km werden vermutet. Wahrscheinlich wird diese enorme Speicherdichte durch den hohen kristallinen Anteil zwischen den Kohlenstoffgitterebenen möglich, wodurch sich die Wasserstoffmoleküle dicht gepackt anlagern können. Genau ist der Anlagerungsprozess jedoch noch nicht erforscht. Einziger Nachteil: Die Beladung des Speichers dauert zwischen vier und 24 Stunden und ist nur vier bis fünf Mal möglich. Deshalb könnte man sich durchaus vorstellen, dass die Betankung eines Fahrzeuges durch das Auswechseln von Kartuschen erfolgt und sich anstelle des Tankes ein Steckplatz für eine Kartusche befindet Natriumborhydrid Natriumborhydrid ist eine anorganische chemische Verbindung mit der Formel NaBH 4. Unter Normalbedingungen handelt es sich um ein komplexes Salz, mit Natrium als Kation und Bor- Wasserstoff als Anion. Mit Wasser wird es unter Hydrolyse und der Bildung elementaren Wasserstoffs zersetzt. Dies geschieht jedoch nur langsam, sodass diese Verbindung sowohl in wässrigen als auch in alkoholischen Lösungsmitteln eingesetzt werden kann. Für den Einsatz des Natriumborhydridspeichers in Brennstoffzellenautos existiert bereits ein von Daimler Chrysler gebauter Prototyp namens Natrium. Das Funktionsprinzip ist eine katalytische Hydrolyse des Borhydrids, wodurch elementarer Wasserstoff entsteht, welcher in der Brennstoffzelle eingesetzt wird. Das Endprodukt Natriummetaborat (NaBO 2 ) kann durch Reaktion mit Wasserstoff wieder als Treibstoff nutzbar gemacht werden Die Wasserstoff CD

24 Reaktionsgleichungen: NaBH H 2 O 4 H 2 + NaBO 2 NaBO H 2 NaBH H 2 O 3.5 Sicherheitsaspekte Im Allgemeinen ist der Umgang mit Wasserstoff nicht gefährlicher als der mit Benzin, sondern einfach nur anders. Natürlich ist auch Wasserstoff, genau wie das heutige Benzin, unter gewissen Umständen gefährlich. Es wurden umfangreiche Tests durchgeführt, um eine ebenso hohe Sicherheit für Wasserstoffspeicher wie bei Benzintanks zu garantieren. In sicherheitsanalytischen Studien, Labor- und Feldexperimenten wurde simuliert, was später im täglichen Umgang mit dem Energieträger Wasserstoff passieren kann. Jedoch muss bei den Sicherheitsaspekten zwischen den verschiedenen Speichermethoden differenziert werden, da hier deutliche Unterschiede vorliegen: bei der Druckgasspeicherung In Drucktanks liegt Wasserstoff gasförmig vor, was von sicherheitstechnischer Seite her die gefährlichste Form von Wasserstoff ist. Im Gegensatz zu Erdgas ist Wasserstoff um ein vielfaches flüchtiger und außerdem 14mal leichter als Luft. Im Freien führt das dazu, dass Wasserstoffgas schnell nach oben steigt und sich verflüchtigt. In geschlossenen Räumen kann es dagegen zu einer Bildung und Ansammlung eines explosiven Gas-Luft-Gemisches (Knallgas) kommen. Die Automobilhersteller verwenden bei ihren Konzeptfahrzeugen aus diesem Grund Wasserstoffsensoren, welche bei einem Leck im Leitungssystem sofort sämtliche Ventile schließen und die Gaszufuhr unterbrechen. Trotzdem werden wasserstoffbetriebene Fahrzeuge mit Drucktanks voraussichtlich den gleichen Sicherheitsvorlagen unterliegen wie erdgasbetriebene Fahrzeuge und nicht in geschlossenen Räumen (Tiefgaragen) geparkt werden dürfen. Um die Sicherheit des Wasserstoffdrucktanks mit heutigen Benzintanks vergleichen zu können, führte Dr. Michael Swain von der University of Miami in Florida dazu einen Versuch mit jeweils einem wasserstoff- und einem benzinbetriebenen Fahrzeug durch: Bei beiden Fahrzeugen wurde eine Leckage am Tank verursacht (ein 1,6 mm Loch in der Benzinleitung bzw. eine undichte Verbindungsstelle in der Wasserstoffleitung). Anschließend wurde aus unmittelbarer Nähe ferngezündet. (Abb. F11 im Anhang - Brandvergleich der Krafstoffe Wasserstoff und Benzin) 23

25 Während beim benzinbetriebenen Fahrzeug ein kleines Loch ausschlaggebend für den Brand war, hätten zum Brand am wasserstoffbetriebenen Fahrzeug gleich vier Sicherheitssysteme auf einmal ausfallen müssen! Crashtests an Fahrzeugen mit Gasdruckbehältern wurden bisher noch nicht durchgeführt, da die Tanks in der Regel, wie auch Benzintanks, im geschützten Bereich zwischen den Hinterrädern liegen, muss ein Aufprall äußerst heftig und ungünstig erfolgen, um die Tanks mechanisch zu beschädigen. Bei solch einem Unfall sind die Überlebenschancen für die Insassen durch den starken Aufprall ohnehin schon sehr gering, weshalb bisher keine tiefgehenderen Versuche erfolgt sind. bei der Flüssiggasspeicherung In einem mehrjährigen Programm wurden von der BMW Group verschiedene schwere Unfälle nachgestellt und getestet, wie sich der Flüssigwasserstofftank dabei verhält. So wurden gefüllte Tanks, deren Sicherheitsventile absichtlich blockiert wurden, unter hohem Druck zerstört. Die für diesen Extremfall vorgesehene Sollbruchstelle im Innentank sorgt dafür, dass der gespeicherte Wasserstoff dosiert abgeblasen wird. In weiteren Versuchen wurden mit flüssigem Wasserstoff gefüllte Fahrzeugtanks auf einem Prüfstand Brandtests unterzogen. Dabei wurden die Tanks für mehr als eine Stunde von fast C heißen Flammen vollständig umschlossen. Auch hier bewiesen die Tanks ihre hervorragenden Sicherheitseigenschaften: Der verdampfte Wasserstoff entwich langsam und kaum wahrnehmbar über die Sicherheitsventile. Im letzten Teil der vielen Worst-Case-Untersuchungen (engl: schlimmster Fall ) wurden Fahrzeugtanks mit Flüssigwasserstoff durch massive Gegenstände deformiert und stark beschädigt. In keinem der Fälle kam es zur Explosion eines Tanks. Aber es mussten sich auch komplette Fahrzeuge bewähren. So wurden BMW Wasserstofffahrzeuge Crashtests nach aktuellen Normen unterzogen, beispielsweise: - dem Frontal-Crash nach US-Spezifikation mit 56 km/h Aufprallgeschwindigkeit - dem Heck-Crash mit 100 und 40 Prozent Überdeckung - dem Seiten-Crash am Einfüllstutzen zum Wasserstofftank Alle Anforderungen wurden dabei einwandfrei erfüllt und der Beweis erbracht, dass der Betrieb mit Wasserstoff genauso sicher ist wie mit Benzin. Abb. F7: Deformationstest Wasserstofftank 24

26 bei der Metallhydridspeicherung Die Metallhydridspeicherung bietet einen sehr hohen Sicherheitsstandard, da der Wasserstoff chemisch gebunden ist und kein Gas aus dem Speicher entweichen, sich in geschlossenen Räumen (z.b. Tiefgarage) ansammeln und ein explosives Wasserstoff-Luft-Gemisch bilden kann. Denn nur durch Zufuhr von thermischer Energie wird das Gas aus dem Metallhydrid gelöst und zu den Brennstoffzellen geleitet. Sollte das Fahrzeug bei einem Unfall Feuer fangen und der Speicher großer Wärme ausgesetzt sein, so entweicht der Wasserstoff über Sicherheitsventile und verbrennt kontrolliert. Bei Bränden im Bereich der Gasleitungen oder der Brennstoffzelle ist der Speicher zusätzlich durch Rückschlagventile geschützt. bei flüssigen Hydriden Methanol verhält sich generell wie Benzin. Auch die Lagerung, Betankung und der Umgang mit Methanol unterscheidet sich kaum von der Handhabung Benzins. Methanol ist leicht entzündlich und Methanoldämpfe bilden mit Luft ein hochexplosives Gemisch. Gefährlich ist außerdem die kaum sichtbare bläuliche Flamme beim Verbrennen von Methanol, da Brände so erst spät bemerkt und bekämpft werden können. Auslaufendes Methanol nach einem Unfall ist äußerst umweltschädlich und sehr stark grundwassergefährdend, was die Vorteile des Methanols in Handhabung und Infrastruktur aus umweltspezifischer Sicht wieder relativiert. bei Graphit-Nano-Fasern (GNF) Da diese Art der Speicherung noch absoluter Forschungsgegenstand ist, sind genaue Aussagen über die Sicherheit von GNF-Speichersystemen nicht möglich. Liegen die Speicher allerdings in der geplanten Form von auswechselbaren Kartuschen vor, wäre diese Art der Wasserstoff-Speicherung sehr sicher. Ein Freisetzen des Wasserstoffes erfolgt nur durch kontrolliertes Erhöhen des anliegenden Druckes, eine mechanische Zerstörung des Speichers hätte keinerlei Gefahren zur Folge. Hier wären nur die Teile des Treibstoffsystems brandgefährdet, die mit dem gasförmigen Wasserstoff in Verbindung kommen, also hauptsächlich Treibstoffleitungen, die man jedoch durch Sensoren und Rückschlagventile schützen kann. 25

27 bei Natriumborhydrid Sowohl der Ausgangsstoff Natriumborhydrid als auch das Endprodukt Natriummetaborat sind weder entflammbar noch giftig, wodurch diese Art der Wasserstoffspeicherung und - bereitstellung äußerst hohe Sicherheit bietet. Ein Freiwerden von Wasserstoffgas ist unkontrolliert nicht möglich, bei Berührung des Natriumborhydrids mit Wasser wird zur Reaktion zusätzlich das Katalysatormetall benötigt. Brandgefährdet wären auch hier nur mit dem gasförmigen Wasserstoff in Kontakt stehende Leitungen und Komponenten Tankstelleninfrastruktur Um später eine lückenlose Wasserstoffversorgung zu gewährleisten, muss eine völlig neue Tankstelleninfrastruktur aufgebaut werden. Zurzeit gibt es in Deutschland gegenüber mehr als Benzintankstellen nur fünf Wasserstofftankstellen. 38 Diese Zahlen verdeutlichen, dass bis zur Einführung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen noch viel Handlungsbedarf besteht um eine flächendeckende Tankstelleninfrastruktur zu schaffen. Hinzu kommt, dass der jetzige technische Stand nur geringe Reichweiten erlaubt (etwa 300 km). So würde man heute in Deutschland kaum von einer Wasserstofftankstelle zur nächsten kommen. Die angesprochenen deutschen Wasserstofftankstellen befinden sich in München am Flughafen, an der Hamburger Hochbahn, in Berlin am Messedamm und in Spandau sowie in Stuttgart. Sie dienen zur Betankung von Fahrzeugflotten, die im Rahmen der Projekte CEP und CUTE (siehe 7.1 und 7.4) auf ihre Alltagstauglichkeit getestet werden. Zurzeit plant die Linde AG einen Autobahnring in Deutschland mit Wasserstofftankstellen auszurüsten. Der von Linde auf dem International Hydrogen Day in Berlin vorgeschlagene Autobahnring zwischen Berlin, Leipzig, München, Stuttgart und Köln wäre insgesamt rund Abb. F8: die weltweit erste Wasserstofftankstelle am Flughafen München (Eröffnung im Mai 99)

28 1.800 km lang. Im Abstand von durchschnittlich 50 km könnten im Laufe weniger Jahre Zapfsäulen für Wasserstoff installiert werden. Bereits heute gibt es in Berlin und München Wasserstofftankstellen in Autobahnnähe, die in das Projekt integriert werden könnten. Insgesamt müssten rund 35 Zapfsäulen, jeweils für gasförmigen und verflüssigten Wasserstoff, an größtenteils bereits vorhandenen Raststätten neu gebaut werden, um diese weltweit größte Teststrecke für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge zu schaffen. Die Investitionen dafür liegen nach Berechnungen der Linde AG bei ca. 30 Mio. Euro. An der vorgesehenen Strecke liegen wichtige Entwicklungszentren sowie die meisten Produktionsstandorte der deutschen Automobilhersteller. So könnten die Hersteller die Alltagstauglichkeit ihrer Antriebe unter realen Bedingungen erproben. In einem zweiten Schritt könnten von dem Autobahnring in Deutschland schon bald Erweiterungen des Tankstellennetzes auf andere EU-Staaten erfolgen. 4 Alternative Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff Schon seit einigen Jahren ist man auf der Suche nach neuen Kraftstoffen. Erdgas, Flüssiggas, Biodiesel, Rapsöl und Ethanol schließen zurzeit nur einige Lücken, sie sind nicht für eine volle Versorgung ausreichend. Außerdem enthalten alle bis dahin gefunden Kraftstoffe Kohlenstoff. Bei der Verbrennung dieser Stoffe entsteht prinzipiell Kohlendioxid. Das Elektroauto mit Akkumulator kann die Ansprüche der heutigen Gesellschaft auch nicht erfüllen. Mit der Gesetzgebung zum ZEV in Kalifornien war die Automobilindustrie Welt weit gezwungen zu reagieren, da die USA der größte Automarkt der Welt sind. Deshalb begannen alle großen Automobilhersteller in der Welt Wasserstoffautos zu entwickeln. Neben der Weiterentwicklung des Benzinmotors zum Wasserstoffverbrennungsmotor wurde der Schwerpunkt auf die neue Wasserstoffumwandlungstechnologie der Brennstoffzelle für alternative Antriebssysteme gelegt. Momentan scheint es so, das Wasserstoff als neuer Kraftstoff der Zukunft sich anbietet. Brennstoffzelle und Wasserstoffverbrennungsmotor sind die derzeitigen Alternativen mit dem höchsten Entwicklungspotential. 27

29 4.1 Wasserstoffverbrennungsmotoren Der wasserstoffbetriebene Vier-Takt-Otto-Motor Die für die Fortbewegung notwendige mechanische Energie wird im Wasserstoffverbrennungsmotor durch die Knallgasreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Bei der Oxidation von Wasserstoff entsteht gasförmiges Wasser, das an die Umwelt abgegeben wird und keinerlei Gefährdung darstellt. Der Wasserstoffverbrennungsmotor ist ein modifizierter konventioneller Vier-Takt-Otto- Motor. Die Firma BMW aus München setzt in ihrer Wasserstoffautoentwicklung den Schwerpunkt auf den Wasserstoffverbrennungsmotor, da die Motorentechnologie hoch entwickelt, kostengünstig und schneller in der Umsetzungsphase realisiert werden kann. Weiterhin sind ihre Forschungsaktivitäten auf die Entwicklung des Wasserstofftanks und der Wasserstoffbetankungsvorrichtung (Roboterarm und manuelle Wasserstoffbetankungspistole). Die Aufrüstung des Motors mit einem neuen elektronisch geregelten Gasbildungssystem ist von großer Bedeutung. Die im Gasbildungssystem enthaltene Einblasanlage (Ventil) (Abb. R.8 Tiefkalte Gemischbildung und Hochdruckeinblasung) bestimmt wesentlich den späteren Wirkungsgrad des Motors. Zusätzlich wird deshalb ein neues Tanksystem für Wasserstoff benötigt. Das neue Tanksystem besteht aus einen Druckbehälter der komprimierten oder flüssigen Wasserstoff aufnehmen kann. Die verwendeten Kraftstoffleitungen, Dichtungen und andere wichtige Systemkomponenten müssen hohen Drücken und enormer Kälte Stand halten. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffs müssen die Verbrennungsräume im Motor mittels eines Kompressors beladen werden, da eine höhere Verdichtung des Gasgemisches und kurze Einspritzintervalle unumgänglich sind. Um eine Selbstentzündung des Luft-Wasserstoff-Gemisches zu vermeiden, findet die Verbrennung unter Luftüberschuss statt. Die überschüssige Luft nimmt die Wärme auf und führt sie ab. Ein unruhiges Laufen des Motors und eventuelle Fehlzündungen werden somit unterbunden und gleichzeitig die Entstehung von Stickoxiden vermieden. Stickoxide entstehen aus dem in der Luft enthaltenen Stickstoff, bevorzugt bei der Verbrennung unter hohen Temperaturen. Momentan wird das Gemisch noch außerhalb der Brennräume, in Turbolader oder Kompressor stark komprimiert gebildet. Eine noch in der Forschungs- beziehungsweise Probephase befindliche neue Methode ist die Direkteinspritzung des Gasgemisches in die Brennräume. Die für die Komprimierung aufgewendet Energie, steht den System nach der Verbrennung wieder zur Verfügung. 28

30 Der Wasserstoffverbrennungsmotor basiert wie unsere heutigen Diesel- oder Benzinmotoren auf dem Vier-Takt System. Im ersten Takt wird der Brennraum mit dem Wasserstoff-Luft- Gemisch befüllt, in dem sich der Kolben vom obern Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) bewegt. Ist der Verbrennungsraum vollständig mit dem Gasgemisch befüllt, beginnt der zweite Takt. Das Einblasventil schließt sich, der Kolben bewegt sich in Richtung Zylinderkopf von der Kurbelwelle weg. Bei diesem Vorgang kommt es zu einer Verdichtung des Gasgemisches im Brennraum. Das Gemisch wird kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes gezündet. Die Zündung des Gemisches erfolgt durch einen elektrischen Funken. Dieser wird mit Hilfe einer Zündkerze erzeugt. Nach dem so genannten Zündzeitpunkt beginnt der Arbeitstakt. Die explosionsartige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt, dass die Temperatur und der Druck rapide ansteigen und der Kolben wird zurück in Richtung der Kurbelwelle gepresst. Erreicht der Kolben den unteren Totpunkt, so beginnt der vierte Takt. Das Auslassventil öffnet sich und die verbrannten Gase werden ausgestoßen. Damit der Verbrennungsprozess fließend ablaufen kann, ist die Kurbelwelle über die Pleuelstange mit dem Kolben beweglich verbunden und mit einem Schwungrad versehen. Die Kurbelwelle hat sich in diesen vier Takten um 720 Grad gedreht. An jedem Zylinder sind ein bis zwei Einblasventile zu finden, mit der unverzichtbaren Reglungs- und Überwachungstechnik. Lastwechselvorgänge des Motors können problemlos mit diesem Konzept beherrscht werden. Dieser Wasserstoffverbrennungsmotor wurde in den ersten Wasserstofffahrzeugen 1999 des Automodells BMW 745hl eingesetzt und mit Erfolg in langen Testfahrten geprüft. Die Firma BMW hat diesen Motorenkonzept zurzeit 18 straßentaugliche Wasserstoffautos. Verbesserungswürdig ist beim Wasserstoffverbrennungsmotor der Wirkungsgrad von ca. 25 Prozent, der zum Beispiel durch eine Direkteinblasung des Kraftstoffes und durch die Gemischbildung direkt im Brennraum optimiert werden kann. Bei diesem Verfahren ist es möglich, den Wirkungsgrad auf knapp 40 Prozent zu steigern. BMW hat in Zusammenarbeit mit der Universität Graz ab 2001 einen solchen Motor mit Direkteinblasung entwickelt. Die neue Geometrie von Brennraum und Kolben ermöglicht eine effizientere Verbrennung des Kraftstoffes. Die wesentliche Neuerung ist eine so genannte tiefkalte Einblasung des Treibstoffs. Der Wasserstoff wird mit einer Temperatur von minus 200 C und einem Druck von 200 bar in den Brennraum eingeblasen, wo er sich mit der für die Verbrennung benötigten Luft vermischt. Mit diesem Konzept erreicht man eine Steigerung des Gemischheizwertes von etwa 20 Prozent gegenüber einem konventionellen Otto-Motor. BMW ist bestrebt diesen Motor bezüglich seiner Leistung, Wirkungsgrad und 29

31 Stickoxid- Emissionen zu optimieren. Das Hauptziel ist einen Motor zu entwickeln, der nahezu keinen Ausstoß an Stickoxiden besitzt Der wasserstoffbetriebene Dieselmotor Im Aufbau sind Diesel- und Vier-Takt-Otto-Motor fast gleich. Der entscheidende Unterschied ist, dass der Dieselmotor keine Zündkerzen benötigt, da er nach dem Prinzip der Selbstzündung arbeitet. Die Funktionsweise entspricht der eines herkömmlichen 4-Takt- Motors mit dem Unterschied, dass eine innere Gemischbildung stattfindet. Der LKW- Hersteller MAN AG und die TU München haben Untersuchungen an einem Großdiesel durchgeführt. Vorgestellt wurden die Ergebnisse im Mai 2000 auf dem 4. Symposium für Verbrennungsdiagnostik. Das Gas-Luft-Gemisch erhitzt sich so hoch, bis es sich selbst entzündet, nachdem es auf einen Druck von 200 bar gebracht wurden ist. Die Temperaturen für die Selbstentzündung des Wasserstoffs liegen bei 850 Kelvin und müssen somit höher als die vom Diesel (520 Kelvin) sein. Auf dem 4. Symposium für Verbrennungsdiagnostik wurde gezeigt, dass die Verbrennung von Wasserstoff unter dieselmotorischen Bedingungen möglich ist. Aufgrund der Kompression treten bei der Verbrennung hohe Temperaturen auf, die weit über der Selbstentzündungstemperatur des Wasserstoffs liegen. Der erreichte Wirkungsgrad liegt bei diesem Verbrennungsvorgang über dem eines heute herkömmlichen Dieselmotors. Stickoxide sind die Einzigen anfallenden relevanten Schadstoffe, die in Folge der hohen Verbrennungstemperatur entstehen. Eine Senkung des Stickoxid-Ausstoßes kann durch inner- und außermotorische Maßnahmen erfolgen, wie zum Beispiel durch die Verwendung eines Katalysators. Die auftretenden Temperaturen und Drücke stellen zu dem neue Anforderrungen an das Material Der bivalente Wasserstoffverbrennungsmotor Der bivalente Wasserstoffverbrennungsmotor für ein Wasserstoffauto ist eine Entwicklung nur von BMW. Bivalent bedeutet, dass dieser Motor so ausgelegt wurde, dass er sowohl mit Benzin als auch mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben werden kann. Unumgänglich sind Veränderungen zur Anpassungen im Kraftstoffsystem bis zur Gemischaufbereitung. BMW zeigte mehrfach mit wasserstoffbetriebenen Studien aus der 7-er-Reihe, dass der bivalente Wasserstoffverbrennungsmotor bereits ein sehr hoch entwickeltes Produkt ist. In Testfahrten hat der BMW 750hL (Abb. R3 im Anhang BMW 750hl) über Kilometer 30

32 zurückgelegt. Die Studie aus dem Jahr 2000 nutzt einen 5,4Liter-Achtzylinder-V-Motor, der für den Betrieb mit Flüssigwasserstoff oder Benzin ausgelegt ist. Der Motor erreicht eine Leistung von 150 kw. Im Wasserstoffbetrieb kann man Strecken von bis zu 350 Kilometer zurücklegen. Im Kofferraum befindet sich ein Kryotank mit einem Fassungsvermögen von 140 Litern. Dies entspricht 45 Litern Benzin. Der Betriebsdruck beträgt eins bis vier Bar. 4 Negativ für die Gestaltung von Innenraum und Kofferraumvolumen sind die für beide Kraftstoffe extra vorhandenen Tanksysteme und Kraftstoffleitungen. Für den Anfang des zukünftigen Wasserstoffzeitalters ist der bivalente Wasserstoffverbrennungsmotor die beste Alternative, da eine Wasserstofftankstelleninfrastruktur erst aufgebaut werden muss. Jedoch ist der Wasserstoffverbrennungsmotor nur eine Übergangslösung, da er dem Gesamtwirkungsgrad einer Brennstoffzelle wesentlich unterlegen ist. Der niedrige Wirkungsgrad hat zur Folge, dass die Treibstoffkosten zu hoch sind. Die Energieverluste beim Verbrennungsvorgang haben ihre Ursache in der anfallenden thermischen Energie Vor- und Nachteile des Wasserstoffverbrennungsmotors Die Technologie des Wasserstoffverbrennungsmotors ist heute schon hoch entwickelt, da die Automobilindustrie jahrzehntelange Erfahrung mit Verbrennungsmotoren hat. Die erreichten Wirkungsgrade liegen beim Wasserstoffverbrennungsmotor weit unter denen von fossilen Brennstoffen und dem der Membranbrennstoffzellen. Ein heute üblicher guter Dieselmotor erreicht einen Wirkungsgrad von 35 Prozent, und ist damit höher als der Wirkungsgrad eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit 25 Prozent. Der Wasserstoffverbrennungsmotor erzielt die Hälfte des Wirkungsgrades einer Brennstoffzelle und ist somit auf Dauer im Wasserstoffzeitalter nicht konkurrenzfähig. Dies hängt mit der hohen Wärmeentwicklung beim Verbrennen zusammen. Gegenüber Elektromotoren besitzt der Wasserstoffverbrennungsmotor einen hohen Geräuschpegel. Durch die hohen Temperaturen und Drücke bei der Verbrennung werden die Motorbauteile stärker beansprucht. Das bei der Verbrennung entstehende Wasser kann zu einer verstärkten Korrosion in der Abgasanlage führen. Von ökonomischer Seite betrachtet ist die Herstellung eines Motors dieser Art noch kostengünstiger, als die Herstellung eines Elektrofahrzeuges, dass durch eine Brennstoffzelle mit Strom versorgt wird. Der Motor ist außerdem langlebiger, unempfindlicher und in der Produktion leichter zu handhaben. Der bivalente Wasserstoffverbrennungsmotor ist für die 4 Wasserstoff Kraftstoff für zukünftige Antriebstechnologien (BMW Group) 31

33 Anfänge des Wasserstoffzeitalters, eine perfekte Alternative zur Brennstoffzelle. Allerdings ist er aufgrund seines niedrigen Wirkungsgrades auf längere Zeiträume gesehen nicht konkurrenzfähig. Unregelmäßig ablaufende Verbrennungsvorgänge entstehen durch Rückzündung in der Ansaugphase, Glühzündung in der Kompressionsphase, klopfende Verbrennung und Wasseranlagerungen an der Zündkerze beim Kaltstart. Die Rückzündungen kommen zu Stande, wenn Kraftstoff während der Ansaugphase in den Hubraum kommt und immer noch heiße Restgase vorhanden sind. Noch im Ansaugtakt kann es zur Zündung des Gemischs kommen. Die klopfende Verbrennung resultiert daraus, dass die Oktanzahl des Wasserstoffs deutlich kleiner ist, als die von Benzin. Ein weiteres Problem ist die geringe Leistungsdichte in Folge von Liefergradverlusten. Die Liefergradverluste entstehen wegen der geringen Dichte des Wasserstoffs, da dieser ein Drittel der angesaugten Luft im Saugrohr verdrängt Brennstoffzellenantriebe Die meisten Automobilhersteller der Welt entwickeln Wasserstofffahrzeugkonzepte mit dem Antriebsstrang Brennstoffzelle in Kombination mit Elektromotor. Der sehr hohe Wirkungsgrad dieser neuen effizienten Wasserstoffumwandlungstechnologie ist dafür ausschlaggebend Aufbau- und Funktionsprinzip der Brennstoffzelle Die Brennstoffzelle hat einen einfachen Aufbau. Anode, und Elektrolytmembran sowie Kathode bilden den Grundaufbau einer Membranbrennstoffzelle. Bei der Anode und Kathode handelt es sich um zwei Gasdiffusionselektroden, welche aus Graphitpapier mit einer Katalysatorschicht bestehen. Anode und Kathode sind durch den 39 Abb. R1: Schnittbild Brennstoffzelle 32

34 äußeren Stromkreis miteinander verbunden. Zwischen den beiden Elektroden ist die Elektrolytmembran angeordnet. Bei der für das Fahrzeug relevanten Brennstoffzelle handelt es sich um PEM - Brennstoffzelle (Prototonen- Exchange- Membran = Protonen- Austauscher- Membran). Diese Brennstoffzellen besitzen eine protonenleitende Membran. Verwendet wird zum Beispiel Nafion (Abb. 3 im Anhang Nafiongruppe) um eine Membran zu fertigen. Zudem hat die Membran die Aufgabe, die Gase Wasserstoff und Sauerstoff räumlich von einander zu trennen (Knallgasbildung). Die bipolaren Platten sorgen für die Verteilung der an der Reaktion beteiligten Gase und des Kühlmittels. Die Abführung des bei der Reaktion entstehenden Wassers ist eine weitere Aufgabe der bipolaren Platten. 5 Der an der Anode anliegende Wasserstoff wird aufgrund des Platinkatalysators oxidiert. Es kommt zu einer Elektronenabgabe: H H Die Anode lädt sich negativ auf. Die abgegeben Elektronen fließen von der Anode über den äußeren Stromkreis, in dem ein Verbraucher eingebunden ist, zur Kathode. Zwischen Anode und Kathode entsteht ein elektrisches Potential. Auf der Kathodenseite wir der Sauerstoff zunächst reduziert. Er nimmt Elektronen auf: O 2 + e 2 4 O Wasserstoffprotonen wandern durch die protonenleitende Membran. Auf der Kathodenseite verbinden sich diese mit den zweifach negativ geladenen Sauerstoffionen zu Wasser unter Wärmeabgabe: 2 + 2O + 2H H 2O Bei dieser elektrochemischen Reaktion entsteht Gleichstrom, da hier eine einseitige Bewegung der Teilchen und Elektronen vorliegt. Addiert man die Reaktionsgleichungen für Anoden- und Kathoden Reaktion, so erhält man die Oxidation des Wasserstoffs. 2H 2 + O2 2H 2O Da die Reaktion exotherm abläuft, verlässt das Wasser die Brennstoffzelle als Wasserdampf. Theoretisch sind Spannungen von bis zu 1,23 Volt zu realisieren. In der Praxis erreicht man aber nur Spannungen im Bereich von 0,6 bis 0,9 Volt. Der Verlust kommt durch Rückreaktionen, den Innenwiderstand und nicht ausreichender Diffusionen von Gasen zu Stande. Um die Spannung zu erhöhen müssen Brennstoffzellen, genau wie Batterien, in Reihe geschaltet werden. Man spricht dann von Brennstoffzellen-Stacks. Die Stromstärke ist proportional zur Fläche des mit Wasserstoff benetzten Elektrolyten. Das heißt, mit e 2 5 Die Brennstoffzelle Ende des Verbrennungsmotors? (S.8) (Paul Haupt-Verlag) 33

35 wachsender Fläche des Elektrolyten steigt die Stromstärke. Diese Eigenschaft macht die Brennstoffzelle zum vielseitig nutzbaren Stromlieferanten, da nahezu alle Ströme und Spannungen machbar sind. Diese können einen Elektromotor im Brennstoffzellenfahrzeug antreiben. Der Einsatz von Brennstoffzellen in Kleingeräten wie Handys oder Notebooks wird von der Firma Smart Fuel Cell verfolgt, während sich der Energiekonzern RWE mit der Erprobung von Brennstoffzellen im Kraftwerksbetrieb beschäftigt Wirkungsgrad Der hohe Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle ist auf die optimale Umwandlung von der chemisch gebundenen Energie des Wasserstoffs in elektrische Energie zurückzuführen. Otto- Motoren können mit dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle nicht mithalten, da dieser doppelt so hoch ist. Im Stadtverkehr oder Teillastbetrieb nimmt der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zunächst zu. Im Verbrennungsmotor fällt der Wirkungsgrad. Die PEM- Brennstoffzellen erreichen heute schon Wirkungsgrade von durchschnittlich 55 Prozent. 40 Prozent der im Wasserstoffgebundene Energie stehen den Fahrzeug zum Fortbewegung zur Verfügung. Diese Verluste entstehen durch den Eigenbedarf des Systems an Energie. Elektrische Energie wird für Pumpen und Luftverdichter im Fahrzeug gebraucht. Verluste treten im Antriebssystem sowie im Elektromotor auf. Die erzielte Energieeffizienz ist dennoch enorm Fahrzeuge mit direkter Wasserstoffversorgung Die PEM- Brennstoffzellen sind leicht zu handhaben und bieten ein für Fahrzeuge optimales dynamisches Lastwechselverhalten. Die Polymermembran ist lageunabhängig und gibt so den Autoherstellen immer noch Freiheiten, was die Form der Karosserie angeht. Neue Zusatzaggregate sind bei Brennstoffzellenfahrzeugen unumgänglich. Dies hat auch zur Folge, dass Fahrzeuge komplett umkonzipiert werden müssen, da der Verbrennungsmotor einem Elektromotor weichen muss. Die Brennstoffzelle liefert dem Motor den benötigten Strom. Der direkteste und energetisch beste Weg die Brennstoffzelle mit Strom zu versorgen, ist mit Flüssigwasserstoff. So wurde der NECAR 4 von DaimlerChrysler entwickelt. Bemerkenswert an diesen Prototypen ist, dass es sich erstmals um ein vollwertiges Brennstoffzellenfahrzeug 6 Hybride-,Batterie und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen- Technik und Entwicklungen (S.23) (Expert Verlag) 53 Vortrag Naturwissenschaftliche und technische Grundlagen von Brennstoffzellen / Frau Prof. Dr.-Ing. Jakob (TU-Ilmenau) / 1. März 2005 Konferenz Wasserstoff und Brennstoffzellen 34

36 handelt. Die Brennstoffzelle wurde mit sämtlichen Zusatzaggregaten in den Sandwichboden untergebracht. Durch die Unterbringung der neuen Technologie unter der Fahrgastzelle, konnten fünf Sitzplätze und ein akzeptables Kofferraumvolumen geschaffen werden. Ein Kryotank wurde zwischen den beiden Radkästen unter der Rücksitzbank installiert. Ein beheiztes Leitungssystem leitet den tiefgekühlten Wasserstoff zur Brennstoffzelle. Zudem wird der Wasserstoff angefeuchtet und gelangt anschließend in den Brennstoffzellen- Stack. Dort kommt es dann zur elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff. Als Reaktionsprodukt entsteht ausschließlich Wasserdampf. Abb. R2: NECAR4 Dieser wird kondensiert und das resultierende Wasser wird aus dem Auto abgeführt. Zwei Brennstoffzellen-Stacks bestehend aus jeweils 160 hintereinander gepackten Einzelzellen leisten jeweils 35 kw. Beide Stacks treiben einen 55 kw starken Asynchronelektromotor an. 450 km Reichweite und eine Höchstgeschwindigkeit von 145 km/h sind mit 120 Litern (5 kg LH 2 ) fassenden Kryotank zu erreichen. Dem NECAR 4 folgte der NECAR 5, welcher sein Wasserstoff aus der Reformierung von Methanol erhält. Das derzeit neuste Modell von DaimlerChrysler ist F-Cell. Hier wurde wieder auf einen Druckwasserstofftank umgestiegen, da die Abdampfverluste bei Flüssigwasserstofftanks zu hoch waren. Durch Druckerhöhung auf 700 bar will man die Reichweite dieses Fahrzeuges auf 320 km erhöhen. Die Technologie 35

37 des F-Cell findet in auch in der neuen B-Klasse Anwendung, da die A-Klasse in näherer Zukunft von der B-Klasse abgelöst wird Fahrzeuge mit Wasserstofferzeugung an Bord Die DMFC (Direct Methanol Fuel Cell auch Direkt Methanol-Brennstoffzelle) bezieht ihren Wasserstoff aus dem Methanol. Bei dem Reformvorgang wird das Methanol in Wasserprotonen, Elektronen und Kohlendioxid umgewandelt. Da die Zelle diesen Vorgang selbstständig ausführt, ist hier kein Reformer notwendig. Dies spart Platz und Gewicht. Ein wesentlicher Vorteil der DMFC ist das flüssige Methanol. Die Umrüstung der Tankstellen auf Methanol ist wesentlich günstiger umsetzten, als die Umstellung der Tankstellen auf Wasserstoff. Im Weiteren handelt es sich bei Methanol um eine Flüssigkeit, die ohne größeren Aufwand in heute übliche Tanks gespeichert werden kann. Die Direkt-Methanol- Brennstoffzelle arbeitet genau wie die PEM-Brennstoffzelle, mit einer protonenleitenden Polymer-Elektrolyt-Membran. Die Adam Opel AG präsentierte den Hydrogen 3 liqiud auf Basis des Opel Zafira auf dem Genfer Autosalon Wie bei der PEM Brennstoffzellen, besteht auch bei der DMFC das Problem der unakzeptablen Reichweiten. 68 Liter Methanol ermöglichen den Hydrogen3 nur eine Fahrstrecke von 400 Kilometern. 90 kw Leistung überträgt die Brennstoffzelle auf den Asynchron- Elektromotor der auf 60 kw ausgelegt ist. 40 Den wahrscheinlich aktuellsten Test des Hydrogen 3 führt Opel im Sommer 2005 durch. Die "Rallye Monte Carlo Fuel Cell and Hybrid" führte vom Rüsselsheim nach Monte Carlo. Die Fahrzeuge wurden auf eine anspruchsvolle Tour geschickt. Dr. Udo Winter, Chefingenieur im GM Brennstoffzellen-Forschungszentrums (FCA Fuel Cell Activities) ist der Meinung, dass die Brennstoffzelle auch extremen Bedingungen Stand halten kann. 41 Angedacht sind auch Fahrzeuge mit Reformer. Ein Reformvorgang könnte dann wie folgt aussehen: Methanol wir mit Wasser vermischt. Bei 250 bis 300 C kann das Gemisch in Wasserstoff (H 2 ), Kohlendioxid (CO 2 ) und Kohlenmonoxid (CO) zerlegt werden. Das stark giftige Kohlenmonoxid wird nachträglich oxidiert. Bei der Oxidation kommt es zur Kohlendioxidbildung. Dies wird herausgefiltert, so dass reiner Wasserstoff vorhanden ist. Er wird angefeuchtet und in den Stack geleitet. Der Druck auf das Gaspedal und die Steuerelektronik legen fest, wie viel Wasserstoff durch Reformierung erzeugt wird. 7 Die Brennstoffzelle Antrieb für die Zukunft (Daimler-Chrysler) ( ) 36

38 Neben dem Opel Zafira Hydrogen3 liqiud gibt es den bereits erwähnten NECAR 5. Die Methanol-Brennstoffzelle im Auto ist eine weitere Alternative für die Übergangsphase in das Wasserstoffzeitalter. Leichte Handhabung und gute Verfügbarkeit sprechen für sich. Nachteilig sind nach wie vor die entstehenden Mengen an Kohlenstoffdioxid. Weitere Forschungsansätze sind die Reformierung von Erdgas, Ethylen und dem endlichen Benzin Hybridsysteme Hybridsysteme zeichnen sich durch zwei voneinander getrennte Antriebe aus. Heute ist bereits die Kombination vom Benzinmotor mit Elektromotor möglich. Ein Beispiel hierfür ist der Toyota Prius. Der bereits erläuterte bivalente Wasserstoffverbrennungsmotor und die Kombination von Brennstoffzellen mit Akkumulatoren sind Vertreter auf der Basis von Wasserstoff. Letztere Variante wurde von dem Automobilhersteller Ford im Focus Cell Electric Vehicle umgesetzt. Es ist die derzeitig dynamischste Lösung für ein emissionsfreies Fahrzeug. Die Batterie von der japanischen Firma Sanyo dient im FCEV nicht nur zum Starten des Systems, sondern bietet zusätzlichen Schub in der Beschleunigungsphase. Da die Brennstoffzelle eine Reaktionszeit von drei bis vier Sekunden besitzt schaltet sich genau dann die Batterie zu, bis die Brennstoffzelle die geforderte Schublast bewältigt. Wird von der Brennstoffzelle ruckartig eine höhere Leistung gefordert, wie zum Beispiel bei einem Überholvorgang, schaltet die Steuerelektronik die Batterie parallel zur Brennstoffzelle. Der Fahrer stehen nun 18 kw (25 PS) mehr Leistung zur Verfügung. Im Focus kommt eine Brennstoffzelle des kanadischen Herstellers Ballard zum Einsatz, dieser hat bereits DaimlerChrysler Brennstoffzellen zur Verfügung gestellt. Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle im Focus liegt bei 85 C. Die 96 Kilogramm schwere Brennstoffzelle stellt 68 kw (92 PS) zur Verfügung. 8 Die Kombination aus Brennstoffzelle und Batterie verschafft den Ford Focus ein Drehmoment von 235 Newtonmeter. Eine Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in 13,5 Sekunden entspricht der eines normalmotorisierten Kleinwagens. Der Ford Focus wiegt 1,6 Tonnen und erreicht eine Geschwindigkeit von 170 km/h. Aufgrund der Einführung des ZEV in Kalifornien ging Ford davon aus, dass eine Kleinserie schon ab 2004 möglich wäre. Wie die meisten Automobilhersteller hat Ford die Markteinführung nach 2010 geplant. 42 Vergleicht man die Beschleunigung des Ford FCEV mit dem eines gleichwertigen motorisierten Focus fällt auf, dass der FCEV schneller die 100 km/h erreicht. Der Ford FCEV 8 Produkt Information über Ballard Mark902 Brennstoffzelle

39 wurde vom deutschen TÜV zugelassen und wird zurzeit im Berliner CEP-Projekt getestet. Der Elektromotor ist sehr laufruhig und besitzt einen geringen Geräuschpegel Vor- und Nachteile Es ist heute unmöglich schon alle Vorteile der Brennstoffzelle zu nennen, da die gesamte Technologie noch in der Entwicklung steckt. Aber man kann von technischer Seite sagen, dass es die Technologie der Zukunft ist. Das Entwicklungspotential der Brennstoffzelle zeigt sich bei der Betrachtung des Wirkungsgrades. Dieser schwankt je nach Brennstoffzellentyp zwischen 35 bis 65 Prozent. Die für den KFZ- Bereich relevante PEM-Brennstoffzelle erzielt einen Wirkungsgrad von 50 Prozent. Dieser Wert ist wesentlich höher als der eines üblichen Vier-Takt-Motors. 9 Das bedeutet, dass ein Brennstoffzellen-Fahrzeug auf Grund seines doppelten Wirkungsgrades gegen über dem Wasserstoffverbrennungsmotor Fahrzeuges bei gleicher Wasserstofftankfüllung die doppelte Fahrstrecke fahren kann. Bewegliche Teile sucht man in der Brennstoffzelle vergeblich. Brennstoffzellen sind dadurch nahezu geräuschlos. Im Inneren läuft dazu eine leise elektrochemische Reaktion ab. Man hört nur ein leises Surren des Elektromotors und die Rollreibung der Räder. Zudem ist der Weg der Energie in der Brennstoffzelle direkt. Die chemische Energie des Wasserstoffs wird in elektrische Energie und in einen Teil Wärmeenergie umgewandelt. Der Weg der Energie ist effizienter als beim Otto-Motor. Ein brennstoffzellenbetriebenes Elektroauto ist zudem immer betriebsbereit, da man keine Ladezeiten benötigt wie bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug. Das hervorragende dynamische Lastwechselverhalten ermöglicht Fahrspaß, wie bei einen heute typischen Benziner. Eine Vereisung der Straßen durch den austretenden Wasserdampf aus der Auspuffanlage tritt nicht ein, da der Wasserdampf sich verflüchtigt. Die Fahrbereitschaft des Brennstoffzellenfahrzeuges ist bei Temperaturen von minus 20 C noch garantiert. Die Umweltverträglichkeit dieser neuen wegweisenden Technologie ist optimal. Da die Brennstoffzelle nach dem Prinzip der kalten Verbrennung arbeitet, entstehen keine Stickoxide (NO x ) und andere Schadstoffe. Das einzige Reaktionsprodukt ist Wasser. In dicht besiedelten Gebieten, wie Großstädten oder Industriezentren, kann die Ruß- und Feinstaubbelastung gesenkt werden. Dies wirkt sich auf die Gesundheit positiv aus. Weiterhin kommt es auch zu einer Entlastung der Pflanzen an den Rändern der Fahrbahnen. Die 9 Die Brennstoffzelle Perspektiven einer neuen Technik zur wärme- und Stromerzeugung (BGWi) 38

40 Wasserstoffressourcen sind unendlich, es handelt sich um einen Kraftstoff der in einen Kreislauf eingebunden ist. (Abb. R5 Im Anhang Wasserstoffkreislauf). Nachteilig wirken sich die derzeitigen noch zu hohen Herstellungskosten aus. Ein Kilowatt kostet momentan US-Dollar. 43 Neue komplizierte Zusatzgeräte sind unumgänglich. Schwierigkeiten sieht man auch in der Breitstellung vom reinen Wasserstoff in großen Mengen, da die Membran auf Verschmutzung sehr empfindlich reagiert. In Deutschland gibt es momentan fünf Wasserstofftankstellen (München, Hamburg, Stuttgart und zwei in Berlin). Enorme Investitionskosten für eine Tankstellen und Wasserstoffinfrastruktur müssen in den nächsten Jahren aufgebracht werden. Zu kurze Reichweiten sind ein weiterer Grund, warum sich die neue Technologie momentan noch nicht auf dem Markt behaupten kann. Um die Reichweite zu verbessern wird wieder gasförmiger Wasserstoff genutzt werden, der mit einem Fülldruck von 700 bar beladen wird. 44 Ein zu kompliziertes Tanksystem mit Roboterarm stellt momentan auch noch Probleme dar. Die Brennstoffzelle ist wartungsunfreundlich und im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor viel zu kurzlebig. Die Lebensdauer einer Brennstoffzelle wird auf etwa 5 Jahre geschätzt. Experten sind sich einig: Die Brennstoffzelle ist die Technologie der Zukunft. Wenn die nötigen Rahmenbedingungen geschaffen sind, kann diese Technik in die Massenproduktion übergehen. Man rechnet mit der Markteinführung der Brennstoffzellefahrzeuge, nicht vor 2010 wahrscheinlich zwischen 2015 bis RBB zibb - Report von der IAA ( ) mit Reinhard Rychlik (zibb-verkehrsexperte) 39

41 5 Wirtschaftlichkeit 5.1 Energiepotenziale Um eine energetische Aussage über Wasserstoff oder andere Kraft- und Heizstoffe treffen zu können, nimmt man sich das Energiepotential zu Hilfe. Das Energiepotential ist die vorhandene Menge an Energie eines Stoffes. Gasförmiger, nicht komprimierter Wasserstoff hat eine Energiedichte von 0,49 Kilowattstunden je Liter. Ein 65 Liter- Benzintank müsste somit einem Liter Wasserstofftank weichen. Vergleicht man aber nun die Massen beider Tankinhalte, so wiegen die 65 Liter Benzin 50 kg, dagegen die Liter Wasserstoff nur 15 kg. Dieser Gewichtsunterschied ist auf die geringe Dichte des Wasserstoffs zurück zuführen. Flüssiger und gasförmiger Wasserstoff besitzen eine auf das Gewichtbezogene Energiedicht von 33,33 Kilowattstunden je Liter. In einen Liter flüssigen Wasserstoff sind 2,36 kwh gebunden. Um in den Fahrzeugen ein großes Kofferraumvolumen gewährleisten zu können, wird gasförmiger Wasserstoff grundsätzlich in komprimierter Form gespeichert. So beinhaltet ein Kilogramm Wasserstoff die gleiche Energiemenge wie 2,8 kg Benzin. Wasserstoff ist ein regenerativer Energieträger, welcher auf der Erde in großen Mengen vorhanden ist. Wenn es gelingt die Vorteile und das Energiepotential des neuen Kraftstoffes zu nutzen, ist Wasserstoff aus energetischer Seite gesehen konkurrenzfähig Vergleiche der Antriebsysteme Kosten-Nutzen-Analysen zeigen, dass es günstiger ist Verbrennungsmotoren zu optimieren. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis der neuen Technologien wird ermittelt, indem man die im Vergleich zum heutigen Referenz-Pkw - einem Kompakt-Pkw mit einem Verbrauch von 6 l/100 km und EURO 2-Abgasstandard - höheren oder geringeren Kosten ins Verhältnis zu den erreichbaren Emissionsminderungen setzt. Der bilanzierte Zeitraum berücksichtigt eine Lebensdauer von 10 Jahren bei km/jahr Mit einem optimal abgestimmten Verbrennungsmotor ist es möglich den Status eines ULEV (Ultra Low Emission Vehicle), ein Kompakt-Pkw mit Verbrennungsmotor, niedrigen Emissionsausstoß und einen Verbrauch von 3,25 l Benzin auf 100 km, beziehungsweise den EURO4-Standart zu erfüllen. Wenn man eine Tonne CO 2 vermeiden will, sind Kosten von bis zu 250 Euro aufzuwenden. In diesem Fall ist der Wasserstoff aus alternativen Energien hergestellt. Um den Brennstoffzellenantrieb

42 kostengünstig zugestallten darf ein Kilowatt Brennstoffzellenleistung in der Herstellung nur noch 50 US-Dollar kosten. Der zu geringe Wirkungsgrad des Wasserstoffverbrennungsmotors ist auf lange Zeit gesehen uneffizient und teuer. Die Technik des Motors ist wie beim Benzinmotor hoch entwickelt. Der endliche Kraftstoff Benzin ist dem Wasserstoff in der CO 2 - Bilanz deutlich unterlegen. Zu dem ist Wasserstoff in großen Mengen in der Atmosphäre enthalten. Das Hauptproblem liegt in der Endlichkeit des Erdöls. Deshalb muss die Automobilindustrie diese Alternative Antriebslösung marktfähig gestallten. 5.3 Förderung der einzelnen Länder In den USA und in Japan wird schon seit einigen Jahren wasserstoffbezogene Forschung und die Entwicklung dieser durch große Finanzpakete betrieben. Die USA haben beispielsweise für die nächsten Jahre Förderungen von über einer Milliarde Euro geplant. Mit diesen Geldern sollen Wasserstofffahrzeuge subventioniert, Servicestationen und ein Wasserstofftankstellensystem gefördert werden. Im Vergleich dazu sind die Förderungen der EU und der einzelnen Mitgliedsstaaten verschwindend gering. Einzelne Unternehmen betreiben zwar hohe Forschungsaktivitäten auf den Wasserstoffsektor, müssen sich aber nahezu selbst finanzieren. Deshalb wurde durch die europäische Kommission, eine Gruppe von hochqualifizierten Wissenschaftlern, für Brennstoffzellen und Wasserstofftechnik gebildet. Diese stellten im Juli 2003 auf der europäischen Konferenz Die Wasserstoffentwicklung - ein Weg zur nachhaltigen Energienutzung ihre Forschungsergebnisse vor über 450 Mitgliedern aus Politik, Wirtschaft, Finanzwesen und Wissenschaft vor. Dadurch erhoffte man sich stärkere Förderungsaktivitäten der einzelnen Länder auf den Sektor der alternativen Antriebe. Die Zielsetzung der Kommission ist es bis % aller Kfz-Kraftstoffe durch regenerative Kraftstoffe, wie den Wasserstoff, zu ersetzen. 47 Die Förderungen der deutschen Bundesregierung hingegen gehen eher in den Sektor der Erdgastechnik. Es werden Tankstellen mit Erdgas-Zapfsäulen ausgestattet und Umrüstungen zu erdgasbetriebenen Autos gefördert. Entgegen der Politik der Bundesregierung fördert Bayern die Wasserstofftechnik. Bereits seit 1995 werden jährlich Gelder in die Weiterentwicklung der Wasserstofftechnik investiert. Zudem wurden in naher Vergangenheit weitere Projekte gestartet um die Wasserstofftechnik noch weiter voran zu bringen. Das

43 Projekt Offensive Zukunft Bayern wurde mit 11 Millionen Euro unterstützt und das Projekt Mit neuer Energie in die Zukunft sogar mit 25 Millionen Euro Einführung des Wasserstoffautos in den USA Seit Jahren wird von der Regierung der USA das Ziel verfolgt, nicht mehr vom internationalen Ölmarkt, der insbesondere durch die OPEC Staaten bestimmt wird, abhängig zu sein. Der Grund dafür ist eindeutig und nicht zuletzt an der momentanen politischen Lage der USA sehr gut zu erkennen. Die USA sind nach dem Zerfall der Sowjetunion die einzige verbliebene Weltmacht. Als solche ist es allerdings nachteilig von andern Staaten abhängig zu sein. Da die Kraftstoffversorgung im Verkehrssektor der USA auf Erdöl beruht und die Erdölförderung im eigenen Land nicht ausreicht muss die USA Öl in großen Mengen importieren. Diese Abhängigkeit will die US-Regierung um jeden Preis unterbinden und ist damit zum Handeln gezwungen. Hinzu kommt natürlich auch noch die ständige Zunahme der Motorisierung, welche der amerikanischen Regierung gleichfalls zwingt ihren Verkehrssektor auf ausreichend vorhandene Treibstoffe umzustellen. Erster Vorreiter bildet in den USA der Staat Kalifornien. In diesem wurde 1991 ein Gesetz verabschiedet welches die Einführung schadstofffreier Autos fordert. Die amerikanische Regierung stellte der Forschung nach umweltfreundlichen Kraftstoffen, nicht zuletzt wegen der zunehmenden gesundheitlichen Belastung, in den letzten Jahren mehrere hundert Millionen Dollar zur Verfügung. Damit wurden Forschung und Entwicklung unter anderem im Wasserstoffsektor gefördert. 49 Auch durch die amerikanischen Automobilkonzerne wird die Forschung vorangetrieben. Firmen wie Ford, General Motors oder DaimlerChrysler stellen große Geldmengen zur Verfügung um eine rasche Entwicklung der schadstofffreien Fahrzeuge zu gewährleisten. Seit 1999 besteht die California Fuel Cell Partnership-Vereinigung (siehe 7.2) der amerikanischen Automobilekonzerne, die mit einem eigenen Demonstrationszentrum Wasserstoffautos und die dazugehörige Infrastruktur langfristig planen und testen. Da die Verkaufskosten bzw. die Funktionssicherheit für Wasserstoffautos noch nicht in den Bereich von konventionellen Antrieben ist, sind diese intensiven Forschungen und Testphasen auch notwendig. 11 Die euphorische Aufbruchsstimmung wurde allerdings durch geringe Zuwachsraten in Forschung und Entwicklung gedämpft. Probleme sind, dass die allgemeinen amerikanischen Die Brennstoffzelle zwischen Umwelt-, Energie- und Wirtschaftspolitik(S.51-53) (WBZ-discussion paper) 42

44 Ansprüche, nämlich dass ein Auto sicher und perfekt laufen soll, auch bei extremen Temperaturen funktioniert und von jedem normalen Menschen ohne Spezialkenntnisse gehandhabt und repariert werden kann, nicht zu einhundert Prozent erfüllbar sind. 50 Auch Forderungen, dass nicht nur einzelne Firmen gefördert werden sollten und dass der Markt mit seiner Nachfrage selbst entscheiden soll wie viel Wasserstoffautos verkauft werden sollen und nicht die Regierung, sind nicht gerade förderlich für die Wasserstofftechnik. Aber zumindest die Meinung des amerikanischen Präsidenten George W. Bush, der der Auffassung ist, dass ein heutzutage in Amerika geborenes Kind als erstes Auto eines mit Wasserstoffantriebstechnologie besitzen könnte, macht Hoffnung. Aber ob er mit dieser Aussage richtig liegt bleibt noch abzuwarten Forschungsaktivitäten Die intensive Forschung an Wasserstofffahrzeugen kam erst nach dem Beschluss von 1991 zu Stande, der besagt, dass in Kalifornien Null-Emissions-Autos eingeführt werden sollen. Nach diesem Beschluss müssen die Automobilkonzerne mit der Forschung an umweltfreundlichen Autos beginnen. Für viele Konzerne lag die Lösung in der Wasserstofftechnologie. Diese erfüllte sämtliche Forderrungen, da keine umweltbelastenden Stoffe entstehen und der Treibstoff unerschöpflich ist. Firmen wie Opel, General Motors, BMW oder DaimlerChrysler, um nur ein paar zu nennen, entschieden sich in die Forschung dieser Antriebstechnologie zu investieren. Nahezu jeder Konzern startete entweder einzeln oder mit anderen zusammen Projekte zur Entwicklung dieser Technologie. Es gibt aber auch Automobilhersteller die versuchen in eine andere Richtung zu forschen, also ihre Gelder in die Erforschung anderer emissionsfreier Antriebstechnologien investieren. VW forscht beispielsweise an neuartigen Antrieben und neuartigen Kraftstoffen. So wird z.b. an einem Getriebe entwickelt, das den Treibstoffverbrauch durch intelligentes Schalten senken kann, oder an Motoren die sich automatisch ausschalten, wenn von ihnen keine Antriebsleistung gefordert wird. Als Treibstoffalternative sieht VW einen aus pflanzlicher Biomasse gewonnenen synthetischen Kraftstoff Volkswagen umweltbericht_2001_2002 (S ) 43

45 7 Wasserstoffprojekte für Kraftfahrzeuge 7.1 Die kalifornische Zero Emission Vehicle - Gesetzgebung Aufgrund der Kombination von Bevölkerungsdichte, den Wetterbedingungen und einer starken Autonutzung ist die durch den Verkehr verursachte Luftverschmutzung seit Jahrzehnten ein politisches Thema in Kalifornien. Schon in den 70er Jahren bestanden an über 100 Tagen des Jahres erhebliche Gesundheitsrisiken für die Bevölkerung, welche durch den nicht zuletzt von Kraftfahrzeugen produzierten Smog hervorgerufen wurden. Die daraus folgenden Umweltfolgen machen Kalifornien zum Vorreiter bei der Festlegung von verbesserten Emissionsstandards für Automobile wurde in Kalifornien dann die Zero Emission Vehicle -Gesetzgebung (ZEV- Gesetzgebung) beschlossen. Diese sah ursprünglich vor, dass ab 1998 zwei Prozent und ab 2003 zehn Prozent aller verkauften Autos in Kalifornien Null-Emissions-Fahrzeuge sein sollten. Aufgrund einiger hart umkämpfter Kompromisse und gerichtlicher Auseinandersetzungen mit einigen Automobilkonzernen, sowie technologischen Barrieren, ist die ZEV-Gesetzgebung mehrmals verändert worden. So wurde 1998 das Konzept der Partial Zero Emission Vehicle (PZEV) und 2001 das des Advanced Technology Partial Zero Emission Vehicle (AT-PZEV) eingeführt. Mit der aktuellen ZEV-Gesetzgebung vom April 2003 hat das California Air Ressource Board, eine Institution die zur kalifornischen Umweltbehörde gehört, zudem einen zweiten Pfad für die Automobilindustrie zur Erfüllung der ZEV-Verpflichtungen frei gegeben. Die erste Möglichkeit sieht vor, dass von den verkauften Fahrzeugen eines Automobilunternehmens in Kalifornien ab dem Jahr 2005 zwei Prozent reine ZEV-Fahrzeuge, das heißt Batterie-Elektrofahrzeuge oder mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge, zwei Prozent AT-PZEV, also Hybrid- oder Erdgasfahrzeuge, und sechs Prozent PZEV-Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, die Dank einer verbesserten Motorentechnologie und Katalysatortechnik dem kalifornischen Super Ultra Low Emission - Fahrzeugstandard genügen, sein müssen. Die zweite Variante sieht vor, dass das Unternehmen im Zeitraum von 2005 bis 2008 sowohl 250 Brennstoffzellenfahrzeuge produziert haben und daneben ab 2005 jährlich vier Prozent AT-PZEVs und sechs Prozent PZEVs in Kalifornien verkaufen muss. Damit die Käufer animiert werden ein ZEV-Auto zu kaufen, gibt es für diese Förderungen durch die kalifornische Regierung. Allerdings treten der Staat bzw. die staatliche Behörden auch selbst als Nachfrager auf. So hat z.b. die Stadt Los Angeles als einer der ersten Kunden 44

46 weltweit im Dezember 2002 Brennstoffzellenfahrzeuge geleast. Auch der South Coast Air Quality Management District, eine südkalifornische Behörde für die Verbesserung der Luftqualität, hat alle südkalifornischen Kreise, Kommunen, Schulbezirke und öffentlichen Nahverkehrsunternehmen 2001 dazu verpflichtet, in Zukunft alte Benzin- und Dieselfahrzeuge durch Fahrzeuge, die Niedrig-Emissionsstandards genügen, zu ersetzen California Fuel Cell Partnership Ein wichtiger Baustein bei den Bemühungen Kaliforniens die Markteinführung von Nullemissionsfahrzeugen zu fördern, ist die California Fuel Cell Partnership (CaFCP). Die CaFCP wurde als Folge der kalifornischen Nullemissions-Gesetzgebung gegründet. Mit der Gründung der Partnerschaft trafen sich zum einen der Wunsch des California Air Ressource Board nach einem Demonstrationsprojekt und zum Anderen auch das Interesse einiger Automobilkonzerne wie DaimlerChrysler oder Ford sowie dem Brennstoffzellenhersteller Ballard das Marktpotential der Brennstoffzellentechnologie zu erforschen. Mittlerweile sind in der Vereinigung 30 Firmen unter denen sich acht große Automobilkonzerne, Energieunternehmen, Brennstoffzellenhersteller und -zulieferer sowie staatliche Agenturen befinden. Ziele der Partnerschaft sind die Brennstoffzellentechnologie durch Fahrtests und eine alternative Treibstoffinfrastruktur zu demonstrieren, Erkenntnisse über Probleme und mögliche Lösungen für die Kommerzialisierung zu gewinnen sowie die öffentliche Aufmerksamkeit für die neue Technologie zu erwecken. Ausgangspunkt aller Aktivitäten der CaFCP ist das Ende 2000 eröffnete Hauptquartier(Abb. M7 im Anhang Hauptquartier CaFCP). Hier haben u.a. alle teilnehmenden Automobilkonzerne für ihre Brennstoffzellenfahrzeuge Garagen bzw. Werkstätten und es gibt sowohl eine Wasserstoff- als auch eine Methanol-Tankstelle. Mitte 2003 wurden im Rahmen der CaFCP 24 Brennstoffzellenfahrzeuge getestet. Bis Ende 2003 ist geplant 60 Brennstoffzellenfahrzeuge vor Ort zu haben. In der zweiten Phase der CaFCP von 2004 bis 2007 sollen Brennstoffzellen-Pkws verstärkt im Flottenbetrieb beim Kunden in Kalifornien zum Einsatz kommen. Zudem ist beabsichtigt Brennstoffzellenbusse im Linienbetrieb zu erproben und auch die Wasserstoffinfrastruktur weiter auszubauen Die Brennstoffzelle zwischen Umwelt-, Energie- und Wirtschaftspolitik(S.51-53) (WBZ-discussion paper) 10 Die Brennstoffzelle zwischen Umwelt-, Energie- und Wirtschaftspolitik(S.51-53)(WBZ-discussion paper) 45

47 7.3. Clean Energy Partnership Angelehnt an die California Fuel Cell Partnership wurden im Sommer 2004 in Berlin die Clean Energy Partnership (CEP) gegründet. Das im Rahmen des deutschen Projektes Verkehrswirtschaftliche Energiestrategie (VES) und mit Unterstützung der deutschen Bundesregierung geplante Demonstrationsprojekt dient zur Erprobung der Alltagstauglichkeit von Wasserstoff im Verkehrsbereich. Viele Unternehmen wie Aral, BMW, BVG, DaimlerChrysler, Ford, Linde und Opel sind Teil dieser Partnerschaft. In dem für vier Jahre ausgelegten Projekt soll eine 30 Fahrzeuge starke Testflotte erprobt und im alltäglichen Betrieb eingesetzt werden. Für die Wasserstofffahrzeuge, die teils auf Brennstoffzellen, teils auf den Wasserstoffverbrennungsmotor basieren, richtet Aral eine öffentliche Tankstelle mit flüssigem als auch gasförmigem Wasserstoff ein. Ziel der Partnerschaft ist es die Alltagstauglichkeit der Fahrzeuge zu testen und die Kundenakzeptanz für Wasserstofffahrzeuge und für die neuen Betankungstechnologien zu überprüfen. Zudem sollen Rückschlüsse für die VES-Strategie, u.a. über die notwendigen politischen Rahmenbedingungen, gewonnen werden. Die Kosten des gesamten Projektes betragen in etwa 33 Mio.., davon werden 5 Mio. von Seiten der Bundesregierung als Fördermittel bereit gestellt Clean Urban Transport for Europe Das Clean Urban Transport for Europe (CUTE) ist der weltweit erste Großflottenversuch mit Brennstoffzellenbussen. In den europäischen Städten Amsterdam, Barcelona, Hamburg, London, Luxemburg, Madrid, Porto, Stockholm und Stuttgart werden jeweils drei Citaro (Abb. M8 im Anhang Citaro-Bus) Brennstoffzellenbusse der DaimlerChrysler-Tochter Evo- Bus unter verschiedenen Klimabedingungen und unterschiedlichen geographischen Vorraussetzungen in Demonstrationsprojekten getestet. In allen Städten entsteht auch eine entsprechende Wasserstoffinfrastruktur, wobei auch verschiedene Wege zur Wasserstoffherstellung erprobt werden sollen. An dem Projekt arbeiten sowohl Fahrzeughersteller, Energieunternehmen als auch öffentliche Nahverkehrsunternehmen dicht zusammen. Die EU investiert 21 Mio. in den Versuch und erhofft sich damit die Wasserstofftechnologie in Europa weiter voranzubringen. Die Brennstoffzellenbusse, die jeweils 1,25 Mio. kosten, wurden dabei von den Nahverkehrsunternehmen erworben und 12 Die Brennstoffzelle zwischen Umwelt-, Energie- und Wirtschaftspolitik (S.14) (WBZ-discussion paper) 46

48 werden seit 2003 für zwei Jahre im öffentlichen Nahverkehr eingesetzt. Mit der Auslieferung des ersten Busses im Mai 2003 in Madrid ist der Startschuss für das weltweit größte Brennstoffzellenbus-Demonstrationsprojekt gefallen Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project Im Juli 2002 beschloss die japanische Regierung, in Zusammenarbeit mit Automobilherstellern und Energieunternehmen, ein für drei Jahre angelegtes Projekt zur Demonstration der Brennstoffzellentechnologie zu starten. Das Demonstrationsprojekte läuft unter dem Titel Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project und hat das Ziel ein bessere Verständnis der Brennstoffzellentechnologie zu fördern. Außerdem soll die Öffentlichkeit über die neuen Technologien informiert werden und eine Wasserstoff- Infrastruktur aufgebaut werden. Das Projekt wird von drei Organisationen verwaltet. Die New Energy Foundation ist verantwortlich für die Demonstration und Tests von stationären Brennstoffzellen, die Japan Electric Vehicle Association wird das Demonstrationsprojekt für Brennstoffzellenfahrzeuge durchführen und die Engineering Advancement Association of Japan arbeitet mit Energieunternehmen und der Stadtverwaltung von Tokio an der Wasserstoffversorgung. Am 11. März 2003 wurde in Yokohama der erste Erprobungsstützpunkt für den Test von Brennstoffzellenfahrzeugen eröffnet. Am Demonstrationsprojekt beteiligen sich sowohl Fahrzeughersteller wie Toyota, Nissan, Honda, Daimler-Chrysler, General Motors, Mitsubishi Motors und Suzuki Motor, sowie Energieunternehmen wie Nippon Oil, Cosmo Oil, Showa Shell und Tokyo Gas. In Anlehnung an die California Fuel Cell Partnership gibt es dort sowohl Garagen und Werkstätten für die Brennstoffzellenfahrzeuge, eine Wasserstofftankstelle und ein Informationszentrum für die Öffentlichkeit. Jedes der beteiligten Automobilunternehmen hat sich verpflichtet, jeweils ein Fahrzeug im Rahmen des Projektes zu testen. Zusätzlich werden weitere Fahrzeuge der Hersteller von Kunden im Großraum Tokio getestet. Neben Brennstoffzellen-Pkws wird auch ein Brennstoffzellenbus der Toyota-Tochter Hino Motors teilnehmen. Teil des Projektes ist auch die Demonstration von unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten einer Wasserstoff-Infrastruktur und von Wasserstoff- Betankungstechnologien. Bis zum Frühjahr 2004 wurden fünf Wasserstofftankstellen im Großraum Tokio/Yokohama eröffnet. An vier Tankstellen wird aus unterschiedlichen 13 Die Brennstoffzelle zwischen Umwelt-, Energie- und Wirtschaftspolitik (S.28) (WBZ-discussion paper) 47

49 Ausgangsstoffen, wie Flüssiggas, schwefelfreies Benzin und Methanol, gasförmiger Wasserstoff gewonnen, bei der fünften handelt es sich um eine Flüssigwasserstofftankstelle. Im Gegensatz zur CaFCP müssen sich die beteiligten Firmen bei dem Japanischen Projekt nicht an den Kosten beteiligen. Die japanische Regierung stellt die Garagen und Werkstätten kostenlos zur Verfügung. Im Rahmen des Demonstrationsprojekts werden auch stationäre PEM Brennstoffzellen getestet. Hierzu wurden im Haushaltsjahr 2002 zwölf Brennstoffzellen-Heizsysteme, die von verschiedenen Herstellern gebaut wurden, unter verschiedenen Bedingungen für ein Jahr in Wohnhäusern getestet. Die Brennstoffzellen, die überwiegend über eine Leistung von einem kw verfügen, wurden sowohl mit Erdgas, als auch Flüssiggas und Kerosin betrieben Die Brennstoffzelle zwischen Umwelt-, Energie- und Wirtschaftspolitik (S.63-66) (WBZ-discussion paper) 48

50 8 Eigenanteil Kennlinie einer Brennstoffzelle Abb. R9 - Messwertetabelle aus Praxis Teile R in Ohm U in V I in ma Offen 0, , , , , , , ,33 92 Abb. R10 Kennlinie der Brennstoffzelle Erkenntnisse: unter steigender Last steigt die Stromstärke unter steigender Last sinkt die Stromstärke 49

51 9 Fazit Von technischer Seite betrachtet ist der Einsatz von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen realisierbar. Die Unabhängigkeit vom jetzt schon knappen Erdöl und Rohölmarkt ist ein weiterer Aspekt der zu berücksichtigen ist. Dieses Ziel haben sich zum Beispiel die USA gesetzt. Gelingt es den Wasserstoff zukünftig regenerativ und kostengünstig herzustellen, können wertvolle Ressourcen geschont werden. Die fast vollständige Vermeidung von Kohlendioxid und Stickoxiden ist ein enormer Vorteil bei der Vermeidung von Treibhausgasen. Antriebe auf Basis von Wasserstoff tragen in großem Maße zur Nachhaltigkeit bei. Der Wasserstoffkreislauf (Abb. R5 Im Anhang Wasserstoffkreislauf) verdeutlicht, dass es sich um einen unendlich verfügbaren Kraftstoff handelt. Die Notwendigkeit eines neuen Antriebskonzeptes haben heute schon viele Regierungen erkannt. Dementsprechend gibt es staatliche Förderprogramme für die Entwicklung von neuen Antrieben. So stellte zum Beispiel die BRD etwa 40 Millionen Euro für die Förderung von Wasserstoff und Brennstoffzellen zur Verfügung. Die derzeitig noch hohen Kosten für diese Technologie bremsen die Markteinführung enorm, hier muss in der Forschung noch erheblicher Aufwand betrieben werden. Die Preise sind noch weit von einen Niveau entfernt, welches für mögliche private Käufer interessant werden könnte. Momentan ist es noch kostengünstiger Benzinmotoren hinsichtlich ihres Verbrauchs und Schadstoffausstoßes zu optimieren. Die derzeit preiswerteste Lösung ist das ULEV, ein Kompakt-Pkw mit Verbrennungsmotor, niedrigen Emissionsausstoß und einen Verbrauch von 3,25 l Benzin auf 100 km. Soll der Wasserstoff unter Berücksichtigung des Antriebskonzepts aus regenerativem Strom hergestellt werden, können bis zu 250 Mehrkosten auftreten, wenn eine Tonne Kohlendioxid vermieden werden soll. Das sparsame ULEV mit Benzinmotor hat sogar einen Preisvorteil von 25. Hohe Investitionskosten sind im Bereich einer noch nicht vorhandenen Wasserstofftankstelleninfrastruktur zu leisten. 52 Dass noch in diesem Jahrhundert die Erdölquellen der Welt versiegen steht fest. Da die Menschheit auf Mobilität angewiesen ist, muss es neue Antriebskonzepte geben. Wasserstoff als Kraftstoff ist nur eine Möglichkeit, die motorisierte Fortbewegung zu sichern. Das alternative Antriebssystem auf Basis von Wasserstoff wird im dritten Jahrtausend eine Lösung im mobilen Sektor de Kraftfahrzeuge werden

52 10. Anhang Abb. R3 BMW 750hl: Bivalenter V8 Motor H 2 -Leitungen Benzintank Wasserstofftank Antriebswelle Abb. R4 Nafiongruppe: 51

53 Abb. R5 - Wasserstoffkreislauf Abb. R6 Unterschiedliche Wege der Energieumwandlung 52

54 Abb. R7 Motorenkonzepte Abb. R.8 Tiefkalte Gemischbildung und Hochdruckeinblasung 53