Umsetzbarkeit des Antriebs von Kfz auf Basis der PEM-Brennstoffzelle als Alternative zu den herkömmlichen Antrieben

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Geschichtliche Entwicklung der Brennstoffzellentechnik
1.2 Aufgabenstellung der Arbeit

2. Umsetzbarkeit des Antriebs von Kfz auf Basis der PEM-Brennstoffzelle als Alternative zu den herkömmlichen Antrieben
2.1 Motivation der Unternehmen zur Forschung an alternativen Antriebskonzepten
2.1.1 Erdölknappheit
2.1.2 Emissionsauflagen durch Gesetze
2.1.3 Public Relations und verändertes Käuferverhalten
2.2 Gründe für den Einsatz von Brennstoffzellen
2.2.1 Funktionsweise der PEM-Brennstoffzelle
2.2.2 Einordnung in die Palette der Antriebskonzepte
2.2.3 Grundsätzliche Vorteile der Brennstoffzellentechnik
2.3 Probleme der Brennstoffzellentechnik und Lösungsansätze
2.3.1 Realisierung der Wasserstoffbereitstellung
2.3.1.1 Direkte Betankung mit Wasserstoff
2.3.1.1.1 Vorgelagerte Prozessschritte
2.3.1.1.2 Verteilung
2.3.1.1.3 Speicherung im Fahrzeug und Sicherheit
2.3.1.2 Erzeugung im Fahrzeug aus KW
2.3.1.2.1 Einsatz eines Reformers
2.3.1.2.2 Einsatz von DMFCs
2.3.2 Probleme bei der PEMFC
2.3.3 Kostenaspekte
2.4 Bewertung
2.4.1 Ökologischer Vergleich mit konventionellen Verbrennungsmotoren
2.4.2 Brennstoffzelleneinsatz in Kraftfahrzeugen als Alternative

3. Brennstoffzelleneinsatz in anderen Bereichen

4. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

1.1 Geschichtliche Entwicklung der Brennstoffzellentechnik

„Wasser ist die Kohle der Zukunft.“

-Jules Verne, Die geheimnisvolle Insel, 1874

Diese Vision des französischen Science-Fiction Autors könnte ebenso gut aus einer aktuellen Presseerklärung eines Automobilkonzerns stammen, und was damals utopisch anmutete, ist mittlerweile zu einer vieldiskutierten Zukunftsoption für unsere energiehungrige Gesellschaft geworden. Neben anderen Anwendungsgebieten wurde insbesondere in der Automobilbranche mit mehreren sogenannten „Concept-Cars“ bewiesen, dass von Utopie keine Rede mehr sein kann. Doch die Technik zur wundersamen Energiegewinnung aus den Elementen des Wassers ist schon alt.

Die sogenannte Brennstoffzelle wurde bereits 1839 von dem englischen Physiker William Grove entwickelt, geriet aber nach der Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips^[1] 1866 durch Werner von Siemens und der Erfindung des Automobils mit Verbrennungsmotor 1885 zunächst wieder in Vergessenheit. Die Energiegewinnung durch Verbrennung fossiler Energieträger war viel einfacher als die komplizierte, noch weitgehend unerforschte elektrochemische Variante.

Erst die Raumfahrt und das Militär entdeckten die Brennstoffzelle für ihre Zwecke wieder, da sich Verbrennungsmotoren in Unterseebooten und in Raumschiffen nicht immer eignen. 1963 lag das erste komplette Polymerelektrolytmembran (PEM) – Brennstoffzellensystem vor, das dann bei allen sieben Gemini-Missionen eingesetzt wurde. Siemens entwickelte die Technik in den 80er Jahren zum Antrieb von außenluftunabhängigen U-Booten weiter. Die bis dato eingesetzten Brennstoffzellen kamen wegen Größe und Preis für die Verwendung im mobilen zivilen Bereich jedoch nicht in Frage.

Der Kanadier Geoffrey Ballard setzte sich Mitte der 80er Jahre als erster das Ziel, die Leistungsdichte^[2] zu erhöhen. Neuartige Elektrolytmembranen und das bereits vorhandene Know-how führten zu einem Entwicklungsboom: Daimler-Benz und General Motors (GM) begannen mit der Forschung. 1992 engagierte sich Daimler in der Firma Ballard Power Systems, was ein Jahr später zur Vorstellung der ersten vollfunktionsfähigen Brennstoffzellenvehikel führte: Ein Brennstoffzellenbus von Ballard und der „Necar 1“ von Daimler-Benz. Die Leistungsdichte der Brennstoffzelle in dem ursprünglich 800 kg schweren „fahrenden Labor“ stieg mit jedem Modell deutlich, so dass 1997 Ford ebenfalls eine erhebliche Summe in den heute unangefochtenen Marktführer bei PEM-Brennstoffzellen investierte. Der Startschuss zur Eroberung eines möglichen Zukunftsmarktes war gegeben. Heute sind die Prototypen bereits in der 3. oder 4. Generation und die Mehrzahl der Automobilkonzerne plant die Einführung der Serienfertigung bzw. den Verkaufsstart für PKW mit Brennstoffzellen-Antrieb für 2004.^[3] In Nürnberg konnten Kunden der VAG bereits von Oktober 2000 bis April 2001 mit einem Brennstoffzellen-Stadtbus von MAN fahren. Die dabei im Liniendienst zurückgelegten 8.000 km und die Kundenreaktionen gaben positive Signale.^[4]

1.2 Aufgabenstellung der Arbeit

Angesichts der Fortschritte in der Brennstoffzellentechnik bei Kraftfahrzeugen und der kontroversen Diskussion zwischen Umweltorganisationen, wie „Greenpeace“, dem Umweltbundesamt oder „BUND“, die überraschenderweise eine reservierte Haltung zur Forcierung der Forschungen an Brennstoffzellen in diesem Bereich einnehmen, und den Befürwortern der Technik, zu denen auch die Automobilindustrie gehört^[5], möchte ich mich in dieser Arbeit mit der Frage auseinandersetzen, ob diese neue Antriebsform eine echte Alternative zu den herkömmlichen Otto- und Diesel-Verbrennungsmotoren darstellen kann. Es soll eine Antwort betreffend die Gesichtspunkte Umfang und Zeitrahmen der Einführung, sowie ökologische Vorteilhaftigkeit der Antriebsform gegeben werden. Dazu möchte ich zunächst die Motivation zur Forschung an alternativen Antriebsformen aufzeigen und versuche im Anschluss daran, den Beitrag, den die Brennstoffzellentechnologie zur Lösung der dargestellten Probleme leisten kann, herauszuarbeiten. Dabei soll der Brennstoffzellenantrieb auch in die Palette der anderen Antriebsangebote eingeordnet werden. Schließlich sollen dann die Probleme bei der Realisierung des Kfz-Brennstoffzellenantriebs mit den eventuellen Lösungsansätzen betrachtet werden. Insgesamt bemühe ich mich um eine neutrale Darstellung durch Verwendung verschiedener Quellen, so dass sich der Leser am Ende möglichst eine eigene Meinung über die Zukunft der Brennstoffzellentechnologie bei Automobilen bilden kann.

2. Umsetzbarkeit des Antriebs von Kfz auf Basis der PEM-Brennstoffzelle als Alternative zu den herkömmlichen Antrieben

2.1 Motivation der Unternehmen zur Forschung an alternativen Antriebskonzepten

Die Forschung an neuen Antriebskonzepten ist für die Unternehmen prinzipiell mit erheblichen Risiken verbunden – das Ziel der Marktreife ist nur nach jahrelangem Entwicklungsaufwand erreichbar und könnte, auch bei erkennbarem Potential, verfehlt werden. Zudem bleibt auch nach der Einführung fraglich, ob der neue Antrieb am Markt etabliert werden kann. Ein Fehlschlag bedeutet die „Vernichtung“ des investierten Kapitals. Jedoch ist eine weitere Optimierung des Kundennutzens bei den raffinierten heutigen Antrieben nur mit großem Aufwand möglich, so dass es zunehmend rentabel erscheint, in alternative Antriebe zu investieren.^[6] Zudem sieht sich die Branche vor zwingende Probleme gestellt.

2.1.1 Erdölknappheit

Zur Bewertung der verschiedenen Studien über den Umfang des noch vorhandenen Erdölpotentials muss zwischen Erdölreserven und Erdölressourcen unterschieden werden: Reserven sind die bekannten Lagerstätten des Erdöls, aus denen es sich

wirtschaftlich gewinnen lässt, während zu den Ressourcen spekulative Erdölfundstellen gezählt werden, sowie bekannte Lagerstätten, aus denen man aber mit heutiger Technik Erdöl nicht wirtschaftlich abbauen kann.

Ausgehend von den gesicherten Erdölreserven (etwa 150 Mrd. Tonnen) kommen die verschiedenen Studien unstrittig zu dem Ergebnis, dass diese bei statischem (gleichbleibendem) Verbrauch eine Reichweite von noch ca. 40 Jahren haben.^[7]

Darauf aufbauend werden dynamische Zukunftsbetrachtungen angestellt, bei denen die Unsicherheitsfaktoren Erdölressourcen und steigender Energiebedarf eine Rolle spielen. Beim Punkt Ressourcen ist zu bedenken, dass Erdöl der derzeit wichtigste Energieträger ist, und seine Fundorte damit relativ gut erforscht sind. Konservative Schätzungen gehen davon aus, dass noch 80 Mrd. Tonnen erschlossen werden können.^[8] Zum Aspekt Energiebedarf ist zu sagen, dass ein deutliches Weltbevölkerungswachstum, hauptsächlich in den Schwellen- und Entwicklungsländern zu erwarten ist. Der steigende Lebensstandard und die fortschreitende Industrialisierung wird dort zu einem überproportionalen Anstieg des Energieverbrauchs führen.^[9] Der Energiebedarf in den Industriestaaten wird nach dem Energieausblick 2000 der Internationalen Energie Agentur (IEA) ebenfalls steigen. Dies führt dazu, dass inzwischen weitgehend Einigkeit darüber herrscht, dass der Höhepunkt der Erdölproduktion 2010 bis 2020 erreicht wird und von da an der Mangel Preissteigerungen hervorrufen wird.^[10] Die IEA sieht diesen Punkt im Jahr 2010 erreicht. Zu dem drohenden Mangel an Erdöl kommt noch die ungleichmäßige Verteilung, die die Abhängigkeit von den OPEC-Länder zukünftig noch steigern wird, was ebenfalls zu Preisrisiken führen kann.^[11]

Um Umsatzeinbußen zu vermeiden, stellt sich für die Automobilindustrie also dringend die Frage nach Alternativen. Bei direktem Einsatz von Primärenergieträgern^[12] hat Erdgas das größte Potential, da die Verwendung im Ottomotor bereits technisch realisiert ist, es gleichmäßiger verteilt ist als Erdöl, noch große Ressourcen vorhanden sind und bei der Verbrennung relativ wenig Abgase anfallen.^[13] Doch ist der Erdgaseinsatz in herkömmlichen Motoren mit einer kostenintensiven Speicherung im Fahrzeug, sowie einer äußerst aufwändigen Umrüstung der vorhandenen Infrastruktur verbunden. Ein Schlüssel zur Lösung des Problems dürfte also die Herstellung neuer Kraftstoffe aus Primärenergien sein, bei denen sich aber immer die Frage stellt, ob sie nicht vielleicht effektiver in ebenfalls neuen alternativen Antrieben verwendet werden könnten.

2.1.2 Emissionsauflagen durch Gesetze

Die Politik hat ihre Einflussnahme auf Automobilkonzerne in den letzten Jahren unter anderem mit Gesetzen und Besteuerung erhöht, die auf eine Reduktion der schädlichen Fahrzeugemissionen abzielen. Damit hat sie auf drängende Umweltprobleme, wie beispielsweise Sommersmog in Städten und die Klimathematik reagiert. Zudem verstehen die Regierungen alternativ betriebene Fahrzeuge (insbesondere brennstoffzellenbetriebene) auch zunehmend als Wettbewerbsfaktor, der Arbeitsplätze und wirtschaftlichen Aufschwung in Aussicht stellt.^[14]

Weltweit einmalig ist hierbei die Lage in Amerika – Kalifornien. Auf Grund des schlechten Luftzustandes kann der Staat eigene Gesetze zur Luftreinhaltung erlassen. So trat dort 1990 das „Zero Emission Vehicle (ZEV) Mandate“ in Kraft, das die Konzerne ab 2003 verpflichtet, 10% Niedrigstemissionsfahrzeuge zu verkaufen. Davon müssen 2% reine ZEVs, 2% „partielle“ ZEVs, und 6% „Ultra Low Emission“ (ULEV) Fahrzeuge sein. Als ZEV werden Batterie- oder Brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge bezeichnet. „Partielle“ ZEVs sind Hybridfahrzeuge, in denen zusätzlich noch beispielsweise ein Verbrennungsmotor laufen kann. Bei Nichterfüllung der Auflagen, droht den Konzernen eine Strafe von 5.000,- $ pro zu wenig verkauftem Fahrzeug. Jedoch gibt eine komplizierte Anrechnungsmethode mit „Credits“ die Möglichkeit weniger Niedrigemissionsfahrzeuge mit dafür fortschrittlicherer Technologie zu verkaufen. Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge werden besonders gefördert. Die Tatsachen, dass Kalifornien der reichste Bundesstaat ist und die, dass bereits drei weitere die kalifornische Gesetzgebung übernommen haben^[15], geben den Ausschlag für intensive Bemühungen, die gerade amerikanische Konzerne in die Entwicklung neuer Fahrzeugantriebe investieren.^[16]

Aber auch die EU-Richtlinien EURO3 und EURO4, die Steuernachlässe für besonders niedrige Emissionen gewähren, sowie hohe Mineralölsteuern spielen eine Rolle bei den Überlegungen, neue Antriebe zu entwickeln.

2.1.3 Public Relations und verändertes Käuferverhalten

Die Automobilkonzerne sehen sich heute mit der Herausforderung konfrontiert, in einem stark globalisierten Markt mit wenigen, aber bedeutenden Unternehmen zu bestehen. Die Produktpaletten der Hersteller haben sich weitestgehend angenähert und Marktnischen wurden ausgereizt. Um im Wettbewerb bestehen zu können ist es wichtig, sich öffentlich zu profilieren. Eine gute Möglichkeit dazu bietet der Einsatz neuer Antriebe, mit denen sowohl technische Kompetenz als auch umweltorientiertes Verhalten gezeigt werden kann.

Dazu kommen die vom Straßenverkehr verursachten „...zunehmend absatzhemmende[n] ökologischen Folgen...“^[17], welche besonders in Metropolen zu beobachten sind.^[18] Der giftige Sommersmog in den Städten, Krebserkrankungen durch Rußpartikel im Abgas sowie Lärmbelästigung hinterlassen ihre Spuren beim Autokauf. Dazu kommen die anhaltenden Diskussionen über den Treibhauseffekt (durch CO2 verursacht^[19]) und den sauren Regen (durch SOX-Emissionen verursacht), sowie materielle Aspekte, wie die hohen Kosten des Treibstoffes. Selbstauferlegte Ziele der Automobilindustrie zur Emissionsminderung zeigen, dass diese Entwicklungen ernst genommen werden – die Mitglieder des Dachverbands europäischer Automobilhersteller haben beispielsweise zugesagt, den CO2-Ausstoss von Neufahrzeugen bis 2008 flottenweit auf ein Äquivalent von

140 g/km^[20] zu senken.

2.2 Gründe für den Einsatz von Brennstoffzellen

Trotz gleicher internationaler Marktstrategien^[21] schwankt der Mitteleinsatz für die Entwicklung von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen bei den Konzernen deutlich. Gerade die vom amerikanischen Markt abhängigen Konzerne Ford, GM und Daimler-Chrysler investieren wegen der Vorgaben des ZEV-Mandate massiv. Letztere veranschlagen beispielsweise bis 2004 Forschungsausgaben von je rund zwei Milliarden Mark.^[22] Dagegen nehmen VW und Toyota eine abwartendere Haltung ein – eine genaue Angabe zur Markteinführung eines Brennstoffzellenantriebs bei PKW existiert bisher nicht. BMW setzt hingegen nur zur Stromversorgung im Auto auf Brennstoffzellen, was aber nichts an der Tatsache ändert, dass dem Elektromotor mit Brennstoffzelle das größte Potential unter den alternativen Antrieben zugesprochen wird.^[23] Im Folgenden sollen die Gründe dieser Favorisierung dargelegt werden.

2.2.1 Funktionsweise der PEM-Brennstoffzelle

Zur Darlegung der positiven und negativen Effekte beim Einsatz von Brennstoffzellen möchte ich zunächst ihre Funktionsweise erklären. Dem Physiker Grove gelang es 1839 durch Elektrolyse, Wasserdampf in seine Elemente Sauerstoff und Wasserstoff zu zerlegen. Mit Hilfe der Elektrolyse ist es möglich, leitende Flüssigkeiten durch Stromzufuhr in ihre chemischen Bestandteile zu zersetzen. Grove’s Idee, dass die Umkehrung dieser Reaktion Strom liefern müsste, ist die Erfindung der Brennstoffzelle zu verdanken. Die eigentliche Herausforderung besteht dabei darin, die chemische Energie, die den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff innewohnt, nicht durch Verbrennung in Form von thermischer Energie freizusetzen, sondern durch eine „kalte Verbrennung“ bei niedriger Temperatur und ohne Flamme direkt in elektrische Energie umzuwandeln.

Da die Brennstoffzelle Strom liefern soll, besitzt sie also eine Anode, in der sich der Brennstoff – z.B. Wasserstoff – befindet und eine Kathode mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff (rein oder im Luftgemenge). Die beiden Stoffe werden durch einen protonenleitenden Elektrolyten voneinander getrennt - bei der PEM-Brennstoffzelle (PEMFC) ist dies eine etwa 1/10 mm dicke, protonendurchlässige Kunststofffolie. Bei Temperaturen von 70-90 Grad Celsius, einem Betriebsdruck von 2-3 bar und der Verwendung einer beidseitigen Katalysatorschicht aus Platin auf der Membranfolie wird das Bestreben zur Reaktion zwischen den beiden Stoffen so groß, dass die Wasserstoffatome in Protonen und Elektronen zerfallen (H2 à 2H+ + 2e-). Auf diese Weise können die Protonen durch die winzigen Löcher der Kunststoffmembran zur Kathode und damit zum Sauerstoff wandern. Auf Grund des dann vorhandenen Ladungsunterschieds sind die Elektronen bestrebt, ebenfalls auf die Kathodenseite zu gelangen. Sie nehmen jedoch den Umweg über die Elektroden, an denen eine Spannung entstanden ist, die von einem zwischengeschalteten Verbraucher genutzt werden kann. Als Reaktionsprodukt entsteht Wasser (4H+ + O2 + 4e- à 2H2O) – die Umkehrung der Elektrolyse ist vollbracht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als nächstes werden 100-200 dieser Einzelzellen durch sogenannte Bipolarplatten in Serie geschaltet, die zudem die Kanalstruktur zum Abtransport des Wassers bereitstellen und die Gaskanäle mit Kühlkammern enthalten, die zur Kompensation der bei der Reaktion entstehenden Abwärme benötigt werden. Diese Einheit bildet einen „Stack“, der wiederum mit anderen „Stacks“ zusammengeschaltet werden kann, um die gewünschte Leistung zu erhalten. Dabei werden heute Leistungen von ca. 1,6 kW pro Liter Volumen^[24] erzielt. Daneben sind noch weitere Komponenten wie Verdichter, Druckregler und Kühlung für den Brennstoffzellenbetrieb im Fahrzeug erforderlich.

Die Gründe für den Einsatz von PEMFCs für mobile Anwendungen liegen unter anderem darin, dass bei ihrer Verwendung kein reiner Sauerstoff erforderlich ist, sie hohe Leistungsdichten besitzen und bereits bei niedrigen Temperaturen arbeiten, was ein einfaches und schnelles Anfahren ermöglicht. Die PEMFC erreicht heute bereits Wirkungsgrade^[25] von bis ca. 60%.^[26]

[...]

^[1] Umwandlung von mechanischer Energie, die beispielsweise durch Verbrennungsmotoren erzeugt wird, in elektrische Energie.

^[2] Leistung pro Gewichts- oder Volumeneinheit

^[3] Datenmaterial: Vgl. Klingholz, Reiner; Revolution auf Rädern; in: Geo; Jg. 2001; Heft 9; S. 60-65

sowie Ledjeff-Hey, Konstantin u.a., (Hrsg.); Brennstoffzellen: Entwicklung, Technologie, Anwendung; Heidelberg 2001², S. 11 und Tillmetz, Werner u.a.; in: Ledjeff-Hey, S. 61-63

^[4] Vgl. VAG Pressemitteilungen; Internetseite „http://www.aktuell.vag.de/presse/index.html“ vom 22.05.01, aufgerufen am 27.12.01

^[5] Vgl. von Flotow, Paschen; Die Brennstoffzelle – Stand und Perspektiven der Debatte; in: Steger, Ulrich, (Hrsg.); Die Brennstoffzelle – Ende des Verbrennungsmotors? Automobilhersteller und Stakeholder im Dialog; Bern 2000,

^[6] Vgl. Ebner, Johannes; Brennstoffzellenfahrzeuge – ein Schritt in die automobile Zukunft; in: Steger,

^[7] Vgl. Kehrer, Peter; Das Erdöl im 21. Jahrhundert – Mangel oder Überfluß?;

Internetseite „http://www.bgr.de/b11/erdoel_keh.htm“ vom 10.03.00, aufgerufen am 29.12.01

^[8] ebd.

^[9] Vgl. Stahl, Wolfgang; Die weltweiten Reserven der Energierohstoffe: Mangel oder Überfluss?; Internetseite „http://www.bgr.de/b4/aktthema/reswww/reswww.pdf“ vom 17.08.98, aufgerufen am 29.12 01

^[10] Vgl. Stahl

^[11] Vgl. IEA; Weltenergieausblick 2000; Paris 2001²

^[12] =natürliche Energieträger (regenerativ oder erschöpflich), wie Sonne oder Erdöl, die durch verschiedene Verfahren in sekundäre Energieträger, wie Benzin oder Wasserstoff umgewandelt werden können.

^[13] Vgl. Stahl

^[14] Vgl. Oertel, Dagmar; Fleischer, Torsten; Brennstoffzellen-Technologie. Hoffnungsträger für den Klimaschutz.; Heidelberg 2001,

^[15] Für amerikanische Staaten besteht die Wahlmöglichkeit, ob sie das Bundesgesetz, oder das kalifornische anwenden wollen.

^[16] Weitere Informationen zum ZEV-Mandate im Internet: „http://www.arb.ca.gov/msprog/zevprog/zevprog.htm“

^[17] Oertel,

^[18] Vgl. Oertel,

^[19] In Deutschland trägt der Verkehr laut DWI zu ca. 21% zu den CO2-Emissionen bei, die Tendenz ist steigend

^[20] das entspricht einem Verbrauch bei Benzinern von 6 l/100 km und bei Diesel-Kfz von 5,3 l/100 km

^[21] Ausbau der Stellung in Japan, Europa und Amerika, sowie Eroberung der Wachstumsmärkte Südamerika und Asien

^[22] Vgl. Kempkens, Wolfgang; Melfi, Toni; Brennstoffzellen: Schlepper statt Ferrari; Internet „http://www.wirtschaftswoche.de/WirtschaftsWoche/Wiwo_CDA/Wiwo_CDA/0,1702,13607_62592_1,00.html“ vom 09.05.01, aufgerufen am 29.12.01

^[23] Vgl. von Flotow,

^[24] von Opel genannte Höchstleistung beim Prototyp „Hydrogen 3“

^[25] Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der Ausgangsenergie in die Zielenergie (hier: elektrische Energie) umgewandelt wird. Der Rest geht - beispielsweise in Form von Abwärme – für die Nutzung verloren.

^[26] Daten und Grafik: Vgl., S. 63f, 121