Technik
11.04.2018

Brennstoffzellen-Antrieb: E-Autos für die Langstrecke

© Bild: Werk/Daimler AG - Global Communicatio

Wie Daimler den Durchbruch ermöglichen und beschleunigen will.

Seit 30 Jahren wird bei Daimler am Brennstoffzellenantrieb gearbeitet. Bis 2003 war man an vorderster Stelle dabei. Zuletzt mit der A-Klasse. Dann wurde klar, dass es mit dem schnellen Durchbruch dieses Antriebs nichts wird und man schaltete einen Gang zurück. Überließ Honda, Toyota und Hyundai den Start kleiner Serien. Doch im Hintergrund wurde der Antrieb weiterentwickelt bei der dafür zuständigen Daimler-Tochter NuCellSys in Nabern bei Stuttgart.

-Einblick Dorthin lud Daimler vor Kurzem, um einen Blick hinter die Kulissen zu werfen und auf einer Probefahrt mit einem GLC F-Cell (siehe Zusatzartikel) teilzunehmen. Den Technikern ist es gelungen, den Antrieb so zu verkleinern, „dass künftig in jedem Auto, wo heute ein Verbrennungsmotor untergebracht ist, auch ein Brennstoffzellenantrieb eingebaut werden kann“, so Prof. Christian Mohrdieck, seit 2005 Leiter Brennstoffzelle. Aufbauend auf einem Grundmodul lässt sich der Antrieb beliebig skalieren, vom Pkw bis zum Autobus. Daimler will Anfang 2020 einen Brennstoffzellenbus in Serie bringen. Rund ein Jahr später soll ein Serien-Pkw mit Brennstoffzellenantrieb folgen.

-Sinn Grundsätzlich mache der Brennstoffzellenantrieb überall Sinn, wo heute ein Dieselaggregat steckt, also für alle Langstreckenfahrzeuge. Für Städte dagegen seien Batterie-elektrische Fahrzeuge erste Wahl.

Vier Faktoren entscheiden über Erfolg oder Misserfolg der Brennstoffzelle, so Mohrdieck: die Akzeptanz der Kunden, die Technologie, die Wasserstoff-Infrastruktur sowie die Kosten. Hier geht es vor allem um die Materialkosten der Brennstoffzellen sowie um industrielle Standards bei der Fertigung.

-Platin Einer der größten Kostentreiber ist die nötige Edelmetallbeschichtung in den Brennstoffzellen. Gegenüber der Vorgängergeneration konnte sie bei Daimler bereits um 90 % gesenkt werden, aber der Platinbedarf ist noch immer höher als etwa für die Abgasnachbehandlungssysteme von Diesel, nämlich im zweistelligen Gramm-Bereich pro Pkw. Einen Platin-Engpass sieht Werner Tillmetz vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) trotzdem nicht, wenn statt Diesel künftig Brennstoffzellen eingesetzt werden und zudem der Platinbedarf pro Brennstoffzelle weiter gesenkt wird. Wovon er ausgeht.

-Lebensdauer Ganz darauf verzichten werde man, so Mohrdieck, aus Gründen der Dauerhaltbarkeit und Funktionstüchtigkeit aber nicht können. Heute betrage die Lebensdauer von Brennstoffzellen 6000 bis 8000 h. Zum Vergleich: Auf 8000 h sind laut Mohrdieck auch die Mercedes-Verbrennungsmotoren ausgelegt. Busse bräuchten eine Lebensdauer von 40.000 h.

 

© Bild: Mercedes

-Wettstreit Anders als die Lithium-Batterien benötigten Brennstoffzellen jedoch weder das umstrittene Kobalt noch Graphite oder Lithium, wo sich China inzwischen weltweit den Großteil gesichert hat.

Den Brennstoffzellenbefürwortern ist zudem ein Coup gelungen: Anders als bei Batterie-Ladesystemen, wo es national wie international nach wie vor keine einheitliche Lösung gibt, ist die Betankung von Brennstoffzellenautos seit 2002 weltweit und herstellerübergreifend standardisiert. Man hat sich zudem auf gasförmigen Wasserstoff mit 700 bar geeinigt. Diese Vereinheitlichung ist für Kunden ein enormer Komfortvorteil.

-Arbeitsplätze Zudem würden mit Brennstoffzellen auch mehr Arbeitsplätze und Wertschöpfung in Europa bleiben. Aus zwei Gründen: Brennstoffzellen-Fahrzeuge benötigen mehr Einzelteile als Batterie-elektrische. Diese bräuchten etwa keine Mehrgang-Getriebe, Tanks, Nebenaggregate, einfach viel weniger mechanische Komponenten.

Zudem „gibt es bei Brennstoffzellen nicht den langjährigen Entwicklungsvorsprung von Asien wie bei Lithium-Batterien“, so Tillmetz.

-Kosten Was die Infrastruktur betrifft, so kommt eine Analyse des deutschen Forschungszentrums Jülich und der H 2 Mobility auf Ausbaukosten für 100.000 Autos mit Batterien von rund 310 Mio. € und mit Brennstoffzellen/Wasserstoff von rund 450 Mio. €. Ab 1 Mio. Pkw wäre Wasserstoff billiger.

Derzeit gibt es weltweit 3,2 Mio. Batterie-elektrische Pkw auf der Straße laut Tillmetz, die meisten von BYD und BAIC, China, sowie von Tesla, USA, hergestellt. Demgegenüber stehen rund 7000 verkaufte Brennstoffzellen-Autos von Honda, Hyundai und Toyota.

An der Tankstelle kostet 1 kg Wasserstoff 9 bis 10 €, das reicht für rund 100 km Reichweite. Wie viel eingespart wird, hängt bei Strom wie bei Wasserstoff von der Energiequelle ab. Mit Ökostrom sind beide -neutral, mit der heute weltweit haushoch dominierenden Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas sinkt der CO2-Ausstoß gegenüber Autos mit Verbrennungsmotor um 25 %, so Daimler. Wasserstoff mache am meisten Sinn als Speicher überschüssigen Ökostroms. Allein mit dem 2017 von Deutschland exportierten überschüssigen Ökostrom könnte man, so Tillmetz, 7 Mio. Brennstoffzellen-Pkw betreiben.

-Zusatznutzen Ähnlich wie für Lithium-Batterien werden auch für Brennstoffzellen Anwendungen abseits des Transportbereichs gesucht, um die Stückzahlen zu erhöhen und den Preis zu senken. Daimler entwickelt mit HP Brennstoffzellen für die Notstromversorgung anstelle der aktuellen Dieselaggregate. Erste Systeme sind bereits in Betrieb. Brennstoffzellen können dafür nur verwendet werden, wenn die Rechenzentren wassergekühlt sind. Heute sind sie meist noch luftgekühlt.

-CO2-Schleuder Die Rechenzentren (Clouds) der IT-Riesen zählen inzwischen zu den größten Energieverbrauchern mit enorm steigendem Appetit. Bis 2020 wird ihr Strombedarf allein in den USA auf 140 Mrd. KWh pro Jahr geschätzt, was der Jahresproduktion von rund 50 Kraftwerken und einem CO2-Ausstoß von rund 100 Mio. t entspricht. Die Kosten für die Stromversorgung machen bei einem neuen Rechenzentrum rund 30 bis 40 % der Gesamtkosten aus. Mit einem wasserstoffbasierten Konzept, wie es Daimler und HP mit Partnern erarbeiten, das Brennstoffzellen, Elektrolyseur, Speicher, Fotovoltaik- und Windkraftanlagen umfasst, sollen die Gesamtbetriebskosten erheblich sinken.

Deutschland als exklusiver Testmarkt

© Bild: Grafik, mercedes

Der Mercedes GLC F-Cell wird heuer in Deutschland an ausgewählte Kunden vergeben, nach Österreich kommt er nicht.

Der Brennstoffzellenantrieb baut gegenüber dem Vorgänger, der B-Klasse F-Cell, um 30 % kompakter und passt erstmals in einen normalen Motorraum. Es handelt sich beim GLC F-Cell (200 PS) um einen Plug-in-Hybrid, der einen Brennstoffzellenantrieb (4,4 kg Wasserstoff) mit einer Lithium-Batterie (13,8 kWh) zum externen Aufladen kombiniert und so die Bremsenergie rekuperieren, aber auch mehr Reichweite bieten kann (+50 km), insgesamt ca. 450 km.

Gewicht:ca. 100 kg mehr als beim GLC als Plug-in-Hybrid.