Lithium-Batterie oder Brennstoffzelle – wem gehört die Zukunft?

Alles spricht vom Segen batteriebetriebener Elektroautos. Sämtliche namhaften Kraftfahrzeughersteller bieten seit einiger Zeit entsprechende Modelle an, vom Kleinwagen über Mittelklasseautos, Luxuslimousinen bis hin zu sogenannten SUVs, den Geländelimousinen, die unsere Strassen inzwischen unübersehbar bevölkern. Wer mit einer gewissen Neugier für diese Thematik im Frühjahr die Zeitung gelesen hat, dem ist wohl kaum entgangen, dass vermehrt wieder von einer anderen Antriebstechnologie berichtet wird, nämlich von der Brennstoffzelle. Sie erzeugt aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom und treibt damit einen Elektromotor an. Ein so betriebenes Fahrzeug stösst keine Schadstoffe, sondern nur Wasserdampf aus. Dabei wird die Luft nicht nur nicht verschmutzt, sondern sogar gereinigt. Geht hier endlich ein langgehegter Traum in Erfüllung, oder sollte doch alles ein bisschen komplizierter sein?

Es ist erstaunlich, dass lange so wenig von der wasserstoffgetriebenen Brennstoffzelle zu hören und zu lesen war, wo doch schon viele Jahre hinter den Kulissen eifrig und mit Erfolg an der Entwicklung dieser Technologie gearbeitet wird. Nur wenigen dürfte bekannt sein, dass z.B. in der Schweiz schon ein – wenn auch bescheidenes – Wasserstoff-Tankstellennetz besteht und einige Lastwagen für Schweizer Grossunternehmen wie Coop, Migros und Fenaco zwischen Bodensee und Genfersee unterwegs sind.

Batteriebetriebene Elektroautos: Technik, Herstellung, Leistung

Statt von einem Verbrennungsmotor wird ein gängiges Elektroauto von einem Elektromotor angetrieben, der – wie übrigens Mobiltelefone und Notebooks auch – von einer Lithium-Ionen-Batterie gespeist wird. Eine solche kann über eine lange Periode hinweg immer wieder aufgeladen werden, so dass Gesamtreichweiten zwischen 50 000 und 100 000 km pro Fahrzeug und Batterie erreicht werden. Elektroautos fahren sich sehr angenehm: Sie verfügen über eine gute Beschleunigung, fahren in nur einem Gang und bestehen deshalb aus viel weniger Einzelteilen als ein benzingetriebenes Fahrzeug, was sie weniger reparaturbedürftig und damit im Unterhalt kostengünstiger macht. Vor Ort erzeugen sie keine Emissionen und fahren nahezu geräuschlos.
  Zur Herstellung der Batterien werden Lithium, Kobalt, Nickel, Grafit und Platin benötigt. Die weltweiten Vorkommen dieser Materialien sind auf längere Zeit wohl ausreichend. Wenn man alle Faktoren einbezieht, so hat man errechnet, kommt ab einer Fahrleistung von 50 000 km die Umweltfreundlichkeit eines Fahrzeugs voll zum Tragen. Wenn eine Batterie ausgewechselt werden muss, kann sie eine Zeit lang noch stationär als Energielieferant verwendet werden; anschliessend sind ihre Bestandteile recyclierbar.

Nachteile der batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge

Wenn man die Nachteile dieser Fahrzeuge aufzählt, dann nennt man genau die Bereiche, an deren Verbesserung ständig mit Hochdruck gearbeitet wird: zu wenig Ladestationen, relativ lange Aufladezeit, zu geringe Reichweite (zurzeit im Durchschnitt etwa 500 km), aufwendige Entsorgung bzw. Wiederverwendung der Batterien, beschränkte Fahrzeugpalette (bisher vor allem Fahrzeuge ab Mittelklasse aufwärts), grosse Gefahr bei schweren Unfällen, weil ein Brand der Batterie vor Ort nicht gelöscht werden kann (das Fahrzeug muss in ein Wasserbecken getaucht werden), hoher Anschaffungspreis.
  Zudem scheint sich der Mensch nach der Abhängigkeit von Erdöl und Kohle in eine neue Abhängigkeit von Rohstoffen zu& begeben, die der breiten Öffentlichkeit noch gar nicht bekannt sind und die zum grossen Teil in Lateinamerika und Asien mit schwerwiegenden Folgen für Mensch und Umwelt gewonnen werden; ihre endgültige Entsorgung ist aufwendig. Im Hintergrund der starken Propagierung und des regelrechten Booms bei der Produktion dieser Fahrzeuge scheinen auch politische und wirtschaftliche Interessen eine gewisse Rolle zu spielen, so zumindest das Fazit eines französischen Films mit dem Titel «Umweltsünder E-Auto?»

Funktionsweise eines Brennstoffzellen-Autos

Von der Entwicklung dieser Variante eines Elektrofahrzeugs hörte man hingegen bisher recht wenig. Das änderte sich in diesem Frühjahr. Statt einer Ionen-Lithium-Batterie verfügen diese Fahrzeuge über eine Brennstoffzelle und einen Wasserstofftank. Wasserstoff erreicht im gasförmigen und tiefgekühlten Aggregatzustand, in dem er auch bei den Tankstellen gelagert wird, eine sehr hohe Energiedichte. Beim Vorgang der Energiegewinnung werden Wasserstoff und Sauerstoff zusammengeführt; sie reagieren miteinander, so dass Wasser entsteht (das ist& der umgekehrte Vorgang der Elektrolyse von Wasser, bei der Wasserstoff und Sauerstoff entstehen). Dieser elektrochemische Prozess produziert Wärme und elektrische Energie. Letztere treibt den Elektromotor an, der das Fahrzeug in Bewegung setzt. Wie das batteriebetriebene Elektroauto erzeugt auch diese Art von Autos im Betrieb keinerlei Emissionen. Die Reichweite der Fahrzeuge für Schwerverkehr ist grösser als bei batteriebetriebenen, das& langwierige Aufladen entfällt. Einen Tank mit Wasserstoff zu füllen dauert kaum länger als fossilen Treibstoff zu tanken.

Wasserstoff – auch sonst ein verlässlicher Energielieferant

Die Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff hat, auch abgesehen vom Autoantrieb durch Brennstoffzellen, Zukunft. Schon jetzt wird er zu vielerlei Zwecken verwendet wie zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie, bei der Entschwefelung von Kraftstoff oder auch als Brennstoff für russfreie Flammen. Auch vor dem Hintergrund des Pariser UN-Klimaabkommens von 2015 soll weltweit die Produktion von Wasserstoff vorangetrieben werden, damit dieser nicht nur für die Mobilität, sondern auch bei wichtigen Industrien wie Chemie und Stahl umweltfreundlicher Energielieferant sein kann. Wird der Strombedarf aus nicht konstanten erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind erzeugt, kann die Wasserstofftechnik bei einer so genannten Dunkelflaute – wenn weder die Sonne scheint, noch der Wind weht – für sichere Stromversorgung sorgen.

Nachteile des Fahrzeugantriebs mit Brennstoffzelle

Wasserstoff wird derzeit noch zu 98 % aus Kohlenwasserstoffen wie etwa Erdgas, Erdöl und Kohle gewonnen. Rund 40 % davon entstehen als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen wie zum Beispiel der Rohölverarbeitung. Herstellung und Lagerung des Elements erfordern viel Energie, und diese muss aus regenerativen Quellen stammen, wenn die Ökobilanz des mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugs positiv ausfallen soll. Wasserstoff wird gasförmig unter hohem Druck oder flüssig bei minus 253 Grad Celsius in extrem isolierten doppelwandigen Tanks gelagert und transportiert. Die Verwendung in Automobilen erfordert hohe Sicherheitsanforderungen bezüglich Dichtigkeit, Feuer- und sogenannter Berstsicherheit, damit ein gefahrloser Fahrbetrieb gewährleistet ist.

Die Zukunft hat schon begonnen

Keine Vibrationen wie bei den herkömmlichen Diesel-Lastwagen, geschmeidiges und verzögerungsfreies Arbeiten der Fünfgang-Wandlerautomatik, beeindruckende Drehmomententfaltung, minimale Fahrgeräusche in der Kabine auch bei Höchsttempo auf der Autobahn – mit solchen Worten schwärmen Fernfahrer von Lastwagen, die mit Wasserstoff und Brennstoffzelle angetrieben werden.
  Nur wenigen dürfte bekannt sein, dass die Wasserstoff-Technologie hierzulande bereits seit einiger Zeit zur Anwendung kommt, und zwar im Schwerverkehr: Seit Oktober 2020 verrichten in der Schweiz die ersten sieben 36-Tönner mit Brennstoffzellen-Antrieb der südkoreanischen Marke Hyundai ihren Dienst für Coop, Migros, Fenaco und weitere Grossunternehmen. Möglich macht diese Pioniertat das Netzwerk «Förderverein H₂ Mobilität Schweiz» (in Zusammenarbeit mit Hyundai Hydrogen Mobility mit dem Schweizer Start-up H₂ Energy), dem Tankstellenbetreiber und Transportunternehmen angehören und das einen CO₂-emissionsfreien motorisierten Individualverkehr im Rahmen eines geschlossenen Wasserstoffkreislaufs auf die Beine stellen will, der nicht nur wirtschaftlich, sondern auch umweltfreundlich sein muss: Der Wasserstoff wird nur mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt. Im März 2021 waren 46 Lastwagen im Einsatz, die immerhin schon acht Wasserstoff-Tankstellen (AVIA, Agrola, Coop) zwischen St. Gallen und Lausanne anfahren können.
  Der Ausbau des Tankstellennetzes schreitet voran: Momentan sind fünf entlang der Ost-West-Achse in Betrieb und ermöglichen den Einsatz der Lastwagen im ganzen Mittelland zwischen Bodensee und Genfersee. Ein voll beladener 36-Tönner mit einer Reichweite von etwa 400 km kann schon jetzt ohne Tankstopp von Lausanne bis nach St. Gallen fahren. Bis 2023 soll in der ganzen Schweiz eine flächendeckende Infrastruktur bereitstehen.
  Auch für den Schienenverkehr ist der Wasserstoffantrieb inzwischen eine Option: Der französische Konzern Alstom, weltweit zweitgrösstes Unternehmen in der Herstellung von Schienenfahrzeugen, hat einen Wasserstoff-Zug entwickelt, der an Stelle von Diesel-Lokomotiven eingesetzt werden kann, wo Bahnstrecken wegen ihrer Linienführung nicht gut elektrifizierbar sind. Ein Prototyp erlebte ab 2018 in Norddeutschland zwischen Cuxhafen und Buxtehude seine Premiere während einer achtzehnmonatigen Testphase. Danach testete man einen solchen Zug auch in den Niederlanden und in unserem Nachbarland Österreich, wo er sich unter schwierigsten topographischen Verhältnissen bewährte.

Ein Blick in die Zukunft:& Klimaschutz bestimmt die Agenda

Martin Schatzmann, Fachredaktor der «Neuen Zürcher Zeitung» für das Ressort Mobilität, äussert sich optimistisch: «Wasserstoff erobert Nutzfahrzeuge» – so der Titel eines kürzlich erschienen Beitrags. Dieses Jahr wird die Palette der Nutzfahrzeuge wie Lieferwagen und Vans erweitert, die von Renault und der Automobilholding Stellantis – bestehend aus Citroen, Opel, Peugeot und anderen Marken – hergestellt werden. Hyundai, Toyota und Renault produzieren auch Personenwagen mit Brennstoffzelle.
  Bei beiden alternativen Antriebsarten – Lithium-Ionen-Batterie und Brennstoffzelle – laufen die Bemühungen der Optimierung auf Hochtouren: Ständig wird daran gearbeitet, die Fahrzeuge zu verbessern, sie bedienungsfreundlicher, umweltfreundlicher in Herstellung und Betrieb und nicht zuletzt kostengünstiger zu machen und dafür zu sorgen, dass ihre Bestandteile recycliert werden können.
  Das Ende des Verbrennungsmotors scheint unabwendbar; die Zukunft gehört den hier vorgestellten neuen Antriebssystemen, die einander ergänzen werden. Der wichtigste Auslöser dieser wohl unumkehrbaren Entwicklung dürften die Beschlüsse der UN-Klimakonferenz von 2015 in Paris sein, an der sich die Teilnehmerstaaten verpflichteten, alles in ihrer Macht Stehende zu tun, um den Ausstoss der Treibhausgase bis zum Zeitraum zwischen 2045 und 2060 auf Null zurückzufahren, um die globale Erwärmung auf unter 1,5 Grad Celsius herunterzufahren. Dieses ehrgeizige Ziel bestimmt nicht nur die Diskussionen um unsere künftige Mobilität, sondern auch in hohem Mass die gegenwärtigen politischen Debatten und Wahlkämpfe. •

Quellen:

Aeberli, Philipp. «Noch lange nicht ausgedient»; in: Aargauer Zeitung vom 24. April 2021

Forster, Christof. «Wie ein SVP-Nationalrat das Klima mit Wasserstoff retten will»; in: Neue Zürcher Zeitung vom 3.5.2021

Förderverein H₂ Mobilität Schweiz (Sitz: Zürich, 21 bekannte Schweizer Unternehmen sind Mitglied) https://h2mobilitaet.ch/news/

Knellwolf, Bruno. «Volldampf mit Wasserstoff, Adieu Diesel! Ab März 2022 wird in Deutschland der erste Wasserstoffzug nach Fahrplan fahren»; in: Aargauer Zeitung vom 15.5.2021, S. 9

Kuhn, Lothar. «Expertenstreit: Ist Brennstoffzelle oder Akku klimafreundlicher?» in: Edison Media – Heimat der Generation E 2021 vom 26. Juli 2019, https://edison.media/erklaeren/expertenstreit-ist-brennstoffzelle-oder-akku-klimafreundlicher/24844360.html

Manfredi, Stefan. «Wasserstoff: Zukunft ist schon Realität. Eine spezielle Kreislaufwirtschaft macht aus der Fiktion Wasserstoff in der Schweiz bereits Realität»; in: Aargauer Zeitung vom 25.3.2021, S. 14

Perez, Jean-Louis; Pitron, Guillaume. «Umweltsünder E-Auto?», Dokumentarfilm Frankreich 2018 (arte), 90 Min., https://www.youtube.com/watch?v=q6gCdCC-HWo

Rother, Franz W. «Auf die Mischung kommt es an, E-Mobilität», 28.6.2019, https://edison.media/erklaeren/auf-die-richtige-mischung-kommt-es-an/24506526.html

Saheb, Alexander. «Ganz weit vorn mit Wasserstoff»; in: GS1 network online Das Magazin für Logistik, Supply Chain und Demand Management vom 16.12.2020 https://www.gs1network.ch/schwerpunkt/2020/netzwerke-statt-hierarchien,-4-2020/item/2081-ganz-weit-vorn-mit-wasserstoff.html

Schatzmann, Martin. «Weisse Fahne am Auspuff zeigt den Aufbruch an»; in: Neue Zürcher Zeitung vom 27.3.2021, S. 56f.

Schatzmann, Martin. «Wasserstoff erobert Nutzfahrzeuge»; in: Neue Zürcher Zeitung vom 24.4.2021, S. 56f.

Sprenger, Stefan. «‹Was für ein geiles Ding› Auf Probefahrt mit dem Wasserstoffauto Toyota Mirai – Eine Neuheit, die Zukunft haben sollte»; in: Der Freiämter vom 26.3.2021, S. 22, https://www.derfreiaemter.ch/probefahrt-mit-wasserstoff-auto