Daimlers Wasserstoff Truck fährt auf einer Landstraße

Da kommt was ins Rollen: Daimler sieht viel Potenzial mit Wasserstoff-Trucks. Auch Zulieferer wie Bosch sehen das ganz ähnlich. - Bild: Daimler

| von Dietmar Poll

Wasserstoff als Brennstoff und Wasser(-dampf) als 'Abgas'. Gerade in Bezug auf Transport und Logistik wird der Brennstoffzelle eine große Zukunft vorhergesagt. Aber auch der Maschinenbau gilt als Profiteur - galt er doch eine Zeit lang aufgrund der Elektromobilität und dem damit verbundenen Wegfall großer Teile der spanenden Fertigung als Verlierer. Doch nun sind Unternehmen wie Bosch und Daimler frohen Mutes, was das Thema Wasserstoff in Bezug auf reduzierte Treibstoffkosten, eine kosteneffizienten Fertigung der Brennstoffzellenstacks oder ganzer Fahrzeuge angeht.

Rückenwind gibt es auch von der Politik - beispielsweise durch die Nationale Wasserstoffstrategie, die die CO2-Reduzierung nicht nur im Rahmen der Energiewende vorantreibt. Auch Holger Matzen, Geschäftsentwicklung Kontraktlogistik, Herbert Voigt GmbH & Co. KG und Vorsitzender der Logistikinitiative sieht das so und ergänzt:

"Wir sehen extremen Druck aus der Politik auf uns zukommen, weil wir davon ausgehen, dass die Dieselkraftstoffe weiter verteuert werden. Hinzu kommt die Mauterhöhung für emissionsstarke Fahrzeuge. Umso wichtiger sehen wir den Weg als First Mover dieses Thema zu behandeln und Forschung & Entwicklung darin zu betreiben."

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Grüner Wasserstoff: Energie aus erneuerbaren Quellen als Basis

Eine ähnliche Sicht auf die Dinge hat auch Alexander Klonczynski, Vice President Manufacturing Fuel Cell Mobility Solutions bei der Robert Bosch GmbH. Er ist dort verantwortlich für das Thema Fertigung der Brennstoffzelle - für das Gesamtsystem und den Brennstoffzellenstack.

"Auch aus unserer Sicht kann die Brennstoffzelle einen großen Beitrag zur CO2-Neutralität im Transportsektor leisten. Gleichzeitig können wir mit unseren Kompetenzen speziell in der Industriealisierung ein Teil des Erfolgs werden."

Blickt Klonczynski in die Zukunft, sieht er viele neue Herausforderungen in der Mobilität wie Konnektivität, Digitalisierung, Industrie 4.0 und autonomes Fahren – alles mit großem Einfluss auf die Bedarfe von Strom. Auf den Wasserstoff bezogen "möchten wir unsere langjährige Industrialisierungskompetenz von der Komponente bis zum System als Schlüssel zur Wettbewerbsfähigkeit nutzen. Für den Mobilitätssektor entwickeln wir das Brennstoffzellensystem auf Basis der PEM-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)", beschreibt Klonczynski.

Für stationäre Anwendungen entwickele Bosch aufgrund der wesentlich höheren Anforderungen an die Lebensdauer eine weitere Brennstoffzellentechnologie - die SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Klonczynski weiter: "Der Einsatz von Wasserstoff im Verbrenner oder in der Brennstoffzelle – wir entwickeln beide Technologien – kann aus unserer Sicht auch kurzfristig eine sehr wichtige Rolle spielen."

Brennstoffzellen-Fahrzeuge für die Langstrecke

Batterieelektrische Lösungen für den Schwerlastverkehr als einzige Lösung erscheinen Klonczynski nicht als sinnvoll, denn unter Berücksichtigung der Zuladung eines LKW wird man ausschließlich mittels Batterie die notwendigen Reichweiten nicht erzielen können.

"Demnach ist insbesondere im Schwerlastlangstreckenverkehr die Brennstoffzelle aus unserer Sicht möglicherweise die einzige praktikable Lösung. Denn das Gewicht der Batterien wird auch in Zukunft eine enorme Rolle spielen", ist sich Klonczynski sicher.

Auf Basis reduzierter Wasserstoffkosten werde sich sicherlich künftig auch ein verbesserter TCO für Nutzfahrzeuge ergeben. "Aus unserer Sicht können wir 2025 einen Preis von fünf Euro pro Kilogramm H2 erreichen, 2030 unterhalb von drei Euro für grünen Wasserstoff", so der Experte. Er erwartet bis 2030 einen Anteil der Brennstoffzelle im Nutzfahrzeugbereich von für Bosch attraktive 15 Prozent.

Wie wird Wasserstoff erzeugt?

Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe elektrischer Energie in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Aktuelle Konzepte sehen zunehmend eine Wasserstoffgewinnung mit Strom aus Erneuerbaren Energien vor. Damit ist eine klimaneutrale Wasserstoffherstellung möglich. In Deutschland sind mehr als 30 Elektrolyseure zur Herstellung von grünem Wasserstoff installiert. Quelle: bdew

Bekannte Technologie aus dem Verbrennungsmotor kommt Bosch zugute

Dafür müssten die Herstellungskosten noch signifikant reduziert werden. Um dies wiederum zu erreichen, muss laut Klonczynski von Beginn an der gesamte Wertstrom betrachtet werden. "Dabei hat das Brennstoffzellensystem den Vorteil, dass es einem Verbrennungsmotor mit Ventilen, Pumpen und anderen Komponenten mehr ähnelt als einem batterieelektrischen Antriebssystem. Das spielt am Ende für das Thema eine entscheidende Rolle für uns", verdeutlicht Klonczynski.

Denn viele der Komponenten seien bezüglich der Fertigungskompetenzen ähnlich einzuschätzen wie die Dieselkomponenten, die Bosch in Millionen Stückzahlen fertigt. "Wir sind davon überzeugt, dass die Industriealisierungskompetenz der Schlüssel zur Wettbewerbsfähigkeit sein wird. Aus diesem Grund haben wir entschieden, dass wir unsere alten und erfahrenen Dieselwerke früh einbinden. Auch in China haben wir bereits einen Teil des Werkes in Wuxi für den Aufbau der Brennstoffzelle freigemacht", erläutert Klonczynski. Dort will Bosch 2022/23 mit den ersten Brennstoffzellen-LKW auf die Straße gehen.

Brennstoffzellen-Technologie für den Erfolg entscheidend

Laut Klonczynski ist nachfolgender Sachverhalt entscheidend: "Das grundlegende Verständnis und die Beherrschung der Prozesskette zur Herstellung der Stacks wird die Voraussetzung für den Erfolg des Systems sein. Der Brennstoffzellenstack als Kern des Systems produziert die elektrische Energie. Der Rest des Systems ist nur dazu da, den Stack zu beschützen, damit wir die Lebensdauer von größer 20.000 Stunden gewährleisten können."

Neben der Betrachtung des Gesamtwertstroms 'vom Pulver bis zum Stack' hat sich Bosch eine Kreislaufwirtschaft zum Ziel gesetzt. Die Serienfertigung ist dabei für 2022 vorgesehen.

Bosch-Mitarbeiter steht an einem stack
Wesentlich für den Markt für mobile Brennstoffzellen ist der Stack, der als Herzstück einer Brennstoffzelle Wasserstoff in elektrische Energie wandelt. - Bild: Bosch

Brennstoffzellen-Technik ab 2023 im Daimler-Truck

Eine ganz ähnliche Zeitschiene schwebt auch Daimler vor. Die Stuttgarter wollen laut Christian Mohrdieck, CEO der Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH im Jahr 2023 mit den ersten Flotten anfangen. Laut ihm spielt die Brennstoffzelle in der Logistik der Zukunft eine tragende Rolle, denn die schweren LKW sind das Rückgrat der Logistik weltweit. LKW tragen mit fünf Prozent zu den globalen CO2-Emissionen bei, so Mohrdieck.

"Zum Vergleich: Die weltweite Stahlproduktion trägt mit sechs Prozent zu den CO2-Emissionen bei. Die EU schreibt eine erhebliche Einschränkung der CO2-Emissionen und bei Nichterfüllung drohen empfindliche Strafen. Wir müssen also CO2-neutrale Fahrzeuge herstellen – und da gibt es nur zwei Lösungen: Batterie oder Brennstoffzelle. Bei schweren, großen Fahrzeugen kommt nur die Brennstoffzelle in Betracht, für den Verteilerverkehr die Batterie", beschreibt Mohrdieck.

Verblüffende Überlappungen von Brennstoffzellenmotor und Verbrennungsmotor

Zur Brennstoffzelle selber erklärt der CEO, dass die Montage der Brennstoffzelle sehr ähnlich zu dem Montageprozesse eines Verbrennungsmotors ist. "Wir verwenden sogar teilweise Teile aus dem Verbrennungsmotor wie beispielsweise in der Zu- und Abluft einen Turbolader. Der wird zwar elektrisch angetrieben, aber mechanisch ist er den bisherigen Turboladern sehr ähnlich. Die Ähnlichkeiten zwischen Brennstoffzelle und Verbrennungsmotor sind verblüffend, denn bei beiden sind Energieumwandlung und Energiespeicherung getrennt", lässt Mohrdieck wissen.

In beiden Fällen gebe es einen Tank und ein Verbrennungsaggregat - mit heißer Verbrennung im Verbrennungsmotor und kalter Verbrennung in der Brennstoffzelle. Demnach produziert Wasserstoff als Brennstoff im Fahrzeug auch nur wenig Wärme.

"Wir haben viele Teile, die ähnlich sind wie die Versorgung mit Luft. Aber auch die gleiche Komplexität – etwa 1000 Teile in beiden Systemen. Auch die Basis der Lieferanten ist sehr ähnlich. Wir freuen uns, dass gerade sehr große Automotive Tier-1-Lieferanten jetzt in das Thema massiv einsteigen. Die kennen unser Geschäft und da gibt es auch wenig Änderung in der Vorkette", argumentiert Mohrdieck. Somit könnten auch die Logistikketten mehr oder weniger aufrechterhalten werden.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Um Fahrzeuge anzutreiben wandelt die Brennstoffzelle H2 in elektrischen Strom für einen E-Motor um.

Gesamte Technologie gilt als unbedenklich

Mohrdieck sieht auch bei der Fertigung der Brennstoffzelle größtenteils keine Probleme. "Sie ist unkritisch in der Handhabung, da wir es in der Montage auch nicht mit Hochspannung zu tun haben. Wir haben sehr geringe Reinraumanforderungen für diese Prozesse und es gibt keine kritischen oder gar toxischen Materialien. Die Recycelbarkeit ist extrem hoch und der Platinverbrauch ist nicht höher als beim Dieselkatalysator. Zudem gilt die Brennstoffzelle auch nicht als Gefahrgut." Das habe natürlich positive Auswirkungen auf das ganze Handling und die Logistik.

"Auf der anderen Seite müssen wir berücksichtigen, dass edle Materialien wie Platin und Iridium enthalten sind. Das hat Auswirkungen auf die Versicherung. Grundsätzlich muss auch bei der Brennstoffzelle möglichst global agiert werden, um die Kosten zu senken", schließt Mohrdieck.

Unterschiedliche Herstellung von H2

  • Grüner Wasserstoff wird mittels Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei für die Elektrolyse ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Unabhängig von der gewählten Elektrolysetechnologie erfolgt die Produktion von Wasserstoff CO2-frei, da der eingesetzte Strom zu 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammt und damit CO2-frei ist.
  • Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen. In der Regel wird bei der Herstellung Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und CO2 umgewandelt (Dampfreformierung). Das CO2 wird anschließend ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben und verstärkt so den globalen Treibhauseffekt: Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff entstehen rund 10 Tonnen CO2.
  • Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, dessen CO2 bei der Entstehung jedoch abgeschieden und gespeichert wird (engl. Carbon Capture and Storage, CCS). Das bei der Wasserstoffproduktion erzeugte CO2 gelangt so nicht in die Atmosphäre und die Wasserstoffproduktion kann bilanziell als CO2-neutral betrachtet werden.
  • Türkiser Wasserstoff wird über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen, sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs. - Quelle: BMBF

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Funktionsweise des Brennstoffzellenantriebs

Für den Antrieb in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen sorgt eine Brennstoffzelle. Ihr 'Treibstoff' ist gasförmiger Wasserstoff. In einem chemischen Prozess reagiert er mit Sauerstoff. Dabei wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie als Strom freigegeben, der dann einen Elektromotor antreibt. Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist daher ein Elektrofahrzeug, das keine schädlichen Emissionen erzeugt. Beim Fahren wird als 'Abgas' lediglich etwas Wasserdampf freigesetzt. Es gibt bereits leistungsfähige Brennstoffzellenfahrzeuge, die Reichweiten von bis zu 700 Kilometern ermöglichen.

Die Brennstoffzelle ist ein sehr effizienter Antrieb. Ihr elektrischer Wirkungsgrad liegt bei über 60 Prozent. Zum Vergleich: Ein Benzinmotor erreicht nur einen Wirkungsgrad von 25 bis 35 Prozent. Insgesamt liegt der Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellenfahrzeugs heute schon über dem eines herkömmlichen Pkw, trotz des Energieaufwands für die Produktion des Wasserstoffs. Quelle: EnBw

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