Nicht entweder - oder

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Opel setzt bei der Elektrifizierung des Fahrzeuges sowohl auf die Batterie als auch auf die Brennstoffzelle. Fortschritte sind bei Wasserstoff noch in der Infrastruktur vonnöten. Mit einem Prüfkonzept für eine Tankstelle hat Opel den f-cell award gewonnen.

22. November 2010

Entwicklungsarbeiten an Brennstoffzellenfahrzeugen und an solchen mit rein batterieelektrischem Antrieb haben bei General Motors und Opel eine lange Tradition. Unter anderem wurde 1966 das erste Brennstoffzellenfahrzeug der Welt, der GM Electrovan, vorgestellt. Die Wasserstoff-Technologie wurde dann in den späten 90er-Jahren wieder aufgegriffen und man entwickelte verschiedene Fahrzeuggenerationen, die zum heutigen Opel HydroGen4 führten. Ebenfalls in den 90er-Jahren etablierte der Automobilhersteller ein großes Programm für rein elektrische Fahrzeuge, die in mehreren Flottenversuchen eingesetzt wurden.

»Jede Einführungsstrategie für alternative Antriebstechnologien muss den Ersatz von Erdöl als Energieträger zum Ziel haben«, sagt Dr. Rittmar von Helmolt. Dies werde schrittweise und über eine immer weitergehende Optimierung der Komponenten-Wirkungsgrade und eine fortschreitende Elektrifizierung des Antriebsstrangs erreicht, so der Leiter der europäischen Forschungsstrategie bezüglich Wasserstoff, Brennstoffzelle und Infrastruktur der E-Mobilität bei Opel.

Oft wird jedoch, so von Helmolt, in der öffentlichen Diskussion der Eindruck erweckt, dass zwischen Brennstoffzellen- und reinen Elektrofahrzeugen eine Entweder-oder-Entscheidung zu treffen sei. »Dies ist aber nicht der Fall, da beide Technologien unterschiedliche Felder des Fahrzeugmarktes adressieren, die sich bezüglich ihrer Anforderungen an Reichweite und Fahrleistung unterscheiden«, betont der Ressortleiter.

Das reine Batteriefahrzeug (BEV) ist laut von Helmolt die Technologie der Wahl für kleine Stadtfahrzeuge mit Reichweiten bis zu 150km. Für Nutzer, die in den meisten Fällen mit solch geringen Reichweiten auskommen, aber in einigen seltenen Fällen eine größere benötigen und akzeptieren, dass ein kleiner Verbrennungsmotor zur Reichweitenverlängerung bei Distanzen größer als 60km benutzt wird, für diese sei ein EV mit erhöhter Reichweite (Extended-Range EV, EREV) wie der Chevrolet Volt oder der Opel Ampera perfekt geeignet.

Verglichen damit sind Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) nach der Darstellung von Helmolts in allen Betriebszuständen Nullemissionsfahrzeuge, können aber ebenso schnell betankt werden wie Benzin- oder Dieselfahrzeuge und bieten eine ähnlich große Reichweite.

Platin von 80 auf 1o Gramm

Der Experte ist von wesentlichen Preisrückgängen bei den derzeit noch sehr teuren Brennstoffzellenautos überzeugt: »Die heutigen Kosten für das Antriebssystem können bis zum Jahr 2015 unter Annahme einer Serienfertigung auf ein Viertel reduziert werden.« Neben Volumeneffekten bei der Fertigung spielt es hier eine entscheidende Rolle, den Einsatz an teuren Materialien zu reduzieren. So lässt sich laut Opel der Platingehalt von heute 80g je Brennstoffzellensystem bis 2015 auf 30g reduzieren.

Eine weitere Absenkung der Platinmenge sei bereits in Laborexperimenten gezeigt worden, sodass langfristig weniger als 10g Pt möglich erscheinen. Dies wäre eine Größenordnung vergleichbar mit dem Platingehalt eines modernen 3-Wege-Katalysators.

Ein Vergleich lohnt laut von Helmolt auch bei den Kosten für die Infrastruktur. »Obwohl die einzelne Ladestation viel günstiger ist als eine Wasserstoff-Tankstelle, ändert sich das Bild drastisch bei zunehmender Durchdringung des Fahrzeugbestandes mit Elektrofahrzeugen aufgrund der hohen Zahl an notwendigen Installationen«, hat der Experte ausgemacht.

Weder für die Installation noch für den Betrieb einer öffentlichen Lade-Infrastruktur für Elektrofahrzeuge gebe es daher voraussichtlich ein plausibles Geschäftsmodell. GM und Opel gehen davon aus, dass auch künftig Elektrofahrzeuge zumeist an privaten oder halb-öffentlichen Stromanschlüssen geladen werden.

Im Vergleich zur elektrischen Energiespeicherung in Batterien bietet Wasserstoff aber noch einen weiteren Vorteil: Aufgrund seiner hohen chemischen Energiedichte ist er der »ideale Partner« für die Zwischenspeicherung von fluktuierenden, erneuerbaren Energien, die so auch für automobile Anwendungen verfügbar gemacht werden können. Von Helmolt: Obwohl der Weg über die Erzeugung von Wasserstoff nicht besonders effizient ist, ist dies aber vielleicht der einzige Weg, der ausreichend Potenzial bietet, auch große Energiemengen zu speichern.«

Deutschland als Startpunkt

Aber wer wird eine Infrastruktur aufbauen, und wann wird es soweit sein? 2015 wird weltweit als Zeitpunkt für eine erste Kommerzialisierung gesehen. Im Herbst 2009 unterzeichneten die Automobilhersteller Daimler, Ford, GM/Opel, Honda, Hyundai-Kia, die Renault-Nissan Allianz und Toyota ein gemeinsames Memorandum an die Energiekonzerne und Regierungsorganisationen, um gemeinsam darzulegen, dass das Jahr 2015 ein geeignetes Jahr für die Kommerzialisierung der Wasserstofftechnologie sei. Die Firmen sehen Deutschland als Startpunkt dieser Entwicklung in Europa.

Opel entwickelt diese Technologie am Standort Mainz-Kastel. Erst im September machte man auf sich aufmerksam, als die Prüfanlage für 700-bar-Wasserstoff-Tankstellen mit dem ›f-cell award‹ des Umweltministeriums Baden-Württemberg und der Region Stuttgart ausgezeichnet wurde.

Mit der Prüfanlage lassen sich verschiedene Tests an der Tankstelle durchführen. Diese sollen sicherstellen, dass ein Kunde an der getesteten Tankstelle »unter allen Umständen eine sichere und erfolgreiche Betankung« durchführen kann. Diverse Tests sind möglich. Der Hot-Soak-Test etwa simuliert ein Szenario mit einem Fahrzeugtank, der zum Betankungsbeginn wärmer als die Umgebungstemperatur ist. Hierbei darf es zu keiner Überhitzung des Speichersystems kommen.

Dagegen simuliert der Cold-Soak-Test ein Szenario mit einem Fahrzeugtank, der zum Betankungsbeginn kälter als die Umgebungstemperatur ist. Hierbei darf es zu keiner Überfüllung oder Überdrückung des Speichersystems kommen. Ein weiterer Test ermöglicht die Überprüfung der Kommunikationsschnittstelle.

Laut Opel erlaubt die Prüfanlage die Beurteilung unterschiedlichster Tankstellen mit verschiedenen Befüllprozessen. Gleichzeitig generiert sie wichtige Erfahrungen und zeigt auf, wie eine Überprüfung von standardisierten Befüllprozessen in der Zukunft vonstatten gehen könnte.

»Durch diese Innovation entstehen große Vorteile beim Aufbau der Wasserstoff-Infrastruktur. Mittels der Testapparatur wird diese schneller vorangetrieben bei gleichzeitig reduziertem Testaufwand für die Fahrzeughersteller«, teilt der Automobilkonzern dazu mit.

Beim Tanken sieht man bei Opel große Vorteile gegenüber der Batterie. Ein Wasserstofftank lasse sich analog zu einem Dieseltank in drei Minuten vollständig wiederbefüllen. Dagegen könne das Aufladen einer Batterie, abhängig von der Infrastruktur, von etwa einer Stunde (Schnellladestation) bis zu vielen Stunden oder gar einem ganzen Tag (herkömmliche 230V/16A-Steckdose) dauern.

Bei Opel geht man zudem davon aus, dass Wasserstofftanksysteme für eine Reichweite von 500km bei hohen Stückzahlen zu Kosten von rund 3.000US-Dollar hergestellt werden können; die Kosten für eine entsprechende Batterie lägen dagegen um ein Vielfaches höher. (mn)

Interview

Die Bundesregierung plant mit rund einer Million Elektrofahrzeugen bis zum Jahre 2020. Ist diese Vorgabe ausreichend ambitioniert?

Wir halten diese Zahl für ambitioniert. Noch ist nicht klar, ob eine so große Nachfrage überhaupt vorhanden ist. Schließlich kosten die Fahrzeuge noch erheblich mehr und haben gewisse Leistungseinschränkungen wie Ladezeiten und Reichweiten.

Wie viele Fahrzeuge werden dann mit einer Brennstoffzelle unterwegs sein?

Eine konkrete Prognose fällt hier schwer. Wir werden erste Fahrzeuge ab 2015 im Markt sehen. Der Leitmarkt in Europa wird Deutschland sein. Wir sind froh, dass Brennstoffzellenfahrzeuge in der offiziellen Statistik mitgezählt werden. Das ist nicht überall so.

In anderen Ländern werden Elektrofahrzeuge deutlich stärker gefördert. Verlieren Deutschland und insbesondere die Hersteller den internationalen Anschluss?

Die Frage ist, wie langfristig diese Projekte angelegt sind. Deutschland betreibt derzeit vorwiegend Technologieförderung. Sinn machen kann hier auch eine andere Art der Besteuerung beispielsweise von Dienstwagen. Heute erfolgt die Besteuerung nach dem Fahrzeugwert. Dadurch sind Elektrofahrzeuge klar im Nachteil. Hier könnte eine Lösung sein, zu Beginn gegebenenfalls ganz auf eine Besteuerung zu verzichten.

Opel setzt auf Batterie und auf Brennstoffzelle. Worauf haben Sie aktuell den Fokus?

Wir verfolgen beides intensiv, aber wir befinden uns in verschiedenen Entwicklungsphasen. Der Chevrolet Volt und der Opel Ampera kommen jetzt beziehungsweise in einem Jahr auf den Markt, Brennstoffzellenfahrzeuge erst ab dem Jahre 2015. Wir nutzen aber Synergien wie bei der Leistungselektronik.

Elektromobilität sorgt für neue Geschäftsmodelle. Welche spielt Opel durch?

Dies wird nicht ganz anders sein als bei jetzigen Fahrzeugen. Sicher ist aber für uns, dass die Batterie ein fester Bestandteil des Fahrzeugs ist. Wechselsysteme sind nach dem aktuellen Stand nicht praktikabel. Eine Batterie stellt eine komplexe Schnittselle in einem Elektrofahrzeug dar. Der Ausbau ist nicht so einfach zu bewerkstelligen, denken Sie dabei etwa nur an die Anschlüsse für das Kühlwasser.

Wasserstoff hat den Vorteil der Speicherbarkeit. Gibt es hier schon konkrete Projekte?

Wir sind am Clean Energy Partnership CEP beteiligt. Gemeinsam mit Total und dem Windparkbetreiber Enertrag realisieren wir in der CEP im kommenden Jahr am neuen Flughafen Berlin eine Wasserstofftankstelle. Dabei wird der Wasserstoff ausschließlich elektrolytisch über Windstrom produziert. (mn)

Erschienen in Ausgabe: 04/2010