Wasserstoff-Reise

Die Entscheidung von BMW, Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb auf der Straße zu testen, markiert mehr als nur ein weiteres Kapitel in der Geschichte einer der führenden deutschen Luxusautomarken. Vielmehr war es ein weiterer Schritt, um Europa mit Japan und den USA in Bezug auf sauberere Kraftstoffe auf unseren Straßen auf ein Niveau zu bringen.

Und genau wie Volvo, das sich kürzlich mit dem schwedischen Stahlhersteller SSAB zusammengetan hat, um Möglichkeiten zur Herstellung von Komponenten ohne fossile Brennstoffe zu erforschen, war dies ein weiteres Beispiel für die Art von Unternehmensallianzen, die auf dem Weg zu einem saubereren Verkehrssystem entstehen. BMW hat seinen eigenen Brennstoffzellenstapel für seinen Hydrogen Next Prototyp hergestellt, aber die einzelnen Zellen wurden von einem anderen Automobilhersteller, Toyota, produziert.

Überall in Europa werden bahnbrechende Wasserstoffprojekte durchgeführt, insbesondere in Deutschland, wo vor kurzem mit den Coradia iLint-Zügen das erste wasserstoffbetriebene Bahnprojekt verwirklicht wurde. Die vom französischen TGV-Hersteller Alstom gebauten Züge können mit einer einzigen Wasserstofftankfüllung wie Dieselzüge etwa 1.000 km weit fahren.

Der Industriegasriese Linde wurde ausgewählt, um die norwegische MF Hydra, die weltweit erste Passagierfähre mit diesem Antrieb, mit flüssigem grünem Wasserstoff zu versorgen. Linde, ein Gründungsmitglied des Wasserstoffrats und des Vereins Wasserstoffmobilität, hat zu diesem Zweck in seinem Chemiekomplex in Leuna (Sachsen-Anhalt) einen 24-MW-Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur (PEM) gebaut. Dadurch soll die brennstoffzellenbetriebene Fähre ihre jährlichen Kohlenstoffemissionen um bis zu 95 Prozent reduzieren.

Und diese Bemühungen wurden schon früh gewürdigt. Erst vor wenigen Wochen wurde die Hydra von der norwegischen Zeitschrift Skipsrevyen zum Schiff des Jahres gekürt. Deren Chefredakteur Gustav Erik Blaalid kommentierte, dass die Kombination aus Wasserstoff- und Elektroantrieb "MF Hydra zu einer der umweltfreundlichsten Fähren der Welt macht". Er wies auch darauf hin: "Wasserstoff, der ein emissionsfreier Kraftstoff ist, zeigt auch vielversprechende Anzeichen dafür, dass er ein alternativer Kraftstoff für Schiffe sein kann, auch über längere Strecken."

Armando Botello, President Europe North bei Linde, zeigte sich stolz auf die Zusammenarbeit mit der Reederei Norled, die, wie er es nannte, "eine führende Rolle bei der Umstellung der Schifffahrtsbranche auf klimafreundliche Kraftstoffe" einnimmt. Er fügte hinzu: "Wasserstoff ist ein leistungsfähiger Energieträger mit nachgewiesenem Potenzial zur Reduzierung von Kohlenstoffemissionen, wenn er in der Mobilität eingesetzt wird."

Norwegen selbst hat sich verpflichtet, seine gesamte Verkehrsinfrastruktur zu dekarbonisieren, nicht nur den Schifffahrts- und Fährensektor. Kreuzfahrtschiffe gehören bekanntermaßen zu den größten Verursachern von Treibhausgasen an den norwegischen Küsten. Norwegian Electrical Systems, ein in Bergen ansässiger Systemintegrator, hat bereits angekündigt, dass ein großes Schiff, das für Havila gebaut wird und auf den norwegischen Fjorden verkehren soll, mit einer 3,2-MW-Wasserstoffbrennstoffzelle ausgestattet werden soll. Die Vorstandsvorsitzende von Norled, Heidi Wolden, sagte damals, dass "Wasserstoff eine wichtige Rolle in der Zukunft der emissionsfreien Schiffe spielen wird".

Fahrt mit dem Wasserstoffbus

Auch Busse eignen sich hervorragend für diese Art von Antrieb, da sie in dicht besiedelten Gebieten häufig anhalten und anfahren und sich nur langsam bewegen. Die ersten Brennstoffzellenbusse wurden Ende der neunziger Jahre in Vancouver (Kanada), 2004 in London und 2006 in Peking eingesetzt.

In London sind sie inzwischen ein fester Bestandteil des Verkehrs. Ein Modell, der StreetDeck FCEV, verwendet eine Ballard-Brennstoffzelle, einen Siemens-Antriebsstrang und ein 48-kW-Traktionsbatteriepaket. Das System hat eine Reichweite von 322 km, und die Betreiber geben an, dass die Betankung in etwa sieben Minuten abgeschlossen ist.

In Schienenverkehrsszenarien wird die elektrische Energie an Bord in einer Brennstoffzelle erzeugt und dann in Batterien zwischengespeichert. Jede Batterie speichert Energie aus der Brennstoffzelle, wenn sie nicht für die Fortbewegung des Fahrzeugs benötigt wird, oder aus der regenerierten Energie des Zuges während des elektrischen Bremsvorgangs. Die Brennstoffzellen und die Wasserstofftanks sind auf dem Dach montiert, was den Vorteil hat, dass der Zug bei Geschwindigkeiten von 80 km/h zusätzlich gekühlt wird.

Wasserstoffzüge, die für den britischen Markt hergestellt werden, haben diese Vorteile nicht, da viele Eisenbahntunnel des Landes nur eine begrenzte Durchfahrtshöhe haben. Ein Zug, der von der Universität Birmingham entworfen wurde, ist jedoch so konzipiert, dass er die Tanks unter den Waggons unterbringen kann. Der als HydroFLEX bezeichnete Zug wurde im September letzten Jahres in Warwickshire erprobt und war eine Premiere für das Land. Ein weiterer Durchbruch ist das Ziel, bis 2023 die derzeit in Betrieb befindlichen Züge auf Wasserstoff umzurüsten und so zur weiteren Dekarbonisierung des Eisenbahnnetzes beizutragen.

Verkehrsminister Grant Shapps nutzte den Start des Versuchs, um das Engagement der Regierung für eine Wasserstoffzukunft zu bekräftigen, als er sagte "Auf unserem Weg zu einem grünen Aufschwung wissen wir, dass wir den Wandel wirklich einleiten müssen, wenn wir die Möglichkeiten des Transportwesens wirklich nutzen wollen, um unser Land zu verbessern - und um einen globalen Goldstandard zu setzen."

Die DECHEMA hat das Potenzial der zukünftigen Wasserstoffwirtschaft für die Prozessindustrie schon früh erkannt und ihr Wasserstoff-Kompetenzzentrum gegründet, das auf den gemeinsamen Ressourcen und der Expertise der DECHEMA e.V. und ihres DFI-Forschungsinstituts basiert. Das Zentrum wurde als "Start-to-Finish"-Dienstleistung gegründet, die alle Aspekte vom Konzept bis zur Umsetzung umfasst und alles vom Management von Mikroprojekten über die Planung von Szenarien bis hin zur Koordinierung von Interessengruppen und der Fähigkeit, grundlegende Beratung bis hin zu Weiterbildungsprogrammen zu bieten, umfasst.

Obwohl sich das Projekt noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium befindet, sind die Organisatoren der Meinung, dass es eine "einzigartige Mischung aus Erfahrung und Fähigkeiten bietet, die das Know-how des Kunden ergänzt".

Florian Ausfelder erklärt: Die Grundidee besteht darin, einen maßgeschneiderten Beratungsdienst anzubieten, der sich nach dem Bedarf des Kunden richtet. Dies kann von spezifischen Materialtests über Prozesssimulationen bis hin zu gemeinsamer konzeptioneller Entwicklung reichen. Er sagte, dass das Team durch die bisher eingegangenen Anfragen ermutigt wurde und optimistisch in die zukünftige Entwicklung blickt.

Ich fragte ihn allgemein nach der Verwendung von Wasserstoff im Verkehrswesen, und er sagte mir "Wasserstoff bietet die Möglichkeit eines Kraftstoffs ohne schädliche lokale Emissionen. Das macht ihn besonders interessant für Verkehrsanwendungen, aber auch für industrielle Hochtemperaturprozesse", wobei er darauf hinwies, dass Wasserstoff in Zukunft auch eine wichtige Rolle als Basis für chemische Grundstoffe spielen wird. Dies werden wahrscheinlich die wichtigsten Tätigkeitsbereiche des Zentrums sein. Zum Thema Verkehr fügte er hinzu: "In Deutschland ist ein wesentlicher Teil des Schienennetzes noch nicht elektrifiziert, und das wird sich auch in Zukunft nicht ändern. Der Grund dafür ist, dass diese Strecken nur von wenigen Zügen pro Tag befahren werden und die Investition in eine vollständige Elektrifizierung nicht wirtschaftlich ist. Diese Strecken werden derzeit von dieselgetriebenen Zügen bedient. Diese können durch wasserstoffbetriebene Züge ersetzt werden. Dieser Prozess ist bereits im Gange, und es ist davon auszugehen, dass er irgendwann alle nicht elektrifizierten Strecken erfassen wird. Da ein Großteil der Strecken von regionalen Betreibern bedient wird, handelt es sich nicht um eine zentralisierte Entwicklung.

Noch eine allgemeine Anmerkung: Ich fragte ihn, wie globale Einflüsse das Geschehen in Europa beeinflussen könnten. Er antwortete: "Die EU wird von sehr unterschiedlichen Interessen der Mitgliedsstaaten beeinflusst. Sie wird Aspekte aus anderen Ländern übernehmen, aber sie wird sie nicht einfach kopieren. Die EU schaut vor allem auf die Herausforderungen in der Industrie, was zugleich auch die schwierigste Aufgabe ist."

Mit Blick auf die Zukunft fügte er hinzu: "International wird es interessant sein zu sehen, welche Rolle grünes Ammoniak in Zukunft spielen wird, sei es für die Schifffahrt, die Energiespeicherung und den Transport oder als Chemie- und Düngemittel."

Im Vereinigten Königreich ist Cranfield Aerospace Solutions (CAeS), ein Unternehmen, das als Innovationsführer gilt, bestrebt, bis 2025 das weltweit erste gesetzlich zertifizierte, emissionsfreie Verkehrsflugzeug für Passagiere bereitzustellen.

Das Unternehmen hat kürzlich eine Britten-Norman Islander von der Isles of Scilly Steamship Group gekauft, die es mit Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie nachrüsten will. CAeS leitet das landesweite Konsortium Project Fresson, das derzeit die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie integriert, um eine kommerziell tragfähige, nachrüstbare Antriebslösung für die Luftfahrt zu entwickeln. Die Ankunft der Islander wird als wichtiger Meilenstein im Projektablauf angesehen, da sie es dem Unternehmen ermöglicht, Testflüge mit den vorhandenen Triebwerken durchzuführen und deren volle Leistung zu erfassen, bevor die erforderlichen Änderungen vorgenommen werden, um die vorhandenen Triebwerke zu entfernen und die revolutionären Wasserstoffalternativen zu installieren und zu testen.

CAeS hat sich zum Ziel gesetzt, den ersten Testflug Anfang 2023 durchzuführen und das emissionsfreie Produkt bis 2025 auf dem 820 Millionen Pfund teuren Islander-Markt einzuführen, und zwar sowohl als Nachrüstlösung als auch in einem neuen Modell des Islander. Dies ist die erste Phase der Wasserstoff-Luftfahrt von CAeS mit dem Ziel, als Nächstes ein kommerziell tragfähiges wasserstoffbetriebenes Flugzeug mit 19 Sitzen zu produzieren, bevor schließlich ein neu konzipiertes emissionsfreies Regionalflugzeug mit 75 Sitzen entwickelt wird. CAeS ist ein etabliertes Luftfahrtunternehmen mit einem Kundenstamm, zu dem Unternehmen wie Boeing, Airbus, Rolls Royce, BAE Systems, L3, Thales und Raytheon gehören. Ein zusätzlicher Bonus ist der Standort: Am Flughafen Cranfield hat das Unternehmen Zugang zu einigen der modernsten Luftfahrtforschungseinrichtungen Großbritanniens.

CEO Paul Hutton sagte: "Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Luftfahrtindustrie echte Lösungen für emissionsfreie Flugzeuge anbietet, um ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern. Wir sind auf dem besten Weg, die ersten zertifizierten emissionsfreien Passagierflugzeuge der Welt zu bauen". Während sich Wasserstoff eindeutig auf alle Bereiche der Transportindustrie auszuwirken beginnt, stellt sich auch die Frage nach dem Transport des Wasserstoffs selbst, da im Allgemeinen nur ein kleiner Teil des verwendeten Wasserstoffs vor Ort produziert wird.

Interessanterweise wurde die allererste Wasserstoffpipeline 1938 gebaut: eine Pipeline mit einem Durchmesser von 250-300 mm aus Standardstahlrohren, die über 240 km zwischen Rhein und Ruhrgebiet in Deutschland verlief. Weitere folgten, insbesondere eine in Isbergues, Frankreich, die im Laufe der Jahrzehnte bis nach Zeebrügge und später nach Rotterdam verlängert wurde. Seitdem hat sich die Technologie weiterentwickelt. Heute weiß man viel besser über die möglichen metallurgischen Auswirkungen Bescheid, insbesondere über die Versprödung, die durch die Wechselwirkung von Wasserstoffatomen mit den Kristallgittern des Stahls entstehen kann und die durch die richtige Wahl der Werkstoffe und die richtige Temperatur- und Druckregelung ausgeglichen werden kann.

Bewältigung des Lieferdilemmas

Obwohl Wasserstoff in den meisten Fällen als Gas verwendet wird, muss er nicht unbedingt in dieser Form transportiert werden. Die meisten Lieferungen erfolgten in Flaschen oder Kühlanhängern, wie sie in Großbritannien üblich sind. Doch auf dem Weg zu einer Zukunft, in der Wasserstoffautos die Norm sind, wird es immer wichtiger, Methoden zu entwickeln, die sowohl leicht als auch sicher sind. Komprimierter Wasserstoff kann in Kraftstofftanks auf der Grundlage der Typ-IV-Kohlenstoffverbundtechnologie gespeichert werden, die in den letzten zehn Jahren erheblich verbessert wurde. Er wird auch unter kryogenen Bedingungen in isolierten Tanks gelagert, die in der Regel auf -253 °C eingestellt sind. Ein Beweis dafür sind die Wasserstoff-LKWs, die in den Vereinigten Staaten für Langstreckentransporte eingesetzt werden.

Der Straßentransport von flüssigem Wasserstoff ist wirtschaftlicher als der von gasförmigem, da ein Flüssigtankwagen ein viel größeres Volumen fassen kann als ein gasförmiger Tankwagen, obwohl auch hier Probleme auftreten können, wie z. B. die Gefahr des Verdampfens während der Lieferung. In den USA wird Flüssigwasserstoff auch als Massengut mit der Bahn transportiert, und zwar in Tanks mit Doppelwänden, die oft als vakuumflaschenähnlich beschrieben werden, mit mehrschichtiger Isolierung und Sonnenlichtreflektoren.