Erkenntnisse vom Brennstoffzellen-Forum "f-cell": "Jetzt geht es um Optimierung!"

"Die Brennstoffzelle ist alltagstauglich!" Das ist keine ganz neue Erkenntnis. Doch mittlerweile ist die Technik so gut, dass realistische Schätzungen möglich sind, wann sie - weiter optimiert - am Markt sein wird. Während des diesjährigen Brennstoffzellen-Fachforums "f-cell" in Stuttgart gab es konkrete Zahlen: Erste Serien wird es ab 2010 geben, ab 2015 sind Autos sowie Heizgeräte für Einfamilienhäuser oder industrielle Anwendungen in größeren Stückzahlen erhältlich. Nur die portablen Geräte sind schneller. Schon jetzt haben sie sich mit Notstromversorgungen und netzfernen Anwendungen Nischenmärkte erschlossen. Die Zeit drängt jedoch: "Wir brauchen umweltschonende Energieversorgungs-Alternativen, um unsere Klimaziele zu erreichen."

"Wasserstoff in Kombination mit Brennstoffzellen: Das ist die beste Lösung für eine emissonsfreie und nachhaltige Mobilität", sagte Professor Werner Tillmetz in seiner Rede während des internationalen Brennstoffzellen-Forums "f-cell" in Stuttgart, zu dem rund 600 Fachleute aus 18 Ländern angereist waren. Im Zentrum des siebten von der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH (WRS) sowie die Peter Sauber Agentur Messen und Kongresse GmbH veranstalteten Branchen-Treffs standen die mobilen Anwendungen der Brennstoffzelle.

Dem Klimakollaps begegnen!

Auch Professor Dr. Hartmut Graßl, ehemaliger Direktor des Max Planck Instituts für Meteorologie in Hamburg und Vorsitzender des bayerischen Klimarates machte sich für die Nutzung von Sonnen- und Windenergie stark: "Nur so ist das Ziel zu schaffen, die Pro-Kopf-Verschmutzung in den Industrienationen deutlich zu senken. In Deutschland müssen wir von zehn Tonnen Kohlendioxid pro Person und Jahr auf etwa drei Tonnen runter." Denn bereits heute spürten viele Weltregionen den Klimawandel deutlich. Beispielsweise seien im trockenen Nordafrika oder im Nahen Osten die Niederschläge um bis zu 40 Prozent zurück gegangen und in den Alpen 70 Prozent der Eismassen seit 1850 verschwunden. "Das ist das Ergebnis einer mittleren globalen Erwärmung von 0,8 Grad seit Beginn des 20. Jahrhunderts. Wenn wir so weitermachen, wird sich unser Klima so schnell und radikal ändern, wie niemals zuvor in der Erdgeschichte", warnt Graßl.

Brennstoffzellen-Auto auf dem Weg zur Marktreife

Dr. Christian Mohrdieck, Leiter Entwicklung Brennstoffzellenantrieb bei DaimlerChrysler sieht daher die Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Energiequellen, die Reduktion der Treibhausgasemissionen und Erhöhung der Versorgungssicherheit auch als Haupttreiber bei der Einführung neue Kraftstoffe und Antriebe. Das Unternehmen DaimlerChrysler, das über die weltweit größte Flotte an Brennstoffzellen-Fahrzeugen verfüge, stelle sich dieser Herausforderung seit Jahren: "Unsere über 100 verschiedenen Autos, Lieferfahrzeuge und Busse haben mittlerweile insgesamt mehr als 3,6 Millionen Kilometer zurück gelegt und stellen ihre Alltagstauglichkeit eindrucksvoll unter Beweis", sagte Mohrdieck. "Es liegen aber auch noch Herausforderungen vor uns. Sie bestehen vor allem darin, die Herstellungskosten zu senken und eine Betankungsinfrastruktur aufzubauen." Das Brennstoffzellen-Fahrzeug selbst optimierte Mercedes-Benz nach den Erfahrungen mit der Mercedes-Benz F-Cell A-Klasse noch einmal deutlich. Die neue brennstoffzellenbetriebene Mercedes-Benz B-Klasse, die auf der "f-cell" als Schnittmodell zu sehen war, besitzt ein kompakteres und um 30 Prozent leistungsfähigeres Brennstoffzellen-System, das zugleich 16 Prozent weniger verbraucht. "Ab 2010 werden wir dieses Auto mit lokal emissionsfreiem Brennstoffzellen-Antrieb unter Serienbedingungen produzieren", erklärte Mohrdieck. Beliefert würden jedoch zunächst ausgesuchte Fuhrpark- und Flottenkunden, mit denen das Unternehmen bereits heute spreche. "Ab etwa 2015, so schätzen wir, wird das Brennstoffzellen-Auto für jedermann zu haben sein", erklärte Dr. Ulrich Bünger, von der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH in Ottobrunn bei München in seinem Vortrag zur Markteinführung von Wasserstoff und Brennstoffzellen.

Hybrid-Antrieb keine Konkurrenz

John Tak, Präsident und Geschäftsführer des kanadischen Verbandes Hydrogen & Fuel Cells Canada in Vancouver, der auf der "f-cell" beeindruckende kanadische Leuchtturm-Projekte, wie die Wasserstoff-Autobahn (Hydrogen Highway) oder das Wasserstoff-Dorf (Hydrogen Village) vorstellte, räumte mit einem gängigen Vorurteil auf: "Der Hybrid-Antrieb, der Verbrennungs- und Elektromotor kombiniert, ist keine Konkurrenz zum Brennstoffzellen-Antrieb. Im Gegenteil, auch die Brennstoffzelle wird in Kombination mit einem Elektromotor kommen", sagte Tak. "Wir können dann von den Erfahrungen bei den Verbrennungs-Hybriden lernen."

Gefrierstart-Problem gelöst

Das schwäbische Unternehmen NuCellSys GmbH aus Kirchheim/Teck-Nabern bei Stuttgart übertrug die grundlegenden Erkenntnisse der DaimlerChrysler-Forschung zum Gefrierstart im Stack auf die Anwendung im Automobil. Dies kommt in der neuen B-Klasse mit Brennstoffzellenantrieb, die ab 2010 als Kleinserie auf den Markt kommt, zum Einsatz. "Da die Brennstoffzelle systembedingt immer feucht ist, war das eine besondere Herausforderung", berichtete Gerald Hornburg, Senior Manager System Engineering bei NuCellSys. "Wir mussten zunächst verstehen, wann und wo Wasser im System bei welchen Rahmenbedingungen gefriert. Als wir das verstanden hatten, fanden wir auch eine kreative Lösung." Dafür erhielt NuCellSys den während der "f-cell"-Abendveranstaltung verliehenen "f-cell"-Award in Gold und ein Preisgeld in Höhe von 12.000 Euro. Der Preis wird vom Umweltministerium Baden-Württemberg gemeinsam mit der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH (WRS) ausgelobt und ist mit insgesamt 25.000 Euro dotiert.

Strom und Wärme für Einfamilienhäuser

Doch nicht nur für den Markteintritt bei den mobilen Anwendungen der Brennstoffzelle stehen inzwischen konkrete Jahreszahlen im Raum, stationäre Anlagen, die Einfamilienhäuser mit Strom und Wärme versorgen, sollen mit Beginn des nächsten Jahrzehnts ebenfalls in Serie gehen. Bis 2015, so kündigten die Hersteller an, würden die Stückzahlen kontinuierlich hochgefahren. Markus Edel, Manager Fuel Cells bei der EnBW Vertriebs- und Servicegesellschaft mbH in Stuttgart, die 23 Brennstoffzellen-Anlagen in Einfamilienhäusern testet, verkündete während der "f-cell" einen Rekord: "Eine der Anlagen läuft jetzt seit fast fünf Jahren und absolvierte insgesamt 42.000 Betriebsstunden", berichtete Edel. "Das ist auch für den Hersteller Hexis das älteste noch in Betrieb befindliche System." Bis zur Serienfertigung müsste das Herzstück, der Brennstoffzellenstapel, seine Lebensdauer jedoch noch erhöhen. Außerdem, so wünschte sich Edel, müssten die Geräte schlussendlich kompakter und leichter zu handhaben sein.

Portable Anwendungen schon heute am Markt

Dr. Christopher Hebling, Leiter der Abteilung Energietechnik am Fraunhofer Institut für Solare Energiesyteme (ISE) in Freiburg, gab in seinem Vortrag einen Einblick in den Markt für portable Brennstoffzellen-Anwendungen. "Zur Zeit werden jährlich 1,5 Milliarden Handys, Laptops, Foto- und Videokameras, MP3-Spieler sowie Organizer verkauft", sagte er. "Experten rechnen mit einem weiteren Wachstum des Marktes." Doch die Brennstoffzelle habe es in diesem Umfeld nicht leicht: "Sie ist eine Konkurrenztechnologie zur Batterie. Für die Brennstoffzelle spricht aber, dass sie genau auf das Endgerät ausgelegt werden kann und in Form und Größe variabel ist, so dass sie sich gut integrieren lässt." Gleichzeitig ist es die portable Brennstoffzelle, die heute schon in fertigen Produkten am Markt ist. Sie kommt nämlich überall dort optimal zum Einsatz, wo kein Netz vorhanden ist, aber über einen längeren Zeitraum Strom benötigt wird, etwas im Wohnmobil oder auf einem Boot. Vor allem in diesem Freizeitsegment sollen portable Brennstoffzellen daher bereits zwischen 2009 und 2012 in großen Stückzahlen erhältlich sein.

Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

"Das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) wird die Markteinführung der Brennstoffzelle in den Bereichen Verkehr, Hausenergie, Industrieanwendungen sowie speziellen Märkten aber auch Demonstrationsprojekte sowie nötige Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten fördern", berichtete Dr. Klaus Bonhoff von der NOW - Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Berlin, die die Pläne koordiniert und umsetzt. "Dazu erhalten wir in den kommenden zehn Jahren zusätzliche 500 Millionen Euro von der Bundesregierung. Rechnet man laufende Förderung und komplementäre Mittel aus der Industrie und von Anwendern dazu, stehen im Zeitraum von 2006 bis 2015 insgesamt bis zu 1,4 Milliarden Euro zur Verfügung."

"Jetzt geht es um Optimierung!"

"Jeder hier hat eine Brennstoffzelle, die funktioniert", sagte Erich Gülzow, Fachgebietsleiter Zellen und Stacks beim Deutschen Institut für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Stuttgart, mit einem Blick über die Messe. "Wir sind jetzt in einer Phase, in der es um Optimierung geht." Dazu benötigen die Entwickler zum einen noch genauere Daten, die ihnen detaillierten Einblick in die Abläufe in der Brennstoffzelle geben und zum anderen Informationen, wie sich veränderte Rahmenbedingungen auf das System genau auswirken. "Wir entwickelten einen Teststand, der es uns erlaubt, die Situation an Bord eines Flugzeugs exakt zu simulieren", erklärte Gülzow am DLR-Stand auf der "f-cell"-Messe. "Der niedrige Druck, der auf Reiseflughöhe nur noch 200 Millibar beträgt, und die geringe Luftfeuchtigkeit, die statt bei 50 oder 60 bei maximal zehn Prozent liegt, machen der Brennstoffzelle zu schaffen. Ihr Wirkungsgrad sinkt auf 30 Prozent", sagte er. "Jetzt müssen wir die Zelle den Bedingungen besser anpassen, damit sie mit einem niedrigen Druck und wenig Feuchtigkeit zurecht kommt - denn einfach eine größere Brennstoffzelle zu installieren, ist keine gute Lösung."

Einblicke ins Innenleben

Einen wichtigen Einblick in das Innenleben einer Brennstoffzelle, nämlich in die Protonenleitfähigkeit der Membran, gewährt eine neue Methode: die elektrochemische Rasterkraftmikroskopie. Im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der Universität Stuttgart zeigte Elena Aleksandrova, dass die Membran keinesfalls gleichmäßig leitfähig ist. Die neue Messmethode mit einer Auflösung von bis zu zehn Nanometern machte große ionisch nicht aktive Flächen sichtbar. Für diese Arbeit erhielten die beiden beteiligten Institute, neben dem Institut für Physikalische Chemie der Universität Stuttgart die Fakultät Grundlagen als Partner des Instituts für Brennstoffzellentechnik der Hochschule Esslingen, einen mit 1.500 Euro dotierten Sonderpreis des "f-cell"-Awards.

Branche ist optimistisch

"Dieses Beispiel zeigt, aus wie vielen kleinen Schritten unsere Fortschritte bestehen", sagte der DWV-Vorstandsvorsitzende Töpler. "Das lässt sich der Öffentlichkeit kaum vermitteln. Viele Erkenntnisse sind auch einfach nicht öffentlich zugänglich. So entsteht manchmal der Eindruck, es tue sich nichts. Doch das ist falsch." Insgesamt, das zeigte die "f-cell", schaut die Branche optimistisch in die Zukunft. Veranstalter Dr. Walter Rogg, Geschäftsführer der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH, sieht "Licht am Ende des Tunnels". "Manche Probleme werden auch herbeigeredet", schien es Töpler. "Zum Beispiel die Frage der Wasserstoff¬infrastruktur: Wir haben ein Tankstellennetz für Benzin, für Erdgas und für Flüssiggas hin bekommen. Da wird uns das für Wasserstoff auch gelingen!"