Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 10.6.1

Teil 10.6.1 | Pkw

Im Pkw-Sektor gab es lange Zeit eine klare Aufgabenteilung zwischen den meisten Kfz-Firmen und den partnerschaftlich verbundenen Brennstoffzellenherstellern: WĂ€hrend die Fahrzeugunternehmen sich mit der neuen Antriebstechnik befassten, arbeiteten die BZ-Unternehmen an der Optimierung ihrer Stacks. Eins davon war die Firma Ballard Power Systems, die Geoffrey Ballard Mitte der 1980er Jahre in Vancouver grĂŒndete. Ballard hatte sich zunĂ€chst auf Brennstoffzellensysteme fĂŒr die Anwendung in Fahrzeugen spezialisiert und arbeitet mit großen, weltweit agierenden Automobilkonzernen zusammen. Das Innenleben der Brennstoffzellen-Stacks war lange Zeit ein auch vor den Kfz-Technikern gut gehĂŒtetes Geheimnis, so dass das Aggregat hĂ€ufig als „Black Box“ angeliefert wurde. Nur die Ein- und Ausgangsparameter wurden bekanntgegeben. ZunĂ€chst gab es nur sehr wenige Autofirmen, die Zeit und Geld in den Bau eigener Brennstoffzellen investierten, um unabhĂ€ngig von der Zulieferindustrie zu sein und eigenes Know-how anzusammeln. Mittlerweile hat sich dies jedoch geĂ€ndert. Fast alle Autokonzerne verwenden heute eigene Zellen. Ballard hat seinerseits ebenfalls seine Einsatzgebiete erweitert.

General Motors (GM) mit seinem damaligen deutschen Tochterunternehmen Opel betrachte die Brennstoffzelle frĂŒh als eine der SchlĂŒsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Der amerikanische Automobilhersteller betrieb ab Ende der 1960er Jahre Forschungsprojekte mit dieser Technik. Ein Elektro-Van aus dem Jahr 1967 von GM ist der erste fahrbare Brennstoffzellen-Pkw. Er verfĂŒgte ĂŒber ein 160-kW-AFC-System, das mit flĂŒssigem Wasserstoff und flĂŒssigem Sauerstoff versorgt wurde und mithilfe des Elektromotors 32 kW leistete.

Abb. 46: Der Elektrovan EV1 von GM aus dem Jahr 1967
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Quelle: General Motors

Nach lĂ€ngerer Entwicklungspause stellte General Motors im Jahr 1996 ein Antriebssystem fĂŒr ein Brennstoffzellenauto auf der Basis des Elektrofahrzeugs EV1 vor (s. Abb. 46). Die Brennstoffzelle wurde damals mit Methanol angetrieben, das an Bord des Fahrzeugs reformiert wurde. Der Drehstrommotor verfĂŒgte ĂŒber eine Leistung von 101 kW. Die 44 in Reihe geschalteten NiMH-Batteriemodule dienten als Leistungsreserve fĂŒr den Hybridantrieb. Der EV1 verfĂŒgte ĂŒber eine Reichweite von 450 km bei einem Verbrauch von 3 Litern Benzin-Äquivalent auf 100 km. Die Karosserie bestand aus einer Leichtbaustruktur mit einer ausgefeilten Aerodynamik und einer Rekuperationsanlage. Damit war eine Höchstgeschwindigkeit von 130 Stundenkilometern möglich.

Als Nachfolgemodell wurde 1998 zunĂ€chst ein methanolbetriebener Opel Zafira vorgestellt. Anschließend (2000 bis 2007) kamen vier Generationen der HydroGen-Modelle, die zu Anfang noch mit Brennstoffzellen von Ballard liefen. Im HydroGen3 setzte Opel noch auf flĂŒssigen Wasserstoff, konzentrierte sich anschließend aber ganz auf Gasspeicher und selbst entwickelte Stacks. Vom Nachfolgemodell Opel HydroGen4 waren insgesamt 119 Fahrzeuge im Einsatz. 2014 meldete Opel, diese hĂ€tten zusammen ĂŒber drei Millionen Meilen (4,8 Mio. km) zurĂŒckgelegt. Dann hörte man eine Weile nichts Neues. Im Jahr 2019 kĂŒndigte Opel an, das Modell Zafira Life in einer Brennstoffzellenvariante herausbringen zu wollen.

Abb. 47: Im NeCar1 fĂŒllte das BZ-System noch den gesamten Autoinnenraum
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Quelle: Daimler

Auch Daimler-Benz knĂŒpfte in den 1990ern noch einmal an seine ersten Wasserstoffprojekte an. Ingenieure aus der Raumfahrtsparte des Konzerns entwickelten die Vision des Wasserstoffantriebs und bekamen 1991 von der Konzernleitung grĂŒnes Licht fĂŒr einen Prototyp. Ende 1993 machte das NeCar (New Electric Car) seine erste Fahrt. Dabei setzte Daimler aber nicht mehr auf Hydridspeicher. Die fĂŒnf NeCar-Generationen verfĂŒgten ĂŒber Wasserstoff oder auch Methanol als Energiespeicher. Dabei kamen Stacks von Ballard Power Systems zum Einsatz.

Ende 2018 stellte das Unternehmen – mittlerweile unter dem Namen Mercedes-Benz – den Brennstoffzellen-Batterie-Hybriden Mercedes GLC F-Cell vor, der in Kleinserie in einem Leasingpaket fĂŒr ausgewĂ€hlte Kunden erhĂ€ltlich war. Bei der Reichweite blieb er jedoch an der 300-Kilometer-Marke hĂ€ngen. Im Jahr 2020 erklĂ€rten die Schwaben jedoch, dieses Modell nicht weiter bauen und entwickeln zu wollen. KĂŒnftig heißt es: Batterien fĂŒr die Pkw, Brennstoffzellen fĂŒr Busse und Lkw.

Im Gegensatz zu diesen umfangreichen AktivitĂ€ten war das Engagement von Volkswagen stets sehr viel bescheidener. Ähnlich zurĂŒckhaltend zeigt sich die angegliederte Tochter Audi. Weitere europĂ€ische Automobilhersteller, wie zum Beispiel die Allianz aus Nissan und Renault oder PSA Peugeot CitroĂ«n, sind in Kooperationen ebenfalls in diesem Bereich tĂ€tig, verfĂŒgen bislang aber ĂŒber keine eigenen Modelle.

FĂŒhrend in der Entwicklung von BZ-Fahrzeugen sind heute die asiatischen Automobilhersteller. Toyota forscht seit 1971 auf dem Gebiet alternativer Antriebskonzepte und arbeitet seit 1992 an Brennstoffzellen. Im Jahr 1996 prĂ€sentierte der damals drittgrĂ¶ĂŸte, heute der grĂ¶ĂŸte Automobilkonzern der Welt, in Osaka seinen ersten FCHV-Prototypen (Fuel Cell Hydrogen Vehicle) auf Basis des fĂŒnftĂŒrigen RAV4. Anstelle eines Drucktanks besaß er einen BehĂ€lter mit einer speziellen Aluminiumlegierung, die Wasserstoff im Metallgitter einbinden kann (Metallhydridspeicher). Die hohen Erwartungen, die in diese Speichertechnik gesetzt worden waren, konnten allerdings nicht erfĂŒllt werden, weil die gewichtsbezogene Energiedichte zu niedrig lag. So wurde der Nachfolger mit Methanoltank und On-board-Reformer ausgestattet. SpĂ€tere FCHV-Modelle verfĂŒgten dann ĂŒber Wasserstofftanks und NiMH-Batterien.

Auch Hyundai machte mehrfach mit beispielhaften Entwicklungen und Demonstrationen auf sich aufmerksam. Dementsprechend waren 2020 zwei asiatische Modelle die einzigen Brennstoffzellen-Pkw, die man kaufen konnte: Der Hyundai Nexo (2018 vorgestellt) und der Toyota Mirai (2020 in 2. Generation vorgestellt). Beide kommen auf rund 500 km Reichweite.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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