Wasserstoff ausgewählte Länder III

Wasserstoff und Brennstoffzelle in ausgewählten Ländern Teil III  

Wasserstoff in England

Chemiker der Universität von Newcastle upon Tyne berichten im Oktober 2004, daß sie einen metall-organischen Stoff mit winzigen Poren hergestellt haben, der sich unter hohem Druck mit Wasserstoff füllen läßt, diesen aber unter niedrigem Druck speichert. Normalerweise ist die Adsorption und die Desorption molekularen Wasserstoffs in porösen Stoffen wie Aktivkohle reversibel, zudem sind die den Wasserstoff an die Oberfläche bindenden van der Waals Kräfte recht schwach. Durch geeignete winzige Poren läßt sich die Reversibilität allerdings umgehen, also die sofortige Desorption verhindern.

Im Dezember 2006 melden Wissenschaftler der University of Bath, daß sie ein Material erfunden haben, mit dem Wasserstoff bei Raumtemperatur und normalem Luftdruck gespeichert und auch wieder entnommen werden kann. Bislang erfolgt die Speicherung in Metallhydriden bei über 300°C, während organometallische Trägermaterialien nur bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff funktionieren, also bei minus 198°C.

Allerdings ist die Speichermenge im Vergleich zum Gewicht mit nur 0,1 % noch so schlecht, daß man eher an eine Kombination der Systeme denkt, bei der das neue Material zum Starten und Anfahren nur so lange genutzt, bis der Hauptspeicher seine Arbeitstemperatur von 300°C erreicht und die Versorgung des Antriebs übernimmt. Man hofft, innerhalb von 2 – 3 Jahren einen Prototypen des neuen, auf dem Schwermetall Rhodium basierenden Speichers vorstellen zu können. Die Forschungen werden vom Engineering & Physical Sciences Research Council gefördert.

Wasserstoff in der EU

Die Europäische Kommission legt im September 2003 einen Aktionsplan zur Erforschung von Wasserstoff- und Brennstoffelementen vor. Der Kommissionspräsident Romano Prodi sagt während der Präsentation des Aktionsplanes, daß die Europäische Union diesen Forschungsbereich lange Jahre vernachlässigt hätte, während Japan und die Vereinigten Staaten bereits seit Jahren in diesen Forschungsbereich massiv investieren.

Die EU plant 2006 in ihrem siebten Forschungsrahmenprogramm, die Wasserstofftechnologie erheblich zu fördern. Das gesamte EU-Programm sieht zwischen 2007 und 2013 eine jährliche Investition von jeweils 7,5 Milliarden € vor.

Wasserstoff in Island

Island hat sich schon früh mit Wasserstoff beschäftigt, um die Überschüsse aus Geothermal- und Hydroenergie exportieren zu können (s.d.). Außerdem wurde 1999 beschlossen, den gesamten Verkehrssektor langfristig auf Wasserstoff umzustellen. Zu diesem Zweck wird von dem isländischen Konsortium Vistorka und den Unternehmen DaimlerChrysler, Norsk Hydro und Shell Hydrogen die Icelandic New Energy Ltd. gegründet. Für die isländische Hauptstadt Reykjavik werden Brennstoffzellenbusse vorgesehen – ebenso wie die Einfuhr von Brennstoffzellenautos, die mit Methanol als Kraftstoff betrieben werden können.

Es soll ein Netz zur Produktion von Wasserstoff aus regenerativen Quellen und zu seiner Verteilung aufgebaut werden, außerdem ist der Einsatz von Brennstoffzellen in der Fischereiflotte vorgesehen.

Im Rahmen des Forschungsprogramms Energie, Umwelt und Nachhaltigkeit der EU stellt Reykjavik im März 2001 drei seiner Stadtbusse versuchsweise auf Wasserstoff um. Damit soll die Einsatzfähigkeit dieses umweltfreundlichen Treibstoffes für den öffentlichen Personennahverkehr erprobt werden. Das EU-Projekt ECTOS (Ecological City Transport System) fördert mit 2,85 Mio. € den Einsatz erneuerbarer Energiequellen um den CO2-Ausstoß zu reduzieren.

Im April 2003 eröffnet Shell Hydrogen, eine Tochtergesellschaft des Erdölkonzens Royal Dutch/Shell Gruppe, die erste Wasserstoff-Tankstelle unter dem Label des Konzerns. Die Station in Reykjavik soll vor allem die Brennstoff-Zellen-Omnibusse von DaimlerChrysler versorgen, die das lokale Busunternehmen Straeto bs einsetzt. Die Busse nehmen ab August 2003 für zunächst zwei Jahre den kommerziellen Betrieb in der Stadt Reykjavik auf und bilden einen Anteil von 4 % an der gesamten Stadtbusflotte.

Die Tankstelle besitzt eine Anlage, um Wasserstoff mittels Wasser und Elektrolyse selbst herzustellen. Die dazu benötigte elektrische Energie wird, wie überall in Island, mit Wasserkraft oder geothermischen Kraftwerken erzeugt. Die Technik der Wasserstoff-Anlage stammt von der Firma Norsk Hydro, die bereits seit Jahrzehnten im Wasserstoff-Geschäft ist und angeblich schon während der deutschen Besatzung im 2. Weltkrieg von den Nazis als Zulieferer für das deutsche Atombomben-Programm genutzt wurde (‚Schweres-Wasser’-Werk in Ryukan/Norwegen).

Die Einweihung der Wasserstoff-Tankstelle ist der erste Meilenstein auf dem Weg zur Wasserstoffwirtschaft in Island und Bestandteil der isländischen Regierungspolitik.

Wasserstoff und Israel

Ein Forscherteam um den Chemiker Tareq Abu Hamed vom Weizmann Institute of Science im israelischen Rehovot, der inzwischen an der University of Minnesota forscht, stellt im August 2006 ein weiteres Verfahren vor, mit dem Autos mit Hilfe von Bor, einem bräunlichen Pulver, ihren eigenen Treibstoff ‚on-bord’ aus Wasser erzeugen können. Denn Bor und Wasser setzen in einer heftigen Reaktion Sauerstoff und Wasserstoff frei, wobei letzterer in einem Motor verbrannt oder in eine Brennstoffzelle eingespeist werden kann.

Das einzige Abfallprodukt der Reaktion ist neben Sauerstoff Boroxid. Dieses Pulver kann problemlos aus dem Fahrzeug entfernt, wieder in Bor verwandelt und erneut eingesetzt werden. Das Wasser, das bei der Verbrennung des Wasserstoffs oder in der Brennstoffzelle entsteht, wird aufgefangen und in den Tank des Fahrzeugs zurückgeleitet. Dadurch arbeitet das gesamte System praktisch emissionsfrei. Da Bor in der Natur nicht elementar vorkommt, muß es für die Nutzung in Fahrzeugen allerdings erst umgewandelt werden, wofür wiederum Energie erforderlich ist. Wenn das Bor jedoch ökonomisch und umweltfreundlich hergestellt werden kann, was bislang noch nicht der Fall ist, hätte diese Technik eine reale Chance.

Der Entwickler Abu Hamed schätzt, daß ein Auto 18 kg Bor und 45 l Wasser mitführen muß, um 5 kg Wasserstoff zu produzieren, was dem Energiegehalt von rund 40 l gewöhnlichem Treibstoff entspricht. Logistische Probleme bilden auch hier die Anlieferung des Bor, sowie die Entgegennahme des Boroxid zum Recycling. Für dessen Zurückverwandlung zu Bor wurde bereits ein schadstoff-freier Prozeß entwickelt, bei dem das Boroxid mit Magnesiumpulver erhitzt wird. Das dabei entstehende Magnesiumoxid kann ebenfalls wieder aufbereitet werden, und zwar mit Sonnenenergie. Der gesamte Prozess wäre damit vollständig emissionsfrei. Berechnungen zeigen, daß das System insgesamt Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad von 11 % in Motorarbeit umwandeln könnte (dies entspricht in etwa dem Wirkungsgrad heutiger Benzinmotoren!).

Tareq Abu Hamed nutzt seinen Postgraduate-Aufenthalt in den USA für weitere Wasserstoff-Forschung und um Sponsoren für das Bor-Projekt gewinnen, damit 2009 ein funktionierender Prototyp vorgestellt werden kann. Ein gewichtiges geopolitisches Argument ist dabei, daß die größten Boroxid-Lagerstätten der Welt in der Türkei liegen – und in Kalifornien.

Die Wasserstoffentwicklung in Italien

Hier lief bereits in den 1980er Jahren ein Wasserstoff-Projekt am Kernforschungszentrum ISPRA.

Ende 2006 entwickeln Wissenschafter des zum Nationalen Forschungsrat CNR gehörenden Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia (ITAE) in Messina eine mit Wasserstoff betriebene Batterie für die Stromversorgung von tragbaren Elektronikgeräten. Der ausschließlich aus lokalen Bauteilen konstruierte Prototyp besteht aus zehn in Serie geschalteten Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen und kommt auf eine Leistung von 12 W bei einer Spannung von 9 V. Zusammen mit dem Wasserstoffspeicher nehmen sie ein Gewicht von 800 g und ein Volumen von 10 cm³ ein. Herzstück der Zellenist ein polymerischer Elektrolyt (PEFC), so daß die Zelle ohne Luftzufuhr auskommt und weder Erwärmungs- noch Befeuchtungsaggregate braucht. Der Wasserstoff ist in einer handelsüblichen Gasflasche gespeichert und reicht bei einem DVD-Player für rund fünf Stunden Spielzeit.

Zur kommerziellen Umsetzung der Neuentwicklungen und Durchführung dazugehöriger Ausbildungsmaßnahmen ist auch die Einrichtung eines technischen Prüfzentrums geplant. Das auf knapp 10 Mio. € veranschlagte Vorhaben wird vom Umweltministerium in Rom und dem Industriereferat der Landesregierung von Sizilien mitfinanziert. Das ITAE wird sich während des bis zum Jahr 2010 laufenden Forschungsprogramms mit der Entwicklung von Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen (DAFC, PEFC) beschäftigen. Zu den Auftraggebern gehören unter anderem Daimler, Nuvera, Solvay und verschiedene italienische Universitäten.

Japan und der Wasserstoff, japanisch Hybrid – Autos

Auf der Insel Kyushu fahren bereits 1983 etwa 1.000 Fahrzeuge mit Wasserstoff. Die Umrüstung der Wagen kostete jeweils rund 2.100 DM und dauerte drei bis vier Stunden. Es gibt auf der Insel mehrere Wasserstofftankstellen. Diese Entwicklung ist Kenji Watanabe zu verdanken, der eine Wasserstoff-Einspritzanlage erfunden hatte, welche die beiden Treibstoffkomponenten Wasserstoff und Wasser ohne Vormischung direkt einspritzt.

1991 wird auf der Tokyo Motor Show der Mazda HR-X Prototyp vorgestellt, der einen wasserstoffbetriebenen 100 PS Kreiskolbenmotor (Wankelmotor) besitzt, da dieser nicht die Problematik der heftigen Fehlzündungen zeigt, die bei wasserstoffbetriebenen Hubkolbenmotoren auftritt. Der Wasserstoff wird in Metallhydrid gespeichert, der Tank wiegt 280 kg, fasst 37 m³ H2 und bietet eine Reichweite von 200 km. Der Wagen ist 3,85 m lang, bietet Raum für 4 Personen, und die Karosserie besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff und einem Aluminiumrahmen

1993 folgt der Mazda HR-X 2.

1994 betreibt das Musashi Institute of Technology einen Wasserstoff-LKW zu Testfahrten.

2003 richtet Showa Shell eine Wasserstoff-Tankstelle in Tokio ein, die von den Wasserstoff-Fahrzeugflotten verschiedener Automobilhersteller genutzt werden kann.

Im März 2005 stellt Mitsubishi in Genf das Wasserstoffmodell ‚Nessie’ vor, das zusammen mit Giugiaro und Linde entwickelt wurde. Bestückt ist der Wagen mit einem 2,5 Liter 8-Zylinder-Motor.

Im April 2006 kündigt die japanische Marke Lexus eines der leisesten Fahrzeuge in der Geschichte des Automobilbaus an.  Das jüngste Hybridmodell des Unternehmens, der 5,03 m lange Luxusschlitten ‚Lexus LS 600h’ mit kombiniertem Benzin- und Elektro-Allradantrieb, habe das bis dato höchstentwickelte Motorsystem seiner Art. Das Unternehmen folgt der Doktrin, daß jede Baureihe seiner Marke von einem Modell mit Hybridtechnik gekrönt werden soll. Die Gesamtleistung des 5-Liter-V8-Motors und der Elektromotoren beträgt 435 PS, und es ist das erste mal, daß ein Serienfahrzeug von einem derartigen Verbund vorangetrieben wird. Der Wagen wird in Europa erstmals auf dem Autosalon in Paris vorgestellt und soll im Laufe des Jahres 2007 in Europa auf den Markt kommen.

Im Juni 2006 kommt erst einmal der ‚Lexus GS 450h’ der Toyota-Schwester auf den deutschen Markt – als derzeit stärkste Hybridlimousine der Welt, und zu Preisen ab 57.600 € (zum Vergleich: das Dieselmodell Lexus IS 220d wird ab 29.600 € angeboten). Mit ihrem 3,5 l großen V6-Motor und dem zusätzlichen Elektroantrieb kommt die 4,83 m lange Limousine auf eine Systemleistung von 345 PS, mit denen der Zweitonner in 5,9 Sekunden auf Tempo 100 beschleunigt. Als (elektronisch begrenzte) Höchstgeschwindigkeit werden 250 km/h angegeben.

Mitte 2006  stellen gleich zwei japanische Unternehmen einen leichten Lkw mit einer Antriebs-Kombination aus Diesel- und Elektromotor vor. Nissan den ‚Atlas 20’ Laster, der mit einem knapp 35 PS starken Elektromotor sowie einem 130-PS-Diesel ausgestattet ist, und Mitsubishi Fuso, das zu 85 % dem Daimler-Chrysler-Konzern gehört, den ‚Canter Eco Hybrid’, der als der sauberste leichte Lastwagen der Welt beworben wird. Ob der Hybrid-Lkw allerdings auch außerhalb Japans in den Verkauf kommt, ist derzeit noch nicht entschieden.

Der Mazda ‚RX-8 Hydrogen RE’ mit seinen 80 kW / 109 PS Wankelmotor ist einer der nicht einmal zehn Wasserstoff-Fahrzeuge, die Mazda bislang gebaut und in Japan an Firmenkunden verleast hat, und die es im August 2006 zu einer ersten Bewährungsprobe nach Europa holt. Anders als bei der Brennstoffzelle wird in diesem Wagen der Wasserstoff nicht in Strom für einen Elektromotor verwandelt, sondern direkt im Motor verbrannt. Diese günstigere Technik erlaubt einen ‚bivalenten’ Antrieb, bei der man auf Knopfdruck zwischen den Betriebsarten Benzin oder Wasserstoff wechseln kann. Damit steigert sich die Reichweite von 100 km im Wasserstoff-Modus auf insgesamt 650 km. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 170 km/h. Von der Massenfertigung sei man aber noch immer fünf bis zehn Jahre entfernt.

Kanada und der Wasserstoff

Dieses Land bekundet bereits 1989 starkes Interesse daran, die damalige EG mit Energie aus Wasserkraft zu beliefern. 1992 sind die Vorstudien des ‚Euro-Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Project’ abgeschlossen, bei dem es darum geht, elektrolytisch hergestellter Wasserstoff unabhängig von der Entwicklung der Photovoltaik voranzutreiben. Es folgt ein 100 MW Pilotprojekt, bei dem auf europäischer Seite am Forschungszentrum der Europäischen Gemeinschaft im italienischen Ispra die verschiedenen Methoden untersucht werden, mit denen dieser Wasserstoff importiert werden könnte. Es ergeben sich drei Varianten:

1. Wasserstoff pur, abgekühlt auf – 253°C, Transport via Tanker. Für die Verflüssigung geht aber etwa ein Viertel der im Gas enthaltenen Energie verloren, außerdem ist das Problem der Kühlung während der rund zehntägigen Reise noch ungelöst. Am Zielort würden nur noch 45 % der Energie zur Verfügung stehen.
2. Die Stickstoffverbindung Ammoniak (NH3) ist vielversprechender, denn aus diesem Gas, das über eine Synthese aus Wasserstoff und Stickstoff hergestellt wird, läßt sich der Wasserstoff problemlos wieder abtrennen. Der Wirkungsgrad der Umwandlungskette inklusive Transport liegt bei ca. 58 %, allerdings ist das Ammoniak giftig – ein Transportunfall hätte daher schwerwiegende Folgen.
3. Favorit der Studie ist daher ein Kohlenwasserstoff, das Methylzyklohexan, das über eine chemische Bindung des Wasserstoffs an den Benzinbestandteil Toluol hergestellt wird. Methylzyklohexan hätte mit 62 % den höchsten Wirkungsgrad in der Transportkette.

Die Kommission der Europäischen Gemeinschaft entschließt sich daraufhin für einen Probebetrieb zwischen den für die Verschiffung von Methylzyklohexan geeigneten Häfen St. Iles und Hamburg. Für den Transport soll ein sogenannter ‚Barge-Carrier’ genutzt werden, Bei jeder transatlantischen Fahrt transportiert das Schiff gut 1.000 t flüssigen Wasserstoff, indem es fünf ‚Barges’ mit je 3.600 m³ Volumen aufnehmen – schwimmfähige Behälter, die mit Schubeinheiten im Wasser bewegt werden und in das Schiff ‚eingeschwommen’ werden. Ab dem Jahr 2000 will man im Rahmen des Projekts 25.000 bis 30.000 MW in Form von Wasserstoff bereitstellen.

Norwegen und die Wasserstoffnutzung

1993 veröffentlich die Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH gemeinsam mit der Norsk Hydro eine Studie unter dem Titel ‚Nowegian Hydro Energy for Germany’, bei der es darum geht, die Möglichkeiten einer ‚Energie-Achse’ per Schiff zwischen einer bestehenden Wasserstoff-Gewinnungsanlage im Norden Norwegens und mitteleuropäischen Großstädten auszuloten.

Durch eine Vergrößerung der Anlage in Glamfjord könnte diese jährlich 166 m3 gasförmigen Wasserstoff liefern, der dann als Flüssigwasserstoff (LH2) – und damit auf ein achthundertstel seines Volumens verringert – per Tankschiffe mit Spezialbehältern, den sogenannten ‚Kyrotanks’, nach Hamburg, Bremerhaven oder Rostock transportiert und von dort aus weiterberteilt werden kann.

Auf der Hannover Messe 1996 vereinbart ein Verbund von sechs norwegischen Unternehmen mit der MAN die Lieferung von 4 Wasserstoff-Bussen für den Nahverkehrstransport in Oslo. Der MAN-Bus ist mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet, der aus einem Serien-Erdgasmotor entwickelt wurde, und die 600 l flüssiger Wasserstoff im Tank reichen für eine Strecke von 250 km. Die Projektkosten liegen bei rund 8 Mio. DM.

Saudi-Arabien

Ende März 1984 besuchen Delegierte des saudi-arabischen Zentrums für Forschung und Technologie (SANCST) die Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. (DFVLR). Man bezieht sich auf ein Energie-Vorschlag von Mesarovich und Pestel aus dem Jahr 1976, das in deren Buch ‚Menschheit am Wendepunkt’ vorgestellt worden war. Dabei sollten die Arabischen Staaten auch nach Ende der Ölzeit die wichtigsten Energieexporteure bleiben – mit solarerzeugtem Wasserstoff.

1986 startet dann die Deutsch-Saudische Kooperation, an der sich neben der DFVLR auch die Universität Stuttgart und die King Abdulaziz City of Science and Technology (KACST) beteiligen. Bei dem bereits o.e. Gemeinschaftsprojekt HYSOLAR (Hydrogen from Solar Energy) geht es um die solare Herstellung von Wasserstoff mittels Solarzellen. Von den Projektkosten von 39,2 Mio. DM werden 16 Mio. DM von Saudi-Arabien getragen, die Bundesregierung und das Land Baden-Württemberg übernehmen jeweils 8 Mio. DM, und den Rest von 7,2 Mio. DM die DFVLR und die Uni Stuttgart.

Geplant ist dabei folgendes:

• Der Bau einer 100-kW-Demonstrationsanlage bei Riad bis 1988 – Produktionsziel: 44.000 m3 Wasserstoff pro Jahr.
• Eine 10-kW-Versuchsanlage in Stuttgart zur Durchführung experimenteller Testprogramme.
• Eine 2-kW-Laboranlage an der King Abdulaziz Universität in Djidda als Versuchs- und Ausbildungseinrichtung
• Gemeinsame Grundlagenforschung bei der Entwicklung photoelektrochemischer und photokatalytischer Verfahren, bei der Untersuchung grundlegender Mechanismen katalytischer Reaktionen in Brennstoffzellen und bei der Entwicklung von Elektrokatalysatoren für die alkalische Elektrolyse.
• Verschiedene Systemstudien
• Ein Ausbildungsprogramm für Techniker und Ingenieure

Mitte 1994 geht 40 km nordwestlich der Hauptstadt Riad ein 350-kW-Elektrolyseur in Betrieb.

Wasserstoff in der Schweiz

Im Mai 1984 wird am Eidgenössischen Institut für Reaktorforschung ein Wasserstoff-betriebener Versuchslastwagen vorgeführt, der mit einem Toluol-Speicher ausgerüstet ist. Dem 17 t schweren Laster sollen ab 1986 weitere 10 Lastwagen und Busse folgen, die mit einem – bis dahin auf nur 2 t reduzierten – Speicher ausgerüstet werden. Der von der Schweizer Energiewirtschaft getragene Nationale Energieforschungsfond (NEFF) unterstützt das Projekt 1984 und 1985 mit rund einer Million Franken – etwa gleichviel bringen die Projektpartner mit ein: der Motorentwickler Dereco, die Arban Ivco (Fiat), das technische Labor der ETH Zürich, sowie die Firma Bertrams, welche kompakte Dehydrierungsapparaturen entwickelt.

In der Schweiz wurde damals schon seit längerem die Idee des Exilpolen Prof. Miecyslaw Taube diskutiert, den überschüssigen Wasserkraft-Strom der Sommermonate mittels Tuluol-Speicher problemlos für den Winter verfügbar zu machen.

Seit 1990 beheizt der Architekt Markus Friedli sein Haus in Emmental mit Wasserstoff. 60 m2 Solarzellen liefern den Strom für einen Elektrolyseur, der stündlich etwa 2 m3 des gasförmigen Kraftstoffes erzeugt. Gekostet hat die Anlage eine halbe Million Franken. Und 1998 stellten Forscher des Paul Scherer Instituts in Villingen einen Solar-Ofen vor, in dessen Brennpunkt über 2.000°C erreicht werden, wobei diese Hochtemperatur-Wärme über chemische Prozesse den Wasserstoff produziert (s.u. Solarenergie).

Beim Shell Eco-Marathon im Juli 2005 in Ladoux / Frankreich stellt der mit Wasserstoff betriebene ‚PAC-Car II’ der ETH Zürich einen sensationellen Weltrekord auf – indem er für den Rundkurs in Ladoux exakt 1,07 Gramm Wasserstoff benötigte – und damit mit dem Energieäquivalent von einem Liter Benzin ganze 5.134 Kilometer zurückgelegt hat! Die Entwicklung des sparsamsten Fahrzeugs der Welt durch rund 20 Studenten finanzierte unter anderem auch das Schweizer Bundesamt für Energie (BFE).

  Lesen Sie nun Wasserstoff ausgewählte Länder Teil IV.