Wasserstoff ausgewählte Länder IV

Wasserstoff in den USA

Die Canberra-Bomber der US-Luftwaffe flogen schon in den 1950er Jahren mit Wasserstoff, ebenso sollen die lange geheimgehaltenen Flüge des Spionageflugzeuges U-2 im Wasserstoffantrieb erfolgt sein. Dokumentiert sind die Flüge eines B-57-Bombers mit Flüssig-Wasserstoff, bei dem allerdings lediglich im Horizontalflug eines der Triebwerke wiederholt für etwa 20 min. auf Wasserstoff umgeschaltet wurde. Lockheed führte außerdem eine Studie zu einem wasserstoffbetriebenen Überschallflugzeug durch.

Erst im Zuge der Ölkrise von 1973 kehrt man wieder zu diesem Treibstoff zurück, als die NASA mehrere entsprechenden Studien in Auftrag gibt.

Im Rahmen eines High-School-Projektes baut der amerikanische Forscher Roger E. Billings 1965 das erste wasserstoffbetriebene Auto. Später schreibt er auch zwei Bücher über die Wasserstoff-Technologie, außerdem entwickelt er die sichere Speicherung von Wasserstoff in Metallhydrid-Tanks und die LaserCel-Brennstoffzelle.

In der Staaten beträgt die Wasserstoffproduktion 1973 rund 8.900.000 t, und wer sein Fahrzeug umrüsten lassen will, muß 1974 nur einen Umbau-Set für 200 $ kaufen.

Am Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena werden Versuche unternommen, die Erzeugung von H2 aus Benzin mittels eingebautem Reaktor im Fahrzeug selbst zu bewerkstelligen. Damit soll eine Energieersparnis von ca. 20 % erreicht werden.

Seit 1974 führt die Bitlings Energy Corp. in Provo/Utah Versuche mit Wasserstoff durch. Aus dem ursprünglichen Konzept eines Wasserstoff-Kraftfahrzeugs wird später der Plan für ein komplettes Dorf (Hydrogen-Village): Der Elektrolysestrom wird durch Sonne und Wind gewonnen, und die Speicherung des Wasserstoffs erfolgt in Hybridtanks mit Eisen- ­und/oder Titanpulver als ‚Schwamm’. Entdeckt wurde dieses Prinzip der H2-Speicherung übrigens schon in den 60er Jahren am Brookhaven National Laboratory in New York. Inzwischen versucht man dort die Speichermethode mit Magnesium/Titan-Hydriden und mit Lathan-Nickel (LaNi5H6) weiterzuentwickeln. Als besonders vorteilhaft hat sich ein System der Wasserstoff-Frei­setzung herausge­stellt, das mittels Rohrbündeln funktioniert, die innerhalb des Hybridtanks verlegt von heißem Kühlwasser oder von Abgas durchzogen werden.

In Missouri wird 1979 das erste ‚Wasserstoffhaus’ gebaut, das mit Solarenergie – und im Falle schlechten Wetters – mit solar-erzeugtem Wasserstoff beheizt wird. Mit dem Gas wird auch ein Traktor betrieben.

In Los Angeles fahren Ende der 1970er Jahre bereits 6 Postautos mit ‚Hy-Fuel’, einem aus flüssigen Wasser­stoff gewonnenen Treibstoff, dessen zur Herstellung notwendige elektrische Energie mittels Galliumarsenid-Solar­zellen erzeugt wird. Die Umbaukosten für diese Fahrzeu­ge betrugen je nach Modell umgerechnet zwischen 350 und 800 DM. Es war geplant, daß die betreffende Firma Consumers Solar Electric Power Cooperation (CSEP) im Kalifornischen Cluver City schon 1980 täglich 20.000 Liter Treibstoff produzieren sollte – zu einem Preis von nur 25 Pfennig pro Liter, also wesentlich billiger als Benzin.

Da sich Hybridtanks nur schwerlich für Flugzeuge eignen, experimentiert die Firma Lockheed mit einer L-1011 Tri Star, die mit Spezi­altanks ausgerüstet und für einen Einsatz zwischen Riad, Frankfurt, Birmingham und Pitts­burgh eingeplant wird. Die Reisegeschwindigkeit kann bis zu 6.500 km/h betragen, und trotz der erwähnten Spezialtanks wird das Versuchsflugzeug durch den Umbau um etwa 17 % leichter. 1986 wollte das Unternehmen dann neue Triebwerke in den Testbetrieb übernehmen.

Auch die NASA legt den Entwurf eines Passagier-Wasserstoff-Flugzeugs vor, das eine Reichweite von 10.000 km besitzen soll, doch als in den 1980er Jahren der Ölpreis wieder sinkt, verschwinden die meisten Pläne in den Schubladen. Andere amerikanische Herstellerfirmen stellen ihre Arbeiten mangels Forschungsgeldern ein.

Das amerikanische Energieministerium bilanziert 1993: Rechnet man alle Kosten und – soweit man kann – auch die Folgeschäden der fossilen Energiewirtschaft nur für die US-Amerikanischen Personentransport-Straßenverkehr (also Pkw und Busse) zusammen, dann ließe sich dasselbe Ergebnis beim Einsatz von Wasserstoff mit einem Zehntel der Kosten erreichen. Allerdings wären sehr hohe Investitionen notwendig, um die Infrastruktur umzustellen.

1998 erfindet ein Team an der Northeastern University in Boston/Massachusetts eine besondere Graphit Nanofaser (Nanofibers), welche eine extrem hohe Speicherkapazität für Wasserstoff hat, und damit alle bisherigen Wasserstoffspeicherverfahren übertreffen soll. Jedes so verarbeitete Gramm Kohlenstoff würde etwa 30 l Wasserstoff speichern. Dies liegt vermutlich an dem hohen kristallinen Anteil zwischen den Kohlenstoffgitter-Ebenen, wo sich die Wasserstoffatome fest und dicht gepackt anlagern können. Der genaue Anlagerungsmechanismus ist jedoch noch nicht geklärt. Wird der Druck reduziert, können bis zu 95 % der adsorbierten Wasserstoffmenge wieder freigesetzt werden. Ein Fahrzeugtank von etwa 25 l Volumen und 87 kg Masse würde damit  eine Reichweite bis zu 8.000 km ermöglichen. Allerdings kann der Tank bislang nur vier bis fünfmal gefüllt werden. Was danach passiert, ist noch unklar. Laut Aussagen der Forscher sollen die Mikrofasern allerdings nicht sehr teuer sein.

Im Herbst 1999 beginnt Ford mit Fahrversuchen mit einem wasserstoffbetriebenen 2 l Vierzylinder-Motor, mit dem das Unternehmen die Zeit bis zur vollständigen Serienreife der Brennstoffzelle („etwa 2005“) überbrücken will. Der Preis entspricht dem herkömmlichen Niveau, weil die Kosten für den Wasserstoff-Drucktank durch den Wegfall des Kats kompensiert werden.

Im Februar 2003 kündigt US-Präsident George W. Bush eine Wasserstoff-Initiative an, für die 1,2 Milliarden US-$ bereitgestellt werden, um Amerikas wachsende Abhängigkeit von Ölimporten zu reduzieren. Die USA setzen sich das ehrgeizige Ziel, ihre Transportinfrastruktur, die zwei Drittel der nationalen Ölimporte verbrennt, bis 2020 auf schadstofffreie Wasserstoffverbrennung umzustellen. Im Jahr 2015 steht für den Kongreß und die beteiligten Unternehmen dann die Kommerzialisierungsentscheidung an. Bis dahin soll weiter geforscht werden. Einen Großteil der Wasserstoff-Forschungsmittel reklamiert allerdings das Militär für sich. Es will Tarnfahrzeuge und Nachtsichtgeräte mit Brennstoffzellen betreiben, damit sie weniger Wärme abstrahlen und so für Feinde schwerer zu orten sind.

Im Juni 2003 veröffentlichen US-Forscher um Professor James Dumesic von der University of Wisconsin eine neue effektive und einfache Methode, um aus Abfällen Wasserstoff zu gewinnen.

Im Laufe des Jahres 2003 installiert Shell Hydrogen in den USA eine weitere Wasserstoff-Betankungsanlage an einem bestehenden Shell-Standort in Washington DC.

Anfang Januar 2004 berichteten Wissenschaftler am Carnegie Institution of Washington/USA, daß sie eine weitere neue Methode für die Speicherung von Wasserstoff gefunden haben: Wasserstoff-Clathrat-Hydrat. Der Geophysiker David Mao und seine Tochter Wendy Mao, Geophysik-Studentin, haben diese Verbindung gefunden, in der molekularer Wasserstoff auf deutlich einfacherem Wege gespeichert werden kann. Das Vater-Tochter-Team hatte Verbindungen aus Wasserstoff und Wasser, Wasserstoff und Methan sowie Wasserstoff und Oktan in einer Diamond-Anvil Zelle synthetisiert. Eine derartige Zelle wird benutzt, um hohe Drücke zu simulieren. Bei den Experimenten können die besten Ergebnisse bei der Wasserstoff/Wasser-Verbindung erzielt werden. Am vielversprechendsten zeigt sich dabei Wasserstoff-Clathrat-Hydrat (hydrogen clathrate hydrate), das bei sehr hohen Drücken und dabei niedrigen Temperaturen von etwa minus 100°C erzeugt wird. Ein wesentlicher Punkt ist dabei, dass diese Verbindung unter Normaldruck solange stabil bleibt, solange sie in flüssigem Stickstoff belassen wird (bei minus 160°C). Der Wasserstoff kann der Verbindung wieder entnommen werden, indem das Clathrat erwärmt wird. Als umweltfreundliches Nebenprodukt wird bei diesem Vorgang lediglich Wasser freigesetzt. Bislang ist allerdings die Frage noch nicht beantwortet, wie Clathrat in einer Größenordnung erzeugt werden kann, um damit eine Vielzahl von Fahrzeugen betreiben zu können.

Eine Arbeitsgruppe an der  School of Mines im US-Bundesstaat Colorado arbeitet 2004 daran, künftig 4 Gewichtsprozente Wasserstoff in ihrem Speicher einzulagern. Mit Mitteln der Ramanspektroskopie und magnetischer Kernresonanz beweisen die Forscher, daß sich Cluster aus Wasserstoffmolekülen bei niedrigem Druck in einem Stoff mit Hohlräumen, dem o.g. Clathrat-Hydrat, speichern lassen. Durch die Miteinlagerung einer zweiten Substanz namens Tetrahydrofuran gelingt es, den Druck des Wasserstoffs bei einer Temperatur von 280 Kelvin von 300 auf nur 5 Megapascal zu senken (ein  Megapascal ist gleich dem Zehnfachen des Atmosphärendrucks).

Das neue Speicherverfahren mit Graphit-Nanofasern (GNF) erweist sich als immer vielversprechender. Der Wasserstoff lagert sich hier bei einem Druck von 136 bar in mehreren Lagen auf Graphitfasern mit Querschnitten von 5 – 100 nm und Längen von 5 – 100 μm an. In den GNF-Speichern sollen bis zu 75 % des Karbongewichts in Form von Wasserstoff gespeichert werden können. Die Northeastern University in Boston weist 2004 bei Versuchen mit sogenannten Carbonnanotubes bereits eine Speicherfähigkeit von 10 – 15 % des Karbongewichts nach. Ein GNF-Fahrzeugtank von etwa 25 l Volumen und 15 kg Graphitmasse könnte somit einem viersitzigen PKW mit Brennstoffzellenantrieb umgerechnet bis zu 6.000 km Reichweite ermöglichen. Durch diese extrem hohe Speicherdichte wird vorstellbar, daß die Betankung durch das Auswechseln von Kartuschen erfolgt, und daß sich im Fahrzeug anstelle des Tankes nur ein Steckplatz für die Kartuschen befindet.

In Kalifornien beginnt man 2004 mit der Planung zum Bau von 200 Wasserstoff-Tankstellen entlang dem Highway Number One – denn bis 2010 sollen bereits 1 Mio. wasserstoffbetriebener Autos in den Metropolen am Pazifik fahren. BMW spricht allerdings davon, daß es „wenigstens noch 15 Jahre dauert“, bis Wasserstoff-Fahrzeuge vom Band laufen, die den amerikanischen Ansprüchen genügen: 300 Meilen Reichweite, 5 Minuten Tankzeit, marktfähiger Preis.

AeroVironment, die sich schon länger mit Elektro- bzw. Solarflugzeugen beschäftigen, führen im Juni 2005 erfolgreiche Testflüge mit dem ‚Global Observer’ durch, einem unbemannten Leichtflugzeug das mit reinem Wasserstoff betrieben wird und über eine Woche in der Luft bleiben kann.

Im November 2005 erhält die FST Energy Inc. in San Francisco vom DOE eine Förderung in Höhe von 825.000 $, um ein neues Kassetten-Speichersystem für Wasserstoff weiter zu entwickeln, das eine Lösung der infrastrukturellen Versorgungsproblems bedeutet. Die ‚FTC Fuel Cassette’ enthält Metalhydride, die den Wasserstoff einlagern, und läßt sich auf einfachste Art austauschen. Geplant sind Kassetten mit einem Speicherinhalt für 2, 24 bzw. 36 Stunden Betrieb. Das Unternehmen arbeitet auch noch an anderen Speichermaterialien, und im Juli 2006 gibt es bekannt, Ende des Jahren mit ersten Feldtests beginnen zu wollen.

Wieder einmal wird mit Anwesenheit von Gouverneur Arnold Schwarzenegger ein neues Fahrzeug präsentiert, diesmal ist es der ‚BMW Hydrogen 7’ auf der Los Angeles International Auto Show Ende November 2006. Von dem Brennstoff/Wasserstoff Hybridwagen soll 2007 eine Kleinserie für ausgewählte Kunden produziert werden (s.u. ‚Deutschland’).

Eine effizientere Wasserstoffspeicherung in Feststoffen entwickeln Forscher vom US-Amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) und der türkischen Bilkent University. Ende 2006 geben sie bekannt, als Alternative zu den bisher genutzten Metallschäumen erfolgreich metalldotierte Kunststoffe zu nutzen. Polyethylen z.B. ist zwar imstande, Wasserstoff zu speichern, doch bislang war die Effizienz sehr gering und somit kein Vorteil gegenüber den Metallschäumen erkennbar. Wie nun jedoch festgestellt wird, reicht es, dem Ethylen-Molekül zwei Atome eines Übergangsmetalls zuzufügen, beispielsweise Titan, um die Speicherfähigkeit enorm zu erhöhen: Die neuentwickelte Titan-Ethylen-Verbindung kann 14% ihres Gewichts in Form von Wasserstoff aufnehmen, die sich auch bereits durch nur leichte Erwärmung wieder freisetzen lassen, sodass hierzu keine größeren Energiemengen erforderlich sind.

In früheren Versuchen hatten der Forscher Taner Yildirim und seine Mitarbeiter Ähnliches mit Kohlenstoff-Nanofiguren versucht, die sie mit Titanatomen überzogen hatten. Doch diese waren viel zu schwierig herzustellen, während das neue Material in einem einfachen chemischen Syntheseprozeß erzeugt werden kann.

Wasserstoff in der UdSSR (bis 1991)

Das Konstruktionsbüro A. N. Tupolew hatte sich Ende der 1970er Jahre der Anwendung neuer Energien im Flugzeug zugewandt. Wasserstoff in flüssiger Form erwies sich dabei als günstigste Alternative zum Kerosin. Tupolew konnte sich auf langjährige Erfahrungen mit Experimentalflugzeugen stützen.

Der Jungenflug der Tupolew-155, die aus diesen Arbeiten ‚entstand’ erfolgte am 15. April 1988 und dauerte 21 Minuten. Diese umgebaute TU-154 war mit dem Experimentaltriebwerk NK-88 ausgerüstet, das wahlweise mit Methanol (s.d.) oder mit Wasserstoff betrieben werden konnte. Dem Erstflug mit Wasserstoff war eine Entwicklungszeit von neun Jahren vorausgegangen. Beim zweiten Flug am 18. Januar 1989 wurde das Triebwerk mit flüssigem Erdgas gespeist, da auch an dieser Alternative großes Interesse bestand. Nach nur 5 Flügen, bei denen eine Geschwindigkeit von 900 km/h und eine Flughöhe bis zu 9.510 m erreicht wird, stoppt man das Programm wegen den hohen Kosten des Flüssigwasserstoffs und der mangelnden Infrastruktur auf den Flughäfen.

Im Zuge der Test kamen die Entwickler zu der Überzeugung, daß der Methanol-Betrieb weniger aufwendig und weniger gefährlich ist als der Wasserstoffbetrieb. Als Ziel wurde ein erdgasgetriebenes Passagierflugzeug TU-156 formuliert, von dem 50 bis 100 Stück gefertigt werden sollten. Die internationale Präsentation erfolgte dann tatsächlich 1989, doch es bleibt bei einem einzigen Versuchsmodell.

Man plante damals auch den Bau eines speziellen LH2-Verkehrsflugzeugs mit der Bezeichnung Tupolew-244, das erst in den 90ern, und später zwischen 2010 und 2015 flugbereit sein sollte, sowie eines weiteren, allerdings nur zweisitzigen Versuchsflugzeugs mit Wasserstoffbetrieb unter dem Projektnamen ‚Tu 2000’.

1990 beginnt eine deutsch-sowjetische Kooperation mit dem Titel ‚Cryoplane’, bei der bis 2010 auf Basis des Airbus A 310 ein umweltfreundlicher Jet entstehen sollte, der mit Wasserstoff oder Methanol betrieben wird (s.u. Deutschland). Die Kooperation wird später als ‚deutsch-russische’ weitergeführt.

1995 erhält die Firma Tupulew den Regierungsauftrag, drei Serienflugzeuge vom Typ TU-154 so umzurüsten, daß sie außer mit Kerosin auch mit flüssigem Methan betrieben werden können.