Brennstoffzellenantriebe Die lange Straße weg vom Öl

Der Toyota Mirai macht den Anfang: Der Japaner wird das erste Serienauto mit Brennstoffzelle.

(Foto: dpa-tmn)

Auf Automessen sind Brennstoffzellenfahrzeuge die Stars von morgen. Und obwohl die "kalte Verbrennung" doppelt so effizient ist wie ein Benzinmotor, bleibt sie auf den Straßen noch lange rar. Das hat viele Gründe.

Von Joachim Becker

Wasser(stoff) marsch: Das erste halbwegs serienmäßige Brennstoffzellenfahrzeug heißt Mirai - was auf japanisch Zukunft bedeutet. Ist der 113 kW (154 PS) starke Viersitzer der Beginn eines "neuen Zeitalters", wie Toyota verspricht? "Das letzte Jahrhundert war das von Benzin und Diesel. Jetzt beginnt das Jahrhundert des Wasserstoffs", verkündete Toyota-Chairman Takechi Uchiyamada gerade auf der Los Angeles Auto Show. Aufsehen erregt der abgasfreie Mirai vor allem durch seinen Preis: 78 540 Euro soll die Limousine kosten, die im September 2015 in den deutschen Handel kommt. Allerdings wird der 4,89 Meter lange Viertürer nicht verkauft, sondern an die wenigen (Firmen-)Kunden verleast, die Zugang zu einer Wasserstofftankstelle haben. Für den Preis einer Luxuslimousine bekommen sie ein 1850 kg schweres Elektrofahrzeug, das seinen eigenen Strom erzeugt. Nach Jahrzehnten voll leerer Versprechungen stellt sich die Frage, ob der Wasserstoffantrieb nun wirklich reif für die Großserie ist.

Immer wieder haben Entwickler die Komplexität des alternativen Antriebs unterschätzt. Die Hundertschaften hauchdünner Membranen reagieren höchst sensibel auf hohe Temperaturen und kleinste Verunreinigungen des Wasserstoffs. Außerdem altern die Energiewandler schneller als jede andere Antriebsform. Gerade beim Hochfahren des Systems sind die Trennschichten zwischen den elektrischen Polen wie Seidenstrümpfe von Rissen und Durchlöcherung bedroht. Schon Mitte der Neunzigerjahre, zum Start der ersten A-Klasse, kündigte Mercedes an, der Wasserstoffantrieb würde spätestens 2005 in Serie gehen. Doch statt des großen Durchbruchs folgten immer neue Versuchsfahrzeuge. Ihr hoher Platingehalt macht Brennstoffzellen wesentlich teurer als konventionelle Antriebe. Erst in einigen Jahren soll das System zum Preis eines Diesel-Plug-in-Hybrids erhältlich sein. Deshalb will auch Toyota zunächst nur wenige hundert Autos vor allem für Japan und Kalifornien bauen.

In 20 Jahren technisch ausgereift

"Wir müssen feststellen, dass die Entwicklung zur Marktreife schwieriger war als gedacht und mehr Zeit in Anspruch genommen hat als kalkuliert", gibt Projektleiter Katsuhiko Hirose zu, "nur wenige Leute verstehen heute ganz genau, was mit der Zeit in den Brennstoffzellen passiert. Die Materialforschung ist der Schlüssel." Nach 20 Jahren Entwicklung soll das Toyota-System, das viele Komponenten aus dem Hybrid-Baukasten nutzt, technisch ausgereift sein: Die Leistungsdichte des Mirai ist mehr als doppelt so hoch als beim vorigen Toyota FCHV-adv, der in einer Kleinserie produziert wurde. Feinmaschige 3D-Kanäle in den Brennstoffzellen sorgen mit ihrer größeren Oberfläche für mehr Effizienz und Leistung bei kompakter Größe. Außerdem müssen die heiklen Zellschichten nicht länger befeuchtet werden, um die chemische Reaktion in Gang zu halten. Dadurch werden die Zellstacks leichter, robuster und unempfindlicher gegen tiefe Temperaturen. Offen ist allerdings die Lebensdauer: Halten Brennstoffzellen tatsächlich ein Autoleben lang?

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In Brennstoffzellen wird der Wasserstoff nicht etwa verbrannt, wie der Name irrtümlich nahelegt. Bei der Reaktion mit Luftsauerstoff entsteht nur wenig Wärme und Wasserdampf, deshalb ist die "kalte Verbrennung" doppelt so effizient wie ein guter Benzinmotor. Allerdings geht viel Energie verloren, um reinen Wasserstoff per Elektrolyse zu gewinnen. Nur maximal 40 Prozent der eingesetzten Energie lässt sich später in Form von Wasserstoff nutzen. Ein weiteres Handicap ist das enge Temperaturfenster um die 80 Grad, das für die Stromerzeugung an Bord benötigt wird. Allzuleicht sterben die Primadonnen im Motorraum einen jähen Hitzetod. Wie groß das Problem ist, zeigen die riesigen Kühlöffnungen des Mirai. Die schwarzen Löcher in der Front der braven Limousine sehen wie schwere Tuning-Sünden aus.

Die Technik geht bei Audi und VW in diesem Jahrzehnt nicht mehr in Serie

"Die Kühlung ist eine Frage der Systemauslegung", sagt Audi-Entwicklungschef Ulrich Hackenberg, "wenn wir höhere Temperaturen anstreben, brauchen wir zwar eine Befeuchtung der Zellen, aber wir können die Kühlöffnungen dadurch kleiner halten." In Serie geht die Technik bei VW und Audi in diesem Jahrzehnt allerdings nicht mehr. "Schon beim Erdgasauto wird über ein zu dünnes Netz geklagt, dabei gibt es in Deutschland rund 1000 Tankstellen. Wasserstoff bekommt man derzeit nur an rund einem Dutzend Stationen", rechnet Hackenberg vor. "Bis die Wasserstofftankstellen verfügbar sind, haben wir die Autos in Serie", lautet seine vage Ankündigung in Los Angeles. Bis zum Ende des Jahrzehnts sind insgesamt 100 Wasserstoff-Stationen in Deutschland geplant, in den USA und Japan sollen es deutlich mehr sein. Erst Mitte der nächsten Dekade erwarten Experten eine halbwegs flächendeckende Infrastruktur - vorausgesetzt, dass sich Wasserstoff als Alternative für längere Strecken durchsetzen kann.

"Ich sehe Wasserstoff im Wettbewerb mit weiterentwickelten Batterieantrieben, die Anfang des nächsten Jahrzehnts 600 Kilometer Reichweite haben sollen", so Hackenberg, "und ich fürchte mich davor, dass wir beide Antriebe mit viel Geld parallel entwickeln müssen." Wesentlicher Vorteil des Wasserstoff- gegenüber einem Batteriefahrzeug: Die Reichweite beträgt heute schon rund 500 Kilometer und der Tankvorgang dauert mit knapp fünf Minuten ähnlich lang wie an einer konventionellen Zapfsäule. Kein Vergleich also zu Batteriefahrzeugen, die stundenlang auf der Leitung stehen.