© Toyota Deutschland GmbH

Revoluzzer Wasserstoff: Treibstoff für die Welt

21.12.2020

Ob für Gabelstapler, Züge, die Schiff-, Luft- oder Raumfahrt – der Energieträger Wasserstoff, kurz H2, sorgt umfassend für Antrieb. Teil 2 zum Tausendsassa.

Flurförderfahrzeuge: Arbeitstiere auf Wasserstoff

Niederhubwagen, Schlepper oder Stapler: Weltweit sind bereits über 50.000 Flurförderzeuge mit Brennstoffzellenantrieb im Einsatz. Vorbild sind die USA, wo bereits über 30.000 Fahrzeuge mit Wasserstoff unterwegs sind. Anbieter wie Linde, Toyota und Still entwickeln seit Jahren serienfähige Komponenten und Flurförderzeuge mit Brennstoffzellen. Viele ihrer Modelle sind heute in einer Wasserstoffvariante bestellbar. Unternehmen wie Amazon und Walmart stellen nach und nach ihre Flotten um. Auch Hersteller wie BMW im Leipziger Werk oder Daimler in Düsseldorfer Fabrik setzen den emissionsfreien Stapler ein. Die emsigen Lastentiere treten in der Intralogistik gegen Flurförderzeuge mit traditionellen Blei-Säure-Batterien sowie eine steigende Zahl von Geräten mit Lithium-Ionen-Batterien und dem klassischen Diesel. Die Vorteile der Brennstoffzelle gegenüber Batteriebetrieb liegen in der kürzeren Betankungszeit von nur drei Minuten, der höheren Verfügbarkeit und dem Wegfall von kostspieligen Stromspitzen am Standort. Die Technik funktioniert außen und innen zuverlässig, selbst in Tiefkühllagern bei bis zu minus 30 Grad. Durch den Wegfall von Batteriewechseln sowie potenziell gefährlicher Batterie-Säure ist das Handling von Brennstoffzellen besonders sicher. Eine weiterer Vorteil: Elektrostapler lassen sich leicht per Plug&Play auf Wasserstoff umrüsten.

Das französische Handelsunternehmen Carrefour setzt auf eine wasserstoffbetriebene Flotte von über 130 Brennstoffzellen-Staplern. Das ist europaweit der bisher größte Einsatz von H2-Flurförderfahrzeugen. © Still GmbH
Das französische Handelsunternehmen Carrefour setzt auf eine wasserstoffbetriebene Flotte von über 130 Brennstoffzellen-Staplern. Das ist europaweit der bisher größte Einsatz von H2-Flurförderfahrzeugen. © Still GmbH

Schienenfahrzeug: H2-Züge machen Dampf

Seit 20 Jahren arbeitet die Bahnbranche an Wasserstoffzügen. Seit einigen Jahren setzt Schienenfahrzeughersteller China Railway Rolling Stock in Foshan-City erste Straßenbahnen mit Brennstoffzellen ein. Doch diese H2-Züge sind bislang Exoten, die in wenigen Stückzahlen gefertigt werden oder nur einen begrenzten Radius haben. „Coradia iLint“ heißt der weltweit erste Serien-Zug, der mit Wasserstoff angetrieben wird. Ingenieure des französischen Bahnkonzerns Alstom haben auf Basis eines Dieseltriebwagens die Wasserstoff-Lok entwickelt. Doch zu hören sind beim iLint nur noch die Abrollgeräusche der Räder auf den Schienen und Geräusche infolge des Luftwiderstandes. Mit einer Tankfüllung von 440 Kilogramm Wasserstoff legt der H2-Zug gut 1.000 Kilometer zurück und bringt es dabei auf bis zu 140 Stundenkilometer.  Der Wasserstofftank wird mit einem Druck von 350 bar innerhalb von nur 15 Minuten aufgeladen. Damit ist der Wasserstoff-Zug ebenso leistungsfähig wie ein vergleichbarer Diesel-Zug, allerdings deutlich effizienter und ohne CO2-Ausstoß.

© Alstom/Michael Wittwer/Christoph Busse

Überschüssige Energie wird in Akkus auf dem Dach gespeichert. Das Interesse an der umweltfreundlichen Brennstoffzellentechnologie ist in vielen Ländern, Städten und Kommunen groß. In Deutschland, der Niederlande und Österreich ist der H2-Zug bereits im Einsatz. Seit September 2018 sind unter anderem zwei Züge im Elbe-Weser-Netz in Niedersachsen unterwegs. Sie sind laut Alstom bisher über 100.000 Kilometer gelaufen und haben eine Verfügbarkeit von 96 Prozent. Den dafür benötigten Wasserstoff bezieht Alstom aus Chemieanlagen, in denen das Element als Abfallprodukt bei der Herstellung anderer Produkte anfällt. Bisher wird der so entstehende Wasserstoff häufig einfach verbrannt.

Die Basis des Energy Observer ist ein 1983 in Kanada gebauter Katamaran, der für sein zweites Leben um über sechs Meter verlängert und mit modernster Technik ausgestattet wurde. Bis 2022 soll das Schiff mit einer wechselnden Besatzung unterwegs sein. © Toyota Deutschland GmbH
Die Basis des Energy Observer ist ein 1983 in Kanada gebauter Katamaran, der für sein zweites Leben um über sechs Meter verlängert und mit modernster Technik ausgestattet wurde. Bis 2022 soll das Schiff mit einer wechselnden Besatzung unterwegs sein. © Toyota Deutschland GmbH

Schifffahrt: Mit dem Strom schwimmen

Seit 2017 schippert die „Energy Observer“ über die Weltmeere. Sie ist aber mehr als nur ein Boot: Das Katamaran liefert Inspiration und Lösungen, wie Energie aus der Natur nachhaltig und verträglich gewonnen werden kann. Zudem erprobt es Technologien, die von Energienetzen der Zukunft effizient und in größerem Maßstab angewendet werden können. Das schwimmende Labor ist hierzu noch bis 2022 auf ihrer sechsjährigen Reise unterwegs. In dieser Zeit steuert es über 100 Häfen in 50 Ländern an. Die Stopps sind öffentlichkeitswirksam geplant, um vor Ort für Themen wie erneuerbare Energien, Biodiversität und Mobilität zu sensibilisieren. Die Energy Observer ist energieautark, Wasserstoff das Herzstück des Projekts. Den Treibstoff gewinnt es aus Meerwasser. Das wird in einem 500 Liter großen Tank zweifach entsalzen und entmineralisiert. Der rund 30 Meter lange Katamaran hat nämlich einen Elektrolyseur an Bord, um das Wasser anschließend in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten zu können. Die Energie hierfür stammt aus Solarzellen und einem 100 kWh großen Batteriespeicher. Der Wasserstoff wird in drei Tanks mit je 350 bar gespeichert. So kann die Energy Observer bis zu 62 Kilogramm Wasserstoff lagern. Die Schiffsoberfläche ist fast komplett mit Solarpaneelen bedeckt. Die Abwärme des Elektrolyseurs wird für Kabinenheizung und Warmwasseraufbereitung verwendet. Seit Anfang 2020 ist das Katamaran mit einem Toyota-Brennstoffzellenantrieb auf See. Das System stammt aus dem Modell Mirai und wurde eigens für den maritimen Einsatz weiterentwickelt. Zur Fortbewegung kommen zudem zwei Windturbinen zum Einsatz. Auch ein Segel kann gehisst werden. Dann kommt der alte Renn-Katamaran so richtig in Fahrt.

Wird es der Blended Wing Body? Bis 2035 will Airbus ein Passagierflugzeug auf dem Markt haben, das dank Antrieb mit Wasserstoff komplett CO2-neutral fliegt. © Airbus
Wird es der Blended Wing Body? Bis 2035 will Airbus ein Passagierflugzeug auf dem Markt haben, das dank Antrieb mit Wasserstoff komplett CO2-neutral fliegt. © Airbus

Luftfahrt mit Wasserstoff: Ende der Flugscham?

Die Luftfahrt soll deutlich grüner werden. Langstreckenflugzeuge, die mit Wasserstoff fliegen? Geht das? 1988 präsentierten sowjetische Ingenieure eine dreistrahlige Tupolew Tu-154, dessen rechtes Triebwerk mit Wasserstoff betrieben wurde. Mit Erfolg. Das Problem ist jedoch die Lagerung. Im Flugzeug mitgeführter Wasserstoff braucht Platz und das Gesamtsystem aus Tanks und Pumpen ist schwer. Wasserstoff weist zwar gegenüber Kerosin die dreifach höhere Energiedichte auf; die gleiche Energiemenge wiegt also nur ein Drittel so viel wie Kerosin. Doch es gibt einen Haken. Gasförmig braucht Wasserstoff ein viel zu hohes Volumen um es in Flugzeugen unterzubringen. Bis 2035 soll nach den Plänen von Airbus ein Passagierflugzeug auf dem Markt sein, das per Wasserstoffantrieb komplett CO2-neutral fliegt. Dabei wird der Wasserstoff als Treibstoff an Bord mitgeführt. Er wird dann entweder in einer modifizierten Gasturbine verbrannt oder er reagiert in einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff und erzeugt so Strom, der dann wiederum Elektromotoren antreibt.

Europas führender Flugzeughersteller schickt gleich drei Designkonzepte für klimafreundliches Fliegen ins Rennen: Eine Turbopropmaschine für 100 Passagiere und 1.000 Kilometer Reichweite. Idee Nr. 2: Ein Düsenjet, der bis zu 200 Passagiere mehr als 3.700 Kilometer weit befördern kann. Der Wasserstoff würde jeweils in Tanks im hinteren Drittel des Rumpfes der Maschine mitgeführt. Hierfür kommen nur zylindrische oder kugelförmige Tanks infrage, da Wasserstoff für eine akzeptable Menge unter hohem Druck komprimiert werden muss. Der Dritte Vorschlag ist das revolutionäre Konzept eines Nurflügel-Flugzeugs, auch als Blended-Wing-Body-Modell bekannt, bei dem ein breiter Rumpf und die Tragflächen ineinander übergehen. Dieser ist aerodynamisch das vorteilhafteste Modell zur Integration der Wasserstofftanks

Next Generation: Lunar Cruiser mit Brennstoffzellenantrieb für den Einsatz im Weltall © Toyota Motor Corporation
Next Generation: Lunar Cruiser mit Brennstoffzellenantrieb für den Einsatz im Weltall © Toyota Motor Corporation

Raumfahrt: Stromer für das Weltall

„Okay Houston, wir haben hier ein Problem.“ Die Raumfahrtmission Apollo 13 endete im April 1970 beinahe in einer Katastrophe. An Bord kam es zu einer Explosion eines Sauerstofftanks. Denn schon damals kam die Brennstoffzelle für die Bordelektronik zum Einsatz. 50 Jahre später kann die Technologie wieder Geschichte schreiben: Die japanische Weltraumagentur JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) arbeitet gemeinsam mit Toyota an dem Rover-Mondfahrzeug Lunar Cruiser mit Brennstoffzellenantrieb. Mit den mitgebrachten Wasserstofftanks soll der Rover auf dem Mond mehr als 10.000 Kilometer zurücklegen können. Der Antrieb basiert auf derselben Brennstoffzellentechnologie, die auch den Toyota Mirai hier auf der Erde bewegt. Ausklappbare Solarzellen liefern zusätzlich Strom. Der Rover mit sechs Rädern ist 6 Meter lang, 5,2 Meter breit und 3,8 Meter hoch. Ein Wohnraummodul mit Druckkabine auf 13 Quadratmetern bietet Platz für zwei Astronauten. Im Notfall kann das Fahrzeug zwei weitere Passagiere aufnehmen. Bis 2027 soll die Entwicklung abgeschlossen sein, zwei Jahre später die Mondlandung mit dem Rover erfolgen. Dafür wollen die Japaner mit der NASA kooperieren.

Auf der IAA 2021 steht innovative Mobilität in allen Facetten im Mittelpunkt: Intelligente Verkehrslösungen, visionäre Denkweisen, Automobile und gesamte Mobilitätskette. Alles was Mobilität von morgen formt und erlebbar macht. Seien Sie dabei!