Wasserstoff – so bleiben wir mobil

Auch wenn die Brennstoffzelle der bekannteste Energiewandler ist, der primär gespeicherte chemische Energie im Wasserstoff technisch nutzbar macht: Es gibt durchaus ernst zu nehmende Konkurrenten. Einer davon ist der Verbrennungsmotor mit seiner Flexibilität. Schließlich kann er mit unterschiedlichen Kraftstoffen betrieben werden.

Dazu wird im Brennraum des Verbrennungsmotors ein zündfähiges Gemisch aus Wasserstoff und Luft verbrannt. Interessant macht diesen Antrieb unter anderem, dass die Motoren – wenn die relevanten Komponenten entsprechend angepasst werden – sowohl mit Wasserstoff als auch bivalent mit CO₂-neutralen Otto-Kraftstoffen betrieben werden können. Der Direktverbrennung von Wasserstoff widmet sich das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT: Die Forscherinnen und Forscher entwickeln und optimieren Brennverfahren und relevante Komponenten via Simulationen sowie experimentell in Ein Zylinder-Forschungsmotoren. Ein Vorteil: Die hervorragenden Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff erlauben es, den Ottomotor mit hohem Luftüberschuss zu betreiben – wobei innermotorisch nur geringe Mengen von Stickoxiden entstehen. Mit einer vereinfachten Abgasnachbehandlung können diese nahezu gen null gehen. Kohlenstoffbasierte Schadstoffe, die bei konventionellen Verbrennungsmotoren auftreten und durch eine immer aufwendigere Abgasnachbehandlung minimiert werden müssen, entstehen bei einem Wasserstoffmotor erst gar nicht.

Eine elementare Frage bei der Direktverbrennung: Was passiert, wenn im Auto oder mit dem Auto etwas schiefgeht? Schließlich ist Wasserstoff nicht nur ein potenter Energieträger, sondern auch explosiv. Die Forscher des Fraunhofer ICT betrachten verschiedene Möglichkeiten bis hin zum Worst-Case-Szenario. Unter welchen Bedingungen ist mit einer kritischen Entwicklung zu rechnen? Wo sind beispielsweise Hohlräume, in die der Wasserstoff strömen könnte? Wie groß ist der Druck, der sich dort schlimmstenfalls aufbaut? Die Wissenschaftler berechnen mögliche Fehler anhand von Kenndaten des Systems, identifizieren wahrscheinliche Szenarien, rechnen sie durch und validieren die Ergebnisse anschließend mit realen Tests. Sprich: Sie leiten Wasserstoff anhand der theoretischen Ergebnisse in Hohlräume – wobei gezielt auch ganze Autos zur Explosion gebracht werden. Das notwendige Testgelände gibt es am Fraunhofer ICT. Es ist bis drei Kilogramm TNT-Äquivalent ausgelegt.

Der zweite Konkurrent der Brennstoffzelle sind flüssige, wasserstoffbasierte Kraftstoffe. Das Prinzip: Per Elektrolyse wird Wasserstoff erzeugt – grün natürlich. Doch statt diesen H₂ in einer Brennstoffzelle wieder rückzuverstromen, lässt man ihn mit CO₂ oder Stickstoff reagieren. Verwendet man CO₂ und einen geeigneten Katalysator, entsteht Methanol (CH₄O), aus dem sich wiederum stark synthetisierte Kraftstoffe herstellen lassen – genauer gesagt Oxymethanolether, welche ähnlich wie E10 beim Benzin direkt als Dieselersatz verwendet werden können. Sinnvoll ist ein solches Power-to-Liquid-Verfahren vor allem dort, wo Fahrzeugflotten nicht so schnell erneuert werden können oder es zu teuer ist, vorhandene Infrastrukturen umzurüsten. Schließlich liegt einer der großen Vorteile dieser Antriebsart darin, dass die komplette Motorentechnik im Idealfall gleich bleiben kann und dennoch über die gesamte Wirkungskette gesehen bis zu 90 Prozent weniger Treibhausgasemissionen entstehen als bei fossilen Kraftstoffen. Ferner bieten insbesondere OME den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer spezifischen chemischen Struktur ohne C-C-Bindungen besonders emissionsarm verbrennen, wodurch auch die lokalen Emissionen stark reduziert werden. Zusätzlich bietet die am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelte CatVap®-Technologie das Potenzial, zukünftig in Kombination mit PtL-Kraftstoffen die Emissionen von Verbrennungsmotoren signifikant zu reduzieren, wie das Fraunhofer ISE beispielsweise in den Projekten »Sylink« sowie »C3-Mobility« untersucht. »Was die Effizienz angeht, so unterscheiden sich Brennstoffzelle und Oxymethylenether nicht sonderlich voneinander«, meint Schattauer, »es ist – zumindest beim Auto – eher eine ideologische Fragestellung.«