Zähes Ringen um die Zelle

Die Brennstoffzelle kam nur zögerlich in die Gänge. Doch Experten versichern heute: Die Zukunft wird ohne sie nicht stattfinden, ob als Kraftwerk im Haus oder als Antrieb im Auto. Sind das Durchhalteparolen in Zeiten boomender Elektromobilität und Solarstrom?

In Horkheim bei Ralf Jarosch steht diese Schlüsseltechnologie seit Januar. Der Installateur hat seit 10 Jahren sein Zuhause, sein Büro und seine Werkstatt am Ort. Er hat sich auf die innovative Technologie Brennstoffzelle eingelassen. Aus Überzeugung und aus Spaß an neuer Technik, wie er sagt.
Das Kombi-Gerät, das er Kunden und Bekannten in seinem Keller vorführt, ist groß wie ein frei stehender Kühlschrank. „In mein Mikro-KWK gehen 3 kW Gas rein, 750 W hole ich als Strom wieder raus plus 2 kW thermische Leistung, die ich für Warmwasser und Heizung nutzen kann“, sagt er und montiert die Türen seines kleinen Heizkraftwerks ab, um einen Blick ins Innere zu gewähren.
Links oben sitzt ein 20-kW-Gasbrennwertgerät. Wenn Jarosch an besonders kalten Tagen viel Wärme braucht, übernimmt es die Spitzenlast. Darunter steht ein Warmwasserspeicher. Den kleinsten Raum nimmt die Brennstoffzelle ein: Eine Box von der Größe eines Autoradios. Wer sie mit der Lupe absucht, findet vielleicht den Namen eines japanischen Zellenherstellers. Panasonic, Toshiba, das sind die Firmen, mit denen deutsche Hausgerätehersteller wie Viessmann oder Vaillant zusammenarbeiten.

Wie funktioniert die Brennstoffzelle?
Das Prinzip Brennstoffzelle ist einfach: Gefüttert wird das Minikraftwerk mit Wasserstoff (H₂) und Luftsauerstoff (O₂). Im Inneren der Zelle findet ein elektrochemischer Prozess statt. Die Reaktionsgase werden am Minus- und am Pluspol zerlegt. Es entsteht ein höchst reaktives Gemisch, bei dem es normalerweise knallt. Eine Trennfolie verhindert dies und lässt nur positiv geladene Wasserstoffteilchen in Richtung Pluspol passieren, wo sie mit Sauerstoff zu Wasser reagieren. Dabei entsteht Wärme. Die übriggebliebenen Elektronen am Minuspol der Zelle erzeugen Strom, wie in einer Batterie.

Schweißtreibender Weg
Obwohl das Prinzip schon lange bekannt ist, reden Entwickler seit mehr als 30 Jahren über die Brennstoffzelle. „Vor zehn Jahren dachten wir, es macht Peng! und wir haben überall Brennstoffzellen“, beschreibt ein Wegbegleiter der Brennstoffzellentechnologie seine Erwartung von damals, der nicht genannt werden will.
Ein großes Anwendungsfeld sollten Fahrzeuge sein. Erste Anläufe machte die Daimler AG mit der mobilen Brennstoffzelle bereits in den 1980iger Jahren. 1994 präsentierte der Automobilbauer mit dem Necar 1, ein Transporter, sein erstes Brennstoffzellenfahrzeug. Viele Forschungs- und Entwicklungsfahrzeuge folgten und zwischen 2010 und 2014 lief beim schwäbischen Autokonzern eine Kleinserie B-Klasse-Fahrzeuge mit Brennstoffzelle vom Band. Ab der zweiten Hälfte 2018 sollen erste Fahrzeuge eines neuen Modells, dem GLC F-CELL, in Kundenhand gehen. „Das werden jedoch keine großen Fahrzeugvolumina sein“, stellt eine Unternehmenssprecherin klar.
Und die Versorgung von Gebäuden? Vor über 10 Jahren startete die stationäre Brennstoffzelle mit Pilotanlagen für die Energieversorgung im Haus. Feldtests, wie zum Beispiel „Callux“ oder EU-Programme wie „ENEfield“, brachten eine größere Anzahl Heimkraftwerke in die Haushalte. Über 3500 Anlagen stehen mittlerweile in Ein- und Zweifamilienhäusern innerhalb der EU. Bis Ende 2017 waren es 1900 Anlagen in Deutschland.

Japan prescht vor
Dagegen schreiten Länder wie Japan mit Riesenschritten voran. Brennstoffzellengeräte versorgen in Japan heute schon mehr als 200 000 Haushalte mit Strom, mit dem die Japaner auch heizen. „Derzeit konzentrieren wir uns auf Brennstoffzellenautos, -busse und stationäre Systeme für den Heimgebrauch“, berichtet Tetsufumi Ikeda, Direktor der staatlichen japanischen Wasserstoffvereinigung, ­HySUT. Er liefert die Zahlen gleich mit: 2321 Brennstoffzellenfahrzeuge und 92 Wasserstofftankstellen zählte Japan bis Ende 2017. Umgerechnet rund 300 Mio. US $ hat die japanische Regierung für das aktuelle Geschäftsjahr eingeplant, um die Brennstoffzellentechnologie zu unterstützen. Außerdem: Japan will bis zu den olympischen Spielen 2020 in Tokio sogar auf dem Weg in eine Wasserstoffgesellschaft sein. Auch Toyota treibt das Thema voran: Der japanische Automobilhersteller will seinen brennstoffzellenbetriebenen Mirai ab 2020 automatisiert fertigen, mit einer Stückzahl von etwa 30 000 pro Jahr. Gemeinsam mit Energieversorgern will Toyota jetzt testen, ob sich die Brennstoffzelle im Auto ebenso für die Notstromversorgung im Katastrophenfall eignet.

Deutschland noch im Dornröschenschlaf
Für den Forscher Werner Tillmetz ist das fehlende Innovationstempo hierzulande ein echter Aufreger: „Wir verschlafen solche Chancen immer wieder, das ist die ganz große Gefahr“, sagt er. Tillmetz ist Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien beim Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW). „Das Interesse an der Technologie steigt stark“, stellt der Brennstoffzellenexperte fest, es gibt umfangreiche Forschungsaufträge. Allerdings sei es fast ausschließlich die Fahrzeugindustrie, die derzeit in Forschung für die Brennstoffzelle investierte.
Warum? Trotz Riesenhype beim Elektrofahrzeug mit Batterie, hat die Brennstoffzelle den Reichweitenvorteil und die kurze Betankungszeit von drei Minuten. „Ich sag immer provozierend: Überall, wo heute der Dieselmotor drinsteckt, haben wir die ideale Anwendung für die Brennstoffzelle“, so Tillmetz. Inzwischen sei es hochattraktiv, anstatt einer 500 kg Batterie lieber eine 100 kg Brennstoffzelle in ein Auto einzubauen. Und noch einen Aspekt hebt der ZSW-Experte im Vergleich mit der Batterie hervor: Der einzige kritische Rohstoff in der Brennstoffzelle sei das Platin. Da trifft es sich gut, dass die Platinhersteller derzeit neue Märkte suchen. Denn die heutigen Diesel-Abgaskatalysatoren enthalten Platin und die Verkaufszahlen für Dieselfahrzeuge gehen zurück. Was in Sachen Forschung noch zu tun ist? „Wir müssen die Industrialisierung hinbekommen und den Aufbau einer passenden Zulieferindustrie“, sagt er. Das sei zum Beispiel die Serienfertigung in einer Hochgeschwindigkeitsproduktion, mit der die filigranen Einzelzellen mikrometergenau und automatisiert zusammengebaut werden können.

Brennstoffzellen in Industrie und Gewerbe
Die Perspektive der Brennstoffzelle in Industrie und Gewerbe ist vielversprechend, doch auch hier gibt es derzeit nur Vorzeigeprojekte. Zum Beispiel die 250-kW-Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, die das Bundesforschungsministerium seit Ende 2014 mit Strom versorgt. Auch das Energie-
unternehmen E.on ist im Bereich Brennstoffzellen unterwegs. „Die Brennstoffzelle im Megawattbereich ist marktreif“, sagt Christoph Hiesgen. Er leitet bei E.on die Angebotsentwicklung in der Sparte Eigen­erzeugungslösungen für Industrie und große Gewerbekunden. „Saubere Energieversorgung auf dem eigenen Werksgelände ist unser Fokus“, macht er deutlich.
Umgesetzt hat E.on ein solches Konzept zum Beispiel beim Mannheimer Bauteilehersteller Friatec. Die 1,4-MW-Anlage ist Ende 2016 in Betrieb gegangen. Sie speist sich über Erdgas. Rund 11 Mio. kWh Strom und ca. 6 Mio. kWh Wärme produziert sie pro Jahr. Der Strom deckt den Bedarf der energieintensiven Produktion, in der Bauteile aus Keramik und Kunststoff hergestellt werden. Die Wärme aus dem Elektrolyseprozess nutzen die Mannheimer für die Dampfreformierung zur Herstellung des Wasserstoffs. Was an Wärme übrig bleibt, geht über einen Wärmetauscher in die Trocknungsprozesse in der Fabrik. So kann Friatec annähernd 100 % der Energie aus der hauseigenen Brennstoffzelle nutzen.
Anderer Ort, anderes Beispiel: Das Radisson-Hotel in Frankfurt. Die 400-kW-Anlage steht im Wirtschaftshof des Innenstadthotels. „Wir überlassen die Anlage dem Radisson in einem Pachtmodell“, erklärt Hiesgen. E.on macht die Wartung, Instandhaltung und die Fernüberwachung über sein eigenes Kontrollzentrum in Hamburg. Während das Radisson-Projekt vor Kurzem fertiggestellt wurde, liegen andere Projekte momentan auf Eis und gehen nicht weiter. „Stichwort EEG-Belastung“, sagt Hiesgen. Was er meint ist: Für alle großen Eigenerzeuger wird momentan die 100%ige EEG-Umlage fällig. KWK-Förderung sowie Investitionskostenzuschüsse wurden runtergefahren. „Das ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten das Todesurteil für solche Projekte“, sagt er. Im Ausland verfolgt die E.on-Sparte die Technologie durchaus weiter. Etwa in Italien und Großbritannien, weil dort die Rahmenbedingungen gute Voraussetzungen schaffen. Hiesgen wünscht sich ebenso für Deutschland bessere Bedingungen, damit wäre der Brennstoffzelle geholfen, sagt er.

Neuer Schub durch Sektorkopplung
Neuen Schub könnten die Brennstoffzellen außerdem durch die vieldiskutierte Sektorkopplung bekommen. Windstrom lässt sich nutzen, um Wasserstoff herzustellen. Solche sogenannten Power-to-Gas-Projekte haben E.on etwa oder Greenpeace bereits umgesetzt. Eine weitere Methode ist: Überkapazitäten aus regenerativer Stromerzeugung können in Form von Wasserstoff gespeichert werden. So, wie das heute die Pumpspeicherkraftwerke in den Alpen machen. „Das Spannende ist, den Wasserstoff nicht wieder in Strom umzuwandeln“, regt Tillmetz an, sondern ihn ins Auto zu stecken. Oder in die Erdgasleitung einzuspeisen.
Die Optimisten der Brennstoffzellentechnologie haben keinen Zweifel, was die Zukunft der Brennstoffzelle angeht. „Wir als Branche glauben an die Brennstoffzelle“, meint Markus Staudt, Sprecher der Initiative Brennstoffzelle (IBZ), ein Zusammenschluss der Industrie und der Gaswirtschaft. Die Branche will es bis zum Jahr 2025 auf einen Marktanteil von 10 % bringen, das sind 60 000 bis 70 000 installierte Anlagen im Jahr.
Vor allem, weil Staudt die Anschlusszahlen deutlich steigen sieht, seit die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) 2016 das Technologieeinführungsprogramm KfW 433 eingeführt hat. „Das Gerät, Installation und Zähler kosten etwa 35 000 Euro, mit allen Förderungen zahlt der Kunde am Ende 12 000 Euro weniger“, rechnet Brennstoffzellen-Besitzer Jarosch vor. Er geht von 10 Jahren Amortisationszeit aus, bei steigenden Stromkos­ten gehe das schneller. Für ihn, der von seiner Werkstatt aus täglich die Silhouette des Kernkraftwerks Neckarwestheim sehen kann, ist sonnenklar: „Die stromproduzierende Heizungsanlage ist einfach die Zukunft, das ist meine Meinung.“

Autor: Kathleen Spilok, freie Wissenschaftsjournalistin

„Die Brennstoffzelle befindet sich im Markteintritt“
Klaus Bonhoff ist Brennstoffzellenoptimist von Berufswegen. Seit 10 Jahren will der Chef der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) die Märkte unter anderem für die Brennstoffzelle vorbereiten. Mit Bund, Ländern und der Industrie ist ein lebendiges Netzwerk entstanden. Mit ihm sprach IKZ-ENERGY.

IKZ-Energy: Sie sind ein Brennstoffzellen-Netzwerker, wissen was läuft. Wie steht es um die Brennstoffzelle?
Klaus Bonhoff: Es ist eine spannende Zeit, in der wir uns jetzt befinden. Wir hatten in den letzten 10 Jahren weltweit eine erhebliche technologische Weiterentwicklung und stehen heute mit der Brennstoffzelle in unterschiedlichen Anwendungen mit unterschiedlichen Reifegraden im Markteintritt. Was uns noch klargeworden ist: Wasserstoff, der aus Ökostrom durch Elektrolyse gewonnen wird, wird wesentlicher Bestandteil eines zukünftigen integrierten Energiesystems sein, das mobile und stationäre Brennstoffzellen versorgen kann.

IKZ-Energy: Wie soll das gehen, den Wasserstoff umweltfreundlich herzustellen?
Klaus Bonhoff: Unsere zukünftige Ener­giewelt wird zunehmend auf erneuerbarem Strom basieren, der den Strom- und Wärmemarkt und den Verkehrssektor speist. Wenn ich einen Windpark habe und mit dem Strom Wasserstoff erzeuge, kann ich Wasserstoffgas in gewissen Grenzen ins Erdgasnetz einleiten. Oder wenn zu viel Wind- bzw. Sonnenenergie produziert wird, kann ich damit Wasserstoff gewinnen, diesen speichern und ihn flexibel an anderer Stelle nutzen. Etwa als Kraftstoff oder für den Wärmemarkt. Ich stelle mir vor, dass wir Windparks haben werden, die ausschließlich Wasserstoff für die Brennstoffzelle herstellen.

IKZ-Energy: Läuft das Elektroauto dem Brennstoffzellenauto den Rang ab?
Klaus Bonhoff: Die Nachfrage nach nachhaltiger Mobilität steigt. Aber Batterien alleine werden nicht die Marktnotwendigkeit und Kundenwünsche in der Mobilität abdecken: Höhere Reichweiten, deutlich kürzere Ladezeiten. Allerdings wird es länger dauern als bei batterieelektrischen Fahrzeugen, bis wir größere Stückzahlen und Serienmodelle mit Brennstoffzelle haben. Der Grund ist: Während die Produktionsprozesse für Batterien schon erprobt sind, werden Brennstoffzellen noch in kleiner Stückzahl gefertigt. Außerdem ist die Brennstoffzelle technisch ein Stück komplexer. Übrigens: Mit der Anzahl der Wasserstofftankstellen kommen wir voran, momentan sind es knapp 50 in Deutschland. Bis 2020 werden es 100.

IKZ-Energy: Wo sehen Sie die größten Marktpotenziale für die Brennstoffzelle?
Klaus Bonhoff: Ganz klar im Pkw, insbesondere in den Fahrzeugsegmenten jenseits der Mittelklasse. Ein Portfolio aus Limousinen und SUV – das ist sicherlich langfristig der größte Markt. Diesen Markt mit seinen Stückzahlen braucht es, um die Kosten für die Technologie zu reduzieren. Vielleicht ist das aber nicht der erste Markt, in dem wir kommerzielle Anwendungen sehen. Denn die Anwendung der Brennstoffzelle in leichten Nutzfahrzeugen, Bussen und Schienenfahrzeugen ist extrem attraktiv.

IKZ-Energy: Was sind die nächsten wichtigen Schritte?
Klaus Bonhoff: Wir müssen größere Elektrolysekapazitäten aufbauen, um mehr Wasserstoff aus Erneuerbaren Ener­gien herstellen zu können – auch um günstigeren Wasserstoff für den Verkehrsbereich zu haben. Wir brauchen einen regulativen Rahmen, der positive Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff zulässt. Und wir brauchen eine Kos­tenreduktion der Brennstoffzelle durch steigende Stückzahlen. Erforderlich dafür sind: Eine funktionierende Zulieferindustrie, die richtige Produktionstechnologie und der Wille der Industrie, in die Technologie zu investieren.

IKZ-Energy: Herr Bonhoff, vielen Dank für das Gespräch!

Die Fragen stellte Kathleen Spilok.

Brennstoffzelle in Zahlen

• Ende 2017 waren 490 Fahrzeuge mit Brennstoffzelle auf deutschen Straßen unterwegs, davon 331 Pkws.
• Derzeit gibt es bundesweit rund 45 Wasserstofftankstellen.
• Bis Ende 2017 wurden deutschlandweit 1900 Heimkraftwerke mit Brennstoffzelle installiert.