Streit um Sprit

Fährt das Brennstoffzellen-Auto der Zukunft mit Benzin oder Methanol? Eine entscheidende Weichenstellung steht bevor: Welcher Energieträger wird die neue Generation der Straßenfahrzeuge antreiben? Mineralöl- und Automobilfirmen üben sich im Paktieren, Taktieren und Nebelwerfen – nur noch fünf Jahre vor der angekündigten Markteinführung.

Wenigstens das Ziel ist klar: 2004 wollen Ford, General Motors/Opel und Daimler-Chrysler serienreife Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf den Markt bringen. Andere Großunternehmen der Automobilindustrie wie Renault, Toyota oder Volkswagen nennen zwar keine Zeithorizonte, doch Entwicklungsarbei-ten an Brennstoffzellen-Autos laufen bei ihnen allen.

Gemeinsames technisches Prinzip: Ein dicht gepackter Stapel ("Stack") aus Brennstoffzellen wandelt die chemische Energie von einströmendem Wasserstoffgas in elektrische Energie um. Der Strom speist Elektromotoren, die ihrerseits die Räder antreiben. Der Wasserstoff für die Brennstoffzellen soll direkt an Bord in einer Gaserzeugungsanlage ("Reformer") hergestellt werden, aus einem flüssigen Energieträger - und zwar entweder aus Methanol oder aus modifiziertem Benzin.

Dieses "Oder" überrascht. Bis zum Jahr 2004 bleiben nur fünf Jahre. Und doch ist immer noch nicht klar, welcher Kraftstoff die neue Generation des Automobils versorgen soll. Damit fehlt eine zentrale Weichenstellung, die erheblichen Einfluß hat: erstens auf den Bau des Aggregats, zweitens auf die gesamte Tankstellen-Infrastruktur. Doch unter den Teilnehmern im Spiel ums neue Geschäftsfeld Brennstoffzellen-Auto wird immer noch gepokert.

Auf die Benzinkarte setzt Dr. Herman Kuipers, Forschungsleiter bei Shell Global Solutions in Amsterdam. "Wenn der Kunde von uns Methanol haben will, um sein Brennstoffzellen-Auto zu betanken, dann bekommt er es selbstverständlich. Aber gerne würden wir es ihm nicht verkaufen. Benzin dagegen wäre ideal", sagt er. Und er schwärmt von Catalytic Partial Oxidation (CPO), einem von den Niederländern entwickelten neuartigen Verfahren: Der CPO-Reformer könne Benzin, Dieselöl und andere flüssige Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe in wasserstoffreiches Brenngas für die Brennstoffzelle umwandeln. Kuipers Credo, gleichzeitig offizielles Votum des Royal Dutch/Shell-Imperiums: Benzin ist dem Methanol beim Betrieb von Brennstoffzellen-Autos überlegen. Denn:

Methanol ist toxisch, Benzin zumindest nicht akut giftig. Methanol mischt sich in jedem Verhältnis mit Wasser und kann daher bei Unfällen ins Grundwasser übergehen. Methanoltanks an Tankstellen müßten daher in Betonwannen installiert werden, was Kosten verursachen würde. Methanol ist korrosiv. Daher müssen Leitungen und Dichtungen an Tankstellen neu verlegt oder ausgetauscht werden - wiederum ein Kostenfaktor. Außerdem sei - dank CPO - die Energieausbeute bei der Gewinnung wasserstoffreichen Brenngases aus Benzin größer als beim Einsatz von Methanol. Und zwar ohne daß dabei mehr Emissionen frei würden.

Diese Aussage steht in scharfem Kontrast zur Sicht des Daimler-Chrysler-Konzerns, der nach eigener Einschätzung bei der Entwicklung von Brennstoffzellen-Autos an der Weltspitze rangiert. In einer Verlautbarung anläßlich der Vorstellung des Necar 4-Fahrzeugs im März 1999 heißt es, bezogen auf Shells Benzin/CPO-Verfahren: "Dieser Prozeß hat, verglichen mit Methanol, mehr Emissionen und eine geringere Effizienz."

Gegensätzlicher geht es nicht. Pikanterweise urteilen hier nicht Konkurrenten, sondern Partner. Denn in einer Forschungskooperation mit Shell probt just ein Daimler-Chrysler-Tochterunternehmen, die dbb Fuel Cell Engines GmbH im baden-württembergischen Nabern, die Nutzung von Benzin für den Brennstoffzellenantrieb - mit Shells CPO-Verfahren. Ende 1999 sollen erste Ergebnisse des gemeinsamen Forschungsprojekts vorliegen.

Johannes Ebner, im "Projekthaus Brennstoffzelle" von Daimler-Chrysler für Infrastruktur - dazu zählt die Kraftstoff-Frage - und für Kommunikation verantwortlich, findet diesen Widerspruch gar nicht so rätselhaft. "In solchen Äußerungen", sagt er augenzwinkernd, "spiegelt sich eben ein Stück weit die Interessenlage."

Die Interessen des eigenen Hauses liegen auf der Hand. Der Methanol-Reformer, an dem Daimler-Forscher seit 1994 basteln, liefert ein hinreichend sauberes Brenngas, mit dem die Entwickler der Necar-Versuchsfahrzeuge inzwischen gut umzugehen gelernt haben. Mitten im Rennen wechselt man nicht so gerne das Pferd. Und auch anderen Partnern im Spiel wäre eine Methanol-Lösung sehr recht.

Methanol wird heute weltweit zu rund 70 Prozent aus Erdgas hergestellt. Häufig ist das Gas mit Erdöl vergesellschaftet - für manche Mineralölfirmen eine eher unliebsame Zugabe: Nach den geltenden Klimaschutz-Abkommen darf das Gas - größtenteils Methan - nicht mehr einfach abgefackelt werden, weil dabei CO2 frei wird, was den Treibhauseffekt verstärken würde. Also muß man das Erdgas abtransportieren: in verflüssigter Form - was viel Energie kostet - oder, nach chemischer Umwandlung an Ort und Stelle, zu flüssigem Methanol verarbeitet.

"Die weltweiten Produktions-Kapazitäten für Methanol, mehr als 30 Millionen Tonnen pro Jahr, sind nur teilweise ausgelastet. Zusätzlich könnte mit den vorhandenen Anlagen auch der Sprit für den Betrieb von drei bis fünf Millionen Brennstoffzellen-Autos erzeugt werden", sagt Johannes Ebner. Mineralölfirmen mit großen Erdgas-Vorräten oder mit einem bereits heute drükkenden Methanolproblem stehen einer kommenden Ära methanolbetriebener Autos sehr aufgeschlossen gegenüber. Ein prominentes Beispiel ist die norwegische Statoil mit ihren Nordsee-Erdgasfeldern.

Andere Mineralöl-Unternehmen folgen der alternativen Strategie: Sie wollen sich die gesamte Wertschöpfungskette vom Rohöl bis zu Tankstellenprodukten auch fürs 21. Jahrhundert erhalten. "Klar, daß diese Firmen versuchen, Kraftstoffe auf Rohölbasis wie Benzin - denn das ist nun mal ihr Kerngeschäft - für den BrennstoffzellenAntrieb ins Gespräch zu bringen", zeigt Ebner Verständnis.

"Es sprechen aber gute Gründe für den Kraftstoff Methanol", betont er und nennt zwei Argumente: Erstens die Abkehr von der "Monokultur Rohöl" im Verkehr, zweitens die einfache technische Integration des Antriebssystems in heutige Fahrzeuge.

Mit denselben Sorten Normal- und Superbenzin, die heute an den Zapfsäulen zu haben sind, könne man sowieso keine Brennstoffzellen-Aggregate betreiben. Man bräuchte Spezialbenzin, das erstens nur einen bestimmten Ausschnitt aus der Kohlenwasserstoff-Palette aktueller Kraftstoffe enthalten dürfe und zweitens entschwefelt sei.

Außerdem, so Ebner, kann die Reformierung eines Methanol-Wasser-Gemischs zu wasserstoffreichem Gas bereits bei zirka 250 Grad Celsius betrieben werden. Für die Reformierung von Benzin hingegen sind 800 bis 1000 Grad Celsius Prozeßtemperatur notwendig.

"Das verursacht deutlich mehr Werkstoffprobleme", urteilt der Daimler-Ingenieur und prophezeit: "Bis die Benzin-Reformierung einsatzbereit werden könnte, vergeht noch fast ein Jahrzehnt an Entwicklungsarbeit." Bis Ende 1999 will man im Rahmen des Forschungsprojekts mit Shell überprüft haben, was der CPO-Benzinreformer leistet. Shell-Forschungsmanager Herman Kuipers zweifelt keinen Moment am künftigen Erfolg seiner CPO-Technologie. Herzstück des CPO-Reaktors ist ein neuer Katalysator, an dessen Oberfläche die Kohlenwasserstoff-Moleküle des Benzins mit Luftsauerstoff zu einem Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Gemisch reagieren. Bei der Entwicklung kooperierte das Shell-Forschungsteam mit dem Katalyse-Experten Prof. David King an der Universität Cambridge.

"Wir haben sehr viel mit Simulationsprogrammen gerechnet, um bis hinunter auf die atomare Ebene die Grundlagen dieses Prozesses zu begreifen. Die Reaktion läuft ultraschnell: Rund zehn millionenmal pro Stunde wird eine Reaktorfüllung umgeschlagen, mehr als 2500mal pro Sekunde. Nur weil der CPO-Prozeß derart schnell abläuft, konnten wir den Reaktor klein genug machen, um unter die Motorhaube oder in den Wagenboden eines Autos zu passen."

Größte Herausforderung für die Autobauer ist es, die Anlagen für die Umwandlung des Kraftstoffs in Brenngas sowie die Brennstoffzellen selbst so zu miniaturisieren, daß sie in einem Pkw Platz finden (im Bild: ein Modell von Toyota), ohne die Zuladung mit Personen und Gepäck zu beeinträchtigen.

Doch auch die Konkurrenz im Methanol-Lager werkelt an einem großen Katalysator-Coup: Als Partner von dbb Fuel Cell Engines treibt der Ludwigshafener Chemiekonzern BASF die Entwicklung eines neuen Reaktionsbeschleunigers für Methanol-Wasserdampf-Reformer voran. Das Katalysatormaterial ist ein Feststoff aus den Oxiden von Kupfer, Zink und Aluminium.

"Wir können auf Erfahrungen im eigenen Haus aufbauen", sagt BASF-Gruppenleiter Dr. Klaus Harth. "Im werksinternen Rohstoffverbund erzeugen und verarbeiten wir in katalytischen Prozessen seit Jahren Gemische aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid.

Aber es war trotzdem ein gewaltiger Schritt von der Großchemie zum Wasserstoff- Erzeuger für ein Auto - das konnten wir keineswegs eins zu eins übertragen." Er erläutert: Katalysatoren für chemische Großanlagen sind auf gleichmäßig ablaufende Prozesse optimiert. Die Reformer in Brennstoffzellen-Autos hingegen müssen ständige Dynamik mitmachen: Bei Tempo 30 braucht der Reformer nur wenig Wasserstoff zu produzieren - doch beim Druck aufs Gaspedal muß er sofort genügend Brenngas für 120 Kilometer pro Stunde liefern. Anlagen der Großchemie können turmhoch gebaut werden. Doch der Methanol-Reformer fürs Auto hat ein Platzproblem. Mehr als etwa das Volumen eines kleinen Koffers sind nicht drin. Also mußte - im Vergleich zu Großchemie-Katalysatoren - die Leistungsdichte um mehr als das Zehnfache erhöht werden. Das heißt: Bezogen auf das gleiche Volumen liefert der automobile Reformer mehr als zehnmal soviel Wasserstoff. So hält Daimler-Chrysler sich für sein im April 1999 bekanntgegebenes kalifornisches Abenteuer gerüstet: Bis 2001 will das Unternehmen im Rahmen einer "California Fuel Cell Partnership" im bevölkerungsstärksten US-Bundesstaat fünf Brennstoffzellen-Fahrzeuge unter Alltagsbedingungen testen.

Mit von der Partie sind die Ford Motor Company und der kanadische Brennstoffzellen-Fabrikant Ballard Power Systems - beide Mit-Teilhaber an der dbb Fuel Cell Engines GmbH. Ebenfalls mit dabei: die Mineralölfirmen Arco, Shell und Texaco. Und das alles unter den wachsamen Augen der Regierungsbehörden California Air Resources Board sowie California Energy Commission, die ab 2004 von der Automobilindustrie die Einführung von Null-Emissions-Autos in Kalifornien fordern.

In diesem Tauglichkeitstest, der bis zum Jahr 2003 auf rund 50 Fahrzeuge ausgedehnt werden soll, wollen die Partner die kalifornische Öffentlichkeit auf die Markteinführung serienmäßiger Brennstoffzellen-Autos einstimmen. Auch Fragen der Tankstellen-Infrastruktur hoffen die Beteiligten zu klären. Zum Beispiel die Kostenfrage: Bislang kursieren, je nach Quelle, Zahlen von 20000 bis 200000 Mark für die Einrichtung von Methanol-Tanks und -Zapfsäulen an Tankstellen. Partner Arco - nach eigenem Bekunden der führende Hersteller umweltfreundlicher Spezialkraftstoffe - tanzt gleich auf zwei Hochzeiten. Außer dem oben geschilderten Vorhaben hat sich das Unternehmen, flankiert von den Mineralölfirmen Exxon und BP-Amoco, auch zur Kooperation mit der Konkurrenz verpflichtet: mit General Motors und deren deutscher Tochter Adam Opel AG. Auch Opel-Entwickler Dr. Erhard Schubert zählt zu denen, die Methanol als Kraftstoff für Brennstoffzellen-Autos favorisieren - zumindest für die erste Fahrzeuggeneration ab 2004. "Wir haben uns aber in der Diskussion mit unseren Mineralöl-Partnern noch nicht auf ein gemeinsames Kraftstoffkonzept festgelegt", schränkt er ein. "Für die Einführung ist die Methanol-Reformierung wahrscheinlich das einfachere Verfahren. Aber wir verfolgen auch den alternativen Weg der Reformierung von modifiziertem Benzin."

Gemeinsam mit seinem amerikanischen Kollegen Dr. Byron McCormick leitet Schubert das GAPC (Global Alternative Propulsion Center, Entwicklungszentrum für alternative Antriebe) in Mainz-Kastel. Neben Mainz gehören zwei US-Standorte in Warren/Michigan und Rochester/New York mit mehr als 200 Mitarbeitern zum Entwicklungsverbund.

Schubert sieht seine Mannschaft im weltweiten Rennen mit an vorderster Front: "Andere sind redseliger als wir, aber wir glauben, mit den Konkurrenten gleichauf zu sein." Das eigenentwickelte Brennstoffzellen-Aggregat Gen7 zum Beispiel sei auf technologisch gleichem Stand wie der aktuelle Stack des Daimler-Partners Ballard.

Aber auch die Opel-Ingenieure drückt der Schuh an der Unentschiedenheit der Kraftstoff-Frage. "Die Automobilhersteller müssen sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium auf einen gemeinsamen Basiskraftstoff einigen", lautet der beschwörende Appell von Co-Direktor McCormick.

"Fahrzeug und Treibstoff müssen vom Start weg gleichzeitig verfügbar sein", insistiert der General-Motors- Manager. "Nur dann wird das Brennstoffzellen-Auto ein Erfolg."

Thorwald Ewe

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