Das Rendezvous der Industrie mit Wasserstoff steht vor der Tür

Wasserstoff (H2) ist das am häufigsten vorkommende Element auf der Erde und ein Anwärter auf einen nachhaltigen Kraftstoff für die Automobil-, Luftfahrt-, Eisenbahn- und Schifffahrtsbranche. Wasserstoff-Brennstoffzellen können große Mengen an sauberer Elektrizität speichern, weit mehr als elektrische Batterien und Kondensatoren. Allerdings werden bei der heutigen H2-Produktion zu 90 % CO2-emittierendes Erdgas und Technologien zur Bildung von Legierungsdampf verwendet, die mit hohen Umweltkosten verbunden sind. Die nachhaltige Alternative zu diesem “grauen” H2 ist “grünes” H2, das mit Wind- und Sonnenenergie erzeugt wird und bei dem als einziges Nebenprodukt Wasser anfällt. Der künftige Erfolg von Wasserstoff als Energiequelle hängt von der raschen Entwicklung dieses “grünen” H2 der nächsten Generation ab.

Natürlich gibt es noch weitere Herausforderungen. Wasserstoff ist aufgrund von Leckagen schwer zu transportieren, da seine Moleküle Kunststoff durchdringen und Metall schwächen können. Er verdünnt sich schnell in der Luft, ist leicht entflammbar und nicht wettbewerbsfähig mit alternativen Energiequellen. Hinzu kommt, dass jeder Sektor – Automobil, Luftfahrt, Bahn und Schifffahrt – eine maßgeschneiderte H2-Wertschöpfungskette benötigt, um rentabel zu sein.

Automobilindustrie

Das Hauptargument für den Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen in Elektrofahrzeugen ist die größere Reichweite und die schnellere Aufladezeit im Vergleich zu Elektrobatterien. Dennoch sind einige in der Automobilindustrie skeptisch gegenüber H2-betriebenen Autos. Tesla, Volkswagen und Mercedes haben alle die Realisierbarkeit von Wasserstoffantrieben in Frage gestellt und setzen auf die elektrische Batterie, um ihre Fahrzeuge in Zukunft anzutreiben.

Der Einsatz von Wasserstoff wird durch die hohen Kosten für Technologie und Infrastruktur blockiert, die die Kosten von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV) im Vergleich zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (EV) erheblich erhöhen. Diese Kritik ist im Lkw-Sektor sogar noch ausgeprägter. Dennoch sind große Diesel-Lkw für 40 % der Treibhausgasemissionen des Verkehrssektors und für 5 % der CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen verantwortlich. Wasserstoff kann also in der Automobilindustrie eine Rolle spielen, vor allem wenn es um Fahrzeugflotten und eine intensive Nutzung geht, die für Privatfahrzeuge nicht relevant ist.

Luftfahrt

In der Luftfahrt ist die Situation noch komplizierter, da die Integration von Wasserstoffsystemen mit erheblichen technischen und sicherheitstechnischen Herausforderungen verbunden ist. Die einzige Lösung für die Luftfahrt ist flüssiger Wasserstoff (LH2). Aber selbst in dieser Form wird im Vergleich zu Benzin oder Dieselkraftstoff das dreifache Volumen an Lagerraum benötigt. Außerdem müsste LH2 unter -253°C gehalten werden, um flüssig zu bleiben, was Probleme beim Wärmemanagement mit sich bringt. Darüber hinaus würde sich die Verwendung von Wasserstoff auch auf die Konstruktion der Flugzeugzelle auswirken, da die Möglichkeit von Flügeltanks entfällt.

Das beste Beispiel dafür ist das im Jahr 2000 im Rahmen des 5. Rahmenprogramms der Europäischen Kommission finanzierte Kryoplankonzept^[1] oder die jüngsten “Pod”-Patente von Airbus^[2]. Bei diesen Konzepten würde LH2 in zylindrischen, unter Druck stehenden Kryotanks gespeichert, die in den Rumpf integriert oder in einen einzelnen Propellertriebwerksblock eingebettet wären. Dies würde H2 auf regionale Flugreisen mit kurzer bis mittlerer Reichweite beschränken, entweder als Alternative zu Kerosin in einer modifizierten Gasturbine oder als Stromgenerator, der nahezu keine Treibhausgase emittiert, um die Elektromotoren anzutreiben.

Schiene

Der Bahnsektor ist ein Hoffnungsträger für H2, da er im Gegensatz zu Pkw, Bussen und Lkw keine massiven Investitionen in die Elektrifizierung der Fahrzeuge erfordert. Der Dieselmotor treibt einen Generator an, der wiederum den Elektromotor des Zuges antreibt. Außerdem legt die Bahn täglich große Entfernungen zurück, so dass Gewicht und Volumen der Wasserstofftanks kein Problem darstellen würden. Die Auswirkungen auf die Sicherheit könnten auch dadurch minimiert werden, dass die Tanks auf dem Dach platziert werden, zusammen mit Lüftern, die austretendes H2 in der Umgebung verdünnen.

Schifffahrt

Der maritime Sektor ist an Wasserstoff interessiert, um Fähren, Lastkähne und sogar Yachten mit bestehenden Brennstoffzellen bis zu 500 KW und Fracht- oder Großfähren, die die Entwicklung von 20-MW-Brennstoffzellen erfordern würden, zu betreiben. Eine weitere Verwendung ist die Abschaffung von Dieselmotoren und Schweröl, die heute im Hafen Strom an Bord erzeugen.

Angesichts des großen Interesses an H2 ist es nicht verwunderlich, dass die französischen Regionen Auvergne-Rhône-Alpes, Bourgogne-Franche-Comté, Grand Est und Occitanie den allerersten Auftrag für wasserstoffbetriebene Elektro-Wasserstoff-Züge unterzeichnet haben^[3]. Jean-Baptiste Djebbari, Delegierter Minister für Verkehr im französischen Ministerium für den ökologischen Übergang, hat 47 Millionen Euro für die Entwicklung von Wasserstoffzügen bereitgestellt, während Städte von San Francisco über Paris bis Singapur mit H2-betriebenen Elektrobooten experimentieren.

Es wird nicht erwartet, dass H2 andere Kraftstoffe ersetzen wird. Vielmehr wird es zusammen mit anderen Kraftstoffen eingesetzt, um die beste Mischung aus Ressourcen, Produktions- und Speichersystemen zu finden, die einen sicheren Transport von Gütern und Personen und eine Verringerung der Umweltverschmutzung zu wettbewerbsfähigen Kosten ermöglicht.

Capgemini ist bestrebt, Teil der Wasserstoffzukunft zu sein, und hat mehrere Projekte in Arbeit, darunter:

• Entwicklung eines Modells zur Einbeziehung von Brennstoffzellen als Hilfssysteme in den Antriebsstrang von Elektro-/Hybridfahrzeugen
• Entwicklung von Systemen zur Integration der Wasserstoffspeicherung durch Optimierung der Leistung der Speicherausrüstung
• Senkung der Herstellungs- und Betriebskosten und Gewährleistung der Zuverlässigkeit

Das ist nur der Anfang.

^[1]Fact sheet, “Liquid hydrogen fueled aircraft – system analysis (CRYOPLANE),” European Commission
^[2]“These pods could provide a blueprint for future hydrogen aircraft”, Dec. 15, 2020, Airbus
^[3]Press release, “First order of hydrogen trains in France – a historic step towards sustainable mobility,” Apr. 8, 2021, Alstom