Hermann Pütter

Welch ein Wandel! Noch im September 2007 schlugen deutsche Autobauer der Nobelklasse Alarm. Der Plan, den CO₂-Ausstoß der Neuwagen bis 2012 auf 120 g/km zu begrenzen, sei weltfremd und physikalisch unsinnig. Kein Jahr später präsentiert Daimler mit dem F 700 den Prototyp einer Luxuslimousine, die den Grenzwert nur noch um 9 Gramm verfehlt. "Der schöne Traum vom Öko-Auto", betitelt die Frankfurter Allgemeine im März dieses Jahres einen Bericht über neue sparsame Autokonzepte. Im Juli kann die Wirtschaftswoche das Batterieauto zum Titelthema machen. In anderen Ländern ist es ähnlich, auf den internationalen Autoshows liegen die Spitzenmanager der Autoindustrie im Sängerwettstreit um das Loblied auf das CO₂-arme Auto.
Auch die Ölfirmen stimmen ein. So verspricht Exxon in einer zweiseitigen Anzeige: "If you love hybrids, you'll love our new separator film. In Europe, if just 10% of the petrol vehicles were replaced by hybrids, you're talking about reducing CO₂ emissions by the equivalent of taking more than 3 million petrol vehicles off the road." Der Ölgigant forscht gegen den eigenen Markt.
Shell stellt ein neues Verfahren für einen Wunderdiesel vor, der bis zu 40% weniger CO₂ ausstößt als herkömmlicher Diesel. Das Verfahrensschema erinnert an Alchemistenstuben aus Kinderbüchern. Erdgas und Biomasse gelangen in verschlungene Retorten. "Chemie + neues Denken = bessere Stadtluft" lautet die Reaktionsgleichung.

Wie soll man diese und viele andere Äußerungen nüchtern deuten? Zweifellos findet zurzeit ein dramatisches Umdenken statt, das teilweise auch zu skurrilen Blüten führt. Aber es gibt auch Fakten: Das Hybridauto ist Realität, 2007 überschritten die Verkaufszahlen des Prius von Toyota die Millionengrenze. Ein Paradigmenwechsel findet statt. Die verstreuten Signale, fügen sich plötzlich zu einem einheitlichen Bild zusammen: Klimawandel, Peak-Oil (die Überschreitung des Ölfördermaximums), die Wohlstandsentwicklung in den Schwellenländern, die Explosion von Energie- und Rohstoffpreisen sowie viele Umwelt- und Wirtschaftphänomene zeigen unzweideutig: die Zeit des klassischen Autos geht dem Ende zu. Die Hoffnung auf Brennstoffzellenautos und Biokraftstoffe, die uns in ferner Zukunft eine weiche Landung in der neuen Realität versprechen, schwinden. Um eine harte Landung zu verhindern, muss das Auto rasch auf Effizienz getrimmt werden.
Für die Autofahrer ist es schwer, zwischen Visionen und echten Optionen zu unterscheiden. Am Beispiel der Elektrochemie lässt sich das gut zeigen.

Batterien eher heute als morgen und Brennstoffzellen in der weiteren Zukunft - zwei elektrochemische Aggregate stehen im Zentrum der Entwicklung. Für die Versorgung der Brennstoffzellen mit Wasserstoff soll ein drittes elektrochemisches Verfahren sorgen, die Wasserelektrolyse. Die drei sollen die Energie fürs Auto liefern. Strom und Wasserstoff können seine Effizienz mehr als verdoppeln: Heute wird kaum ein Fünftel der eingesetzten Energie genutzt, in Zukunft soll es mehr als die Hälfte sein. Was steht zu erwarten?
Abbildung 1 zeigt das gemeinsame Grundprinzip der drei Systeme. Zwei Elektroden, Anode und Kathode, tauchen in zwei Räume mit Anolyt und Katholyt, die durch eine für Ionen durchlässige Wand getrennt sind. An den Elektroden wird chemische Energie in elektrische Energie umgesetzt und umgekehrt, gleichzeitig wandern Elektronen und Ionen. Dies kann im Prinzip verlustfrei erfolgen. In der Realität sind diese Reaktionen mit einer Fülle von Verlusten begleitet. Um diese zu minimieren, hat jedes Verfahren ganz spezifische Elektroden, Separatoren, und Elektrolyte entwickelt.
Bei der Brennstoffzelle gibt es verschiedene Systeme, die auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten. Für das Auto wichtig ist die so genannte PEM-FC (polymer electrolyte membrane fuel cell) mit einer Betriebstemperatur zwischen 80° - 90°C. Poröse Elektroden bedecken beide Seiten einer Kationenaustauschermembran, welche die Rolle des Elektrolyten mit übernimmt. Der Anodenraum wird mit Wasserstoff begast, der Kathodenraum mit Luft. An der Anode wird Wasserstoff oxidiert und wandert in Form von Protonen zur Kathode. Dort werden sie zusammen mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser reduziert. Die Verbrennungswärme des Wasserstoffs (H₂ + ½ O₂  →  H₂O) kann in Form von Strom abgegeben werden. Aus 1 kg H₂ könnten 120 MJ gewonnen werden.
Wie aus Abbildung 1 ersichtlich werden aber nur etwa 85 MJ erzielt. Der Rest geht als Wärme verloren.

Abbildung 1: Batterie, Brennstoffzelle, Wasserelektrolyse. Gemeinsamkeiten - Unterschiede

In der Wasserelektrolyse verläuft die Reaktion in umgekehrter Richtung. Wasser wird unter Einsatz von Strom in seine Elemente gespalten. Für kleinere Einsätze dienen Membranzellen mit Kationenaustauschermembranen. Das heute großtechnisch etablierte Verfahren ist die alkalische Wasserelektrolyse mit wässriger KOH als Elektrolyt in beiden Elektrodenräumen. Um ein kg Wasserstoff zu erzeugen, werden mehr als 120 MJ elektrische Energie benötigt, nämlich etwa 160 MJ.
Offensichtlich ist die Reversibilität der beiden Verfahren nicht besonders ausgeprägt, wenn 160 MJ Strom in der Wasserelektrolyse für 1 kg H₂ aufgewendet werden und daraus in der Brennstoffzelle nur 85 MJ wiedergewonnen werden. Wie wir sehen werden, sieht die Realität noch etwas ungünstiger aus.
Viele Batterien arbeiten mit höherer Reversibilität: Aus 1 MJ gespeichertem Strom können 0,8 MJ wieder abgegeben werden. Beim Laden und Entladen der Batterie wechseln die Elektroden jeweils ihre Rollen und die Ionen, meistens Kationen, ändern ihre Wanderungsrichtung. Die Trennwand muss die Ionenwanderung fördern, sie hat aber auch die Aufgabe, die Elektroden sicher zu trennen. Wenn die Trennwand versagt, und zwei Bereiche mit hohem Energieinhalt zusammentreffen, wird spontan sehr viel Wärme freigesetzt, wie Unfälle mit Batterien gezeigt haben.

Die Lithium-Ionen-Batterie nimmt eine Spitzenstellung in der Energiedichte ein und ist gleichzeitig ein Stromspeicher mit hohem Wirkungsgrad. Deshalb ist sie für die nächste Generation von Hybridautos so attraktiv.

Abbildung 2: Lithium-Ionen-Batterie

Abbildung 2 zeigt das Funktionsprinzip der Lithium-Ionen-Batterie. Die eine Elektrode besteht aus Graphit, die andere aus einem Metalloxid, wobei das Metall z.B. Kobalt, Nickel oder Mangan sein kann. Graphit hat die Eigenschaft, Lithiumionen zwischen seine Kohlenstoffschichten einzulagern, wenn er als Kathode geschaltet wird. Das entstehende Produkt ist ein starkes Reduktionsmittel. Die genannten Oxide sind umgekehrt Oxidationsmittel. Man hat diese Oxide chemisch so modifiziert, dass sie, kathodisch geschaltet, ebenfalls Lithium-Ionen in ihr Kristallgitter aufnehmen. Mit den entsprechenden Elektrolyten ist dieser Prozess auf beiden Seiten reversibel und über viele Lade- und Entladezyklen sehr stabil. Der (geringe) Verlust an elektrischer Energie resultiert aus den Widerständen des Systems, die bei Stromfluss zu Wärmeentwicklung führen. Um diese Verluste zu minimieren, werden die (im geladenen Zustand) hochreaktiven Elektroden so dicht wie möglich aneinander gepackt. Der Separator ist entsprechend dünn. Eine schmale Gratwanderung zwischen Effizienz und Sicherheit. Deshalb forscht nicht nur Exxon intensiv daran, zuverlässige Separatoren zu entwickeln.

Die Schwellenländer erhöhen ihren Energiebedarf rasch. Mobilität und Gütertransport bilden die wichtigste Säule dieser Entwicklung. Jährlich erreichen dort viele Millionen Menschen das Wohlstandsniveau der Industrieländer. Die Automobilflotte der Welt wird in den nächsten zwei Dekaden voraussichtlich um ein Drittel Fahrzeuge anwachsen. Nicht nur Schwellen- und Entwicklungsländer treiben den Kraftstoffkonsum an, ein exemplarisches Beispiel aus Deutschland (Abbildung 3): In den letzten 15 Jahren hat der Flugverkehr überproportional zugenommen. Dies gilt nicht nur für Deutschland. Die weltweite Flugzeugflotte (mit >100 Passagierplätzen) soll auf 220% des heutigen Wertes in zwanzig Jahren anwachsen.

Abbildung 3: Kraftstoffe im Vergleich: CO2-Emissionen, Kosten. Wie sieht die Zukunft aus?

Alle diese Entwicklungen erzwingen drastische Effizienzschübe - eine Herkulesaufgabe. Der spezifische Kraftstoffverbrauch der Flugzeuge soll durch technische Maßnahmen um 60% gesenkt werden. Dies kann den Zuwachs an Energiebedarf aber nur abschwächen, also müssen andere Bereiche noch effizienter werden. Die globale Senkung der CO₂-Emissionen verschärft die Herausforderung noch. Eine McKinsey-Studie (The Carbon Productivity Challenge: Curbing Climate Change and Sustaining Economic Growth) kommt zu dem Schluss, dass wir eine CO₂-Revolution brauchen, die in 40 Jahren die CO₂-Effizienz verzehnfacht. Dies erzwingt eine Verhaltensänderung bei Unternehmern und Verbrauchern.
Da Mobilität nicht nur ein bedeutender Energieverbraucher ist, sondern auch erhebliche Effizienzpotenziale aufweist, ist es klug, hier einen Schwerpunkt zu setzen.

Nach Daimler-Chef Dieter Zetsche bleibt es nicht aus, dass es für grüne Technik auch einen Preisbaustein geben wird (FAZ 21.06.08). Dies ist zwar nicht zwingend, aber wohl tendenziell richtig. Auch der Stern-Review, der die Kosten der CO₂-Reduktion berechnet hat und 2007 zusammen mit den Berichten des IPCCs oft diskutiert wurde, geht davon aus. Was kommt auf den Autofahrer zu?

Abbildung 4: Luftverkehr: Nutzung verzehrt Effizienz

Abbildung 4 zeigt die Relation zwischen CO₂-Emissionen und Kosten pro Kilometer. Noch vor wenigen Jahren ergingen sich vielfältige Studien in Kalkulationen zu Investitions- Betriebs- und Kraftstoffkosten bis ins letzte Detail. Die Basis war meist der Ölpreis um die Jahrtausendwende. Kühne Prognosen gingen von einer Verdoppelung des Preises bis 2030 aus. Dass diese Situation schon 2006 eingetreten ist und sich bisher zügig fortsetzt, konnte nicht vorausgesehen werden.
Trotzdem ist es sinnvoll, sich die Alternativen anzuschauen. Offensichtlich haben Wasserstoff, Methanol und einige Biokraftstoffe ein erhebliches CO₂-Einsparpoten-zial. Insbesondere, wenn Wasserstoff aus der Elektrolyse kommt und in der Brennstoffzelle genutzt wird, sinkt der CO₂-Ausstoß erfreulich.
Das Koordinatensystem ist allerdings aus verschiedenen Gründen fraglich:

• Das Potenzial der Verbrennungsmotoren ist noch nicht ausgeschöpft. Was spricht dagegen, dass das Drei-Liter-Auto in Gestalt eines attraktiven Mittelklassewagens eine Renaissance erfährt? Vermutlich wird die Batterie auch im konventionellen Auto eine starke Rolle spielen. Die Grenzen zwischen einem "Full-Hybrid", bei dem Strom oft den gesamten Antrieb übernimmt, und sogenannten "Mikro"- und "Mild-Hybrids", bei denen die Batterie nur unterstützend eingreift, sind fließend.
• Bei Biokraftstoffen sind erhebliche Fragezeichen angebracht, die ihre Wirtschaftlichkeit und die Klimagasemissionen betreffen. Tatsache ist aber, dass bei umsichtigerer Einführung der Biokraftstoffe, als dies bisher der Fall war, durchaus Effizienzpotenziale bestehen. Hier kann die Elektrochemie indirekt helfen, wie wir sehen werden.
• Abbildung 5 zeigt, wie die Gewichte unserer Autos innerhalb von Modellserien angestiegen sind. Nicht berücksichtigt ist hierbei der Trend zum Geländewagen, dem beliebten Vehikel für den Brötcheneinkauf. Das Gewicht der Fahrzeuge könnte ohne Not deutlich reduziert werden, damit sänke der Kraftstoffbedarf. Durch Beschränkung auf das Sinnvolle und mit neuen Werkstoffen und neuen Werkstoffanwendungen (z.B. mit Kunststoffen und Leichtmetallen), die großenteils aus elektrochemischen Verfahren stammen, kann das konventionelle Auto um ein Viertel oder gar ein Drittel sparsamer werden.
• Die Rolle des Stroms für Wasserstoff wird überschätzt. Wasserelektrolysen werden auch in Zukunft nur in Sonderfällen (wenn Wasserkraft reichlich vorhanden ist) mit regenerativem Strom versorgt. Mit Strom aus fossilen Kraftwerken, steigen die CO₂-Emissionen sogar, wie wir sehen werden.

Abbildung 5: Entwicklung der Gewichte einiger vergleichbarer Modellreihen europäischer Autohersteller

	Kontakt Dr. Hermann Pütter Haardter Str. 1a 67433 Neustadt Tel.: +49 (0)6321 88566 Fax: +49 (0)6321 88566 E-Mail: puetter-neustadt@t-online.de	Literaturhinweise [1] Wasserelektrolyse, Steamreforming: M. Baerns, A. Behr, A. Brehm, J. Gmehling, H. Hofmann, U. Onken, A. Renken, Technische Chemie, Wiley-VCH, Weinheim 2006, Seite 419 ff [2] Methanol: George A. Olah. A. Goeppert, G.K. Surya Prakash, Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy, Wiley-VCH, Weinheim 2006 [3] Wasserstoff: J.J Romm, Der Wasserstoff-Boom, Wiley-VCH, Weinheim 2006 [4] Elektrofahrzeuge: D. Naunin, Herausgeber, Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge, Expert-verlag, Renningen 2007