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Hoffnungsträger Wasserstoff – Zukunftstechnologien im Check

Welche Rolle spielt Wasserstoff bei der Gestaltung einer Logistik ohne Treibhausgas-Emissionen? Der Energieträger H2 im Check.

Im Rahmen der Serie „Aus dem Zukunftslabor“ werden Ergebnisse aus dem Bereich Corporate Research & Development präsen­tiert, die in enger Zusammenarbeit mit unterschiedlichen Fachbereichen und Niederlassungen sowie dem DACHSER Enterprise Lab am Fraunhofer IML und weiteren Forschungs- und Technologiepartnern entstanden sind.

Die Erwartungen in Transport und Logistik an den Energieträger Wasserstoff (H2) sind hoch. Diese Hoffnungen sind durchaus gerechtfertigt. Nur das im Universum am häufigsten vorkommende chemische Element bietet drei grundlegende Klimaschutzperspektiven, auch wenn noch eine Reihe von Hindernissen zu überwinden sind.

Entscheidend ist zum einen die Möglichkeit, das flüchtige Gas völlig emissionsfrei herzustellen. Mittels Elektrolyse wird Wasser (H2O) durch die Zufuhr von Strom in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Dies gilt als klimafreundlich, sofern der Strom aus regenerativen Quellen wie Sonne, Wind oder Wasserkraft stammt.

Da die Elektrolyse ein knappes Drittel mehr Energie benötigt, als am Ende im Wasserstoff gespeichert ist, gilt die Bereitstellung von genügend kostengünstigem grünem Strom als elementare Herausforderung auf dem Weg zur nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft.

Ein weiterer Aspekt, der oftmals vergessen wird: Für die Elektrolyse wird derzeit noch Süßwasser in Trinkwasserqualität benötigt – knapp zehn Liter pro Kilogramm Wasserstoff. Dies bedeutet für sonnenenergiereiche Wüstenregionen, die als zentrale H2-Produktoinsstandorte auf Basis von Photovoltaikstrom im Gespräch sind, zusätzliche Investitionen in Meerwasserentsalzung.


Der zweite Grund, warum auf Wasserstoff so viele Erwartungen ruhen: H2 ist der Grundbaustein für alle synthetischen Kraftstoffe, die auch als eFuels, Powerfuels, Power-to-Liquid oder Power-to-Gas bezeichnet werden. Das erste Element des Periodensystems lässt sich mit Kohlenstoff und Sauerstoff zu unterschiedlichen Kohlenwasserstoffketten verbinden. Sei es Methan, Methanol, Diesel oder Kerosin. Herausforderung hier: Der Energieaufwand für diese Verfahren ist ebenfalls hoch.

Vergessen wird oft, dass neben dem grünen Wasserstoff als weiterer Baustein Kohlendioxid benötigt wird, das zuvor der Atmosphäre emissionsfrei entnommen werden muss. Nur dann ist der eFuel klimaneutral. Vom regenerativen Strom am Anfang der Prozesskette bleiben je nach Powerfuel nur 40 bis 60 Prozent der Energiemenge erhalten. Aus diesem Grund sind die Verfahren oftmals unwirtschaftlich. Aber wenn Strom oder Wasserstoff nicht direkt für Antriebe oder zum Energietransport genutzt werden können, sind die eFuels eine wertvolle Option, die zum Beispiel in der See- und Luftfahrt zum Einsatz kommen könnten.

H2 als „Motor“ der Brennstoffzelle

Der dritte und entscheidende Grund, warum H2 ein wichtiger Lösungsbaustein ist: Wasserstoff lässt sich völlig frei von Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen in elektrischen Strom zurückverwandeln. Dies geschieht in der Brennstoffzelle, die quasi das Gegenstück zur Elektrolyse darstellt. Im Rahmen einer sogenannten Redox-Reaktion werden Elektronen vom Wasserstoff zum Luftsauerstoff übertragen. Dabei entsteht elektrischer Strom, mit dem sich Motoren antreiben oder Batterien aufladen lassen. Als „Abfallprodukte“ entstehen nur sauberer Wasserdampf und Wärme. Bei Nutzfahrzeugen kommt die Proton Exchange Membrane-Brennstoffzelle (PEM Fuel Cell) zum Einsatz, die über einen hohen Wirkungsgrad verfügt. Ein Wechselbrückenzug würde knapp zehn Kilogramm H2 auf 100 Kilometer verbrauchen, so das Simulationsergebnis einer DACHSER-Untersuchung.


Trotz erster positiver Erfahrungen mit PEM-Prototypen- und Kleinserien-Lkw hat die Brennstoffzelle bis zur wirklichen Praxistauglichkeit noch einige Details zu meistern: So müssen beispielsweise sowohl der getankte Wasserstoff als auch der angesaugte Luftsauerstoff extrem rein sein, damit die empfindlichen Bauteile der Brennstoffzelle nicht zu schnell verunreinigen und die Lebensdauer des Systems beeinträchtigt wird. Neben aufwändiger Luftfiltertechnik benötigen die Automobilhersteller hierfür H2 5.0, was bedeutet, dass der Wasserstoff einen Reinheitsgrad von mindestens 99,999 Prozent vorweisen muss. Eine hohe Anforderung für das gesamte H2-Versorgungssystem.

Eine weitere Herausforderung: Wie soll der Wasserstoff am besten im Lkw gelagert werden? In Drucktankflaschen mit 350 bar wie bei Bussen schon heute üblich? Oder unter Kälte verflüssigt, vergleichbar dem LNG-Prinzip? Hier gehen die Hersteller noch unterschiedliche Wege. Zu erwarten ist, dass überall da, wo großes Ladevolumen und Reichweiten von hoher Relevanz sind, eher ein Tank mit flüssig-kaltem H2 von Vorteil sein wird.

Fazit: Wasserstoff hat das Potenzial sich neben der direkten Nutzung von regenerativen Strom als die entscheidende Technologie für Transport und Logistik zu etablieren. Ob und wie es dem Hoffnungsträger gelingen wird, die hohen Erwartungen zu erfüllen, wird sich bis spätestens Ende dieses Jahrzehnts gezeigt haben. Immer mehr Nutzfahrzeughersteller machen sich auf den Weg, die Zukunftstechnologie in eine Innovation für Klimaschutz und Logistik zu verwandeln.

Ansprechpartner Raisa Mertens