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Dossier Automotive-Batterien und Brennstoffzellen 560 km Reichweite, 56 % Wirkungsgrad

29.06.2015

Die Automobil-Industrie rechnet mit Batterien einer Energiedichte, die keine Reichweiten-Angst mehr schürt. „Hidden champions“ sind dagegen heute schon Brennstoffzellen – sowohl in Autos als auch stationär.

Energy 2.0 war am 18. Juni 2015 mit Experten aus dem Kreis seiner Leser unterwegs, um sich vor Ort über neueste Batterie-Trends und Projekte (siehe Dossier „Von der Zelle übers Strom-Konto bis zur Strom-Autarkie“) zu informieren. Zum Auftakt standen im Weiterbildungszentrum für innovative Energietechnologien der Handwerkskammer Ulm (WBZU) zunächst Brennstoffzellen im Fokus, über die wir in diesem Dossier berichten ebenso wie über Anwendungen in Gebäuden oder für die Ladeinfrastruktur (siehe unten).

Vom Nationalen Gipfel für Elektromobilität, der wenige Tage zuvor in Berlin stattgefunden hatte, und seinen Neuigkeiten in Bezug auf Automotive-Batterien und Elektromobil-Ladetechnikkonnte konnte brandaktuell Prof. Dr. Werner Tillmetz berichten, Vorstand des Zentrums für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) und Gastgeber der Energy 2.0-OnTour-Veranstaltung in Ulm.

Aktuelle Aspekte der Elektromobilität

Die Automobilindustrie hat mittlerweile ein hohes Interesse an Elektromobilität, bestätigte Prof. Tillmetz: Das geforderte Limit von 95 g/km lässt sich zumindest im Flottendurchschnitt nicht alleine mit Verbrennungsmotoren erreichen.

Insofern kann davon ausgegangen werden, dass die Elektromobilität auch in Deutschland einen Schub erhält – weltweit ist dies längst zu sehen: So schätzt Prof. Tillmetz, dass es zum gegenwärtigen Zeitpunkt eine Million Elektrofahrzeug weltweit geben dürfte; allein im Jahr 2014 wurden weltweit 320.000 Neuzulassungen registriert.

Führend in den absoluten Zulassungszahlen und damit Leitmarkt sind (teilweise entgegen der Wahrnehmung in Deutschland) laut Prof. Tillmetz momentan die USA noch vor China und Japan. Insbesondere in Kalifornien ist die Elektrifizierung schon weit vorangeschritten. In Norwegen sei derzeit jedes fünfte verkaufte Fahrzeug bereits ein Elektroauto, und auch die Niederlande gehören in Europa zu den Vorreitern.

Spezielle Anforderungen an Batterien für Elektromobile

Bei der Entwicklung von Automotive-Batterien in Li-Ionen-Technik stehe man jedoch „ganz am Anfang“, so der ZSW-Chef. Insbesondere die Schnellladung, die extremen Betriebstemperaturen von - 30 °C bis + 50 °C und die geforderte hohe Energiedichte stelle neben hohen Maßstäben bei Qualität, Sicherheit und Lebensdauer hohe Anforderungen.

Während man heute Batteriezellen mit etwa 230 Wh/l in Fahrzeugen findet, die Fahrten bis zu etwa 190 km erlauben, glaubt die Automobilindustrie bei 800 Wh/l und entsprechend 560 km ohne Nachladen die Reichweitendiskussion zum Verstummen bringen zu können.

Allerdings liegt eine solche Lithium-Ionen-Technologie noch in weiter Ferne. Mit verbesserten Elektroden sind heute 410 Wh/l möglich, die einem Fahrzeug der Golf-Klasse etwa über 300 km bringen, aber selbst 660 Wh/l und damit 460 km Reichweite lassen sich mit weiteren Verbesserungen wohl erst nach 2020 erreichen.

Zukunft Brennstoffzellen

Auch in Leitanbieter steht Deutschland momentan nicht gut da: Die Automobilindustrie verweist zwar auf derzeit 19 Modelle aus deutschen Landen, doch unter den drei weltweit am meisten verkauften Elektro-Modellen waren zwei Japaner: 2014 wurde der Nissan Leaf 57.000mal geordert, der Mitsubishi Outlander, ein Hybridfahrzeug, kam auf 26.000 Exemplare. Knapp davor lag noch das Tesla Model S mit 28.000 verkauften Autos.

Neuerdings setzen die Japaner schon auf Brennstoffzellenantrieb: Der Toyota Mirai sei in Japan ausverkauft; im Gegensatz zu Nordamerika ist er bei uns noch nicht zu haben. Die japanische Regierung habe sich festgelegt, die Wasserstoff-Technologie bis 2025 zu fördern.

Auch in Deutschland gibt es Bewegung: 50 H2-Tankstellen sind für die nächsten Jahre geplant. Bis 2025 sollen es sogar 500 werden. Grundlage dafür wird die Fortsetzung des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie von 2016-2025 sein, über die allerdings noch nicht endgültig entschieden ist.

Stationäre Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sind aber auch für stationäre Anwendungen zunehmend gefragt. Insbesondere in Japan, wo mit 100.000 stromerzeugenden Heizungen nun bereits die Schwelle zur Großserienproduktion überschritten ist, während sich in deutschen Landen erst etwa 1000 dieser Geräte befinden.

In den USA wird die dezentrale industrielle Stromerzeugung mit Hilfe von Brennstoffzellen immer beliebter, wo es in dicht besiedelten Innenstädten oft zu eng für neue Stromleitungen hergeht, erzeugen Brennstoffzellensysteme (etwa von Bloom Energy mit Schlüsselkomponenten von Plansee in Reutte, Österreich) Strom im Leistungsbereich von 50 bis 200 kW.

Daneben gibt es Anwendungen für Freizeitanwendungen (zum Beispiel von SFC Energy) oder in Flurförderfahrzeugen (beispielsweise von Fronius). Für den Behördenfunk und weitere sicherheitsrelevante Anwendungen sind Brennstoffzellen ebenfalls eine interessante Option.

Brennstoffzellen-Wirkungsgrade bis 56 %

So beispielsweise auch bei Heliocentris Fuel Cell Solutions. Das Unternehmen ist aus dem Notstrom-Spezialisten FutureE in Wendlingen hervorgegangen und seit 2014 Teil der Heliocentris-Gruppe, die weltweit rund 200 Mitarbeiter beschäftigt (Hauptsitz in Berlin, Niederlassungen in Vancouver und Dubai). Laut Sales Director Dieter Cuntz verfügen die Brennstoffzellensysteme seines Unternehmens zur Notstromversorgung über den höchsten Wirkungsgrad der Branche: 54 % bei Nennlast, maximal sogar 56 %. Die Brennstoffzellen laufen in wenigen Sekunden in ihrer Leistung hoch und können unterbrechungsfrei – als Batterie-Range-Extender oder Wechselstromversorgung – dann über viele Stunden den Betrieb von Anlagen garantieren. Aktuelles Beispiel ist das Range-Extender-Projekt für Batteriebänke eines Stellwerks der Deutschen Bahn.

Bei kommerziellen Mobilfunkstationen öffentlicher Netzbetreiber werden heute meist noch Batterielösungen eingesetzt, da nur wenige Stunden garantierte Stromversorgung genügen. Der sicherheitskritische Behördenfunk (Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben, BOS) dagegen benötigt eine garantierte Versorgungsdauer von bis zu 72 Stunden, die sich durch ein ausreichend großes Wasserstoff-Depot garantieren lässt: Ein handelsüblicher 300-bar-Stahlbehälter ergibt beim genannten Wirkungsgrad etwa 18 kWh elektrische Energie; die gängigen 12er-Bündel könnten ein 2-kW-Modul somit beispielsweise länger als 100 Stunden versorgen.

Die umweltverträglicheren Brennstoffzellen punkten wirtschaftlich vor allem gegenüber Dieselgeneratoren, da diese nach Angaben von Cuntz oft Startprobleme haben und der Kraftstoff im Laufe der Zeit altert, so dass für regelmäßige Wartungen und Probebetriebe mehrere Standortbesuche pro Jahr nötig seien. Eine Jupiter-Ersatzstromversorgung von Heliocentris könne daher in den Gesamtkosten bereits nach zwei Jahren günstiger sein als ein Diesel-System.

Über Elektrolyse ist sogar ein Betrieb ohne Wasserstoff-Logistik möglich, weil verbrauchter Wasserstoff vor Ort wieder ergänzt wird, wann immer der Strom zur Verfügung steht. Eine solche Anlage mit Elektrolyseur hat Heliocentris bereits 2012 an einen großen Mobilfunkbetreiber aus der Türkei geliefert, um eine entlegene Mobilfunk-Basisstation in Bursa 48 Stunden abzusichern. Derzeit entwickelt Heliocentris eine Lösung, die Elektrolyseur und Wasserstoffspeicher zusammen mit der Jupiter-Brennstoffzelle integriert.

Weitere Informationen

Energy 2.0 -Dossier Neueste Batterie-Trends und Projekte: Von der Zelle übers Strom-Konto bis zur Strom-Autarkie

Gleichstrom-Kopplung von Batterien: Das Leuchtturmprojekt „Smart Green Tower“

Bildergalerie

  • Notstrom im Einsatz: Peter Pioch (WBZU) erläutert die Funktionsweise des Jupiter-Gerätes von Heliocentris.

    Bild: S.Quente / Urban 2.0

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