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Energie- und Umwelttechnik

Potenzial einer kostengünstigen Brennstoffzelle für Autos aufgezeigt

Brennstoffzellen produzieren elektrische Energie aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Neben der Energie entstehen dabei nur Wasserdampf und Wärme. Das Paul Scherrer Institut PSI und die Belenos Clean Power AG haben nun ein Brennstoffzellensystem entwickelt, das das Potenzial aufweist, kostengünstig in einen Kleinwagen eingebaut zu werden, der dann über seine Lebenszeit ähnlich viel kosten würde wie ein herkömmliches Auto. Für diesen wichtigen Schritt in Richtung umweltfreundliche Mobilität erhalten PSI und Belenos den «Watt d’Or 2011», die Auszeichnung für Bestleistungen im Energiebereich des Schweizerischen Budesamtes für Energie, in der Kategorie «Energieeffiziente Mobilität».

Brennstoffzellen erzeugen elektrischen Strom ohne gleichzeitig Kohlendioxid (CO2) zu produzieren. Wird der benötigte Wasserstoff mithilfe nicht fossiler Energien – etwa Sonnenenergie – hergestellt, ist die Stromgewinnung CO2-arm. Als transportabler Stromlieferant in elektrisch getrieben Fahrzeugen, könnte die Brennstoffzelle dadurch einen wichtigen Beitrag zu einer umweltfreundlichen Mobilität beitragen. «Gerade bei Fahrzeugen, die lange Strecken fahren und so heute überproportional zur CO2-Belastung beitragen, bietet die Brennstoffzelle eine Möglichkeit, bei einer akzeptablen Reichweite – die bei 400 km beginnt – vom Benzin und Diesel wegzukommen», erklärt Philipp Dietrich vom Paul Scherrer Institut. Das Institut hat schon in den Jahren 2002 und 2004 mit Industriepartnern Brennstoffzellenfahrzeuge präsentiert. Soll die Brennstoffzelle aber Grundlage umweltfreundlicher Mobilität werden, reicht es nicht, zu zeigen, dass die Brennstoffzelle funktioniert. Die Aufgabe ist, ein Brennstoffzellensystem zu realisieren, dass bei grossen Stückzahlen das Potenzial hat, so kostengünstig hergestellt zu werden, dass ein damit ausgerüstetes Auto über die gesamte Einsatzdauer gemittelt möglichst nicht teurer wäre als ein herkömmliches.

Brennstoffzelle für innovative Personenwagen
Nun hat das PSI gemeinsam mit der Belenos AG ein Brennstoffzellensystem entwickelt, das Grundlage für einen solchen Fahrzeugantrieb darstellen könnte. Für diese Entwicklung erhalten PSI und Belenos den «Watt d’Or 2011» in der Kategorie «Energieeffiziente Mobilität». Dabei ist für die Entwicklung dieses Brennstoffzellensystems die Kooperation zwischen dem PSI und Belenos, die eng mit der Swatch Group verbunden ist, entscheidend. Das PSI trägt das genaue Verständnis für die Vorgänge in der Brennstoffzelle bei. Über Belenos können spezifisches Material-Know-how und Erfahrungen mit der Serienfertigung von Komponenten aus Unternehmen der Swatch Group genutzt werden. «Prozesse, die bei der Herstellung von Swatch-Produkten wichtig sind, werden auch bei den Brennstoffzellen relevant sein», so Dietrich. «Mit dem Wissen über die Produktionsverfahren, kann man die Brennstoffzelle als System so gestalten, dass die Kosten möglichst niedrig ausfallen, wenn man mal 100’000 Stück pro Jahr produziert.»

Zahlreiche Innovationen
Der offensichtlichste Unterschied zu Brennstoffzellensystemen, wie sie sonst meistens genutzt werden: Statt Sauerstoff aus der Luft zu nutzen, wird die Zelle hier mit reinem Sauerstoff versorgt, der im Auto mitgeführt wird. Damit erspart man es sich, den Sauerstoff aus der Luft durch aufwendige Geräte im Fahrzeug für den Einsatz aufzubereiten und erhält unabhängig von der Luftqualität und der Höhe gleiche Leistung. Der Einsatz von mitgeführtem Sauerstoff macht eine Vielzahl von kleinen technologischen Fortschritten möglich, die gemeinsam diese Entwicklung speziell machen. Dazu gehört die Möglichkeit, das Brennstoffzellensystem so zu betreiben, dass sich die Lebensdauer verlängert. Die Lebensdauer kann durch verschiedene Vorgänge verkürzt werden, die Leistungsfähigkeit einzelner Zellen des Systems kann reduziert werden etwa beim Starten und Stoppen, im Leerlauf oder wenn kurzfristig viel Strom benötigt wird. Die PSI-Forschenden haben nun gezeigt, wie dieses Problem entschärft werden kann, möchten sich aber aus Wettbewerbsgründen nicht zu den Details äussern.

Auf dem Weg zur Schweizer Brennstoffzelle

Das mit dem «Watt d’Or» ausgezeichnete System ist im Rahmen des Joint Ventures zur Entwicklung der Schweizer Brennstoffzelle entstanden, die von der Firma Belenos in Kooperation mit dem Paul Scherrer Institut betrieben wird. Das Ziel des von Nick Hayek geführten Projekts ist es, die gesamte Antriebskette für ein brennstoffzellengetriebenes Vier-Personen-Auto auf den Markt zu bringen: von der Nutzung der Sonnenenergie über die Produktion von Sauerstoff und Wasserstoff, deren dezentraler Lagerung, bis zum eigentlichen Fahrzeugantrieb.

Paul Scherrer Institut
www.psi.ch