Mobilität

Dornröschen erwacht!

Nach einem fast jahrhundertlangen Dornröschenschlaf erwacht die Batterie- und Brennstoffzellentechnik – und schreitet in Siebenmeilenstiefeln voran.
 

Von Arjeplog auf die Alb - emissions- und geräuschlos | Bilder: Daimler: Fisker; Bosch
Von Arjeplog auf die Alb - emissions- und geräuschlos | Bilder: Daimler: Fisker; Bosch
Gregor Soller

Nach einer praktisch über 100-jährigen Pause ist die Elektromobilität erwacht – und meldet sich stärker zurück denn je. Dichte und Leistung steigen permanent. Doch die meisten Akku- und Autohersteller sowie die Zulieferer außerhalb Asiens haben sich gegen eine eigene Zellfertigung entschieden. Der Grund, warum die Zelltechnologie nicht als Kernmerkmal gesehen wird, ist der hohe chemische Anteil an der Produktion, der für Pkw-Hersteller und Zulieferer vergleichsweise weit weg vom Kerngeschäft ist, das in erster Linie durch Mechanik und Elektronik geprägt ist. Deshalb stellt beispielsweise Bosch, führend auf dem Gebiet der Zweiradakkus und Motoren – die übrigens von den Powertools abgeleitet wurden – klar, dass das System-Know-how und nicht die Zellfertigung das Alleinstellungsmerkmal sei: Dabei geht es laut Dr. Mathias Pillin, der bei Bosch die Elektromobilitätsaktivitäten verantwortet, darum, alle Komponenten im Antriebsstrang intelligent zu verbinden. Darum umfasst Boschs Portfolio Schlüsselkomponenten wie Elektromotor, Leistungselektronik und Batteriesysteme, nicht aber die Zellen. Noch 2018 will Bosch mit der Produktion einer neuen 48-Volt-Batterie für Hybridfahrzeuge starten.

Ähnliche Aussagen treffen die Pkw-Hersteller, die ihre Zellen zu großen Teilen beim chinesischen Hersteller CATL kaufen, was für „Contemporary Amperex Technology“ steht. Auch BMW und Daimler wollen ihre Zellen von CATL beziehen, ebenso Honda, Nissan und Toyota für die China-Modelle. Auch PSA ist CATL-Kunde. Entsprechend evaluiert der chinesische Konzern den Aufbau eines Tochterunternehmens in Europa, wofür man Standorte in Deutschland, Polen und Ungarn prüft. Ein Börsengang soll knapp zwei Milliarden Dollar Kapital bringen, mit dem man die zweitgrößte Zellfertigung der Welt nach der Gigafactory von Tesla und Panasonic in Nevada aufbauen möchte, deren Hochfahren aber nicht ganz so leicht gelingt, wie es von Elon Musk einst angedacht war.

Bringen „märchenhafte“ Werte: Feststoffakkus

Effizienter und sicherer sollen künftig Feststoffakkus sein. Die könnten gegenüber den aktuellen Lithium-Ionen-Batterien Reichweite und Sicherheit erhöhen. Sie könnten heutigen Schätzungen zufolge eine Energiedichte erreichen, die zweimal so hoch ist wie bei gängigen Lithium-Ionen-Akkus. Letztere erreichen heute in etwa 250 Wh/kg. Mit festen Elektrolyten sollten bis zu 500 Wh/kg möglich sein. „Zudem lässt sich auch die maximale Spannung steigern“, prognostiziert Martin Finsterbusch, der am Institut für Energie- und Klimaforschung im Forschungszentrum Jülich das Team Festkörperbatterien leitet. Dabei wird der flüssige Elektrolyt, der aktuell den Lithium-Ionen die Bewegung zwischen den Elektroden erlaubt, durch ein festes Material ersetzt. Das soll die Energiedichte pro Kilo merklich erhöhen. Hier wittert Europa eine kleine Chance, künftig eventuell auch in die Zellfertigung einzusteigen. Eine auf sieben Jahre angelegte „Batterie-Allianz“, bestehend aus Manz, Saft, Siemens und Solvay fokussiert sich auf Festkörperakkus mit hoher Energiedichte und möchte mit Industriepartnern neue Fertigungsprozesse etablieren, um die Zell- und Systemindustrialisierung in die Wege zu leiten. So will man ein Gegengewicht zu den asia-tischen und US-Herstellern schaffen. Saft-Geschäftsführer Ghislain Lescuyer betrachtet die Akkuentwicklung samt Zellherstellung als Kerntechnologie. Die Allianz ist explizit offen gegenüber Partnern und Kooperationen und hofft auf Unterstützung auch seitens der Regierungen in Europa.

Interessant: Saft gehört zu 100 Prozent zum französischen Mi-neralölkonzern Total und produziert Akkus für viele Anwendungen. Das belgische Chemieunternehmen Solvay bringt seine Erfahrung mit polymeren Materialien und Elektrolytlösungen in die Kooperation ein. Das deutsche Unternehmen Manz gilt als Spezialist für Batteriezell- und Modulmontage, während Siemens seine Software- und Automatisierungslösungen in die Kooperation einsteuert. Aber auch Autohersteller Toyota und der „Bewegte-Luft“-Experte Dyson wollen bis spätestens Mitte der 2020er-Jahre erste Feststoffakkus für Autos auf den Markt bringen. Auch Renaults Elektrifizierungschef, Gilles Normand, kündigte für seinen Konzern an, zwischen 2025 und 2030 Feststoffakkus verbauen zu wollen.

Woran es beim Feststoffakku noch hapert

Die Forschung befindet sich noch im Grundlagenstadium. Es gibt zwar erste Festkörperbatterien, doch noch nicht für Fahrzeuge, wo ganz andere Anforderungen gelten, zumal die aktuellen Typen erst ab 60 Grad Celsius optimal funktionieren. Grundsätzlich verfolgt man aktuell zwei konkurrierende Ansätze für Feststoffakkus: Wobei sich an der Zellchemie selbst vorerst nichts ändert: Stattdessen fließen Lithium-Ionen nun durch einen schwer entflammbaren Polymer- oder einen nicht brennbaren Keramikelektrolyt. Theoretisch könnte man auch andere Ladungsträger verwenden, zum Beispiel Natrium-Ionen. Polymere können je nach Typ preislich günstiger als Keramiken sein, während Letztere eine höhere Leitfähigkeit insbesondere auch bei tieferen Temperaturen bieten.

Ein weiterer Vorteil wäre die höhere Sicherheit. So könnte man zumindest teilweise auf Sicherheitseinrichtungen wie Kühlung, schützende Stahlkäfige oder eine aufwändige Steuerungselektronik verzichten. Auch die kalendarische Haltbarkeit soll besser sein, da alle Festkörperanteile gesintert sind und so bei Raumtemperatur „kaum noch unerwünschte chemische Reaktionen ablaufen“, erklärt Finsterbusch. Solche Akkus könnten bis zu zehn Jahre ohne nennenswerte Verluste gelagert werden. Alles gut also? Nicht ganz: Denn bisher sind Feststoffakkus nicht schnellladefähig – das klappt allenfalls bei Dünnschichtzellen mit geringer Kapazität und – was fast zu erwarten war: Für die Automobilindustrie sind die Kosten der Ausgangsmaterialien zu hoch. Ganz abgesehen davon, dass Festkörperakkus komplett neue Fertigungsmethoden erforderten und die könne man nun eben „nicht einfach mal so hinstellen“. Entsprechend müsse man skalierbare Verfahren für die Herstellung größerer Zellen entwickeln. Bis wann man hier einen Durchbruch erzielen könne, sei allerdings noch nicht abzusehen.

Von sich Reden macht hier der dänische Designer Henrik Fisker mit seiner gleichnamigen US-Luxusautoschmiede: Er will für sein Elektromodell Emotion später eine Technik anbieten, mit der Feststoff-Akkus binnen einer Minute geladen werden können. Als mögliche Reichweite nennt er bis zu 800 Kilometer. Dafür möchte er Patente für Materialien und Fertigungsprozesse eines neuartigen Feststoff-Akkus einreichen, der bis 2023 in Serie gehen könnte. Starten soll der Emotion allerdings mit Superkondensatoren aus Graphen. Bis dahin entwickeln Bosch, Conti, ZF und Co. die aktuelle Technik weiter. Denn auch Elektromotoren, Inverter und Batteriesysteme bieten noch Potenzial. Laut Bosch können weiterentwickelte Thermomanagement-Systeme die Reichweite um bis zu 20 Prozent erhöhen. Spezialisierte Batteriemanagement-Systeme können die Batterien optimal steuern, was die Effizenz einzelner Zellen weiter erhöhen würde.

Bei der Brennstoffzelle werden die Stacks dichter gepackt

In der raschen Entwicklung der Akkus liegt die Krux der Brennstoffzelle, die ihrerseits ebenfalls weiterentwickelt wird. Hier geht es um die Dichte der „Stacks“, also der Brennstoffzelle selbst: Im neuen Hyundai Nexo kommt die vierte Generation zum Einsatz. Deren Effizienz soll jetzt bei 60 Prozent und damit um rund 9 Prozent höher liegen als beim Vorgänger ix35 Fuel Cell. Beim Clarity Fuel Cell hat Honda eine Serien-Limousine entwickelt, bei der der gesamte Brennstoffzellenantrieb unter die Motorhaube passt. Ähnlich ging Daimler beim GLC Fuel Cell vor. Dahinter stehen mehr als 30 Jahre Forschung und Entwicklung in der Brennstoffzellentechnologie, die bisher sonst nur Hyundai und Toyota in Serie bieten.

Die Anwendungsmöglichkeiten werden massiv ausgebaut: So verpflanzte Toyota die Brennstoffzellentechnik auch in Stapler, Lkw und errichtete das weltweit erste Brennstoffzellen-Kraftwerk zur Stromerzeugung im Megawatt-Bereich. Daimler erzeugt in den USA Strom für ein Datencenter, das man zusammen mit HP Enterprise Power und dem NREL, dem National Renewable Energy Laboratory in den USA, errichtet hat. Womit wir in Nabern angekommen wären, wo Daimler auf dem Gelände der ehemaligen Messerschmitt-Bölkow-Blohm an der Brennstoffzelle forscht und diese als Komplettaggregat für den Einbau in die Serienfahrzeuge vorbereitet. Der Clou daran: Das Brennstoffzellenpack der aktuellen Generation entspricht in den Maßen ziemlich genau den Verbrenner-Motorblöcken beim Daimler, nur dass es statt der Zylinderbank eben das Paket aus 400 Stacks ist. Auch Turbolader (hier elektrisch und wasserfest mit luftgelagerter Nabe!), Kühler und einige andere Komponenten ähneln dem Verbrenner: Mit etwa 250 Teilen spart man gegenüber einem Verbrenner rund 150 Positionen ein. Trotzdem wiegt das komplette Brennstoffzellenmodul (noch) rund 30 bis 50 Kilo mehr als ein Verbrennungsmotor. Der schwerere Tank addiert dazu weitere 60 bis 80 Kilo, so dass der Fuel Cell aktuell noch rund 110 bis 130 Kilogramm mehr wiegt als ein vergleichbarer Hybrid. Laut dem Leiter der Brennstoffzellenentwicklung, Dr. Christian Mohrdieck, soll dieser Gewichtsnachteil allerdings bei der nächsten Brennstoffzellengenera-tion behoben sein. Auch die Leistung von 150 kW könnte man steigern: sie wird aktuell von der verwendeten E-Maschine an der Hinterachse begrenzt. Gespart wird dafür die Getriebeglocke, die aber ein wichtiges Crashelement ist und deshalb aus Stahlrohr „nachgebaut“ wurde. Den Kardantunnel und das Volumen unter der Rücksitzbank nutzt Daimler für Wasserstofftanks, die 700 bar abkönnen müssen. In der Auslegung müssen die Tanks laut Brennstoffzellen-Antriebsentwickler Dr. Georg Frank sogar den doppelten Berstdruck aushalten – sicher ist sicher. Dementsprechend soll der Fuel Cell im NCAP-Crashtest die gleichen fünf Sterne „ercrashen“ wie die Verbrenner-Geschwister. Zumal Daimler auch die gleichen Anschlüsse und Aufhängungen wie im Verbrenner benutzt.

Die erste Brennstoffzelle füllte den Laderaum eines Vans

Es sind also jede Menge Details zu beachten beim Brennstoffzellenfahrzeug, dessen Aufbau am Ende des Tages dann so komplex doch nicht ist. Doch warum dauert dessen Entwicklung dann so unendlich lang? Das versucht Werner Tillmetz, der Vorstand des ZSW, des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung in Ulm und Stuttgart, zu erklären. Ein Problem war bisher der Bauraum: Die erste Brennstoffzelle, die Daimler 1994 in einem Versuchsfahrzeug verbaute, füllte praktisch den kompletten Laderaum eines Mercedes-Benz MB 100 D-Lieferwagens aus! Und im Laufe der Weiterentwicklung habe man noch so „manche schmerzhafte Erfahrung“ gemacht. Ein weiteres Problem war daneben natürlich das Gewicht und die exakte Steuerung. Und: das viel zu dünne Tankstellennetz, das bis 2023 aber auf 400 Stationen wachsen soll. Bis Ende 2018 werden noch keine 100 am Netz sein. Trotzdem glaubt Tillmetz fest daran, dass die Brennstoffzelle neben der Batterie Zukunft hat, denn: Ein Gewichtsproblem hat auch die Batterie und das umso mehr, je größer und schwerer die Fahrzeuge werden. Dazu kommt die begrenzte Verfügbarkeit manch seltener Erden wie Kobalt, Graphit und Lithium, die man für die Akkuherstellung braucht. Auch hier gibt es Weiterentwicklungen, wie die eingangs erwähnten Festkörperakkus, doch auch die sind noch Jahre vom Serienstand für Anwendungen in großen und bezahlbaren Stückzahlen entfernt.

Außerdem spielt der Brennstoffzelle der steigende Bedarf an Elektromobilität in die Hände. So wurden 2017 1,2 Millionen Elektrofahrzeuge produziert, während sich 3,22 Millionen E-Autos auf der Straße befanden. Zahlen, die jährlich aktuell um 50 Prozent wachsen. Daraus leitet Tillmetz bis 2025 einen Neuwagenbedarf an gut 20 Millionen Elektrofahrzeugen ab, was in etwa den Aussagen der Autohersteller entspricht, die bis dahin rund ein Viertel ihrer Kapazitäten auf Elektromobilität umgestellt haben wollen. Das entspricht einem Energiebedarf von 1.200 Gigawattstunden pro Jahr, was wiederum rund 20 Gigafactories von Tesla entspräche respektive einem Investbedarf von 100 Milliarden Dollar.

Da hat die Brennstoffzelle in ihrer jetzigen Form Vorteile. Sie ist kein Speichermedium sondern analog zum Verbrenner ein Energieerzeuger. Wirkungsgrad und Bauteilezahl liegen zwischen Verbrenner und Batterieelektriker und Stand heute kann sie vom Package her „überall da eingebaut werden, wo heute ein Diesel drin ist“, wie Tillmetz provokant erklärt. Außerdem könnte man für die Wasserstofferzeugung Überschussenergie nutzen, die aktuell für 3,7 cent pro Kilowattstunde „verschenkt“ werde. 2016 waren das übrigens 50 Terawattstunden, davon könne man heue sieben Millionen Brennstoffzellenautos betreiben. Fehlt als Schlüsselelement nur noch die breite Industrialisierung. Denn die Technik ist immer noch teuer und später aus dem Dornröschenschlaf erwacht als die Batterietechnik. Doch beide machen dem „geliebten Prinzen“, dem immer wachen Verbrennungsmotor mittlerweile gehörig Dampf!

Erste Ausfahrt im Mercedes-Benz GLC Fuel Cell: Von Arjeplog auf die Alb – emissions- und fast geräuschlos

Um sein Brennstoffzellenwerk Nabern herum ermöglichte Mercedes-Benz erste Mitfahrten mit dem GLC FuelCell. Dabei ging es auf die Albsteige Bissingen hinauf – und wieder hinunter, was den Füllstand von Wasserstofftank und Akku ganz schön in Bewegung brachte. Warum der GLC und nicht gleich der neue GLE, der ja deutlich entspanntere Bauraumverhältnisse geboten hätte? Darauf antwortet Ingenieur und Chauffeur Martin Gruber, dass der aktuelle GLE zeitlich nicht mit dem Brennstoffzellenprogramm korreliert hätte: das aktuelle Modell nutzt noch Übernahmekomponenten vom bereits 2005 präsentierten W164, der Nachfolger des aktuellen W166 ist aber zu spät für den Roll-Out – wenngleich er natürlich auch als Brennstoffzellenmodell darstellbar wäre. Außerdem ist der GLC in einem stückzahlenträchtigeren Segment unterwegs.

Im Gegensatz zur letzten Brennstoffzellengeneration konnte Daimler zur Serieneinführung jetzt 90 Prozent Platin sparen, 25 Prozent Gewicht und 30 Prozent Bauraum. Ergibt ein Package ähnlich wie beim Hyundai Nexo mit flexiblem Innenraum, bei dem allein die Batterie im Heck etwas Kofferraumhöhe kostet – doch die dient hier als „Rang-Extender“ oder zum komplett laut- und emissionsfreien Fahren in der City. Wobei auch der Brennstoffzellenbetrieb kaum hör- und nicht riechbar ist, denn dem „Auspuff“ entströmt allenfalls Wasserdampf. Der wird übrigens noch umständlich nach hinten verlegt. Erstens, weil die Menschen psychologisch ein Problem damit hätten, wenn es mittig unter dem Auto „dampft“, zweitens, weil der mittig ausgeblasene Wasserdampf unter Umständen optisch dunkel gefärbt wahrgenommen werden kann, was laut Gruber „absolut kontraproduktiv“ wäre.

Gestartet wird immer im Modus „Comfort“ und die Reichweite gibt Daimler nach aktuellem, immer noch etwas laschen NEFZ-Zyklus aktuell mit 347 Kilometern im Brennstoffzellenmodus plus 49 Kilometern im Akkumodus an, womit man bei rund 400 Kilometern liegt. In der Praxis sind das echte 300 Kilometer plus X je nach Wetter und Steigung der Albstraße. A propos Wetter: Hier tut sich die Abwärme erzeugende Brennstoffzelle deutlich leichter als ein Batterieelektriker und der GLC Fuel Cell heizt sich laut Gruber ähnlich schnell auf wie ein moderner Diesel – in fünf bis zehn Minuten. Per Schaltwippen lässt sich dann die Rekuperation steuern, die bis zum „Ein-Pedal-Modus“ gesteigert werden kann – dann verzögert und rekuperiert der GLC, sobald man vom Gas geht. Oder lässt sich an steilen Albabstiegen wunderbar im Zaum halten, ohne beizubremsen, wie Gruber an einem 13-prozentigen Gefälle beweist. Unter den Testfahrern und Kunden sei das ein „zweischneidiges Schwert“, wie Gruber zugibt: Auch er nutzt in der Regel lieber den „Segel-modus“ und lässt den GLC frei rollen. Die volle Rekuperation beansprucht er nur an steilen Bergabfahrten. Natürlich kann man auch den GLC per haptischem Fahrpedal auf den „Klugscheißerle-Modus“ stellen, der hier „Eco“ heißt und den Fahrer per „Klopfen“ im Fahrpedal zu gemäßigter Fahrweise ermahnt. Etwas schade ist, dass es den GLC nur als Hecktriebler gibt, da man die Vorderräder wieder mit einer kleinen E-Maschine hätte versehen müssen, die wieder Geld, Bauraum und Gewicht gekostet hätte. Auch die Bodenfreiheit gewinnt durch den Tank im Kardantunnel nicht unbedingt hinzu. Allrad soll es dafür beim batterieelektrischen EQC-SUV geben, wo sich die Kraftverteilung dann völlig variabel zwischen E-Maschine an Vorder- und Hinterachse verschieben lässt. Das Mehrgewicht gegenüber dem Diesel spürt man nicht, da die 350 Nm Drehmoment ab 0 Umdrehungen anliegen, was den GLC Fuel Cell im Sportmodus zum aggressiven Albbezwinger werden lassen kann. Verkniffen hat man sich die vorausschauende Laststeuerung per GPS-Daten. Zwar kann man auch hier Akkukapazität bunkern oder nutzen, steuert das aber selbst und nicht via GPS. Der Antriebsstrang, der wie bei AMG nach dem Motto „Ein Mann, ein Motor“ montiert wird, erhält die Zellen aus Vancouver, wird in Nabern montiert und dann nach Bremen ans GLC-Band geliefert. Und dort ganz am Ende von unten ins Auto „hineingeheiratet“, wobei die Anschlüsse praktisch den Verbrennern entsprechen.

Die größte Krux sind aber (Leasing-) Preis und Verbrauch: Ersterer orientiert sich am Standard-GLC plus „Technikaufschlag“, wobei man laut Gruber ohnehin „Geld ins Handschuhfach lege“. Letzterer dürfte auf Euro umgerechnet nicht günstiger werden als bei den Dieseln, zumal Wasserstoff in der Regel immer noch günstiger verkauft werden muss als er in der Herstellung kostet. Insofern dürfte der GLC Fuel Cell ein nettes Nischenprodukt bleiben, wenngleich ein revolutionäres: Das erste europäische Serienfahrzeug mit Brennstoffzelle! Was manchem potenziellen Kunden schon einen kleinen Tech-Aufpreis Wert sein kann.


Auf den Punkt

Er ist … Europas erstes Serienbrennstoffzellenfahrzeug.
Schön, dass … Daimler den Ankündigungen endlich Serienprodukte folgen lässt.
Schade, dass … der GLC Fuel Cell teuer und nur als Hecktriebler zu haben ist.
Was haben Flotten davon? Einen Leuchtturm für sich selbst und im Mercedes-Benz Pkw-Programm.

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