Proton: Bereit für die Wasserstoffzukunft (Teil 1)

Lesen Sie im ersten Teil unserer mehrteiligen Serie, die nach einem Besuch beim bayrischen Unternehmen Proton Motor entstanden ist, über die zu lösenden Probleme, wenn man zukünftig Wasserstoff für mobile Anwendungen einsetzen will. Und erfahren Sie hier erste Details zum Brennstoffzellenspezialisten Proton.

 Bild: AdobeStock / m.mphoto
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Claus Bünnagel
BRENNSTOFFZELLEN

In der Automobilbranche gibt es einen gerne bemühten Running-Gag: „Seit 40 Jahren steht die Brennstoffzelle zehn Jahre vor der Marktreife.“ Bereits 1966 präsentierte General Motors mit dem Electrovan das erste Brennstoffzellenauto, das aber Demonstrationsobjekt blieb. Daimler tat sich in den 1980er-Jahren für die Entwicklung eines fahrzeugtauglichen Brennstoffzellensystems mit Ballard Power Systems zusammen. Das Ergebnis der Zusammenarbeit wurde 1994 präsentiert: ein umgebauter MB-100-Kastenwagen, der neben den Tanks nur noch Platz für zwei Personen bot – ohne Gepäck.

Viel weiter gekommen ist die Brennstoffzelle für mobile Anwendungen bis heute nicht. Im wichtigen Pkw-Bereich sind es von den großen Herstellern nur Toyota mit dem Mirai und Hyundai mit dem Nexo, die aktuelle Serienmodelle in bislang sehr übersichtlichen Zulassungszahlen auf dem Markt gebracht haben. Der Hyundai-Konzern konzentriert sich bei Autos in jüngster Zeit mehr auf den reinen Elektroantrieb, auch Daimler ist wenigstens beim Pkw aus der Brennstofftechnik ausgestiegen. Nur Toyota hält hier noch die Fahne hoch – lässt sich aber auch alle Optionen hinsichtlich eines vollelektrischen Antriebstrangs offen.

Rasante Entwicklung der Batterien

Der Hintergrund ist klar: Die Lithium-Ionen-Batterie hat in den vergangenen zehn Jahren eine rasante technische Entwicklung genommen. Tesla wird in Kürze auf seinem „Battery Day“ vermutlich verkünden, dass die Energiedichte seiner künftig selbst produzierten Zellen – dank der Übernahme des Spezialisten Maxwell Technologies – bis ca. 2025 um rund 50 % gegenüber der bislang verfügbaren Technologie der Tesla-Partner Panasonic und CATL steigen wird. Übersetzt heißt das: Ein Model S wird dann statt heute rund 610 km mindestens 900 km weit mit einer Landung kommen, die Modelle 3 und Y rund 800 km. Lucid mit seinem CEO Peter Rawlinson, dem früheren Chefingenieur für das Tesla Model S, hat angekündigt, dass das 2021 auf den Markt kommende Luxusmodell Air eine Reichweite von bis zu 830 km besitzen wird.

Ergo: Das Thema elektrische Reichweite wird im Pkw-Bereich ab 2025 jedenfalls ab der oberen Mittelklasse „durch“ sein. Auch die Mittelklasse und selbst Kleinwagen dürften mit der weiteren technologischen Entwicklung bei Batteriezellen spätestens bis 2030 Distanzen von mehr als 600 km mit einer Ladung absolvieren können. Gleichzeitig sinken die Ladezeiten moderner Lithium-Ionen-Akkus auch dank neuer 800- oder 900-V-Technologie der Fahrzeuge beständig (siehe Beitrag in dieser Ausgabe ab. S. 42) – auf nun unter 30 Minuten für eine 80-%-Aufladung. Wer vier Stunden konzentriert auf der Autobahn unterwegs ist, sollte eine so lange Pause ohnehin einplanen, und hat anschließend wieder Energie im Akku für weitere rund 400 km – und wer fährt schon mehr als 1.000 km an einem Tag?

Die wichtigsten Trümpfe des Wasserstoffantriebs – Reichweite und Tankzeit – gehen also im Pkw-Bereich dahin. Wie sieht es aber bei anderen mobilen Anwendungen aus? Eine jüngst veröffentlichte Studie der Technologieorganisation VDE hat ermittelt, dass auf nichtelektrifizierten Nebenstrecken ein Batteriezug gegenüber dem Brennstoffzellenpendant über eine Laufzeit von 30 Jahren bis zu 59 Mio. Euro günstiger in Anschaffung und Betrieb ist. Kaum anzunehmen also, dass letzterer eine echte Option ist. Bei Flugzeugen hört man überhaupt nichts hinsichtlich technologischer Entwicklungen im Brennstoffzellenbereich.

Bleiben also Schiffe, Schwerlast-Lkw sowie Reise- und Überlandbusse. Und tatsächlich ist die Wasserstofftechnologie dank ihrer Langstreckentauglichkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht des Antriebsstrangs für solche Einsatzzwecke prädestiniert. Allerdings müssen für die Umsetzung zwei Parameter verbessert werden: die Kosten für die Brennstoffzellensysteme und den Treibstoff.

Hoffnungsschimmer aus der Schweiz

„Metallische Bipolarplattenstacks sind enorm teuer und können nur ab Produktionszahlen von 100.000 Stück und mehr kostengünstiger hergestellt werden“, gibt selbst Manfred Limbrunner, Director Sales und Marketing bei Proton Motor Fuel Cell GmbH, ein Verfechter der Brennstoffzellentechnologie, zu bedenken (siehe unser Interview ab S. 40). Ein Hoffnungsschimmer für größere Stückzahlen ist daher das Pilotprojekt von Hyundai in der Schweiz. Bis 2025 will der koreanische Fahrzeughersteller zusammen mit dem Schweizer Unternehmen H2 Energy (H2E) im gemeinsamen Joint Venture Hyundai Hydrogen Mobility bis zu 1.600 Brennstoffzellen-Lkw vom Typ H2 Xcient auf die eidgenössischen Straßen bringen. Zehn sind mittlerweile ausgeliefert, weitere 40 sollen bis Jahresende folgen. Die Brennstoffzellen-Trucks werden in einem Pay-per-Use-Modell vermietet, damit die Flottenkunden nicht die hohe Anfangsinvestition tätigen müssen.

Der 18-Tonner – mit Trailer 34 t – verfügt über einen Elektromotor mit 350 kW Spitzenleistung und einem maximalen Drehmoment von 3.400 Nm. Das Brennstoffzellensystem leistet 190 kW in Form von zwei parallel geschalteten 95-kW-Stacks. Sieben Hochdruckwasserstofftanks sorgen für eine Speicherkapazität von knapp 32 kg bei 350 bar. Das reicht pro 8- bis 20-minütigem Tankvorgang für eine Reichweite von rund 400 km.

Für die Produktion von grünem Wasserstoff, dessen Speicherung sowie die Lieferung an Tankstellen wurde Anfang 2019 eigens Hydrospider gegründet. An diesem Joint Venture sind Alpiq, H2 Energy und Linde beteiligt. Die 2-MW-Elektrolyseanlage zur Produktion von grünem Wasserstoff beim Alpiq-Wasserkraftwerk Gösgen wurde Ende 2019 in Betrieb genommen.

Die Schweiz wurde nicht übrigens zufällig für dieses Pilotprojekt ausgewählt. Einer der Gründe ist die eidgenössische LSVA-Straßensteuer auf Nutzfahrzeuge, die für emissionsfreie Lkw nicht gilt. So soll der Brennstoffzellen-Truck auf gleiche Transportkosten pro Kilometer kommen wie ein Dieselpendant.

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Skaleneffekte sind also sehr wichtig bei der Etablierung von Brennstoffzellensystemen. Das gilt auch für die Bereitstellung grünen Wasserstoffs, denn nur der macht Sinn – im Gegensatz zu grauem (aus Erdgas hergestellt) und blauem Wasserstoff (aus Erdgas hergestellt mit CO2-Abtrennung und -Einlagerung). Heute kostet ein Kilogramm rund 9,50 Euro, wenn es aus Erdgas, also „grau“ hergestellt wird. Teurer ist es bei der Erzeugung mittels Elektrolyseure mit rund 11 bis 12 Euro – Werte also, die einen wirtschaftlichen Einsatz von Brennstoffzellen unmöglich machen. Mit einem MW-Elektrolyseur wie in der Schweiz lassen sich laut der Nationalen Plattform Zukunft der Mobilität (NPM) derzeit Preise zwischen 6 und 7,50 Euro erzielen – je nach Stromeinkaufspreis zwischen 30 und 50 Euro/MWh. Erst mit einem Elektrolyseur in der Größenordnung von 400 MW – den es aber noch nicht gibt – käme man an die Schwelle der Wirtschaftlichkeit bei Kilogrammkosten von 3,60 bis 4,80 Euro. Das alles funktioniert jedoch nur zu diesen Preisen, wenn die teuren Elektrolyseure rund um die Uhr laufen – Wind und Sonne sind aber volatil, was bei geringeren Produktionsraten zu steigenden Börsenpreisen führt und die Herstellung des Wasserstoffs somit verteuert. Außerdem müssen laut NPM Kosten von ca. 0,43 Euro/kg für seinen Transport addiert werden.

Hoher Aufwand

Insgesamt ist nämlich eine umfangreiche Infrastruktur nötig (Quelle für die nachfolgenden Daten: der Think Tank Agora Energiewende). Mit in Solar-, Wind- und Wasserkraftanlagen hergestelltem Strom wird wie gesehen per Elektrolyse Wasserstoff produziert, der komprimiert oder verflüssigt werden muss. Über Lkw, Schiffe und Rohrleitungen gelangt er zu den Tankstellen und Fahrzeugen, wo die Brennstoffzellen ihn wiederum in Strom verwandeln. Schon bei der Stromübertragung gehen ca. 5 % der Energie verloren. Die Elektrolyse besitzt einen Wirkungsgrad von rund 70 %, sodass 67 % des eingesetzten Ökostroms in Wasserstoff verwandelt werden. Weitere Verluste ergeben sich bei der Kompression und dem Transport. Die Brennstoffzelle besitzt im günstigsten Fall einen Wirkungsgrad von 60 %, der Elektromotor von 85 % und die Mechanik von 95 %. Am Ende der Kette bleiben nur noch 26 % der eingesetzten Energie für den Vortrieb übrig – ähnlich wie beim Diesel. Im Vergleich das vollelektrische Fahrzeug: Hier sind es mindestens 69 %.

An dieser Stelle, am Ende der langen Kette, kommt ein Unternehmen wie Proton mit seiner Brennstoffzellentechnik ins Spiel. 1994 begannen erste Entwicklungen bei der Firma „Magnet Motor“, einer sehr frühen Marke für rein elektrische Antriebstechnologie. 1998 erfolgte die Gründung der Proton Motor Fuel Cell GmbH als Spin-Off von Magnet Motor. Im Jahr 2000 hat z.B. auch Volvo Bus als Gesellschafter in die Firma investiert. Damals baute sie erstmals ein 120-kW-Brennstoffzellenaggregat auf. 2006 ist die englische Muttergesellschaft an die Börse gegangen. Seit Ende 2019 heißt die Holding Proton Motor Power Systems plc, was noch mehr Nähe und gemeinsames Wirken zu ihrer operativen Tochter am bayerischen Standort in Puchheim nahe München transferiert. Geschäftsführer und CEO von Proton Motor ist seit dem Börsengang Dr. Faiz Francois Nahab, zudem der wichtigste Investor.

„Heute sind wir aus der Förderphase über Prototypenbau heraus – wir industrialisieren jetzt“, berichtet Verkaufsdirektor Manfred Limbrunner. Denn mittels steigender Stückzahlen lassen sich auch für Proton die Kosten senken. Mit der neuen automatisierten Stackfertigungsanlage, die im Rahmen des EU-Förderprojektes „Fit-4-AMandA“ realisiert worden ist, kann das Unternehmen 215 MW an Brennstoffzellenstacks produzieren. Mittels verhältnismäßig einfacher Anpassungen ist die Erweiterung auf 176 GW möglich. „Nach sukzessivem Ausbau unserer Produktionskapazitäten werden wir in der Lage sein, bis zu 5.000 Gleichsysteme jährlich herzustellen. Natürlich denken wir auch in erheblich größeren Stückzahlen. Aber: Wir müssen zwar als Proton Motor 3.000 bis 5.000 Stück im Jahr herstellen können, jedoch sehen wir uns vorwiegend als Entwickler und Lieferant für kleinere Stückzahlen“, erklärt Limbrunner. Bei größeren Stückzahlen von mehr als 5.000 oder 10.000 Einheiten will man als Lizenzgeber für Partner fungieren, die Experten in Serienfertigung sind.

Was Proton zudem so interessant macht ist, dass man hier seit langem auf das anscheinend richtige Pferd setzt: Brennstoffzellentechnologie für Nutzfahrzeuge und industrielle Anwendungen. „Pkw sind nicht unser Marktfokus. Wenn man sich beispielsweise die TCO-Kosten eines Busses betrachtet, ist der Wasserstoffpreis das Entscheidende“, sagt der Proton-Verkaufsdirektor Limbrunner. „Bei Proton Motor ist man dabei schlussendlich zur Überzeugung gekommen, dass die Spezifikationen der Brennstoffzelle für Pkw und Nutzfahrzeuge nicht übereinstimmen – die eierlegende Wollmilchsau wird es daher nicht geben. Früher hat man auch keinen Porsche-Motor in einen 40-Tonner eingebaut – es passt einfach nicht zusammen.“ ■

Mehr über Proton uns seine Technologie lesen Sie in der nächsten Ausgabe.

„Wie lange kann man sich in Europa noch erlauben zu schlafen?“

INTERVIEW Wir sprachen mit Manfred Limbrunner, Director Sales und Marketing bei der Proton Motor Fuel Cell GmbH, über die Potenziale der Brennstoffzelle.

Herr Limbrunner, sehen Sie Bewegung in Sachen Brennstoffzelle?

Lange war es um die Brennstoffzelle ruhig, kaum ein Politiker hat sie thematisch mehr angesprochen. Besonders in diesem spezifischen Corona-Jahr mit der Verabschiedung der „Nationalen Wasserstoff-Strategie“ und dem historischen „Green Deal“ Europas zur nachhaltigen Klimaneutralität sehen wir aber deutlich, dass sich hier etwas tut. Auch große Player wie Bosch springen auf den Zug auf. Wenn wir hier nicht in die Gänge kommen, dann wird der Markt künftig aus Asien diktiert. An der Brennstoffzelle hängt eine viel größere Lieferkette als an Batteriezellen, deren Produktion ja schon nach Asien abgewandert ist. Sollte diese Lieferkette bei Brennstoffzellen in fünf bis sechs Jahren verschwunden sein, dann kaufen wir nur noch zu. Alle großen OEM in China – ob Great Wall, BAIC oder SAIC – entwickeln in Richtung Brennstoffzelle. In den nächsten fünf Jahren werden sie mit Fahrzeugen auf dem Markt sein. Von Hyon ist zu hören, dass die Lkw-Fertigung bereits in Holthausen implementiert worden ist. Auch bei der sonstigen Antriebstechnologie und der Leistungselektronik passiert in den asiatischen Ländern im Moment sehr viel. Insgesamt entwickelt sich ein großer Zuliefermarkt gerade in China. Wie lange kann man sich daher noch erlauben, hier zu schlafen?

Was macht Ihnen Hoffnungen, dass Wasserstoff und Brennstoffzelle nun endlich ihren Durchbruch erleben?

Was positiv ist, dass in Europa der Markt für stationäre Brennstoffzellenanwendungen expandiert – gerade durch das Herausfallen von Energieerzeugungsanlagen aus dem EEG. Das pusht gleichzeitig den Markt für größere Leistungen – und energieautarke Lösungen per Speichersysteme. Verlustfreie regenerative Energiespeicherung in großen Mengen ist eben nur mit Wasserstoff möglich. Anschließend kann er ins Erdgasnetz eingespeist werden, rückverstromt, verbrannt werden, oder er lässt sich mit hohem Wiederverkaufswert in automotive Anwendungen hineinbringen. So schließt sich gerade der Kreis.

Sehen Sie auch einen Markt für Brennstoffzellenanwendungen im automobilen Bereich?

Ich bin jetzt in den letzten zehn Jahren regelmäßig in China gewesen – wir haben sehr früh mit großen chinesischen Staatskonzernen gesprochen. Wir hätten auch schon längst Systeme nach China verkaufen können auch in größeren Stückzahlen, aber wir wollen nicht nur einfach liefern, sondern wenn wir in einen Markt außerhalb von Europa eintreten, dann tun wir das nur mit einem starken Partner, also einem Lizenznehmer oder strategischen Partner. An diesem Punkt unterscheiden wir uns auch von Ballard oder von der neuen Cummins-Tochter Hydrogenics, die in den chinesischen Markt hineingegangen sind. In China gibt es eine sehr hohe Förderung für Brennstoffzellensysteme. Die höchste Stufe erhält man, wenn man Systeme mit 30 kW Leistung in einem Bus verbaut. Wir haben daher von Anfang an über 30-kW-Systeme für 12-m-Busse gesprochen. Das Dieselgate ab 2017 hat uns natürlich auch weitergeholfen, ab da hat auch der deutsche und europäische Markt Fahrt aufgenommen.

Allerdings liegen die Kosten für durch Elektrolyse hergestellten Wasserstoff derzeit noch bei mindestens 11 Euro/kg …

Im Moment beträgt der Preis 
9,50 Euro/kg an der Tankstelle – ein natürlich viel zu hoher Wert. Zudem ist der Wasserstoff aus Erdgas hergestellt. Norwegen ist sehr stark engagiert im Wasserstoffbereich. Was wir von da hören: Es ist möglich, in einem solchen Land mit hohem Anteil regenerativer Stromerzeugung in drei bis vier Jahren per Elektrolyse erzeugten grünen Wasserstoff für einen Preis von 4 bis 5 Euro/kg an der Tankstelle bereitzustellen. Das hängt natürlich auch von der Abnahmemenge ab. Die Prognosen unseres bayerischen Wasserstoffbündnisses „h2.bayern“, wo wir Mitglied sind, decken sich mit denen auf deutscher und europäischer Ebene. Bis 2030 sollen sich die Kosten bei 
2 bis 3 Euro/kg einpendeln. Und auch in Deutschland kann man durch die aus der EEG-Anlage herausfallenden Windkraftanlagen künftig günstigen Strom für die Wasserstofferzeugung nutzen. Wenn ich diesen Strom für 3 ct/kWh einkaufe, dann ist es sicherlich in absehbarer Zeit möglich, einen Preis von 4 Euro/kg zu erzielen. Aber dafür benötige ich Abnehmer – die fehlen trotz z.B. vorhandener Wasserstofftankstellen in Deutschland im Moment.

Woran liegt das?

Der Fokus ist falsch ausgerichtet: Die großen Pkw-Brennstoffzellenflotten sind bis 2025, eher 2030 nicht da. Ein Business Case für die Wasserstofftankstellen stellt sich also auch nicht dar. Der Fokus von Proton Motor liegt daher auf die kommunalen und industriellen Fahrzeuganwendungen. Bei einem Bus mit einem Bedarf von ca. 30 kg Wasserstoff am Tag oder einem Sattelzug von ca. 40 kg am Tag und einem Fuhrpark von zehn Fahrzeugen und mehr, die täglich dieselbe Tankstelle nutzen, ist der Business Case da. So entstehen Cluster, die sich großflächig über das gesamte Land ausbreiten. Für uns heißt es daher: Back to base, zurück zu den industriellen Anwendungen. Pkw sind also nicht unser Marktfokus.

Warum ist der Bus für Sie so interessant?

Wenn man die TCO-Kosten eines Busses betrachtet, ist der Wasserstoffpreis das Entscheidende. Die Brennstoffzelle hat derzeit aufgrund geringerer Stückzahlen Nachteile bei einem spezifischen Leistungspreis – in Euro pro kg ist sie im Moment teurer als vollelektrische Anwendungen, sprich die Batterie. Aber wenn Sie das Verhältnis von Preis zu kWh, die Sie in den Bus hineinbringen können, dann hat die Brennstoffzelle dank großer Wasserstofftanks jetzt schon Vorteile. Beispiel: Bei zehn Bussen mit 30 kg Wasserstoff an Bord, dann reden wir von rund 400 Euro/kWh bereits bei Stückzahl 1 – Batterien sind in diesem Verhältnis teurer. Bei der Peakleistung hat die Batterie derzeit noch Vorteile, aber wenn wir auf Stückzahlen der Brennstoffzellen von 1.000 und mehr hochskalieren würden, dann könnte man die Kosten und Preise um rund 80 % senken. Irgendwann schneiden sich die Kostenkurve von Brennstoffzelle und Batterie. Aber für uns ist die Batterie nicht ein wirklicher Konkurrent, keine Frage des Entweder-Oder, für uns ist es ja sowieso eine Kombination.

Herr Limbrunner, vielen Dank für das Gespräch!

Lesen Sie den zweiten Teil des Interviews in unserer nächsten Ausgabe.

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Artikel Proton: Bereit für die Wasserstoffzukunft (Teil 1)
Seite 36 bis 41 | Rubrik Technik