Reportage

Wer treibt
Zukunft an

Wer über Elektromobilität spricht, denkt meist an Batterien. Dabei gibt es noch eine zweite Technologie, die für die Stromer in Frage kommt: die Brennstoffzelle. Eine Spurensuche in zwei Laboren.  

Text Susanne Theisen  Fotos Norman Konrad

Einsteigen, anschnallen, Motor starten. Zu hören ist: kaum etwas. Das ist das Erste, was wohl jedem bei der ersten Fahrt in einem Elektroauto auffällt. Die Kiste scheint zu schlummern, aber drückt man aufs Gaspedal, geht die Post ab. Spritzig beschreibt das Fahrgefühl in einem „Stromer“ ganz gut.

Für Dr. Mareike Wolter und Prof. Dr. Thomas von Unwerth ist dieses Fahrgefühl schon lange nichts Neues mehr. Spaß macht es ihnen trotzdem noch. Die beiden Wissenschaftler sind Verfechter der Elektromobilität – allerdings kommen sie aus verschiedenen Lagern. Die Elektrochemikerin Wolter leitet die Abteilung Mobile Energiespeicher und Elektrochemie am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Dresden und will mit ihrer Forschung die batteriebetriebene Elektromobilität voranbringen. Thomas von Unwerth ist ein Brennstoffzellen-Mann. Der Maschinenbauingenieur hält die Professur für Alternative Fahrzeugantriebe an der Fakultät Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz und entwickelt Antrieb auf Wasserstoffbasis.

Auch wenn sie unterschiedliche Ansätze verfolgen, stimmen Wolter und von Unwerth in einem Punkt überein: Die Elektromobilität in Deutschland braucht dringend Starthilfe. Tatsächlich ist die Bundesregierung von ihrem ursprünglichen Ziel, bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf die Straße zu bringen, weit entfernt. So waren laut Kraftfahrt-Bundesamt Anfang 2018 in Deutschland 98.280 elektrische Pkw und 209 E-Busse zugelassen. Mehr Stromer auf deutschen Straßen würden den Klimazielen der Regierung dabei guttun. Wenn die Treibhausgasemissionen bis 2050 wirklich um 80 bis 95 Prozent gegenüber 1990 sinken sollen, kommt dem Verkehrssektor, insbesondere dem Straßenverkehr, eine Schlüsselrolle zu. Denn: Aktuell ist er für ein Fünftel des Treibhausgasausstoßes hierzulande verantwortlich. Mithilfe der Elektromobilität, idealerweise auf Basis von grünem Strom, ließen sich die Emissionen deutlich reduzieren. Mareike Wolter und Thomas von Unwerth arbeiten mit Hochdruck an ihrer Vision der Elektromobilität. Was es dazu braucht, sind zündende Ideen. Stellt sich die Frage: Wer hat die besseren?


„Wir sparen mit unserer Batterie gewicht, platz und kosten.“

 

Mareike Wolter betritt das Labor im IKTS und macht sich auf den Weg zum Abzug mit dem Mischer. Gleich wird ein neuer Slurry – das Material, mit dem die Elektrodenfolien der Batterien beschichtet werden – gemischt und getestet. Die Waage steht schon bereit und gerade werden die Komponenten aus dem angrenzenden Sicherheitsschrank geholt. Die Abteilungsleiterin zieht Schutzbrille, Handschuhe und Laborkittel an, dann startet der Prozess. Der Abzug über dem silbernen Gerät surrt, während ein Mitarbeiter die Zutaten abwiegt und in das Rühraggregat hineingibt. Er stellt Zeit und Umdrehungsgeschwindigkeit ein, und Minuten später ist der Slurry fertig. Er tropft wie dünnflüssiger Honig vom Rührer. „Unsere Abteilung entwickelt Materialien und Prozesse für die Herstellung von Batteriezellen. Dabei treibt uns vor allem eine Frage um: Wie können wir die Performance und Lebensdauer von Batteriezellen verbessern?“, sagt Mareike Wolter. Genau das ist ein Kritikpunkt, der die batterieelektrische Elektromobilität immer betrifft: Reichweitenangst. Kunden schrecken vor dem Kauf eines batteriebetriebenen Elektroautos zurück, weil sie fürchten, nicht weit genug zu kommen. Derzeit erreichen Batteriesysteme auf Lithium-Ionen-Basis maximal 500 Kilometer mit einer Aufladung. Und das auch nur, wenn Material und Verarbeitung erstklassig sind und optimal aufeinander abgestimmt. Mareike Wolter ist mit der Viskosität des angerührten Slurrys zufrieden. Jetzt kann er auf den Elektroden angewendet und evaluiert werden, weswegen es gleich weiter zur Gießanlage im Trockenraum, einem umgebauten, fensterlosen Labor, geht.

Ein wichtiges Ziel, das Mareike Wolter und ihr Team verfolgen, ist es, die Batterieproduktion günstiger zu machen. Sowohl, was die Rohstoffe angeht, als auch die Energie, die bei der Herstellung benötigt wird. „Aktuell gehören in der Regel Kobalt und Nickel zu den ­Inhaltsstoffen einer Batterie. Beide Rohstoffe werden häufig unter wenig erfreulichen Bedingungen gefördert, insbesondere was die Umweltfreundlichkeit angeht. Außerdem erfordert die Weiterverarbeitung viel Energie. Hier suchen wir nach besseren Möglichkeiten.“

Als ein Schlüsseldatum in ihrer Forschung nennt die Wissenschaftlerin das Jahr 2014. Damals entwickelte die Abteilung das EMBATT-Konzept. „Die Idee ist ganz spontan entstanden. Wir saßen im Team zusammen, haben Johannisbeerschnecken gegessen und uns den Bauraum eines Tesla angeschaut und dabei überlegt: Wie können wir das besser machen? Wie bekommt man da mehr Leistung und Reichweite rein?“, erzählt sie. Dank EMBATT sollen Autos 1.000 Kilometer mit einer Batterieladung fahren können. Ein ziemlich ehrgeiziges Ziel. Wie soll das gelingen? „Wir bauen die Batterie ganz anders auf, nach dem sogenannten bipolaren Ansatz. Wir nutzen im Wesentlichen dieselben Materialien, packen aber nicht jede Zelle in ein Gehäuse, sondern stapeln sie ohne Gehäuse. Dadurch sparen wir Gewicht, Platz, Kosten – und erhöhen die Energiedichte enorm“, führt Mareike Wolter aus. Denn: Durch die direkte Verbindung der Zellen im Stapel fließt der Strom über die gesamte Fläche der Batterie, was den elektrischen Widerstand senkt und die Leistung erhöht.

Kenner lässt die Idee aufhorchen. Nach dem bipolaren Prinzip funktionieren auch Brennstoffzellen. Haben die Dresdener Wissenschaftler also bei der Konkurrenz geklaut? Mareike Wolter lacht: „Ich bin Elektrochemikerin, deshalb war mir dieses Prinzip durchaus bekannt. Wir haben es einfach für die Lithium-Ionen-Batterie adaptiert. Dafür hat man uns übrigens anfangs für verrückt erklärt, aber mittlerweile ist die Idee akzeptiert.“

Die Abteilungsleiterin ist zurück in ihrem Büro. Sie setzt sich an den Besprechungstisch zu den Teilprojektleitern, die mit ihr an EMBATT arbeiten. Die Ergebnisse der letzten Versuchsreihen werden vorgestellt. Über die Leinwand am Kopfende flimmern Zahlen und Diagramme. Wolter und ihr Team analysieren, wie gut die Gleichförmigkeit der Elektroden ist und ob der Slurry homogen genug über die Fläche aufgetragen wurde. „Die Herausforderung bei der Anwendung des bipolaren Prinzips ist es, die einzelnen Zellen und Komponenten sehr genau zu fertigen und zu stapeln, damit der Strom gleichmäßig verteilt ist“, erklärt Mareike Wolter.

Um die Prozesse zu optimieren, arbeitet das IKTS bei EMBATT mit zwei Partnern zusammen. Während Wolters Abteilung die Elektroden und Elektrodenmaterialien entwickelt, entwirft ThyssenKrupp die Prozess- und Anlagenlösungen. Der dritte Partner, IAV Automotive Engineering, konstruiert die Konzepte, um die Batterien in die Elektroautos zu integrieren. Im Jahr 2020 sollen die ersten Fahrzeugtests laufen. Wenn dann das Preis-Leistungs-Verhältnis stimmt und die Zahl der Ladesäulen in Deutschland ausreichend zugenommen hat, besteht für Mareike Wolter kein Zweifel, welche Technologie als Gewinner aus dem knappen Rennen um die Führungsrolle in der Elektromobilität hervorgehen wird:

 

 

„Fossile brennstoffe sind endlich – wasserstoff nicht.“

Es blubbert neben Thomas von Unwerth, der am Konferenztisch in seinem Büro sitzt. Am äußeren Tischrand zerlegt ein Mini-Elektrolyseur dank Strom aus einer Solarzelle Wasser in seine Einzelteile. In einer der beiden Röhren perlt dabei der Stoff nach oben, aus dem die Träume des Ingenieurs gemacht sind: molekularer Wasserstoff. H2.

„Fossile Brennstoffe sind endlich, aber unsere Vorräte an Wasserstoff sind nahezu unerschöpflich“, erklärt der Professor. „Allein in den Weltmeeren steckt genug davon, um den Energiebedarf der Menschheit für 50 Millionen Jahre zu decken.“ Fairerweise schließt er direkt die Hürde an, die mit diesem Szenario verbunden ist: „Wasserstoff liegt nur in Molekülen gebunden vor, das heißt, wir müssen ihn immer erst erzeugen. Wenn wir das klimaneutral tun möchten, muss es mithilfe erneuerbarer Energien geschehen. Danach lässt er sich aber wunderbar speichern und transportieren. Viel besser als Strom.“ Alternativ würde die Nutzung von Wasserstoff, der in der Industrie als Abfallprodukt anfalle, erprobt. Ein zweiter Vorteil seiner Technologie ist nach Unwerth's Ansicht, dass aus gespeichertem Wasserstoff bei Bedarf wieder Strom gemacht werden kann. Die Kritik, dass dabei die Hälfte der ursprünglichen Strommenge verloren geht – bei Batterien sind es nur etwa zehn Prozent – nimmt er gelassen: „Das stimmt. Aber: Bevor überschüssiger, insbesondere grüner Strom schlicht ungenutzt bleibt, sollte man ihn lieber in Form von Wasserstoff speichern und später, wenn auch nur zur Hälfte, wieder nutzen.“

Immer mehr Bläschen sammeln sich im Elektrolyseur, während Thomas von Unwerth fortfährt: „Wasserstoffautos lassen sich innerhalb weniger Minuten auffüllen, auch große Fahrzeuge wie Busse oder Lkws. Das Nachtanken geht viel schneller als bei batterieelektrischen Fahrzeugen – und die Reichweite ist mit rund 500 Kilometern größer.“ Allerdings, fügt er hinzu, sei die Tankstelleninfrastruktur noch nicht ausreichend. Aktuell haben rund 50 Stationen in Deutschland Wasserstoff im Angebot, nötig wären 1.000, schätzen Experten. Für einen flächendeckenden Durchbruch reicht das nicht aus, weiß auch der Forscher: „Hier muss viel mehr passieren, aber es tut sich was. Schon 2019 sollen es 100 Tankstellen sein und dann kontinuierlich mehr.“

Der 51-Jährige steht vom Konferenztisch auf und streicht sein Hemd glatt. Er macht sich auf den Weg ins Labor im Erdgeschoß, um dort einen Leistungstest für neue Brennstoffzellen abzunehmen. Neben der Steigerung der Leistungsfähigkeit arbeiten der Ingenieur und sein Team daran, die Komplexität der Brennstoffzelle zu reduzieren. „Zurzeit besteht sie aus etwa 600 Einzelteilen, deutlich mehr Teile als eine Batterie hat“, erklärt er, während er die Treppen runterläuft. „Das macht die Brennstoffzelle aktuell noch zu teuer. Wir suchen Wege, die Serienproduktion rentabel zu machen. Wir brauchen diesen Serieneffekt, um die Brennstoffzellentechnologie zu etablieren.“

Dafür müssen auch die Rohstoffkosten optimiert werden. Hier sei man auf einem guten Weg, so von Unwerth. Wären früher beispielsweise rund 100 Gramm Platin für eine Brennstoffzelle nötig gewesen, seien es aktuell nur noch zehn Gramm. „Und die sollten eigentlich kein Problem sein, denn genau so viel steckt auch im Katalysator eines Verbrennungsmotors. Man müsste den Rohstoff also einfach nur umverteilen“, sagt der Ingenieur. Er öffnet die schwere Metalltür, hinter der das Labor liegt. Die zwei Räume sind vollgepackt mit Prüfständen. Durch parallel laufende, dünne Messingrohre an Wänden und Decken werden die Gase verteilt, die für die Brennstoffzellenforschung gebraucht werden. Neben Wasserstoff und hochreinem Wasserstoff sind das unter anderem Sauerstoff und Argon. Für heute ist ein Test im Brennstoffzellensystem-Labor angesetzt. Die 400 Zellen sind bereits aneinandergereiht, gleich soll ihre Leistung im gesamten Fahrzeugsystem unter die Lupe genommen werden. „Sobald wir Wasserstoff zuführen, fahren am Monitor 400 Säulen hoch, wir nennen das den Lattenzaun. Jede Säule repräsentiert die Spannung in einer Zelle“, erläutert Thomas von Unwerth. Der Versuch wird gestartet und die Zellen belastet. „Der Moment, wenn die Belastung der Zellen hoch- und runtergefahren wird, ist für mich immer der spannendste. Dann zeigt sich, ob sie stabil stehen und gleichmäßig reagieren.“ Heute gibt es wenig Schwankungen. Der Chef ist zufrieden.

Schon bald, ist Thomas von Unwerth überzeugt, wird die Brennstoffzellentechnologie in der Elektromobilität große Fortschritte machen. „Erste deutsche Autobauer haben angekündigt, Anfang des nächsten Jahrzehnts mit Wasserstoffautos in nennenswerten Stückzahlen in Serie zu gehen. Auch in der Politik scheint das Thema angekommen zu sein. Im letzten Koalitionsvertrag wurde die Brennstoffzelle gar nicht erwähnt. Im aktuellen ist das immerhin sieben Mal der Fall“, sagt er und lacht.

Blickt er in die Zukunft, ist es für den Brennstoffzellenexperten gar keine Frage, welche Technologie den Ton bei der Elektromobilität angeben wird:


 

„Beide.“ Da stimmen Mareike Wolter und Thomas von Unwerth überein. Allerdings mit unterschiedlichen Begründungen. „Batterie und Brennstoffzelle ergänzen sich“, lautet das Fazit des Maschinenbauers. „Batterien stellen Leistung sofort zur Verfügung, während Brennstoffzellen etwas länger brauchen, wenn man aufs Gaspedal tritt. Wasserstoffautos brauchen also ebenfalls eine Batterie, um schnell Leistungsspitzen zu erreichen. Umgekehrt könnten Batterie-Autos in Sachen Reichweite von Brennstoffzellen profitieren. Meiner Meinung nach ergänzen sich Brennstoffzelle und Batterie zu einem vollwertigen Antrieb. Wir brauchen hocheffiziente Batterien, die kleiner, langlebiger, leistungsstärker und umweltfreundlicher sind.“ Für die breite Masse ist die Batterie alleine seines Erachtens keine Option: „Weltweit gibt es zurzeit mehr als 1,3 Milliarden. Fahrzeuge, Tendenz steigend. Eine Ladesäuleninfrastruktur für so viele Fahrzeuge aufzubauen, halte ich für unmöglich.“ Dazu die Batterie-Expertin: „Eine Ladeinfrastruktur in dieser Größenordnung zu installieren, ist mit Sicherheit eine Herausforderung. Aus meiner Sicht sollte man sich daher lieber auf effizientere Mobilitätskonzepte konzentrieren. Das könnten zum Beispiel Carsharing oder ein Ausbau der öffentlichen Verkehrsmittel sein.“

Für Mareike Wolter steht ihre Arbeit aus einem anderen Grund nicht in Konkurrenz zur Brennstoffzellenforschung: „Es gibt Szenarien, in denen batteriebetriebene Elektrofahrzeuge gut funktionieren, zum Beispiel im urbanen Raum, und andere, in denen die Brennstoffzelle besser funktioniert, zum Beispiel im Schwerlastverkehr.“

Einig sind sich die Wissenschaftler in diesem Punkt: Es muss mehr politischen Druck geben, um die Elektromobilität in Deutschland auf Touren zu bringen. „Warum sollten die Autobauer sich reinhängen, wenn ihnen die Autos mit Verbrennungsmotoren nach wie vor aus der Hand gerissen werden? Vielen Verbrauchern gefallen die aktuell erhältlichen Elektroautos schlicht nicht, oder sie sind ihnen zu teuer. Hier muss der Gesetzgeber eingreifen“, fordert von Unwerth. Mehr staatliches Engagement wünscht sich Wolter in Sachen Finanzierung: „In China, wo die Gesetzgebung es fordert, setzen die deutschen Autobauer bereits große Projekte im Bereich Elektromobilität um, aber in Deutschland herrscht große Zurückhaltung, sich zu einem frühen Forschungsstadium finanziell zu beteiligen. Forschungsgelder aber würden die Entwicklung voranbringen.„Und so hoffen beide Forscher auf die Politik – und sehen sich ansonsten in friedlicher Koexistenz: „Jeder wird seinen Platz finden", sagen sie.