Wissen : Alternative Kraftbrühe fürs Auto

Wasserstoff ist der beste Energiespeicher – aber schwer zu handhaben. Ein neues Verfahren soll das ändern

Mathias Orgeldinger
Grüner Treibstoff. Bei Hitze gibt Perhydrocarbazol die gespeicherten Wasserstoffmoleküle wieder ab. Foto: Orgeldinger
Grüner Treibstoff. Bei Hitze gibt Perhydrocarbazol die gespeicherten Wasserstoffmoleküle wieder ab. Foto: Orgeldinger

Wenn es um die Energiewende geht, kommen die Ingenieure nicht an Wasserstoff vorbei. Kein chemischer Brennstoff kann bezogen auf sein Gewicht mehr Energie speichern als dieses Gas. Und kein Energieträger lässt sich so sauber und klimaneutral einsetzen. Dem Auspuff eines Wasserstoffautos entströmt nichts als reiner Wasserdampf.

Doch der Stoff ist schwer zu bändigen. Er siedet unter Atmosphärendruck bereits bei minus 253 Grad Celsius. Man braucht also sehr tiefe Temperaturen oder hohen Druck, um ihn in vernünftiger Menge lagern zu können. Das ist energieintensiv und teuer. Außerdem ist das geruchlose Gas hochentzündlich, brennt mit unsichtbarer Flamme und erfordert aufgrund der kleinen Moleküle sehr dichte Druckbehälter. Die Forschungen laufen, allerdings schleppend. BMW hat vor knapp zwei Jahren sogar das Aus für seine Testflotte mit wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotoren beschlossen.

Doch Wissenschaftler der Universität Erlangen-Nürnberg könnten der Wasserstofftechnik zu neuem Schwung verhelfen. Wolfgang Arlt und Peter Wasserscheid sind auf eine Verbindung gestoßen, die Wasserstoff sicher in ihren Molekülen fixiert – und relativ einfach wieder abgeben kann. Der neue Stoff könnte nicht nur Autos antreiben, sondern auch die unregelmäßig gelieferte Energie von Photovoltaik- und Windkraftanlagen speichern, um sie genau dann abzugeben, wenn sie gebraucht wird.

Die Interesse der Öffentlichkeit ist groß und hat das Institutslabor in kurzer Zeit in eine Alchemistenküche verwandelt. Pressevertreter bestaunen den Bottich mit der Chemikalie Dodecahydro-N-Ethyl-Carbazol, als enthielte er flüssiges Gold. Der bräunlich-grüne Wunderstoff brodelt in einem Kolben mit Platin- und Aluminiumoxid als Katalysator. Wasserstoff entweicht, erzeugt weiße Schaumbläschen und verschwindet in einem Messgerät. Sieht so die Energiespeichertechnik der Zukunft aus?

Noch ist der Forschungsantrag über 500 000 Euro nicht genehmigt, da weckt das Verfahren schon Begehrlichkeiten. Staatssekretär Rainer Bomba vom Bundesverkehrsministerium spricht bereits von der „Zukunft des Automobilbaus“. Nach dem Atomausstieg herrscht Goldgräberstimmung im Land der Erneuerbaren. Doch Wissenschaftler müssen jetzt aufpassen, dass sie nicht das Schicksal von Johann Friedrich Böttger erleiden, der, von seinem Souverän zum Goldmachen genötigt, am Ende „nur“ Porzellan herstellen konnte.

„Wir stehen erst am Anfang“, dämpft Arlt die Erwartungen. Das Rennen könnte jedoch bald große Beachtung finden, denn das Konzept der energietragenden Stoffe trifft den Nerv der Zeit. Und das funktioniert folgendermaßen: Regenerativ erzeugter Strom wird benutzt, um Wasser mit Hilfe der Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Der Sauerstoff wird an die Luft abgegeben, während der Wasserstoff mit N-Ethyl-Carbazol (vereinfacht: Carbazol) zu Dodecahydro-N-Ethyl-Carbazol (kurz: Perhydrocarbazol) reagiert. In jedem Molekül Perhydrocarbazol sind sechs Moleküle Wasserstoff (H2) gebunden. Der „Energiespeicher“ ist bei Raumtemperatur flüssig, kann ähnlich wie Dieselkraftstoff druckfrei gelagert, transportiert und getankt werden.

Das Perhydrocarbazol wird im Auto in ein schuhkartongroßes Aggregat geleitet, wo es in Carbazol zurückverwandelt wird. Dabei werden pro Liter 57 Gramm beziehungsweise 633 Liter Wasserstoff frei. Die Reaktion läuft bei etwa 200 Grad und benötigt einen – von den Forschern noch geheim gehaltenen – Katalysator.

Bei dem Verfahren wird immer nur so viel Wasserstoff erzeugt, wie das Fahrzeug gerade braucht. Es ist also kein Hochdrucktank nötig. Das Gas kann in einem Explosionsmotor verbrannt oder in einer Brennstoffzelle mit Luftsauerstoff zu Wasser reagieren. Dabei entsteht elektrischer Strom, der einen Motor antreibt. Das Carbazol-Elektroauto könnte demnach dieselbe Brennstoffzelle nutzen, die im Wasserstoff-Auto kurz vor der Serienreife steht.

Im Gegensatz zum Diesel-Pkw sind zwei Tanks nötig: einer für den Kraftstoff, einer für den „Leerstoff“. Das energiearme Carbazol wird an der Tankstelle wieder gegen Perhydrocarbazol getauscht. Sein Heizwert ist zwar nur etwa ein Sechstel so groß wie der von Diesel, dafür arbeitet die Brennstoffzelle deutlich effektiver als der Verbrennungsmotor.

Obwohl der Prototyp des Carbazol-Elektroautos frühestens in etwa zehn Jahren zu erwarten wäre, haben sich Autohersteller laut Presseberichten schon kritisch geäußert: Die Prozesstemperaturen seien zu hoch, der Wasserstoff verunreinigt, die Beschleunigung des Autos zu gering. Interessanterweise bezog sich die Kritik nur auf die Fahrzeugtechnik, nicht auf die grundsätzliche Einsatzfähigkeit der energietragenden Substanz.

Verfahrenstechniker Arlt kann die Aufregung nicht nachvollziehen. Seiner Meinung nach sind die vorgebrachten Argumente leicht zu entkräften. Viel interessanter sei die Frage der Giftigkeit von Carbazol. „Unser Kraftstoff wird nicht gefährlicher sein als Strohrum“, sagt er. Jedenfalls deutlich ungiftiger als Benzin oder Diesel, auf deren Gefahrzettel der Totenkopf prangt. Die Giftigkeit von Carbazol werde gründlich geprüft, verspricht der Ingenieur. Sollte es entgegen allen Erwartungen doch Probleme geben, müssten die Chemiker das Molekül eben so lange verändern, bis es ungiftig sei. Carbazol sei ohnehin nur eine von vielen möglichen Verbindungen, die man für eine „umkehrbare katalytische Hydrierung“ – so der Fachbegriff der Chemiker – nutzen könne.

Das Verfahren sowie eine ganze Reihe von Molekülen zur chemischen Speicherung von Wasserstoff unter moderaten Druck- und Temperaturverhältnissen ist durch ein Patent von 2004 auf dem amerikanischen Kontinent geschützt. „Wenn wir Carbazol kommerziell verwenden wollen, müssen wir mit den Amerikanern ins Geschäft kommen“, sagt Arlt.

Aber dies sei bei einem globalen Einsatz ohnehin geboten, meint er. Der Sprecher des neu gegründeten Energie Campus Nürnberg (EnCN) hat nicht nur den Individualverkehr im Blick. Er möchte das Grundproblem der Wind- und Solarenergie lösen: den Strom für die Zeit speichern, in der kein Wind weht und die Sonne nicht scheint.

Arlt will jeden Windpark und jede größere Photovoltaikanlage mit Containern bestücken, in denen mit überschüssigem Strom Carbazol automatisch in Perhydrocarbazol umgewandelt wird. Die energiereiche Substanz kann vor Ort gelagert und bei Bedarf mittels Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt werden. Dann beginnt der Kreislauf von Neuem.

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