Das Auto – Eine Bestandsaufnahme der Umweltauswirkungen III

Brennstoffzelle – warum erst jetzt?

Neuentdeckung einer recht alten Erfindung

Was glaubt Ihr, wann die Brennstoffzelle erfunden wurde?

Im Jahre 1838! [1]

Schon seit längerem frage ich mich, warum sich die Automobilindustrie, obwohl sie nun doch bereit dazu ist, ein wenig innovativer zu werden, samt und sonders auf den Elektroantrieb eingeschossen haben. Schon im Jahr 2002 wurde von BMW ein Modell 7 mit Ottomotor produziert, der sowohl mit Benzin als auch Wasserstoff betankt werden konnte. [2] Natürlich ist das ein Oberklassenfahrzeug, welches nur einen kleinen Kundenkreis anspricht, Innovation ist jedoch meist aus diesem Segment hervor gegangen. Zumindest war das lange Jahre weit verbreitete Meinung. [3] Bei besagtem 7er wurde stark bemängelt, dass sowohl Benzin- als auch Wasserstoffverbrauch enorm hoch sind und Wasserstoff eine Mangelware und teuer herzustellen ist. Standpunkt damals: „Eine klimaschonende Produktion im großen Stil setzt schieren Überfluss an Ökostrom voraus.“ Sowohl die Herstellung des Wasserstoffs, welche damals ausschließlich mittels Öl und Gas stattfand als auch die Problematik der Kühlung und der Flüchtigkeit des Wasserstoffs stellte die technische Umsetzung vor große Probleme. [4] 2009 hat BMW seine Forschung an diesem Konzept vorläufig auf Eis gelegt. [5]

Technischer Aufbau von Wasserstoffantrieben

Was mir dann erst im Laufe der Recherchen – peinlicherweise – klar geworden ist: Ein Auto mit Wasserstoffantrieb ist nicht gleichzusetzen mit einer Brennstoffzelle.
Wasserstoffantrieb ist vielmehr der Überbegriff für viele verschiedene technische Umsetzungen zum Antrieb eines Fahrzeugs mit Wasserstoff. In Bezug auf den motorisierten Individualverkehr (Pkw und Lkw) sind hier aktuell zwei Möglichkeiten von besonderem Interesse:
Die Brennstoffzelle (siehe Abbildung 1) erzeugt Strom durch einen Brennstoff als Energieträger und ein Oxidationsmittel (siehe Abbildung 2). Die Antriebsart für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle wäre somit ein Elektromotor. [6]

Abbildung 1 – Brennstoffzelle für Kfz – Quelle: www.sueddeutsche.de
Abbildung 2 – Funktionsweise Brennstoffzelle – Quelle: www.energie-experten.org

Der Wasserstoffverbrennungsmotor arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie ein Ottomotor. Der einzige große Unterschied besteht darin, dass der Wasserstoff per Knallgasreaktion Energie freisetzt und nicht wie Benzin verbrannt wird. [7] Das benötigte Volumen an Wasserstoff um die gleiche Energie freizusetzen wie Benzin, ist jedoch um ein vielfaches höher als das von Benzin. [4] Hergestellt wird der Wasserstoff idealerweise über die sogenannte „Power-to-Liquid“-Technologie (siehe Abbildung 3). [8]

Abbildung 3 – Fischer-Tropsch-Verfahren – Quelle: www.welt.de

Auch wenn nun der Wasserstoffantrieb mittels Ottomotor die nächsten – sagen wir einmal – 30 Jahre nicht effizient wird, so lohnt es sich meiner Meinung nach umso mehr, die Brennstoffzelle etwas näher unter die Lupe zu nehmen.

Vergleich der Wirkungsgrade sowie Stärken und Schwächen der technischen Besonderheiten

Die Verbrennungsmotoren hatten in ihrer Anfangszeit ebenfalls einen nicht vertretbaren Energieverlust durch Abwärme – und haben es streng genommen noch immer. Abbildung 4 zeigt die Wirkungsgradkette eines modernen Ottomotors.

Abbildung 4 – Wirkungsgradkette moderner Ottomotor – Quelle: www.schaeffler.com

Der VCÖ sieht bei einem Vergleich von Wasserstoffantrieben und batteriebetriebenen Fahrzeugen den Wasserstoff klar im Nachteil. Dort ist man der Ansicht, dass Wasserstoffanstriebe zwar eine wichtige Rolle spielen werden, um von fossilen Energietrögern weg zu kommen, allerdings sollte dies nicht rechtfertigen eine Forcierung des batteriebetriebenen E-Autos aufzuschieben.
Erzeugung, Verarbeitung und Umwandlung von Wasserstoff senkt auch bei einem hohen Ökostromanteil den Wirkungsgrad zu stark ab. [9] Abbildung 5 zeigt den Vergleich der Wirkungsgrade von batteriebetriebenen und wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen.

Abbildung 5 – Wirkungsgrad von drei Antriebsarten – Quelle: www.vcoe.at

Deutlich zu erkennen ist, dass die Batterie massiv besser als beide Wasserstoff-Lösungen abschneidet. Auch wenn dies hier nicht Thema ist, möchte ich jedoch gleich darauf hinweisen, dass das batteriebetriebene E-Auto trotz dem hohen Wirkungsgrad des Antriebs, zunächst ca. 240.000 km zurücklegen muss (bei einer Lebensdauer der Batterie von mindestens 10 Jahren), bis sich die ressourcenintensive und teure Herstellung der Batterie egalisiert hat (vgl. Teil 2, Abbildung 3 und auch [10]).
Nüchtern betrachtet sind das alles nicht besonders ermutigende Zahlen und Aussagen – aber ist nicht aller Anfang schwer?

Aktuelle Entwicklungen

Das Argument, dass die Technik noch nicht ausgereift genug ist, kann man als allgemein gültige Aussage so nicht stehen lassen. Das gilt vielleicht bedingt für Fahrzeuge, in Japan haben Brennstoffzellen aber bereits seit 2009 als Heizungen in Wohnungen und Häuser Einzug gehalten (siehe Abbildung 6). Inzwischen sind bereits 200.000 Haushalte mit einer Brennstoffzelle ausgerüstet. [11] In Europa stellt man sich berechtigterweise die Frage, ob man den Trend hier nicht verschläft. In Asien läuft die Forschung bereits auf Hochtouren. [12]

Abbildung 6 – Brennstoffzellenheizung – Quelle: www.haustechnik-nowak.de


Derzeit ist das kanadische Unternehmen Ballard Power Weltmarktführer in Sachen Brennstoffzelle. Ihre Flotto von Brennstoffzellen-Hybridbussen, die 2019 auf 20.000 Fahrzeuge ausgebaut werden soll, fährt bereits jetzt weltweit. Dabei sind die Kosten der Brennstoffzelle in Relation zu den Gesamtkosten des Fahrzeugs von 50% auf 18% gesunken. 10% werden in Zukunft angepeilt. Inzwischen ist auch der Treibstoffverbrauch auf weniger als 7 kg/100 km gesunken. [13] Laut Quelle [4] müsste 1 kg Wasserstoff ca 21 l entsprechen, d.h. ein Bus mit Brennstoffzelle benötigt heutzutage bereits weniger als die Hälfte Treibstoff als der Wasserstoff-BMW von 2002 mit Ottomotor (ca. 50 l). Das könnte man als deutlichen Fortschritt interpretieren.
Zahlreiche Städte in Europa haben bereits solche Busse bestellt. Siemens kooperiert seit 2018 im Bereich Schienenfahrzeuge mit Ballard Power. Ebenso wie der weltgrößte Schienenfahrzeugkonzern CRRC. [13]
Und nun drängt endlich mit Bosch ein weiterer wichtiger europäischer Player auf den Markt. [14] Auch Mercedes hat Anfang 2019 bekannt gegeben, dass die Brennstoffzelle mit mehreren Fahrzeugen neben Verbrennungsmotor und batteriebetriebenem Fahrzeug ebenfalls in den Fokus rückt. [15] BMW koopereriert mit Toyota und plant, demnächst einen i3 mit Wasserstoff-Hybrid-Antrieb auf den Markt zu bringen. [16]
Auch auf kommunaler Ebene wird die Nachfrage stärker, wird jedoch immer wieder gebremst vom immer noch dürftigen Angebot. [17]
Allerdings gibt es der Brennstoffzelle gegenüber teils auch sehr kritische Stimmen. Bemängelt wird die gegen Verunreinigung und gefrierendes Wasser sehr anfällige Technik sowie der prognostizierte dahinschmelzende Zeitvorteil gegenüber dem Laden von Batterien. [18] Was sich mir nicht ganz erschließt, ist, warum eine geringe Reichweite des Wasserstoffvorrats und eine geringe Reichweite der Zusatzbatterie bemängelt wird, wenn man dabei schon die Vorteile einer Kombination von beiden Techniken auf der Hand hat. Welche Technik in Zukunft effizienter sein wird und ob der Trend eher in Richtung großer Wasserstofftank oder große (Feststoff)Batterie gehen wird lässt sich schwer sagen. Näheres zur Kombination von Batterie und Brennstoffzelle siehe Kapitel „Zukunft – was nun?“

Realitätscheck?!

Doch auch wenn es nun technisch immer bessere Ansätze und neue Fortschritte gibt, darf man eines nicht vergessen: gegenwärtige wirtschaftliche Abhängigkeiten und Machtstrukturen.
Mineralölkonzerne haben, falls sie beim Öl und Gas als Kerngeschäft bleiben möchten, natürlich ein geringes Interesse alternative Energieträger zu forcieren. [19]
Der Bottleneck werden vermutlich wie beim batteriebetriebenen E-Auto die Versorgungsdichte (Tankstellen) sowie die Herstellungsart und der Preis des Wasserstoffs sein. Projekte wie die Mercedes-Benz B-Klasse F-CELL sind so wieder in der Versenkung verschwunden, bzw. erst gar nicht in der breiten Bevölkerung angekommen. [20]

Zukunft – was nun?

Der VCÖ empfiehlt Wasserstoffantriebe dort einzusetzen, wo andere Techniken an ihre Grenzen stoßen (z.B. Schwerverkehr, Baumaschinen, Flugverkehr, aber etwa auch Schienenfahrzeuge auf nicht-elektrifizierten Bahnstrecken). Im Energiemix werden sie als sinnvolle Ergänzung gesehen. Aufgrund des raschen Handlungsbedarfs im Sinne einer Flottenerneuerung von Pkw wird jedoch das batteriebetriebene E-Auto im Vorteil gesehen, da es schon weiter entwickelt ist. [9]

Auch Dr. Otmar Scharrer, Vice President Corporate Research and Advanced Engineering von Mahle teilt die Meinung, dass die Brennstoffzelle für individuelle Mobilitätsbedürfnisse gut geeignet ist. [21] Beim Preis für eine Brennstoffzelle ist der VW-Konzern optimistisch, dass sich die Kosten auf ein Drittel bis auf ein Viertel reduzieren lassen. [22] In einem Artikel der FAZ von 2010 war man sich damals sogar sicher, dass das batteriebetriebene E-Auto bald am Ende sein wird, da der Autor die Batterie und deren Gewicht und Herstellung als Kernproblem vermerkte und Wasserstoff als einzig logisch Alternative sah. [10]

Ich denke jedoch, dass die Vielzahl der heutigen Ansätze zu kurz gedacht sind.

Der Elektroantrieb ist, entgegen der derzeitigen Suggestion durch die Mehrheit der Presse, nicht der Weisheit letzter Schluss. Die Verlustleistung bei kalten Temperaturen, die ressourcenaufwändige und teure Herstellung und die problematische Entsorgung der Batterien sind große Probleme, die vermutlich so schnell nicht gelöst werden. Ebenso ist die Brennstoffzelle noch nicht so weit entwickelt, wie sie sein könnte. Verlustleistung ist hier das größte Problem, ebenso wie die Wasserstoffherstellung durch nichterneuerbare Energien.
Glücklicherweise bin ich mit der Meinung nicht alleine, dass es sinnvoll ist diese beiden technischen Ansätze zu kombinieren. [23]
So schlagen kluge Köpfe folgende Kombination vor:
– Elektromotor
– kleinere Batterie zum rein elektrischen Betrieb von 50-100km
– Brennstoffzelle zur Stromerzeugung (verträglich auf Wasserstoff und andere Brennbaren Gase
– Die Außenflächen des Autos ausgestattet mit Solarzellen
– Antrieb des Motors sowie Elektrolyse durch den an Bord erzeugten Solarstrom

Dasselbe Prinzip kann auch für eine Wohnung oder ein Haus betrieben werden, um zum einen das Haus mit Energie zu versorgen oder den erhöhten Bedarf des Pkw zu decken (siehe Abbildung 7). Des Weiteren kann bei Personen, die genügend Platz zur Verfügung haben, zusätzlich über eine Biogasanlage Wasserstoff erzeugt werden und im Haushalt oder im Pkw verwendet werden.

Abbildung 7 – Schema Photovoltaik-Brennstoffzelle-Kombination – Quelle: www.dlr-innospace.de


Die TU Graz wurde mit dem Staatspreis Mobilität 2017 ausgezeichnet für die Forschung an dezentraler Erzeugung von Wasserstoff mittels Biogas und Einsatz von klimaneutralen, am Prozess beteiligten Stoffen . [24] Vor allem mit einem notwendigen massivem Ausbau von Ökostrom sehe ich die Gewinnung von Wasserstoff überhaupt nicht mehr problematisch. So kann man beispielsweise mit Ökostrom die Stromspitzen (z.B. nachts bei Pumpspeicherkraftwerken) zur Elektrolyse nutzen. Auch sind zur Erzeugung der Brennstoffzelle im Gegensatz zur Batterie nur wenige seltene, teure oder giftige Rohstoffe nötig. Auch die Entsorgung verbrauchter Brennstoffzellen ist verhältnismäßig unproblematisch. [12]

Fazit

In Kombination mit einiger insgesamt sinkenden Mobilität und anderen Antriebsarten hat die Brennstoffzelle absolut ihre Daseinsberechtigung und wird in Zukunft eine wichtige, wenn nicht gar entscheidende Rolle spielen können. Denkt man den Gedanken konsequent zu Ende, so kann man enorme Vorteile aus der Kombination Brennstoffzelle, Batterie, Elektromotor und dezentrale Stromerzeugung im selben Fahrzeug ziehen und Synergien schaffen. Das funktioniert freilich nur, wenn auf allen Ebenen innovativ gedacht wird und alte Strukturen hinsichtlich Energieversorgung und technischer Entwicklung aufbrechen.
Politik und Wirtschaft müssen gewillt sein mitzuziehen und Innovation zu fördern.
Derzeit haben sowohl batteriebetriebenen E-Auto als auch Fahrzeuge mit Brennstoffzellen teils gravierende Nachteile. Mein Eindruck hinsichtlich batteriebetriebenen E-Autos ist, dass sie eine ländliche Infrastruktur zum Laden (Garage, Starkstromanschluss) brauchen, aber städtisches Mobilitätsverhalten (Kurzstrecken, viele Lastwechsel) ansprechen. Fahrzeuge mit Brennstoffzelle haben noch eine zu hohe Verlustleistung und die Distribution und Herstellung von Wasserstoff ist noch zu umständlich. Zudem ist die Industrie in Europa erst seit ein bis zwei Jahren dabei diese Technik voranzutreiben. Aus Asien dürfte jedoch in Kürze mit brauchbaren und erschwinglichen Lösungen zu rechnen sein.

Politik und Wirtschaft müssen gewillt sein mitzuziehen und Innovation zu fördern.
Derzeit haben sowohl batteriebetriebenen E-Auto als auch Fahrzeuge mit Brennstoffzellen teils gravierende Nachteile. Mein Eindruck hinsichtlich batteriebetriebener E-Autos ist, dass sie, während sie eine ländliche Infrastruktur zum Laden (Garage, Starkstromanschluss) brauchen, städtisches Mobilitätsverhalten (Kurzstrecken, viele Lastwechsel) ansprechen. Fahrzeuge mit Brennstoffzelle haben derzeit eine zu hohe Verlustleistung und die Distribution und Herstellung von Wasserstoff ist noch zu umständlich. Zudem ist die Industrie in Europa erst seit ein bis zwei Jahren dabei, diese Technik voranzutreiben. Aus Asien dürfte jedoch in Kürze mit brauchbaren und erschwinglichen Lösungen zu rechnen sein.

[1] https://books.google.de/books?id=PpAOAAAAIAAJ&pg=PA430&lpg=PA430#v=onepage&q&f=false
[2] https://www.autobild.de/artikel/das-0-liter-auto-36299.html
[3] https://www.azonline.de/Welt/Ratgeber/Auto/2114629-Auto-Technik-Innovationen-nicht-immer-erst-in-der-Oberklasse
[4] https://www.spiegel.de/spiegel/print/d-49533683.html
[5] https://www.handelsblatt.com/unternehmen/industrie/autohersteller-bmw-verliert-glauben-an-den-wasserstoffantrieb/3320432.html
[6] https://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle
[7] https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffverbrennungsmotor
[8] https://de.wikipedia.org/wiki/Power-to-Liquid
[9] https://www.vcoe.at/service/fragen-und-antworten/Warum-nicht-auf-brennstoffzelle-oder-treibstoffe-aus-wasserstoff-warten
[10] https://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/brennstoffzellen-am-ende-bleibt-der-wasserstoff-1909624.html
[11] https://www.viessmann-aktuell.de/in-japan-heizen-bereits-200-000-brennstoffzellen
[12] https://www.swr.de/swr1/rp/die-loesung-unserer-umweltprobleme-zukunftsenergie-wasserstoff/-/id=233366/did=22943830/nid=233366/1yyq87/index.html
[13] https://www.welt.de/wirtschaft/bilanz/article174365145/Alternativer-Antrieb-Die-Brennstoffzelle-erobert-den-Massentransport.html
[14] https://www.handelsblatt.com/unternehmen/industrie/kooperation-mit-powercell-bosch-steigt-in-die-serienfertigung-von-brennstoffzellen-ein-/24267426.html?ticket=ST-1416481-oUlHQaOcE9hORWfVjZxU-ap3
[15] https://ecomento.de/2019/01/03/daimler-das-potenzial-der-brennstoffzellen-technologie-steht-ausser-frage/
[16] https://www.trendsderzukunft.de/bmw-elektroauto-mit-wasserstoffantrieb-wird-2020-erscheinen/
[17] https://www.springerprofessional.de/brennstoffzelle/antriebsstrang/neuer-schwung-fuer-die-brennstoffzelle-/16348898
[18] https://www.sueddeutsche.de/auto/alternative-antriebe-die-brennstoffzelle-ist-ein-milliardengrab-fuer-autohersteller-1.3922234
[19] https://www.focus.de/auto/elektroauto/brennstoffzelle-und-wasserstoff-autos-zwischen-wahn-und-wirklichkeit-wird-das-noch-was-mit-der-brennstoffzelle_id_4792765.html
[20] https://www.heise.de/autos/artikel/Mercedes-B-Klasse-F-Cell-auf-Weltreise-1180273.html?seite=2
[21] https://www.springerprofessional.de/springerprofessional-de/fuer-individuelle-mobilitaetsbeduerfnisse-gibt-es-individuelle-l/16344652
[22] https://www.springerprofessional.de/brennstoffzelle/antriebsstrang/-der-preis-fuer-eine-brennstoffzelle-laesst-sich-auf-ein-knappes/15982170
[23] https://www.welt.de/wirtschaft/bilanz/article172713241/Brennstoffzellen-Ist-Wasserstoff-besser-als-Batterie.html
[24] https://infothek.bmvit.gv.at/staatspreis-mobilitaet-2017-die-gewinner/

Ebenfalls interessant: Faktencheck E-Mobilität vom VCÖ
https://faktencheck-energiewende.at/faktencheck/e-mobilitaet/

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