Die deutsche Regierung hat eine nationale Wasserstoffstrategie beschlossen. Tausende Wasserstofftankstellen sollen demnach in den kommenden Jahren überall im ganzen Land installiert, Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb gefördert und Anlagen zur Wasserstoffherstellung gebaut werden. Für diese „Marktaktivierung“ wurde ein sieben Milliarden Euro umfassendes Programm aufgelegt, in dem außerdem von synthetischen Kraftstoffen für Verbrennungsmotoren und der Entwicklung besserer Wasserstoffspeicher für Fahrzeuge die Rede ist. Von der tatsächlich unumgänglichen Verwendung von Wasserstoff in der chemischen Industrie und den Perspektiven kohlefreier Stahlherstellung mit Wasserstoff wird dagegen nur am Rande gesprochen. Das ist eine technologisch gänzlich realitätsfremde Politik.

Wir schreiben das Jahr 2020. Praxistaugliche Elektroautos werden in Serie hergestellt und ihre Probleme sind größtenteils gelöst. Die Kapazität von Akkus hat sich in 30 Jahren verdreifacht, ihr Preis ist in zehn Jahren um fast 90 Prozent gesunken. Sie können schneller geladen werden und ihre Lebensdauer hat sich dabei vervielfacht.

Die Herstellung von Zellen mit 50 Kilowattstunden (kWh) Kapazität soll beim chinesischen Hersteller Contemporary Amperex Technology Ltd (CATL) bereits für umgerechnet 3.750 bis 5.000 Euro möglich sein. Bei Lithium-Eisenphosphat-Akkus soll eine weitere Senkung auf 2.500 Euro möglich sein. Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku wurden auch entwickelt.

Mehrwert durch Trennung
In Elektrolyseuren wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Je nach Verfahren mit einem Wirkungsgrad zwischen 60 und 85 Prozent. Foto: DLR

Die Idee des Brennstoffzellenfahrzeugs entstand in einer Welt, in der Akkus schwer, teuer und auf knappe Ressourcen angewiesen waren, nur über Stunden geladen werden konnten und bestenfalls einige Hundert Ladezyklen überstanden. Das ist nicht mehr der Fall. Elektrofahrzeuge mit Akku liefern zu immer niedrigeren Preisen den hocheffizienten und sauberen Antrieb, der mit der Brennstoffzellentechnik seit Jahrzehnten nur versprochen wird. Diese Technik ist eine Idee des 20. Jahrhunderts, für die es im 21. Jahrhundert deutlich überlegene Alternativen gibt.

Wasserstoff braucht dreimal so viel Energie

Der Toyota Mirai ist das weltweit meistverkaufte Brennstoffzellenauto – und ein gutes Beispiel für die grundlegenden Probleme dieser Technik. Zwar wiegt die Energiequelle des Mirai, der Wasserstoff im Tank, selbst nur fünf Kilogramm. Die komplette Stromversorgung allerdings kommt aber auf ein Gewicht von 200 Kilogramm. Diese besteht aus einem 87 Kilo schweren und 200 Liter großen Kohlefasertank für die Lagerung des Wasserstoffs, einer 60 Kilo schweren Brennstoffzellenanlage und einem 22 Kilo schweren Nickel-Metallhydrid-Akku mit 1,6 Kilowattstunden (kWh) Speicherkapazität. Benötigt wird dieser für das regenerative Bremsen. All das muss zudem in der Karosserie geschützt eingebaut und verankert werden.

Der erste seiner Art
Der Toyota Mirai war das erste in Serie gebaute Brennstoffzellenauto – und bis heute das meistverkaufte. Foto: Toyota

Der 75-kWh-Akku eines Tesla 3 ist dagegen ein integraler Bestandteil der Karosserie. Er wiegt mit der steifen Schutzhülle zwar etwa 500 kg,, aber insgesamt ist der Tesla nicht schwerer als der Mirai. Und die Reichweite beider Fahrzeuge ist in etwa gleich groß: 500 Kilometer.

Der chemische Energiegehalt der fünf Kilo Wasserstoff an Bord des Mirai entspricht 197 kWh. Es müssen aber 281 kWh Strom aufgewendet werden, um den Wasserstoff per Elektrolyse zu erzeugen. Dabei gehen etwa 30 Prozent der Energie verloren. Das ist der Wert, von dem Deutschlands nationale Wasserstoffstrategie ausgeht. Weitere 30 kWh Strom benötigen die Hochdruckpumpen, mit denen der Wasserstoff auf 900 bar komprimiert wird, um den 700-bar-Tank in drei Minuten zu befüllen. Allein die 30 kWh Pumpenergie würden einem Tesla 3 für etwa 200 km Reichweite reichen.30 Prozent der Energie gehen also schon bei der Wasserstofferzeugung verloren und die Brennstoffzelle wandelt nur etwa 50 Prozent der chemischen Energie in Strom um. Bei hoher Leistungsabgabe sogar noch weniger. Und je älter die Zellen sind, desto schlechter wird die Bilanz. Herstellerangaben nennen auch oft 60 oder gar 70 Prozent Effizienz. Aber sie beziehen sich dabei nicht auf den Energiegehalt des Wasserstoffs, sondern nur auf dessen unteren Heizwert und oft minimale Stromabgabe. Diese großen Energieverluste waren nur vor dem Hintergrund der schlechten Akkutechnik des 20. Jahrhunderts und der Abhängigkeit von seltenen Rohstoffen wie Lithium und Kobalt zu rechtfertigen. Aber auch das ist inzwischen ein lösbares Problem.Warum, das erfahren Sie im zweiten Teil.

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15 Kommentare

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    Wäre es nicht gut, wenn beide Systeme in Konkurrenz zueinander stehen würden. Zudem : Der wichtigste Aspekt, der in der Hauptsache überhaupt erst zu einer Neuorientierung weg vom Verbrenner geführt hat, kommt vollkommen zu kurz : Die Umweltverträglichkeit. Es sollten auch vollkommen neue Technologien in Betracht gezogen werden wie z.B. Solarzellen entlang aller Strassen, wo möglich mit evtl. Stromabnahmesystemen über Oberleitungen z.B. Eine Versuchsstrecke gibt es m.W. schon.

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    Alle Argumente im Beitrag erschließen sich jedem Vernünftigen und sachlich Informierten. Umso unverständlicher die Regierungsinitiativen in Deutschland und Österreich in Sachen Wasserstoff.
    Ein bedeutender Beitrag, den ich auf Facebook gern teile!

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    Es ist immer wieder erhebend zu lesen, wie einfach, preiswert und effizient batteriebetriebene Elektromobilität ist. Es ist auch immer wieder erhebend zu lesen, wie durch Kombination richtiger Aussagen ein fehlerhafter Zusammenhang konstruiert wird.
    In der Tat man kann mit 10 Zentner Batterie 500 km weit fahren, sofern die Batteriechemie eine der Hochenergievarianten von NCM oder NCA entspricht. Es ist richtig, dass der Kobaltanteil in den Batterien stark zurückgeht und auch Nickel langsam als zu teuer gilt und entsprechend mehr mangan verbaut wird. Wenn der Kostenbenchmark dann an LFP ausgerichtet wird, werden die Früchte das Birnbaums mit denen des Apfelbaums verglichen. LFP hat auf Zellebene eine spezifische Energie in der Gegend von 90 – 110 Wh/kg, NCM 150 Wh/kg, sagen zumiundes energieexperten.org. Die 500 km Batterie in LFP läge dann bei 15 Zentnern. Das Wasserstoffsystem immer noch bei 4 Zentner, am Rande bemerkt.
    Über Natriumbatterien kann man sich als reife technische Produkte vielleicht in 10 bis 15 Jahren unterhalten. Im Moment sind ist der Stand der Technik eher frühes Laborstadium, außer bei Hochtemperatur natrium-Schwefel, die allerdings derzeit niemand ernsthaft für Fahrzeuganwendungen verfolgt.
    Leichtbau tut jedem Auto gut, auch wasserstoffbetriebenen Elektrofahrzeugen. Teile des Wasserstoffsystems könne grundsätzlich auch strukturelle Aufgaben übernehmen. Das Regelwerk gäbe es her. Man müsste es „nur machen“, und es wird auch gemacht werden, sofern wasserstoffelektrische Antriebe ihren Platz im Fahrzeugportfolio erhalten.
    Richtig ist, dass wasserstoffelektrische Antriebe (viel) mehr elektrsiche Energie benötigen als batterieelektrsiche Antriebe. Andererseits: in einer zukünftigen, schönen, neuen, auf erneurbarem Strom als Primärenergie beruhenden Energiewelt wird ein saisonaler Speicher benötigt. Auch die viel gepriesenen Schnellstladestationen werden zusätzliche Leistungsspeicher vor Ort erfordern. Ernsthaft putzig wäre dann, wenn Batteriefahrstrom mehrfach durch Speicher und – horribile dictu – vielleicht sogar durch Wasserstoff als saisonalem Speicher geschleust werden müsste.
    Generell fährt es sich in einem wasserstoffelektrsich betriebenen Auto sehr angenehm und man kommt mit wenigen, kurzen Tankpausen kreuz und quer durch die Republik .
    Mit Vorhersagen tut man sich immer schwer, besonders wenn sie die Zukunft betreffen.
    Wir werden sehen, was sich bei Nutzern durchsetzt. Totgesagte leben länger.

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      Vor 5 Jahre hätte ich ihren Aussagen zugestimmt. 2020 nicht mehr.

      LPF von CATL erreichen 240 Wh/kg, hauptsächlich durch eine Kombination aus besserer Batteriechemie (z.B. inklusion von Silizium in den Graphitanoden um die Kapazität zu steigern, ohne zu risikieren, dass das Sizilium zerfällt), Optimierung der Zellen auf hohe Kapazität statt hoher Leistungsabgabe und -aufnahme sowie die Abkehr von einzelnen zylindrischen Zellen, wodurch Material und Fertigungsaufwand eingespart werden kann.

      https://www.catlbattery.com/en/web/index.php/research/practice?id=1#tabMain?id=1

      Natrium-Ionen-Akkus von AMTE kommen nächstes Jahr auf den Markt: https://amtepower.com/wp-content/uploads/2020/05/ULTRA-Safe-AMTE-A5-leaflet.pdf

      Faradion liefert dieses Jahr erste Akkus nach Australien und abnächstem Jahr an einen LKW Hersteller in Indien, wo auch einer Fabrik der Größenordnung von GWh/Jahr aufgebaut wird.
      https://www.pv-magazine-india.com/2020/04/23/uk-based-faradion-mulling-sodium-ion-battery-manufacturing-in-india/

      Wie ich auch in meinem Artikel dazu geschrieben habe, hat sich in den letzten 4 Jahren sehr viel auf dem Gebiet getan. Es sind sehr viele Wissenschaftler von Lithium zu Natrium gewechselt, nachdem es seit den späten 80ern bis etwa 2012 fast gar keine wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu Natrium-Ionen-Akkus mehr gab, aber gleichzeitig eine gewisse Stagnation bei Lithium-Ionen-Akkus einsetzte. Viele Fortschritte wurden von so vielen Leuten jetzt auch sehr schnell gemacht und es kommen ständig noch mehr. Es gibt nicht nur einzelne vielversprechende Laborexemplare die funktionieren, sondern reihenweise taugliche Ergebnisse mit wenigstes 500 Ladezyklen, unter denen sich die Hersteller nun heraussuchen können (und das auch tun), welche genaue Zellchemie zu ihren Produktions- und Leistungsanforderungen am besten passt. Sei es niedrige Rohstoffkosten, relativ hohe Energiedichte (derzeit bis ungefähr 160Wh/kg) oder hohe Leistungsabgabe bei Kompromissen in der Energiedichte.

      https://www.golem.de/news/natrium-ionen-akkus-ausnahmsweise-ein-echter-durchbruch-in-der-akkutechnik-2006-149130.html

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    Sehr gut zusammengefasst. Der Satz von Duesendaniel trifft auch bei mit zu: „Für mich als Ingenieur waren diese technischen Fakten schon lange klar, wenn auch nicht so detailliert begründet, denn in der Regel reicht mir schon ein Vergleich der Gesamtwirkungsgrade.“
    Aussagen wie jene von THG sollte man einfach nur ignorieren – ist die Lesezeit nicht Wert.

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    Kommentar: „Sie sind teurer und leistungsschwächer als E-Autos und brauchen dreimal so viel Strom.“

    Ein Wasserstoff-Fahrzeug ist hingegen was? Ein W-Auto?

    Die vermeintlich höhere Energieeffizienz des Batterienstroms geht hier von einer hunderprozentigen Gewinnung aus regenerativen Energien voraus. Und selbst dann werden eine signifikante Kerngrößen außer acht gelassen.

    Soso, die Brennstoffzelle altern und in Folge dessen sinkt die Effektivität. Akkus zum Glück wohl nicht.

    Insgesamt lese ich viel „könnte, würde, wird“…Ich bin zwar kein Wasserstoff-Fan aber das hier ist unfundiertes Bashing. Traurig.

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    • Franz W. Rother

      Hallo Herr Hobbs, es ist ein Meinungsbeitrag, der zur Diskussion anregen soll. Keine wissenschaftliche Abhandlung.

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        Auch eine Meinung sollte sich anhand von Fakten ergeben…dazu bedarf es keine wissenschaftlichen Abhandlung. Schlußendlich haben Sie ja Ihre Diskussion; meine Argumente kennen Sie ja jetzt 😉

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      Zitat: „Die vermeintlich höhere Energieeffizienz des Batterienstroms geht hier von einer hunderprozentigen Gewinnung aus regenerativen Energien voraus.“

      Das genau gleiche gilt für den Strom, der zur Erzeugung von Wasserstoff aufgewendet wird, mit dem Unterschied, dass davon über drei mal so viel benötigt wird. Ich verstehe dieses Argument nicht.

      Zitat: „Die Brennstoffzelle altern und in Folge dessen sinkt die Effektivität. Akkus zum Glück wohl nicht.“

      Die Alterungsprozesse von Brennstoffzelle sind tatsächlich sehr unterschiedlich. Akkus verlieren an Kapazität, weil sie wegen nicht nicht perfekten Coloumb’schen Effektivität nur ungefähr 99,98% bis 99,995% der gespeicherten elektrischen Ladung wieder freigegeben (aufgrund chemischer Prozesse in der Zelle. Dickere Deckschicht, langsame Schäden an Kathode/Anode, Zersetzung des Elektrolyts etc.) Die eigentliche Effizienz bleibt dabei immer gleich, nur geht nach 1000-4000 vollen Ladezyklen (in diesem Beispiel) etwa 20% der Ladekapazität verloren. Durch die Alterung steigt auch der Innenwiderstand der Akkus, aber der Effekt ist für die Effizienz des Gesamtsystems gerade im Vergleich zu den Verlusten bei der Wasserstoffherstellung und -nutzung nicht nennenswert.

      Bei Brennstoffzellen zersetzt sich hingegen die Membran der Brennstoffzelle. Der Katalysator darin wird durch chemische Reaktionen inaktiv (besonders Kohlenmonoxid hat diesen Effekt) oder wird von der Membran ganz freigesetzt. Die von der Zelle gelieferte Spannung sinkt dadurch beim gleichen Umsatz von Wasserstoff („Verbrennung“).

      Damit sinkt zuerst einmal die elektrische Effizienz, aber in der Konsequenz auch die abgegebene elektrische Leistung beim gleichen Wasserstoffumsatz und deswegen auch die Reichweite mit der gleichen Wasserstoffmenge im Tank. Da die Effizienz der Brennstoffzelle aber auch von der gelieferten Leistung im Vergleich zur Maximalleistung abhängt(*) – und mit höherer Leistung sinkt – ist der Effekt in der Fahrpraxis sogar noch etwas größer, als der Abfall der Zellspannung vermuten lassen würde.

      Aus Erfahrung ist bekannt, dass Brennstoffzellen nach 2000 Betriebsstunden etwa 10% Spannung verlieren. (Betriebsstunden im normalen Fahrbetrieb, der nur selten bei Volllast stattfindet.)
      https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/73011.pdf

      (*) Das ist ein physikalisches Phänomen, das durch die Betriebstemperatur unterhalb des Siedepunkts von Wasser in der Brennstoffzelle zustande kommt. Der „verbrannte“ Wasserstoff bildet auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle flüssiges Wasser, das nun einen Teil den Zugang des Sauerstoffs zur Brennstoffzellmembran behindert. Diese Behinderung äußert sich in einem Absinken der Zellspannung. Je höher die Leistung, um so mehr Wasser entsteht und um so mehr sinkt die Zellspannung ab. Das begrenzt auch effektiv die Maximalleistung dieser Form der Brennstoffzelle, weil ab einem bestimmten Punkt die Zellspannung schneller sinkt, als dass es ein höherer Stromfluss durch einen höheren Umsatz von Wasserstoff ausgleichen könnte.

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      Sie brauchen ca. die 2,5 bis 3-fache Menge an elektrischer Energie beim Wasserstoffauto, wenn Sie die gleiche Laufleistung wie bei einem batterieelektrischen Fahrzeuge haben möchten. Egal ob aus einem Kohlekraftwerk, aus Windkraftanlagen, oder sonstwas. 3 mal soviel… Darum geht es….

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      Glaube der Herr Hobbs hat sich mit der Technologie auseinandergesetzt und hat Recht. Wasserstoff ist so schwer, dass man diesen in 40t Lkw zur H2-Tankstelle befördern muss. Wasserstoff ist hoch-explosiv, siehe Luftschiff Hindenburg, ja ok ok das hat gebrannt, wäre es explodiert, dann wäre im sekundenbruchteil nix mehr übrig gewesen. Wasserstoff enthält, im Vergleich zu anderen „Treibstoffen“, die dreifache Energie, das braucht kein Mensch.
      Stimmt, Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind viel leistungschwächer als e-Autos, warum weiß ich jetzt auch nicht so genau.
      Das Batterie-Auto ist viel einfacher, das kann jeder an seiner haushaltsüblichen Steckdose laden, auch in der Tiefgarage im dritten Untergeschoß. Geht auch ohne Wall-Box mittels Kabeltrommel. Ja ok ok, Schnelladen tut keinem Akku gut, man kann alternativ auch per USB laden, ist heute in jedem Auto drin, der Akku ist dann locker in 120 Tagen geladen. Ausserdem hat er dann keine Selbstentladung mehr. Nach abzählbaren Schnelladezyklen ist jeder (Auto-) Akku recht schnell im Nirvana. Im Notfall tut’s auch eine USB-Powerbank, die man sonst für’s Smartphone nutzt, um ein paar Meter zu fahren.
      Das Wasserstoff-Auto ist noch lange nicht marktfähig.
      Wir müssen halt aufpassen, dass nach Feierabend nicht jeder gleichzeitig die Steckdose nutzt, sonst wird das Dusch-Warmwasser recht schnell kalt.

      Gruß K. Müller

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    Vielen Dank für diesen wirklich lehrreichen und informativen Überblick zu BEV und FCEV im Vergleich. Für mich als Ingenieur waren diese technischen Fakten schon lange klar, wenn auch nicht so detailliert begründet, denn in der Regel reicht mir schon ein Vergleich der Gesamtwirkungsgrade.
    Leider geht es hier aber nicht um Physik, sondern um die Machtspiele von Politik und Wirtschaft und es wäre nicht das erste mal, das das schlechtere System gegen die Interessen der Allgemeinheit zum Wohl einer sehr kleinen, aber reichen Minderheit durchgesetzt wird.

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    Es ist schon erstaunlich was man sich im Netz aus Halbwahrheiten so zusammen spinnen kann, oder war da eine große Brieftasche geöffnet um diesen Stuss zu verbreiten. Auch wenn man Dinge immer wieder wiederholt werden sie deshalb nicht richtiger.

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      Es ist schon erstaunlich, was mir in Antworten auf diesen Artikel vorgeworfen wird, ohne jede substantielle Aussage zum Artikel selbst zu treffen.

      Es mag sie stören, dass ich exemplarisch die Eigenschaften von zwei real existierende Autos verglichen habe. Die Auswahl erfolgte schlicht nach dem Kriterium, welche auf dem Markt existierenden Modelle der jeweiligen Technologie am häufigsten verkauft wurden und dabei von der Stromquelle abgesehen weitgehend vergleichbare Eigenschaften haben.

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      Sehr interessant fände ich von Ihrer Seite ein paar Fakten, welche Ihre Unterstellung des „zusammen spinnen“ belegen würden. Aber da dürfte wahrscheinlich nicht viel kommen.

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