Rohstoffknappheit wird überwunden

Denn das Argument der Rohstoffknappheit ist spätestens seit der erfolgreichen Entwicklung einsatzfähiger Natrium-Ionen-Akkus unhaltbar geworden. Tatsächlich war dieses Argument aber lange Zeit valide. 2019 wurde bei der Produktion von Lithium-Ionen-Akkus mit etwa ca. 200 Gigawattstunden (GWh) etwa die Hälfte der weltweiten Lithium-Produktion verbraucht. Pro Jahr werden auf der Welt rund 70 Millionen Pkw produziert. Die Lithium-Produktion müsste verzehnfacht werden, um allein diesem Bedarf nachzukommen. Hinzu kommen aber noch Lkw, Züge, stationäre Speicher und andere Anwendungen. Alternative Akku-Konzepte waren notwendig – und sie sind jetzt da.

Engpässe gab es davor schon bei der Versorgung mit Kobalt, verbunden mit einer zumindest teilweise menschenrechtswidrigen Produktion. Auch wenn sich die Bedingungen im Bergbau verbessern sollen, bleibt der Rohstoff knapp. Kobalt wurde aber schon wegen der hohen Kosten inzwischen zu 80 bis 90 Prozent in Kathodenmaterialien ersetzt, größtenteils durch Nickel.

Inzwischen ist zwar absehbar, dass die dabei benutzten Nickelsulfaterze knapp werden können. Lithium-Eisenphosphat-Akkus brauchen jedoch weder Nickel noch Kobalt. Die derzeit leistungsfähigsten Natrium-Ionen-Akkus kommen mit kleinen Anteilen von Nickel aus und benötigen sonst keine knappen Rohstoffe. Auch dort gibt es nickelfreie Alternativen auf Basis von sehr häufigen Stoffen wie Eisen und Mangan.

Akkus sind auch für Lkw und Züge geeignet

Die größere Verfügbarkeit von Akkus zu niedrigen Preisen erlaubt es inzwischen, selbst Großfahrzeuge mit Akkus zu betreiben und kommerziell zu verkaufen. Tesla wird einen 40-Tonnen-Sattelschlepper, den Tesla Semi, mit Reichweiten von 500 bis 800 km auf den Markt bringen. Das große Modell soll einen knapp 1.000 kWh großen Lithium-Ionen-Akku an Bord haben. Wegen der gesetzlich vorgeschriebenen Ruhepausen für die Fahrer dürfte die Reichweite kein Hindernis mehr darstellen. Aber schon die kleinere Variante des Serienfahrzeugs übertrifft mit einem drei Tonnen schweren Akku in Reichweite, Leistung und Last fast alle geplanten Lkw-Prototypen mit Brennstoffzellen und dürfte überdies deutlich billiger sein.

Die hohen Strompreise in Deutschland bremsen die Verkehrswende: Der Betrieb von Elektroautos rechnet sich deshalb hierzulande nicht in jedem Fall für den Verbraucher. Und der Aufbau einer eigenen Zellfertigung für Hochleistungsbatterien macht beim aktuellen Strommix keinen Sinn, sagt der ehemalige Audi-Vorstand Dietmar Voggenreiter in einer Studie für die Managementberatung Horvath und Partners. E-Mobilität

Während Brennstoffzellenzüge nur als Leuchtturmprojekte gebaut werden, bei denen der Staat die Mehrkosten für den Zug und den Bau der Wasserstofftankstellen übernimmt, bietet Bombardier einen Akku als Option in der normalen Serienproduktion des Talent-3-Zuges an.

Für eine Fahrt über 40 km auf nicht elektrifizierten Bahnstrecken wird mit 120 kWh Stromverbrauch gerechnet. Der Akku kann anschließend über die normale Oberleitung in zehn Minuten wieder geladen werden. Mehr Reichweite kann entweder über größere Akkus erreicht werden – wie beim Tesla Semi – oder durch den kostengünstigen Aufbau kurzer Streckenabschnitte mit Oberleitungen zum Nachladen, wie es in Dänemark geplant ist. Brennstoffzellenzüge haben in Vergleichen durchweg die drei- bis vierfachen Kosten im Energieverbrauch und mehr Aufwand in der Tankinfrastruktur bei erhöhtem Wartungs- und Sicherheitsaufwand.

Teure Infrastruktur

Wasserstofftankstellen für Brennstoffzellen-Autos kosten derzeit etwa 1 bis 2 Millionen Euro – pro Zapfsäule. Sie sind explosionsgefährdet, wie mehrere Unfälle in den letzten Jahren gezeigt haben. Das schränkt die Standortwahl aus Sicherheitsgründen ein.

Wasserstoff-Express
Dank einer mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle soll der zusammen mit Bosch entwickelte 1000 PS starke Nikola One bis zu 1600 Kilometer ohne Tankpause fahren können.
© Copyright Nikola Motor Company

Hochdruckventile und mechanische Hochleistungspumpen sind insgesamt wesentlich anfälliger für mechanische Fehler als elektrische Ladesäulen. Das verursacht höhere laufende Kosten, aber Einsparmaßnahmen sind dort gefährlich. Fehler in der Wartung und Konstruktion sind die Hauptursache der aufgetretenen Wasserstoffexplosionen und -brände im Umfeld von Wasserstofftankanlagen. Außerdem benötigen die Tankstellen neben Strom auch eine Wasserstoffversorgung per Pipeline oder eine eigene Elektrolyseanlage.

Aber entlasten Brennstoffzellenautos nicht das Stromnetz? Das lesen Sie im dritten Teil.

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13 Kommentare

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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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    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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