12.06.2019 - Conrad Rössel

Das Brennstoffzellenauto ...
wirklich die – womöglich bessere – Alternative?

Das Brennstoffzellenauto wird immer wieder ins Gespräch gebracht als die angeblich bessere Alternative zum Batterieelektroauto, meist wegen der schnelleren „Nachladung“, aber auch dem Energieaufwand für die Batterieherstellung, den Rohstoffen und der Reichweite.
Der Nachteil der schlechteren „Effizienz“ dieser Technik wird meist verschwiegen, mitunter zwar grundsätzlich eingeräumt, aber mit diesem Begriff alleine schon mehr als unzulässig verharmlost – schauen wir mal näher hin:

Für belastbare Vergleichswerte bemühen wir mal den ADAC mit seinem Eco-Test.
Quelle: https://www.adac.de/infotestrat/tests/eco-test/detail.aspx?IDMess=3972

Brennstoffzellenauto: Toyota Mirai: ab ca. 79.000,- Euro

9,6 s auf 100 km/h
4 sitzig, Kofferraum 340 Liter, Rücksitzbank nicht umlegbar! - geringe Zuladung 320 kg
→ der Brennstoffzellenantrieb und die Wasserstoff – Speicher benötigen viel Platz!
Gesamtgewicht inkl. Fahrer: 1850 kg

Testverbrauch: 1,0 kg H₂ / 100 km

Dieser Verbrauch ist kein Ausreißer : das Hyundai Nexo SUV mit Brennstoffzelle verbrauchte im ADAC – Test 1,2 kg H₂ / 100 km.
Quelle: https://www.adac.de/der-adac/motorwelt/reportagen-berichte/auto-innovation/brennstoffzellenauto-toyota-mirai/

Batterieelektroauto 1: Hyundai IONIQ: ab ca. 35.500,- Euro

Der IONIQ ist zwar etwas kleiner als der Mirai, bietet aber vergleichbare Fahrleistung und Nutzwert / Raumangebot:
9,9 s auf 100 km/h
5 sitzig, Kofferraum 260 Liter, aber Rücksitzbank 60/40 umlegbar!

Testverbrauch: 14,7 kWh / 100 km
Quelle: https://www.adac.de/_ext/itr/tests/autotest/AT5605_Hyundai_IONIQ_Elektro_Style/Hyundai_IONIQ_Elektro_Style.pdf

Batterieelektroauto 2: Tesla Model 3 LR AWD: ab ca. 53.000,- Euro

4,7 s auf 100 km/h
Vierrad – Antrieb
5 sitzig, Kofferraum 425 Liter, Rücksitzbank 60/40 umlegbar!

Testverbrauch: 20,9 kWh / 100 km
Quelle: https://www.adac.de/der-adac/motorwelt/reportagen-berichte/auto-innovation/tesla-model-3/

Wie bekommen wir den Verbrauch von z.B. 1,0 kg Wasserstoff auf 100 km und die entsprechenden Stromverbräuche der E-Autos verglichen?

Hintergrund und Zweck der Wasserstoff – Technologie ist, diesen mit möglichst regenerativem Strom durch Elektrolyse von Wasser zu erzeugen.

Lt. Literatur – z.B. https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserelektrolyse - braucht es
4,3 – 4,9 kWh Strom für 1 m³ H₂ unter Normbedingungen – das sind 0,09 kg H₂.
Für 1 kg H₂ also rund 48 – 54 kWh Strom, je nach Wirkungsgrad der Elektrolyse.

Wir gehen hier mal vom besten Fall, also 48 kWh elektrischer Energie aus, die das Brennstoffzellenauto Toyota Mirai braucht, um 100 km weit fahren zu können.

Das wäre 48 / 14,7 = 3,26 mal so viel wie der etwa gleichwertige Hyundai IONIQ

und

48 / 20,9 = 2,3 mal so viel wie das mit 4-Radantrieb und 0 – 100 km/h in unter 5 Sekunden in einer ganz, ganz anderen Liga spielende Tesla Model 3 AWD LR.

Zusatz: das Tesla Model 3 in der Version LR nur mit Hinterradantrieb (= RWD) ist ca. 8 % effizienter, macht 0 – 100 km/h in unter 6 Sekunden und fährt den Toyota Mirai immer noch nach belieben an die Wand, der mit 48 / 19,3 = 2,5 mal so viel Strom für die gleiche Strecke verbraucht.

In Reichweite - und Gewicht - sind diese Tesla Model 3 auf Augenhöhe mit dem Toyota Mirai, der AWD wiegt etwas mehr, der RWD sogar weniger!

ABER: die 48 kWh für 1 kg Wasserstoff waren nur der Strom für die Elektrolyse - und dieser Strom ist Gleichstrom wie beim Laden der E-Auto - Batterie.
Für die Versorgung aus dem Wechselstrom – Netz muss der Elektrolyse so was wie ein großes Ladegerät vorgeschaltet sein – so wie es in klein im Elektroauto eingebaut ist.

Beim E-Auto sind dessen Verluste im angegebenen Verbrauch ab Steckdose enthalten, beim Wasserstoff bzw. dem Wasserstoff - Verbraucher Brennstoffzellen - Auto nicht.

Außerdem braucht es für den Betrieb der Elektrolyse noch diverse Hilfssysteme, wie den Kühlwasser – Umlauf, und die Aufbereitung und Zufuhr von gut 9 Litern frischem, höchst reinem Wasser je kg Wasserstoff.

Für Ladegerät und Hilfssysteme kann man zusammen ca. 10 – 15 % zusätzlichen Energiebedarf ansetzen.

Nach der Elektrolyse muss der Wasserstoff komprimiert werden, zunächst für den Transport / später für den eigentlichen 700 bar Tankvorgang.
Für diesen muss der Wasserstoff dann auf – 40°C abgekühlt werden, da sonst wegen des Temperaturanstiegs durch den ansteigenden Druck im Speicher des Autos der Tankvorgang wesentlich verlangsamt werden müsste.

Für die Komprimierung kann man ca. 10 % Energieaufwand ansetzen, für die Abkühlung ca. 1 - 2 %.
Quelle: Publikation „WASSERSTOFF-INFRASTRUKTUR FÜR EINE NACHHALTIGE MOBILITÄT“, S. 26, e-mobil BW GmbH,
auf https://www.e-mobilbw.de/de/innovative-mobilitaet/energietraeger-wasserstoff.html bzw. S.51

Man muss also noch 20 – 25 % auf die 48 kWh drauf rechnen, um das alles grob zu berücksichtigen.

Dann sind wir bei knapp 58 kWh bis 60 kWh elektrischen Stroms, die dieses Brennstoffzellen – Auto für 100 km verbraucht.

Das wäre dann das 4-fache vom Hyundai IONIQ und das 3-fache der viel stärkeren Teslas, die auch in der Reichweite mithalten.
Und das soll die Zukunft sein? - zigfacher Energieverbrauch für das gleiche Ergebnis?
3 - 4 Windkraftanlagen statt 1 für gleich viel ersetzte Erdöl - Autos?
Wollten wir nicht effizienter werden?

Selbst wenn bei der Elektrolyse und der Brennstoffzelle noch spürbare Verbesserungen gelingen sollten – was seit Jahrzehnten trotz üppiger Förderungen aus Steuermitteln nicht wirklich gelungen ist – wären die Ergebnisse allenfalls auf dem Niveau der zuerst genannten Zahlen.

Zusatz: Durch Veränderungen an den Oberflächen der Elektroden wird der Wirkungsgrad der Elektrolyse im Laufe des Betriebs schlechter, der Stromverbrauch steigt an.

In einem Vortrag unlängst gab es die Argumentation, dass der „Unterschied in der Effizienz“ von einem Faktor von 2,5 – wie von mir vorgebracht, Quelle: Grafik von Agora Energiewende, siehe mein Vortrag – sich in der Praxis egalisieren würde, u.a. durch den Heizbedarf der E-Autos in der kalten Jahreszeit, wogegen die Brennstoffzellen – Autos mit ihrer Abwärme heizen würden.
Nun – wenn man sich die obigen Zahlen anschaut, ist das schlicht nicht möglich, soviel kann man nicht heizen im Auto, zumal die E-Autos zunehmend Wärmepumpen haben, was die erforderliche Heizenergie drastisch reduziert.

Und die Praxis belegt das: mein Tesla Model S 85D hat nach 4 kalten und 3 warmen Jahreszeiten und knapp 70.000 km im meist ländlichen Fahrbetrieb einen durchschnittlichen Verbrauch ab Steckdose von recht genau 20 kWh / 100 km, also eher weniger als das kleinere, neuere und effizientere Model 3 im ADAC – Test (welcher durchaus praxisnah und fordernd ist – man kann real sehr wohl mit weniger auskommen, z.B. wenn man nur selten schnell auf der Autobahn unterwegs ist und vorausschauend fährt).
Das o.a. Beispiel – mein 4 Jahre alter - Tesla – hat noch nicht mal eine Wärmepumpe.
Die Feststellungen zur sehr schlechten Effizienz der Wirkungsgradkette Strom - Wasserstoff – Elektrolyse – Brennstoffzellenautos stimmen.
Nichts kommt auch nur in die Nähe der E-Autos.

 

Tanken: aber das können die Brennstoffzellen – Autos doch schneller?

Ja: klar, energiereiche Flüssigkeiten oder Gase kann man schneller tanken als elektrischen Strom …

Aber: dazu muss man an eine Tankstelle fahren, so ganz nebenher daheim oder an der Arbeit oder sonstwie beim Parken geht das nicht – mit Strom dagegen schon, zumindest bei den Meisten.

Relevant ist das selten.
Und man ist wieder einem zentralen System ausgeliefert, von der eigenen Photovoltaikanlage o.ä. tanken geht nicht.

Und: ganz so toll ist das Wasserstofftanken auch nicht immer, wiewohl man davon i.d.R. nichts hört, siehe hier:

Quelle: „WASSERSTOFF-INFRASTRUKTUR FÜR EINE NACHHALTIGE MOBILITÄT“ S. 48, e-mobil BW GmbH,
auf https://www.e-mobilbw.de/de/innovative-mobilitaet/energietraeger-wasserstoff.html 

 

Je nach Größe der Installation hat man also doch schnell eine Wartezeit, wenn direkt davor andere getankt haben – und wenn gleich wieder welche tanken kommen, dann haben diese die Wartezeit jeweils wieder.
Die Zeit ist erforderlich, um den Hochdruck – Speicher wieder aufzufüllen und den Wasserstoff wieder abzukühlen auf -40 °C .

Eine andere Aussage dazu:
https://www.faz.net/aktuell/rhein-main/fuer-40-autos-am-tag-zwei-wasserstoff-tankstellen-in-hessen-eroeffnet-15061249.html
„Bis zu 40 Fahrzeuge können an der Shell-Station pro Tag mit Wasserstoff befüllt werden.“
Richtig viel ist das nicht.

 

Logistik: wie kommt der Wasserstoff an die Wasserstoff -Tankstelle?

Man kann ihn vor Ort herstellen - Elektrolyse „on-site“ - braucht dazu natürlich den entsprechenden Stromanschluss und den Elektrolyseur mit gesamter Peripherie.
Je nach Größe der Tankstelle ist der Platzbedarf erheblich („Halle“).
Der Wirkungsgrad der dann kleineren Elektrolyse – Einheiten ist geringer, die Kosten für diese verteilten, kleineren Einheiten mit meist dann diskontinuierlichem Betrieb höher.

Oder eben mit „Tanklastern“ und dem Wasserstoff in ihren Drucktanks. Allerdings ist die transportierte Menge dabei relativ gering – zu größeren Tankstellen müssten jeden Tag ggf. 1 - 2 Transporte kommen.
Und so ein LKW verbraucht auf 100 km ca. 2% des transportierten Tankinhalts … d.h., bei einer Entfernung von 125 km zwischen Tankstelle und Elektrolyse sind hin und zurück 5 % schon wieder weg.
Quelle: „WASSERSTOFF-INFRASTRUKTUR FÜR EINE NACHHALTIGE MOBILITÄT“ S. 28, 66, e-mobil BW GmbH,
auf https://www.e-mobilbw.de/de/innovative-mobilitaet/energietraeger-wasserstoff.html 

Alternativ dazu kann die Anlieferung erfolgen mit Tank – LKW und flüssigem Wasserstoff bei -253 °C .
Durch die dann höhere Dichte des flüssigen Wasserstoffs kann dann die mehrfache Menge transportiert werden.
Allerdings …. die Verflüssigung kostet etwa 20 – 30 % des Energieinhaltes, siehe:
„WASSERSTOFF-INFRASTRUKTUR FÜR EINE NACHHALTIGE MOBILITÄT“ S. 41, e-mobil BW GmbH,
auf https://www.e-mobilbw.de/de/innovative-mobilitaet/energietraeger-wasserstoff.html 

Also 4 – 5 mal so viel Strom für das Brennstoffzellenauto wie das Batterieelektroauto braucht? - bei konventionellen Antrieben kämpft man um jedes Zehntel Prozent!

 

Aber man kann Wasserstoff doch neuerdings auch in Flüssigkeiten speichern?

Ja, kann man – z.B. siehe hier - abgekürzt „LOHC“:
https://www.zeit.de/mobilitaet/2019-05/brennstoffzelle-wasserstoff-elektroautos-energiespeicher-mobilitaetswende-forschung/komplettansicht

Der Titel : „Wasserstoff in Dieselform“ ist allerdings haarsträubend irreführend:
https://www.golem.de/news/energiespeicherung-wasserstoff-soll-in-oel-gespeichert-werden-1709-129820-2.html
" ... Das Verfahren ist noch nicht ausgereift. ... Außerdem nimmt die chemische Reaktion zur Einlagerung und Freisetzung des Wasserstoffs noch viel Zeit in Anspruch. Die Einlagerung dauert vier Stunden. Die Freisetzung von 80 Prozent des eingelagerten Wasserstoffs dauert sogar 20 Stunden."
Wie bitte soll man damit Autofahren?

Im o.a. Zeit-Artikel kritisiert Dr. Ludwig Jörissen vom ZSW in Ulm das Prinzip – er ist dort Fachgebietsleiter Grundlagen Brennstoffzellen:
„Mindestens ein Drittel Energie gehe verloren, wenn Wasserstoff in einer Trägerflüssigkeit gespeichert wird. Wenn man geladenen Wasserstoff auf einem 40-Tonner-Lkw transportiere, seien davon drei Tonnen Wasserstoff und 30 Tonnen Ballast für die Trägerflüssigkeit. … Er bewertet die Methode bestenfalls als ebenbürtig mit flüssigem Wasserstoff. … Außerdem sei die Trägerflüssigkeit Dibenzyltoluol nicht unbegrenzt haltbar. … Gespeichert wird der Wasserstoff im Trägerstoff bei etwa 200 Grad Celsius und freigesetzt bei 300 Grad Celsius. “

Kosten: es gibt wenig Aussagen dazu – was auffällig ist und zu denken gibt.
Es gibt gelegentlich die Ansage von ca. 10 Euro / kg Wasserstoff, für das oben genannte Brennstoffzellenauto also 10 Euro / 100 km.

Ein vergleichbares E-Auto – siehe Vergleich oben – braucht:
- Hyundai IONIQ : 15 kWh / 100 km * 25 Cent/ kWh = 3,75 Euro / 100 km
- Tesla Model 3 AWD LR: 21 kWh / 100 km * 25 Cent/ kWh = 5,25 Euro / 100 km

Und wenn man gerade von der eigenen Photovoltaikanlage laden kann, dann wären das bei einer Einspeisevergütung von 11 Cent / kWh, die dann entfällt: 1,65 bzw. 2,31 Euro / 100 km.

 

Die Sache mit den Rohstoffen

Dem Batterieelektroauto werden die Rohstoffe für die Batterie und die Abhängigkeiten davon als Problem vorgeworfen.
Löst das das Brennstoffzellenauto?

Zunächst: alle Brennstoffzellenautos haben auch eine Batterie!
Freilich ist diese kleiner als bei den E-Autos, beim kommenden Brennstoffzellenauto von Mercedes – dem GLC F-CELL - allerdings immerhin so groß, dass dieses SUV damit bis zu 50 km weit fahren kann – und das soll auch genutzt werden: die Batterie kann und soll von extern geladen werden, wie beim E-Auto.

Weiter: in der Brennstoffzelle werden der mitgeführte Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft „verbrannt“ zu Wasser – dazu braucht es einen Katalysator, und da ist Platin entscheidend … ein sehr teurer, seltener Rohstoff!
https://de.wikipedia.org/wiki/Polymerelektrolytbrennstoffzelle u.a.:
„Die Membran ist beidseitig mit einer katalytisch aktiven Elektrode beschichtet, einer Mischung aus Kohlenstoff (Ruß) und einem Katalysator, häufig Platin oder ein Gemisch aus Platin und Ruthenium (PtRu-Elektroden), Platin und Nickel (PtNi-Elektroden), oder Platin und Kobalt (PtCo-Elektroden).“

Wo kommt Platin her? - zu ca. 73 % aus Südafrika – also quasi ein Monopol! - eine derartige Abhängigkeit gibt es bei den Batterierohstoffen nicht! - nicht mal beim Kobalt, dass aber gar nicht mal alle E-Auto – Batterien verwenden.
Platin: Russland kommt nach Südafrika mit nur 13 % an 2. Stelle, Simbabwe mit 6 % an 3. Stelle.
Letzte Zahlen aus 2013, Quelle : https://de.wikipedia.org/wiki/Platinmetalle/Tabellen_und_Grafiken#Platin

Aber auch bei der vorgelagerten Elektrolyse – s.o. - werden zumindest mitunter teure, problematische Rohstoffe eingesetzt:
http://elektrolyse.de/wordpress/?page_id=132&lang=de
u.a.: „Werden Edelmetalle wie Platin, Iridium, Ruthenium, Paladium, Cobalt, Molybdän, o.ä. als Katalysatoren eingesetzt, weisen die Anlagen anfangs einen hohen Wirkungsgrad bzw. einen geringen spezifischen Energiebedarf auf. … .“

Dies und das:

So wie man gut 9 Liter Wasser braucht für die Elektrolyse von 1 kg Wasserstoff, genauso spuckt das Brennstoffzellenauto diese gut 9 Liter Wasser auch wieder aus – das oft zitierte Wasser bzw. der oft zitierte Wasserdampf, den das Brennstoffzellenauto „nur“ abgibt.
Das Auto muss das los werden, in der Praxis sieht das so aus: Toyota Mirai:

aus: http://www.manager-magazin.de/unternehmen/autoindustrie/toyota-mirai-wasserstoffauto-im-live-fahrtest-a-1060277-8.html

Vergleichsfahrt Toyota Mirai – Tesla S 85 – sehr interessant zu lesen - empfohlen!

„Toyota Mirai beim Wasserablassen: werden Autobahnen im Winter zu Rutschbahnen?“
„Unsere Tesla-Mitfahrer haben beobachtet, dass unser Mirai beim Beschleunigen ganz ordentliche Mengen Wasser und Wasserdampf abgegeben hat. Zum Teil hat ihnen das etwas die Sicht genommen, und sie mussten rasch den Scheibenwischer einschalten.“
Und da war ja jetzt nur ein einziges Brennstoffzellen-Auto unterwegs …. und Brennstoffzellen-LKW z.B. stoßen ein Vielfaches aus.

 
Zum Abschluss noch Ergebnisse einer Studie, die den kompletten „lifecycle“ betrachtet: u.a. von ACS – American Chemical Society und dem MIT – Massachusetts Institut of Technology,
Quelle: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.6b00177

Auszüge:

In den USA wird mehr gefahren – hier ca. 19.500 km im Jahr.
Selbst mit dem mäßigen US – Strommix gewinnen die E-Autos, dann kommen Benzin-Hybride.

Und mit dem Toyota Mirai ist ein Brennstoffzellenauto im Vergleich.

Mit Wasserstoff aus Erdgas – dem heutigen Normalfall (!) – ist das Brennstoffzellenauto CO₂-mäßig eher schlechter als der Durchschnitt der vielen und längst verfügbaren Benzin-Hybride, es kostet über die Lebenszeit aber etwa das Doppelte.
Gegen die E-Autos - selbst mit diesem schlechten Strommix (!) - hat der Mirai mit Wasserstoff aus Erdgas keine Chance – auch nicht gegen den deutlich größeren, in der Reichweite ähnlichen und viel stärkeren Tesla!
Mit Wasserstoff aus Elektrolyse ist der Mirai – kleines, dunkelblaues Dreieck - bei diesem Strommix für das Klima eine Katastrophe (!) - noch viel schlechter als vergleichbare konventionelle, 08/15 Erdöl-Autos, deutlich schlechter als viel stärkere und größere Benziner-Limousinen wie BMW 528 oder Mercedes E350, auf dem Level von großen SUVs und Pickups mit großen Benzin-Motoren.
Diese Studie zeichnet sich u.a. dadurch aus, dass sie die Ergebnisse mit unterschiedlichen Randparametern zeigt – so auch mit verschiedenen Strommixen – und so sieht das dann aus mit einem „low carbon“ = regenerativem Strommix:

Mit diesem regenerativen Strommix erzielt das Brennstoffzellenauto zwar ein gutes CO₂ – Ergebnis, das aber etwa doppelt so hoch ist wie bei vergleichbaren Batterie – E-Autos (!) - und immer noch deutlich höher ist als beim deutlich größeren und viel stärkeren Tesla Model S … - und verbraucht dafür aber ein Mehrfaches an regenerativem Strom.

Die Wasserstoffspeicherung für stationäre Anwendungen (Strom aus Brennstoffzelle und Nutzung der Verlustwärme zum Heizen), um die berühmte Dunkelflaute zu überstehen, ist ein anderes Thema – das kann sinnvoll sein, ist aber aktuell noch kein Handlungsfeld außerhalb der Forschung.
Den Wasserstoff in der allgemeinen Mobilität zu verfahren ist widersinnig und kontraproduktiv.
Die Diskussion darüber ist nur in soweit sinnvoll, als sie vom aktuellen Handlungsbedarf und den aktuellen Handlungsmöglichkeiten nicht ablenken darf, sondern auf diese hinführt.

Wasserstoff bleibt Wasserstoff – ihn kann man nicht verbessern.
Batterien haben dagegen noch viel Potenzial, wie die laufenden Verbesserungen zeigen.

 

Wasserstoff ist nicht gefährlich …. ?

Richtig ist, dass Wasserstoff nicht giftig ist, zum Atmen braucht der Mensch allerdings trotzdem einen Sauerstoff – Anteil.

Wasserstoff ist brennbar, und zwar in einem sehr großen, möglichen Mischungsverhältnis von wenig Wasserstoff in viel Luft bis viel Wasserstoff in wenig Luft. Dies gilt auch für die Explosionsfähigkeit von Wasserstoff – Luftgemischen. Wasserstoff ist zudem sehr leicht entzündlich.
Hier wird regelmäßig entgegen gehalten, dass bei einer Undichtigkeit der sehr leichte Wasserstoff ja sofort nach oben entweicht, so dass es nicht zu einem explosiven Gemisch kommen könne.

Die Praxis hat das unlängst dramatisch widerlegt:

https://insideevs.com/news/354223/hydrogen-fueling-station-explodes/

Kurz zuvor hatte es in der San Francisco Bay Area auch einen Vorfall gegeben an einer Wasserstoff – Versorgungsstation:
https://longtailpipe.com/2019/06/04/fuel-cell-car-owners-stuck-in-sf-bay-area-afterhydrogen-explosion-shutters-refueling-infrastructure/

Insgesamt gibt es bislang nur wenig Wasserstoff-Infrastruktur, und das zudem in kleinem Maßstab.
Die explodierte Station in Norwegen hat nur eine Zapfsäule und dementsprechend wenig Wasserstoff – Bevorratung.

 

(Update 12. Juli 2019 und 10. November 2019)