Energieeffizienz Brennstoffzelle: hui oder pfui?

Mathias Keiber

15 Juni. 2021

Die Zahl der Auto-Modelle mit Wasserstoff im Tank dürfte bald zunehmen. Kann die Technologie in Sachen Effizienz mit dem batterieelektrischen Antrieb mithalten?

Nein, sie ist noch nicht tot, die Brennstoffzelle. Zwar gibt es aktuell nur zwei Pkw mit dem Antrieb, der Wasserstoff per Elektrolyse in elektrische Energie umwandelt – den Toyota Mirai und den Hyundai Nexo. Doch schon bald könnten es mehr sein. Zum Beispiel entwickelt Jaguar Land Rover einen Prototyp seines Defender mit Brennstoffzellenantrieb. Noch in diesem Jahr sollen die Tests starten. Das Projekt ist Teil der Strategie „Reimagine“, in deren Rahmen Jaguar Land Rover bis zum Jahr 2036 die Auspuffemissionen seiner Modelle auf null reduzieren will, während bis 2039 die Nettoemissionen an Kohlendioxid aus Produkten, Standorten und der Lieferkette ebenfalls auf null sinken sollen.


Bei Renault laufen ähnliche Projekte. Ende 2019 haben die Franzosen bereits die Elektro-Transporter Kangoo Z.E. und Master Z.E. mit Brennstoffzellen-Technik als Range-Extender vorgestellt. Nun bringt der Konzern ein Joint-Venture mit dem Brennstoffzellen-Hersteller Plug Power aus den USA an den Start. Im Fokus dabei stehen leichte Nutzfahrzeuge, Taxis und gewerbliche Personentransporter, die mit Wasserstoff und Brennstoffzelle unterwegs sein sollen.


Tatsächlich hat die Brennstoffzelle einige Vorteile gegenüber dem batterieelektrischen Antrieb: Zum Beispiel lässt sie sich schneller betanken und ihre Reichweite verringert sich bei niedrigen Temperaturen weniger. Auch ist die Herstellung eines Brennstoffzellensystems deutlich weniger CO2-intensiv als die einer Batterie mit gleicher Reichweite. Alles prima, also?


Nein, denn es gibt einen entscheidenden Nachteil: den Wirkungsgrad. Zunächst einmal ist die Brennstoffzelle ein Energiewandler, sie kann also per se nicht effizienter sein wie eine Batterie, die ein Speicher ist. Außerdem wird für die Erzeugung von Wasserstoff, zum Beispiel per Elektrolyse, auch Energie verbraucht, ebenso bei Speicherung und Betankung. So schwindet der Wirkungsgrad „well to wheel“, also von der Erzeugung bis auf die Räder, weiter.


Experte: Wasserstoff im Pkw ist Nonsens


Wie das genau aussieht, weiß Martin Doppelbauer, der die Professur für Hybridelektrische Fahrzeuge am Elektrotechnischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie innehat. In seinem „Strategiepapier Elektroautos“ beschreibt Doppelbauer den Wirkungsgrad der Wasserstoffkette – vom Windrad als grüner Energiequelle bis zum E-Motor im Auto – mit erschreckend niedrigen 10 bis 17 Prozent. Die einzelnen Verlustpunkte:


  • Elektrolyse am Windpark: circa 49 bis 56 Prozent Wirkungsgrad
  • Verflüssigung: circa 60 bis 64 Prozent Wirkungsgrad
  • Transport und Lagerung des flüssigen Wasserstoffs: circa 5 bis 10 Prozent Abdampfverluste
  • Hochdruckkompression auf 900 bar, für den Ladevorgang auf 700 bar: circa 85 bis 88 Prozent Wirkungsgrad
  • Stromerzeugung mittels Brennstoffzellensystem: circa 45 bis 58 Prozent Wirkungsgrad (je nach Betriebspunkt)
  • Spannungsstabilisierung mittels DC/DC-Steller: circa 95% Wirkungsgrad


Bei der Batteriestromkette sieht das laut Doppelbauer deutlich besser aus: Nach seinen Berechnungen beläuft sich der Kettenwirkungsgrad vom Windrad bis zum E-Motor im Auto auf etwa 77 bis 86 Prozent. Verluste gebe es lediglich durch die Netzleitung (je nach Distanz und Spannungsebene etwa 90 bis 95 Prozent Wirkungsgrad) sowie durch die Ladeelektronik und die Batterie (etwa 85 bis 90 Prozent Wirkungsgrad).


Doppelbauer betont, dass auch regenerative Stromerzeugung wie mit Wind aufgrund der benötigten Anlagentechnik CO2-Emissionen verursache. Die Gewohnheit, Wasserstoff aus regenerativem Strom mit Null-Emissionen anzunehmen, sei rein politisch bedingt und entspreche keinesfalls der physikalischen Realität. „Tatsächlich stammt der heute an H2-Tankstellen angebotene Wasserstoff sogar überwiegend aus Erdgasdampfreformation. Ein Wasserstoffauto verursacht damit kaum weniger CO2-Emissionen als ein herkömmlicher Diesel“, gibt der Professor zu bedenken.


Bei aus Erdgasdampfreformation gewonnenem Wasserstoff errechnet Doppelbauer für ein durchschnittliches Brennstoffzellenauto einen CO2-Ausstoß von 16,9 Kilogramm pro 100 Kilometer – gerade einmal 9 Prozent weniger als bei einem durchschnittlichen Diesel (18,6 kg CO2 /100 km). Bei einem batterieelektrischen Auto sind es 10,5 Kilogramm CO2 pro 100 Kilometer – gemessen am spezifischen CO2-Emissionsfaktor des gesamten deutschen Strommixes von 0,47 Kilogramm CO2 pro Kilowattstunde im Jahr 2018 (wobei zu bedenken ist, dass sich der Strommix voraussichtlich zugunsten regenerativer Energien wandelt, die CO2-Belastung pro Kilowattstunde also mit der Zeit abnimmt). Ein typisches batterieelektrisches Auto spart gegenüber einem durchschnittlichen Diesel demnach rund 44 Prozent und gegenüber einem typischen Brennstoffzellenauto rund 38 Prozent Emissionen ein.


Dass Wasserstoff für Brennstoffzellenautos nicht generell aus Erdgasdampfreformation gewonnen wird, ist dabei nachrangig. Denn letztendlich ist auch per Elektrolyse gewonnener Wasserstoff weniger effizient ist als Strom, der ohne große Wirkungsgradverluste in die Batterie kommt.


Bezüglich der Energieeffizienz sieht Maximilian Fichtner, Professor für Festkörperchemie an der Universität Ulm, ähnliche Nachteile beim Brennstoffzellenantrieb mit Wasserstoff. In der „WirtschaftsWoche“ erklärte er, der Verkehr in Deutschland habe einen jährlichen Energiebedarf von etwa 770 Terawattstunden. „Bei einer Flotte mit reinen Wasserstoff-Antrieben wie der Brennstoffzelle bräuchte man wegen des schlechteren Gesamtwirkungsgrades bis zu 1000 Terawattstunden. Das Elektroauto ist um ein Mehrfaches effizienter: Eine rein elektrische Flotte mit Batteriefahrzeugen käme mit rund 200 Terawattstunden Energie pro Jahr aus“, so Fichtner.


Hydrogen Council forciert Wasserstoff


Nichtsdestotrotz hat sich die Zahl der Brennstoffzellenfahrzeuge weltweit nach Angaben der Internationalen Energieagentur der OECD seit 2018 fast verdoppelt. Die Zahl der Wasserstoff-Tankstellen stieg im gleichen Zeitraum um mehr als 20 Prozent. Das Hydrogen Council, eine Initiative von über 100 Energie-, Transport-, Industrie- und Investmentunternehmen zur Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft, prognostiziert bis 2030 einen weltweiten Anstieg der Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb auf rund 10 Millionen, während gleichzeitig rund um den Globus rund 10.000 Wasserstoff-Tankstellen zur Verfügung stehen sollen.


Man sieht: Tot ist die Brennstoffzelle nicht. Doch angesichts der Tatsache, dass batterieelektrische Fahrzeuge schlicht viel energieeffizienter sind als mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenautos, stellt sich die Frage, ob die Brennstoffzelle denn unbedingt am Leben gelassen werden muss. Jedenfalls privat genutzte Autos betreffend.


Professor Doppelbauer hat darauf eine klare Antwort: „Brennstoffzellen-Pkws sind technisch, ökonomisch und letztlich auch ökologisch ein Unsinn. Ebenso unsinnig ist der Aufbau einer Pkw-Tankstelleninfrastruktur für Wasserstoff. Das alles dient einzig den kommerziellen Interessen einiger großer Wasserstoff- und Erdölkonzerne und ist eine Verschwendung von Steuergeldern.“


(Foto: Hydrogen Council)

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Mathias Keiber

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