Wasserstoff: Im PKW ohne Chance für die Zukunft

von | 17.07.2020 | Allgemein, Wasserstoff | 0 Kommentare

Wasserstoff, der Stoff der Träume? Zumindest hört man oft, dass Mann und Frau auf Wasserstoff warten, wenn man von alternativen Antrieben spricht. Und da die Bundesregierung Wasserstoff fördert, glauben viele an einen Durchbruch – irgendwann. Was heute klar ist: Wasserstoff ist eine interessante Alternative.

Aber für den Individualverkehr im PKW? Sehr unwahrscheinlich. Die Gründe sind vielfältig: zu hohe Kosten, zu wenig effizient, zu aufwendig in der Logistik. Eine Alternative, die von der batteriebetriebenen Technik längst überholt wurde und auch bei den Herstellern kaum mehr eine Rolle spielt. Warum ist das so?

Die Geschichte der Brennstoffzelle

Schon 1839 definierte der englische Physiker William Robert Grove die „galvanische Gasbatterie“. Durch „kalte Verbrennung“ von Wasserstoff mit Sauerstoff sollte sie – bei einem Wirkungsgrad von fast 100 Prozent – elektrischen Strom liefern. Damals war das natürlich graue Theorie, Werner v. Siemens erfand die erste Dynamomaschine erst 30 Jahre später! Den Physikern war aber klar, was da entdeckt worden war: Eine technische Umwälzung von damals unvorstellbaren Ausmaßen.

Realisiert wurden Brennstoffzellen erst wesentlich später. Im Zusammenhang mit dem Wettlauf zum Mond baute die NASA zur Stromversorgung ihrer Satelliten in den 1950er-Jahren funktionierende Brennstoffzellen. Geld spielte nur eine untergeordnete Rolle.

Weiter entwickelt wurden diese ersten Brennstoffzellen dann vom Militär. Die Generäle legten naturgemäß größten Wert auf den hohen Wirkungsgrad und vor allem Zuverlässigkeit. Ein wesentliches Einsatzgebiet der Brennstoffzellen war seinerzeit der emissions- und geräuschfreie Antrieb von Elektromotoren in U-Booten.

Erst später trat der eigentliche Vorzug der Brennstoffzelle in den Vordergrund: Die kohlendioxidfreie Erzeugung von elektrischer Energie. Voraussetzung dafür ist allerdings die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger. 180 Jahre nach Ihrer Erfindung gibt es Brennstoffzellen in Autos, die aber kaum mehr eine Chance im Individualverkehr haben werden. Immer mehr Hersteller verabschieden sich von der Idee, denn batteriebetriebene Fahrzeuge sind technologisch viel weiter, insgesamt effizienter und kostengünstiger als die Brennstoffzelle. Quelle: mdr

„Experten“, die Ahnungslosigkeit und die Doppelmoral

Über Technologien zu nörgeln ist salonfähig geworden. Jeder will Experte sein, nur die Realität und die Fakten spielen für viele offenbar keine Rolle. Und schaut man sich das Geschwätz von so manch einem vermeintlichen Experten an, werden all zu oft Äpfel mit Binen verglichen oder wichtigen Fakten weggelassen. Logisch, denn damit will man seinen Standpunkt untermauern. Akkutechnik wird dann oft in ein Licht gerückt, in den sie nicht gehört und natürlich wird genau in dieser Argumentation so manches weggelassen – weil es ja so manche Argumentation in einem anderen Licht erscheinen lassen würde. Rohstoffe für Akkus werden zu „seltenen Erden“, die aber keine sind. Der Abbau mancher Rohstoffe findet in der Arguemtation in Ländern statt, wo sie nicht vorkommten. Ausgeblendet wird aber meistens, dass die selben Rohstoffe  schon vor dem Elektroauto in zig Produkten vorhanden waren und sind, ja sogar im Verbrenner zu finden sind, aber dort als „normal“ eingestuft werden. Eine ziemliche Doppelmoral, zumeist auch aus eigenen Interessen. Denn sonst würde vieles in einem anderen Licht darstehen, was man tunlichst vermeiden möchte.

Der Blick in die Glaskugel scheint für so manchen dabei das Maß aller Dinge zu sein. Behauptungen von massenhaften Wasserstofffahrzeugen auf den Strassen bis zum Abbau von Ladesäulen, weil sie keiner braucht, in dem man gleichzeitig nicht selten erwähnt, wie „unlogisch“ Windkraftanlagen sind und Photovoltaik „nur was für Reiche“ sein soll. Es ist Comedy vom Feinsten – die typische Art etwas zu verdrehen, wegzulassen, rein zu interpretieren. Man sagt auch nicht selten „Faktenverdreher“ dazu.

Ja, es passiert etwas in Richtung Wasserstoff. Aber nicht das, was behauptet wird. Das ist wirtschaftlich und energiepolitisch gesehen auch gut und sinnvoll. Wir versuchen das mal zu erklären. Fest steht auf jeden Fall, dass Wasserstoff nur dann Sinn macht, wenn man in der Lage ist sogenannten „grünen Wasserstoff“ herzustellen, also die Energie, die zur Herstellung genutzt werden soll, ausschliesslich aus erneuerbaren Energiequellen kommt. Ähnlich verhält es sich zum Beispiel beim akkubetriebenen Fahrzeug, welches auch am sinnvollsten ist, wenn die gespeicherte Energie aus grünen Energiequellen stammt.

Was spricht für Wasserstoff?

Betrachtet man Wasserstoff, die Technologie als solche, ganz neutral, dann ist Wasserstoff ein toller Rohstoff, der auf jedem Fall genutzt werden sollte um die Frage der Energie der Zukunft zu begleiten. Und zur Herstellung von Wasserstoff benötigt man Wasser und elektrischen Strom. Eigentlich simpel. Macht man Wasserstoff nutzbar, dann entsteht durch Verbrennung oder in einer Brennstoffzelle als quasi Abfallprodukt wieder Wasser. Zudem lässt sich Wasserstoff beliebig lange in beliebig großen Tanks lagern. Die gravimetrische Speicherdichte ist sehr hoch und der Brennwert von einem Kilogramm Wasserstoff liegt bei 33 Kilowattstunden, also bei mehr als dem Dreifachen des Energiegehalts von einem Liter Benzin oder Diesel.

Asien und der andere Anspruch beim Wasserstoff

Und ohne auf die Fakten im Zusammenhang zu schauen steht die Wasserstofftechnik für nichts weniger als die Verheißung einer komplett sauberen Speicherung von erneuerbarer Energie aus Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen. Theoretisch. So ist der Tank eines Fahrzeuges für etwa 5 Kilogramm Wasserstoff ausgelegt, damit sind rund 400 km Reichweite möglich. Das Nachtanken wird bis zu 10 Minuten dauern, damit nur unwesentlich länger als bei anderen Verbrennern.

In anderen Ländern und vor allem aus eher anderen Motiven, wird in Asien das Thema Wasserstoff beweretet und auch gefördert. Denn statt auf erneuerbare Energien bei der Erzeugung und damit auf grünen Wasserstoff zu setzen wird hier für die Produktion auf Gas-Reformierung und Atomstrom gesetzt – also alles andere als wirklich umweltfreundlich. Setzt man aber das Thema Politik und Öl in den Konsens dann geht es auch um weniger Abhängigkeit von Ölimporten und akzeptiert, dass der Preis von Wasserstoff als Kraftstoff deutlich höher ist.

Die Kritik der Experten

„Wenn man dann analysiert und die ganzen Verluste berechnet, kommt man schnell zu dem Ergebnis, weshalb es die Wasserstoffwirtschaft in der Vergangenheit nicht gegeben hat, weshalb sie sich bis heute schwer tut und weshalb sie in Zukunft vermutlich nie kommen wird: Es ist im Grunde genommen ein riesiges Energie-Verlustspiel. Und wir haben keine Energie zu verlieren, sondern wir müssen sehen, dass wir die Energie, die wir gewinnen, sinnvoll nutzen.“

Ulf Bossel, Schweizer Maschinenbau-Ingenieur und Brennstoff-Zellen Experte

Deutsche Förderung aus anderen Motiven

Schaut man sich die Deutschen und Wasserstoff an, dann wird dieser rein industriell gesehen. Als Energieträger in der Industrie, bei der Bahn mit Wasserstoffzügen auf nicht elektrifizierten Strecken oder im Schwerlastverkehr. Im Individualverkehr aber nicht. Hersteller verabschieden sich und positionieren sich deutlich weg von der Wasserstofftechnologie als Antrieb für PKW.

Kein deutscher Hersteller hat ein Modell in der Planung, für das eine echte Massenproduktion in Aussicht wäre.  Toyota dagegen will mit der Neuauflage des Mirai die Brennstoffzelle endlich massentauglich machen und sechsstellige Stückzahlen erreichen. Intern heisst es, dass man sich vom Ziel für Europa verabschiedet hat. Toyota selbst kennt das Problem genau, denn während viele Hersteller die Batterietechnik bevorzugen, tat man sich bei TOYOTA bislang damit schwer. Aber ein Umdenken ist derzeit bereits angekündigt. Dagegen will Hyundai bis 2030 700.000 Brennstoffzellen Fahrzeuge pro Jahr produzieren. Aber auch in Gesprächen mit Händlern zeigt sich, dass dieses Ziel in Deutschland und Europa kaum gefragt ist. Aktuell hat man noch keine 100 Fahrzeuge in Deutschland verkauft.

Das will der Individualist nicht bezahlen

Die Idee der Brennstoffzelle ist sehr teuer. Sogenannte Brennstoffzellen-Stacks kosten in der Herstellung fünfstellige Summen, unter anderem deshalb, weil teure Edelmetalle wie Platin dafür nötig sind. Der Prozess in der Brennstoffzelle, bei dem aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom und Wasser entstehen, mag recht einfach sein, die Brennstoffzelle als Industrieprodukt ist es nicht: Soll die Zelle Minusgrade aushalten, müssen Wasserreste aus dem Stack geblasen werden. Damit die Reaktion starten kann, muss die Zelle vorgeheizt werden, im Betrieb ist dagegen eine Kühlung nötig, weil die Reaktion Abwärme erzeugt.

Die angesaugte Luft muss sehr aufwendig gefiltert werden: Verschmutzungen wie Staubpartikel würden sich an den Zell-Membranen ablagern und auf Dauer die Leistung reduzieren. Auch mit der gefilterten Luft ist die Lebensdauer der Brennstoffzellen-Membranen eine erheblich kritische Größe.

Sieht man weiter und betrachtet die notwendige Leistungssteuerung einer Brennstoffzelle stellt man fest, wie komplex diese ist. So wird erwartet, dass man bei der Leistungsanforderung bis zum Vorgang der Reaktion in der Brennstoffzelle nur kurze Augenblicke gewollt sind. Auch deshalb, weil technisch so nicht realisierbar, braucht ein Brennstoffzellen-Fahrzeug einen Akku als Puffer für die elektrische Energie – und als Speicher für das Vorheizen beim Starten des Autos. Ein Akku, ähnlich dem eines batteriebetriebenen Modells. Somit ähneln die Komponenten sich.

Diese Komplexität zeigt, dass die Brennstoffzelle nicht günstiger sein kann – eher im Gegenteil. Während die reine Akkutechnologie immer günstiger wird, wird der technische Aufbau und Aufwand bei der Brennstoffzelle eher steigen – ausserdem ist der Wartungsaufwand erheblich höher, als bei der Akkutechnologie. Dazu kommt, dass auch die Tanks schwer, ziemlich teuer und ihre Herstellung sehr aufwendig ist: Die Wasserstoff-Moleküle sind so klein, dass sie herkömmliche Werkstoffe durchdringen. Normaler Stahl wird durch den Wasserstoff spröde, weil Wasserstoff-Atome sich in das Metall-Gitter einlagern. Die Tanks in den aktuellen Autos sind deshalb speziell wasserstoffdicht beschichtet.

Dazu kommt aber noch der zusätzliche Aufwand eines Drucktanks, denn um Wasserstoff verfügbar zu machen, wird dieser mit 700 bar Druck befüllt – nur so passen in die 80 Liter Gasvolumen, die die Tanks des Toyota Mirai speichern, fünf Kilogramm Wasserstoff. Damit sie dem Druck unter allen Bedingungen standhalten, sind die Tanks dickwandig und aus Verbundwerkstoffen gewickelt – mit anderen Worten: Sie sind teuer und groß. 

Das Problem: Druck

Bei normalem Umgebungsdruck hat ein Kilogramm Wasserstoff ein Volumen von über elf Kubikmetern. Damit würde ein aktuell verfügbarer Hyundai NEXO bis zu 100 km weit fahren können. Aber Wasserstoff kann nicht durch existierende Gaspipelines gepumpt werden, denn das Gas würde an jedem Ventil entweichen. Deshalb muss der Stoff auf der Straße zu den Tankstellen transportiert werden. Schauen wir uns das mal an: In einen großen Tank-Auflieger mit 36 Kubikmeter Volumen passen 27 Tonnen Benzin. Bei 700 bar Druck wären in diesem Volumen nur 2,3 Tonnen Wasserstoff unterzubringen, aber ein Tank-Auflieger in dieser Größe hält solchem Druck überhaupt nicht Stand.

Wasserstoffanbieter wie LINDE bieten deshalb die reine flüssige Form des Transportes an. Der Aufwand hier ist aber erheblich. So liegt der Siedepunkt bei -252 Grad, das heißt, die Verflüssigung braucht sehr leistungsstarke Kühlanlagen, die entsprechend viel Energie benötigen. Weil ein Liter flüssiger Wasserstoff mit 70,8 Gramm immer noch extrem leicht ist, passen in den großen LKW-Tank weniger als 2,6 Tonnen davon. Ein Flüssig-Wasserstoff-Tank muss zwar keinen Druck aushalten, dafür muss er aber stark isoliert werden, was einen großen Teil des Volumens des Transportbehälters kostet. Und er muss vor allem schnell an das  Ziel: Die Verdunstungs-Kälte des siedenden Wasserstoffs kühlt zwar den Tank, aber der verdunstete Wasserstoff entweicht. Je nach Strecke und Zeit wird ein Flüssigwasserstoff-LKW nie mit vollem Tank am Ziel ankommen.

Und die Herausforderungen gehen noch weiter: Das Tanken funktioniert nur unter Druck und der Tankvorgang muss mit erheblichen Druckunterschieden klarkommen. Das führt dazu, dass der Zapfhahn abkühlt und je nach Luftfeuchtigkeit vereist. Vor einem zweiten Tankvorgang muss die Zapfsäule erst wieder Druck aufbauen, ausserdem muss die Zapfpistole abtauen. Mehr als sechs Autos pro Stunde kann eine solche Tankanlage nicht abfertigen. 

Das unterschätze Problem: Der Wirkungsgrad

Betrachten wir bereits die Fakten: Hohe Kosten beim Fahrzeug durch die Technologie, der extreme Aufwand für die Nutzbarmachung des Wasserstoffs inkl. deutlichem Aufwand der Logistik. Ein extremer Nachteil für den wirtschaftlichen Einsatz. Leider wird es nicht besser: Der Wirkungsgrad. Vergleichen wir das mit dem Primärenergieverbrauch eines batteriebetriebenen Fahrzeuges, so ist die Akkutechnologie heute in der Lage mehr als 75 % Wirkungsgrad zu erreichen. Von der Erzeugung bis zur Nutzung. Beim Wasserstoff, von der Erzeugung per Elektrolyse, die Kompression (oder Kühlung), der Transport, die Tankanlage, die Brennstoffzelle und dem Puffer-Akku im Auto bleiben nur bis zu 30 Prozent der Energie übrig.

Bis zu 70 Prozent Verlust von Energie die aufgewendet worden ist. Bis zu 3 – 4 mal soviel Energieaufwand ist nötig um 100 km weit zu fahren. Das heisst zum beispiel: Verbraucht ein batteriebetriebenes Fahrzeug heute 15 kWh Strom um 100 km weit zu kommen ,wird für die gleiche Strecke, unter Berücksichtigung aller benannten Komponenten bis zu 60 kWh Strom benötigt oder anders ausgedrückt. Würde ich heute eine Windkraftanlage brauchen um ein Elektroauto zu laden, müsste ich beim Wasserstoffantrieb bis zu 4 Windkraftanlagen einsetzen um den gleichen Effekt zu erhalten. Der Wahnsinn! Es ist mehr als ineffizient und konkurenzlos zum Akku. Dafür ist die Technologie viel zu weit – der Aufwand für Wasserstoff als „Treibstoff der Zukunft“ viel zu gross und damit auch viel zu teuer.

Akkutechnik ist viel weiter als die meisten denken

Wie bei vielen Diskussionen unterstellt man andere Motive und dass man aus verschiedenen Gründen gegen Wasserstoff sein muss. Was für ein Quatsch. Ich denke, bei den bisherigen Argumenten ist das eine klare Basis – nämlich Fakten. Und was gibt es für Alternativen? Die, die bereits da sind, funktionieren, deren Entwicklung recht gut und zügig voran geht – mittlerweile deutlich günstiger als Wasserstoff sind und von der Effizienz und dem Wirkungsgrad überzeugen.

Welche Zukunft hat Wasserstoff?

Der Stoff der Träume mit dem man viel tun kann und tun wird. Wir brauchen verschiedene Lösungen, um die ungleichmässige Verfügung von erneuerbaren Energie zu speichern und Energiesicherheit zu gestalten. Dazu gehört auch Wasserstoff. Gas, das zu Überproduktionszeiten von erneuerbarem Strom erzeugt worden ist, kann zum Beispiel direkt in der Industrie eingesetzt werden. Das spart enorme Mengen fossile Energieträger wie Kohle. Neben der Einsparung von CO2 wird der Aufwand deutlich geringer sein. Denkbar sind grosse Tanks, in denen Flüssig Wasserstoff gelagert wird, der produziert wird, wenn wir einen Überschuss an Energie haben. Mit Wasserstoff erzeugte Energie, bei Mangel an Wind und Sonne, könnte dann am Ende sogar in die Speicher von reinen Elektrofahrzeugen fliessen. Der Wirkungsgrad wird jedenfalls deutlich besser sein, als bei Brennstoffzellen PKW.

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Autor: Harald

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