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Hat die Wasserstofftechnologie Chancen gegen Akkus ?


Welche Chancen man der Wasserstofftechnologie einräumen soll, ist mit Stand Mitte 2020 noch unklar. Das Fachmagazin eFahrer positioniert sich in einem Beitrag vom Juni 2020 dagegen: Die Technik habe keine Chance gegen herkömmliche Akkus, meint der Autor Josef Reitberger. Wir geben sein Statement an dieser Stelle relativ ungekürzt wieder.

Diskussion um die Wasserstofftechnologie

Nur kurz zur Einführung: Wasserstoff- bzw. Brennstoffzellenautos sind auch E-Autos. Sie produzieren mit einer Brennstoffzelle aus Wasserstoff elektrischen Strom, der einen Elektromotor antreibt. Doch die nun schon klassischen E-Autos beziehen ihren Strom aus einer Batterie (derzeit vorrangig auf Lithium-Ionen-Basis), die mit normalem Strom aufgeladen wird. Wenn dieser auch noch Ökostrom ist, handelt es sich um ein vergleichsweise ökologisches Projekt, wobei die ökologischen Kosten der Akkuherstellung heiß diskutiert werden.

Das ist aber nur ein Teil der Gesamtbetrachtung, denn ökologische Fortbewegungsmittel müssen auch wirtschaftlich sein, sonst kauft sie niemand. Die Wasserstofftechnologie hat engagierte Verfechter, die darauf verweisen, dass sich Wasserstoff ohne Raubbau an der Umwelt und ohne höchst prekäre Arbeitsbedingungen (beides Schattenseiten der Lithiumförderung in Südamerika und teilweise in Afrika) bereitstellen lässt. Seit etwa Ende 2019 gibt es nun eine lebhafte öffentliche Diskussion um den Vergleich der Wasserstofftechnologie mit den herkömmlichen Akkus auf Lithium-Ionen-Basis.

Wasserstofftechnologie in der Zukunft

Wasserstofftechnologie in der Zukunft

Öffentlich vorgetragene Positionen

Die öffentliche Wahrnehmung in Deutschland beeinflussen kurioserweise ausgerechnet prominente Comedians wie Mario Barth, Dieter Nuhr oder Monika Gruber. Diese schießen sich seit Monaten auf das E-Auto mit dem Lithium-Ionen-Akku ein und behandeln es als Daueraufreger. Auch der angesehene Philosoph Richard David Precht outet sich als Gegner von Lithium als Basis für Akkus in E-Autos. In der Talkrunde von Markus Lanz bezeichnete er die Rohstoffförderung des Lithiums unter der Voraussetzung als falsch, dass man vom Sieg der Wasserstofftechnologie in spätestens zehn Jahren ausgehen könne.

Davon scheint Precht überzeugt zu sein, jedoch erschien seine Kritik am Lithium-Ionen-Akku nicht sonderlich fundiert: Den Abbau von Lithium verortete er in Peru (in Wahrheit: hauptsächlich Chile, Bolivien, Argentinien), als weiteren problematischen Rohstoff nannte er Coltan, das im Kongo tatsächlich unter prekären Arbeitsbedingungen gefördert wird, aber für Elektroautos kaum eine Rolle spielt. Es kommt vielmehr in diversen elektronischen Geräten zum Einsatz. Es bleibt die Frage, was von Prechts Kernthese zu halten ist, dass wir in zehn Jahren hauptsächlich mit Wasserstoffautos unterwegs sein werden.

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Wasserstoff als Energieträger

Wasserstoff ist zweifellos ein beeindruckender Energieträger. Für seine Herstellung sind Wasser und elektrischer Strom erforderlich, bei seiner Verbrennung entsteht nur reines Wasser (zunächst als Wasserdampf) als Abfallprodukt. Das sind nicht die einzigen Vorteile: Wasserstoff lässt sich auch beliebig lange und in beliebig voluminösen Tanks lagern. Seine gravimetrische Speicherdichte (Brennwert pro Masseeinheit) ist sehr hoch: Ein Kilogramm Wasserstoff liefert 33 Kilowattstunden Energie. Das ist mehr als dreimal so viel wie die Ausbeute aus einem Liter der klassischen Brennstoffe Benzin und Diesel.

Diese zunächst nur ökologischen und technischen Kriterien verheißen in der Tat die komplett saubere Speicherung von Energie. Wenn diese erneuerbar ist, weil der viele Strom für die Wasserstofferzeugung aus Windkraft und Sonnenenergie stammt, wäre die Wasserstofftechnologie in ökologischer Hinsicht unschlagbar sauber. Sie hat noch mehr technische Vorteile für die Praxis des Autofahrens: Fünf Kilogramm Wasserstoff genügen für über 400 Kilometer Reichweite. Deren Nachtanken dauert zwischen fünf und zehn Minuten. Das ist nur sehr wenig mehr Zeit als beim Tanken von Benzin oder Diesel (drei bis fünf Minuten) und viel weniger als beim Aufladen eines Lithium-Ionen-Akkus (25 bis 45 Minuten).

Wie geht die Welt mit der Wasserstofftechnologie um?

Japan, China und Korea bewerten die genannten Vorteile der Wasserstofftechnologie sehr hoch. Daher gibt es in diesen Ländern dafür sehr konsequente Förderprogramme. Der Strom für die Wasserstofferzeugung stammt allerdings in Südkorea und Japan vorrangig aus der Gas-Reformierung und aus der Atomkraft, was beides als ökologisch höchst bedenklich gilt. Von Ölimporten möchten sich die beiden Länder mehr und mehr unabhängig machen, was ihre Treibstoffpreise stark ansteigen lässt. In China stammt der Strom zur Wasserstofferzeugung sogar aus dem Umweltkiller Kohleverstromung. Dennoch ist die Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie in diesen Staaten gut vorangekommen. In Deutschland hingegen tritt sie scheinbar auf der Stelle.

Dabei ist die deutsche Forschungslandschaft schon seit Jahrzehnten mit dem Thema befasst. Das hat jedoch bislang nicht allzu viel gebracht: Die deutschen Hersteller können mit Stand 2020 keine konkurrenzfähigen Produkte der Wasserstofftechnologie vorweisen. Es gibt hierzulande noch kein (geplantes) Fahrzeugmodell, das für eine echte Massenproduktion zu halbwegs konkurrenzfähigen Preisen tauglich wäre. Mercedes bietet den GLC F-Cell an, aber nicht für private Käufer. Bislang ist nur ein Leasingmodell geplant.

Toyota kann hingegen mit dem Mirai der zweiten Generation die Brennstoffzelle möglicherweise schon massentauglich machen, geplant sind sechsstellige Stückzahlen. Von Hyundai gibt es den Wasserstoff-Pkw Nexo, darüber hinaus will der südkoreanische Konzern bis 2030 pro Jahr 700.000 Brennstoffzellen für alle erdenklichen Fahrzeuge und eventuell sogar Flugzeuge und Schiffe bauen. Noch ist die Technologie teuer: In Deutschland besitzen nicht einmal 100 Autofahrer einen Hyundai Nexo, der in der Basisversion rund 77.000 Euro kostet, mit einer Tankfüllung allerdings 756 Kilometer schafft.

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Aus Deutschland nur Prototypen

Es stellt sich nun die Frage, warum die deutsche Automobilindustrie die Wasserstofftechnologie nicht massentauglich macht. Es gab nämlich schon vor drei Jahrzehnten gute Ansätze. Der erste Prototyp mit Brennstoffzelle war der Mercedes F100, er wurde schon auf der IAA 1991 gezeigt. Kurz darauf folgte die BMW-Kleinserie Hydrogen 7, der aber keine Serienfertigung folgte. Wenn man die Gründe erforscht, sollte der gedankliche Grundansatz lauten: Die deutschen Automobilkonzerne wissen in wirtschaftlicher Hinsicht sehr genau, was sie tun. Und aus diesem Blickwinkel wiegen die enormen Kosten der Brennstoffzellentechnologie wohl unglaublich schwer.

Eine Brennstoffzelleneinheit (sogenannter Stack) für ein Auto kostet einen fünfstelligen Betrag in der Herstellung, weil er unter anderem das teure Edelmetall Platin benötigt. Der reine technische Prozess in einer Brennstoffzelle ist zwar physikalisch recht simpel, doch das Industrieprodukt Brennstoffzelle ist komplex, teuer und empfindlich. So muss die Zelle, in der sich nach der Verbrennung Wasser sammelt, schließlich auch Minusgrade aushalten. Das kann nur gelingen, wenn sämtlich Wasserreste bei drohendem Frost (oder generell) komplett aus dem Stack ausgeblasen werden.

Für die Verbrennungsreaktion benötigt die Zelle eine Vorheizung, für ihren Dauerbetrieb wiederum eine Kühlung, denn sie wird bei der Reaktion sehr heiß. Die angesaugte Luft benötigt eine aufwendige Filterung, denn Staubpartikel kann die Zellmembran überhaupt nicht vertragen. Darüber hinaus haben Brennstoffzellen wohl keine allzu lange Lebensdauer, was angesichts ihrer gigantischen Kosten als sehr prekär gelten muss. Hinzu kommen Einschränkungen bei der Performance. Wegen der komplexen Leistungssteuerung einer Brennstoffzelle reagiert sie relativ träge: Ein Tritt auf das Gaspedal führt nur deshalb wie gewohnt zur sofortigen Beschleunigung, weil ein Akku als Puffer zwischen die Brennstoffzelle und den Antriebsstrang geschaltet wird.

All diese technischen Faktoren machen die Brennstoffzellenautos sehr teuer. Sinkende Preise sind alsbald nicht in Sicht. Es gibt noch einige Probleme mehr, die wir nur am Rande erwähnen möchten. Dazu gehören die Sicherheit der Tanks sowie der Transport und die Lagerung des Wasserstoffs, der als Medium gar nicht so einfach zu handhaben ist. Gaspipelines für Wasserstoff lasen sich aus technischen Gründen (bislang) nicht bauen, sodass der Transport zu den Tankstellen ausschließlich mit Tanklastern erfolgen kann. Das Tankstellennetz ist zumindest noch in Mitteleuropa extrem dünn. Der Transport mit den Tanklastern ist wiederum technisch so aufwendig, dass er nochmals die Kosten extrem erhöht. Es wird natürlich nach technischen Lösungen für all diese Probleme gesucht, sie sind aber nicht von heute auf morgen zu haben.

Wann jemals die Kosten für ein Wasserstoffauto sowohl in der Anschaffung als auch im Unterhalt sinken werden, ist aus heutiger Sicht nicht absehbar. Erinnern wir uns: Elektroautos gibt es schon deutlich länger als 100 Jahre, sie waren einst sogar den Verbrennern ebenbürtig (Anfang des 20. Jahrhunderts). Doch dann stagnierte ihre Entwicklung, die Reichweite der Akkus konnte bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts nicht signifikant erhöht werden. Droht der Wasserstofftechnologie ein ähnliches Schicksal? Womöglich glauben dies die technischen Manager in den großen deutschen Automobilkonzernen. Sie lassen die Wasserstoffentwicklung eher nebenher laufen.

Kernproblem: Wirkungsgrad

Als wären diese genannten Probleme nicht schon groß genug für eine neue Technologie, kommt ein Kernproblem hinzu: Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist offenkundig nicht sehr hoch. Diese wurde auf dem Expertenforum Elektromobilität im Oktober 2019 dargelegt. Der Experte für Elektromobilität Michael Bucher (EnBW) verwies auf die Unterschiede in den Wirkungsgraden von konventionellen Elektroautos und Brennstoffzellenfahrzeugen:

  • Das Elektroauto mit einen Lithium-Ionen-Akku verwertet mehr als 75 Prozent der zugeführten elektrischen Energie aus einer Windkraft- oder Photovoltaikanlage.
  • Beim Brennstoffzellenantrieb sind es durch die Kette Stromerzeugung, Wasserstofferzeugung per Elektrolyse, Kompression und/oder Kühlung, Transport, Tankanlage, Brennstoffzelle und Puffer-Akku nur 24 bis 31 Prozent.

Pro Kilometer benötigt daher Wasserstoffmobilität mehr als dreimal so viel Strom wie die klassische Elektromobilität. Es müssten also, wenn der Strom wirklich aus erneuerbaren Energiequellen stammen soll, dreimal so viele Windkraft- und/oder Solaranlagen gebaut werden. Der Experte Bucher resümiert: Es ist eine tolle Technologie, wir alle warten darauf. Derzeit ist die Technik aber noch viel zu ineffizient. Mit klassischen Elektroautos kann sie noch längst nicht konkurrieren.

Was bringen eFuels?

Wasserstoff kann auch zu sogenannten eFuels weiterverarbeitet werden: Dazu scheidet die technische Anlage aus der Luft Kohlendioxid ab, was sehr viel Energie kostet. Es entstehen dadurch synthetische Kraftstoffe. Deren Nutzung hat aber einen noch schlechteren Wirkungsgrad als die direkte Verstromung von Wasserstoff. Er liegt bei den gegenwärtigen, nur im Probestadium getesteten Technologien bei 13 Prozent. Das ist schon ein Spitzenwert aus verschiedenen Versuchsreihen. BMW hat diese Technologie bis auf ein gewisses Niveau entwickelt, doch die Ergebnisse konnten keinesfalls befriedigen. Auch die Direktverbrennung von Wasserstoff scheint bezüglich der Effizienz ein absoluter Irrweg zu sein.

Wie geht die Entwicklung weiter?

Optimisten möchten an die Brennstoffzelle glauben, und in der Tat entwickelt sie sich natürlich. Doch die klassischen Akkus auf Lithiumbasis entwickeln sich ebenfalls. Bei der Verstromung von Wasserstoff gibt es zudem einige Probleme, die sich aus heutiger Sicht einfach nicht lösen lassen. Dazu gehören ganz eindeutig der aufwendige Transport von Wasserstoff und der hohe Energiebedarf bei der Elektrolyse, mit der aus Wasser Wasserstoff entsteht. Die deutschen Hersteller kennen diese Probleme. Daimler und BMW forschen seit Jahrzehnten an der Brennstoffzelle und bauen auch immer wieder Prototypen. Die daraus resultierende Entwicklung kann aber nicht mit der Entwicklung bei den klassischen Akkus mithalten. Es bleibt das Fazit: Aus Sicht des Jahres 2020 ist keine ökonomisch vertretbare Brennstoffzellentechnologie in Sicht.

Hoffnung für den Wasserstoff

Dennoch ist Wasserstoff als Energieträger so interessant, dass ihn niemand verwerfen mag. Es gibt für ihn tatsächlich Hoffnung: Er kann beispielsweise für die Stahlverhüttung eingesetzt werden. Dort würde er die umweltschädliche Kohle ersetzen. Das gelingt mit relativ kleinem technischen Aufwand und birgt ein sehr hohes Einsparpotenzial an klimaschädlichem Kohlendioxid. Auch die Zementproduktion könnte davon profitieren. Ein weiterer Einsatzbereich könnten Gasturbinen mit Kraft-Wärme-Kopplung sein. Solche Anlagen haben einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad. An diesen Technologien sollte beharrlich gearbeitet werden. Nur das Brennstoffzellenauto dürfte noch auf längere Sicht ein unerfüllbarer Traum bleiben.

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Kommentare



Lars Wilhelmsen 22. April 2022 um 12:45

Moin!

Effizienz gering bei Brennstoffzellen?
Der Prozentsatz ist doch schon 2019 überholt gewesen!
Schauen wir uns in Deutschland um, sticht Geesthacht ins Auge!
Nicht nur, dass der Betankungsdruck bei gleichender Volumenkapazität von 700 bar auf 12 bar reduziert wurde (dank einer dortigen Erfindung), nein, die Tanks können in jeder Form hergestellt werden.
Nunmehr sind jene Tanks aus Leichtmetall, haben somit weniger Gewicht, als auch deutlich kleinere Außenvolumen, als die „Zwiebelschalen“-Tanks, die mit 700 bar betankt werden müssen.
Damit verringern sich auch die Transportkosten, dank geringeren Gewichts der Tankwände.
Wasserstoff kann also zukünftig überall, wo Strom erzeugt wird, per Elektrolyse hergestellt und gespeichert werden.
Ich gehe hypothetisch noch weiter: Genormte Leichtmetalltanks könnten, wie bereits bei Camping-Gas (bei 200 bar) üblich, an jedem Supermarkt gekauft werden. Verschlüsse, ähnlich derer bei Euro-Bierfässern stellen die Verbindung zu Auto her und die Brennstoffzelle ist wieder versorgt.
Ob nun durch norddeutsche GroWiAnlagen, auch offshore oder durch heimische Solaranlagen (z. B. die riesigen Dachfelder von landwirtschaftlichen Großställen oder im Kleinen: Zuhause). Mehrfamilienhäuser aus den 60ern könnten Strom und H² selbst herstellen. Heizungen und Sromverorgungen könnten also lokal oder regional gewährleistet werden.

Dazu müsste vielleicht seitens der Politik mal aufgewacht und die richtigen Weichen gestellt werden.

Die Möglichkeiten sind da.
Effektivitäten sind deutlich höher, als im Artikel dargestellt.

Die Brennstoffzelle selbst kostet für einen PKW angeblich einen 5-stelligen Eurobetrag, der dem Anteil an Platin zuzuschreiben sei.
Wenn nun Platin aus alten Katalysatoren recycelt wird, und der Rohstoff-Neupreis von Platin bei € 30,00/Gramm liegt, dann…
60g Platin sind in einer Brennstoffzelle verbaut. € 30,- x 60g = € 1.800,- (…an Alternativen zu Platin wird auch längst geforscht!)
Also?
In der Massenproduktion dürfte ein 5-stelliger Eurobetrag wohl deutlich unterschritten werden.

Jedes Einfamilienhaus kann durch eine Brennstoffzelle versorgt werden. (Heizung –> eine Brennstoffzelle erzeugt auch Hitze, Strom, Energiespeicherung durch Lagerung von H²…)
Eigene Elektrolyse vorausgesetzt, sogar autark. -Finde ich geil!

Ob das die Lobbyisten in der Politik zulassen würden?

Bis zuletzt wurde Nordstream2 von Landes- und Bundespolitikern gefordert und gefördert. Lobbyismus…!!!
Sogar Zwangsenteignungen für die Pipelinetrassen hat Deutschland in Schnellverfahren durchgezogen…

Bei richtiger Weichenstellung kann man solche krassen Geschichten sicherlich umgehen!

Mit freundlichen Grüßen
Lars Wilhelmsen

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