Wasserstoffautos

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Gestern kam im Rahmen der Vorstellung der Spitzenkandidaten für die BW-Wahl der amtierende Ministerpräsident Kretschmann im Radio. Gestellt wurden auch Fragen von Hörern und einer wollte wissen, warum die Landesregierung nicht mehr für Wasserstofffahrzeuge tue. Kretschmann bezeichnete Brennstoffzellenfahrzeuge als Technologie für „Übermorgen“. Na das ist doch eine Vorlage für einen neuen Blog.

Oberflächlich gesehen scheint Wasserstoff in vielen Punkten besser als Antriebstechnologie zu sein als elektrischer Strom. Wie dieser kann er vollständig klimaneutral sein, mus aber nicht. Da der Wasserstoff mittels Strom gewonnen wird, ist er so grün wie der Strom selbst. Als Verbrennungsprodukt entsteht Wasser, und das ist kein Klimagas, auch wenn es zum Treibhauseffekt beiträgt. Die Wasserkonzentration in der Atmosphäre wird aber praktisch nicht vom Menschen beeinflusst, der größte Anteil entsteht durch Verdunstung von Wasserflächen. Berücksichtigt man beim E-Auto noch die Klimabilanz für die Herstellung der Batterien und vor allem die ökologischen Folgen der Gewinnung von Lithiumphosphat in Südamerika, dann steht Wasserstoff nach einigen Aussagen sogar besser da.

Anders als bei Strom, der schwere Batterien benötigt, kann man mit verhältnismäßig wenig Wasserstoff sehr weit fahren. Man kommt mit der Technologie auf die Reichweite, die auch ein Benziner oder Diesel hat und das Tanken geht in etwa genauso schnell wie bei diesen.

Oberflächlich gesehen also nur Vorteile. Aber ihr denkt es euch schon, jetzt kommen die „Abers“.

Zuerst mal ist der derzeitige Wasserstoff nicht „grün“. Er wird nicht durch Elektrolyse von Wasser hergestellt sondern in der Regel durch eine Teiloxidation von Erdgas, Erdöl und neuerdings auch aus Biomasse. Im üblichen Verfahrenschritt wird durch Wasserdampf nach der Reaktionsgleichung:

CnHm + H2O → CO2 + H2

Für Methan z.B.:

CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2

Das ist wesentlich billiger als ihn durch Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen, denn Methan ist pro kwh gespeicherter Energie viel billiger als Strom. Man muss es schließ0lich nicht erzeugen. Dabei wird natürlich Kohlendioxid frei. Es gibt daher noch spezielle Bezeichnungen wie „grauer“ oder „blauer“ Wasserstoff, wenn wenigstens die Kohlenstoffquelle nachhaltig ist, z.B. Biomasse.

Grüner als Elektroautos wird Wasserstoff also nur, wenn er nur aus Strom und Wasser erzuegt wird und der Strom dann auch vollständig aus regenerativen Quellen stammt.

Der Hauptkritikpunkt am Wasserstoffantrieb sind die Energieverluste. Während Batterien Strom mit nur geringen Verlusten speichern können, und auch Elektromotoren eine hohe Effizienz haben, gibt es bei der Nutzung von Wasserstoff drei weitere Schritte, die jeweils Verluste haben:

Der Wasserstoff wird (im idealfall) durch Elektrolyse gewonnen. Die Elektrolyse hat je nach Prozesstechnologie einen Wirkungsgrad von 40 bis 70 % bezogen auf die eingesetzte Energie und der Energie die im Wasserstoff steckt.

Im Auto wird durch eine Brennstoffzelle wieder Strom aus dem Wasserstoff gewonnen. Rein theoretisch könnte man den Wasserstoff auch wie Kohlenwasserstoffe verbrennen, doch dann hätte man nur den geringen Wirkungsgrad den Motoren mit diesen Kraftstoffen aufweisen, der liegt bei etwa 25 bis 35 %. Es gibt mehrere Technologien für Brennstoffzellen, die meisten sind aber haben noch nicht für die Serienreife erreicht. Der Wirkungsgrad liegt je nach Technologie zwischen 40 und 70 %, meist um 50 bis 60 %.

Energie benötigt man auch, um den Wasserstoff zu transportieren. Flüssiger Wasserstoff, wie er in der Raketentechnik eingesetzt wird, ist nur bei extrem niedrigen Temperaturen flüssig. Wasserstoff gehört nicht zu den Gasen, die alleine durch Druck verflüssigbar sind. Daher wird er als Gas transportiert und dies sowohl bei der Tankstelle wie auch im Auto. Um den Wasserstoff auf hohen Druck zu bekommen, benötigt man auch Energie. Um ihn auf 200 Bar zu komprimieren, geht rund 12 % der Energie dafür drauf. Das schließt auch die unvermeidlichen Verluste beim Transport mit ein, den das kleine Molekül kann sehr leicht durch Wände diffundieren, die für andere Gase undurchlässig sind. Eine Studie des Gesamtwirkungsgrades, also wie viel Energie setze ich für die Elektrolyse ein und wie viel Energie kann ich dann dem Elektromotor zur Verfügung stellen, kommt bei Wasserstoff zu Werten von 35 bis 41 %. Das heißt, rund 60 % der elektrischen Energie, die man in die Elektrolyse steckt, kommt nicht in Form von Antriebsenergie an. Die Verluste gibt es auch beim Elektroauto. Dort muss der Wechselstrom zurast in Gleichstrom umgewandelt werden (Wirkungsgrad rund 97 bis 98 %) und dann hat jede Batterie einen Ladewiderstand. Wer selbst Akkus lädt, kennt auch den Effekt: sie erhitzen sich. Realistisch sind auch hier 5 bis 10 % Verluste. Der große Energiefresser ist aber nicht das Laden, es ist die Batterie selbst. Bei einem Tesla S wiegt die Batterie z.B. 600 von 2.091 kg, dabei ist das die kleine Standardbatterie. Deises Gewicht wird immer mitbeschleunigt. Ein Tesla 3 mit 1.000 km Reichweite soll kommen, die Batterie von 200 kWh Kapazität wird dann erheblich schwerer als die Standardbatterie mit 75 und 82 kWh sein.

Leider wiegt der Tank für Druckgas auch beim Wasserstoff viel. Das Gewicht eines Tanks ist praktisch unabhängig vom Druck und nur von der Molmasse des Gases abhängig. Das ergibt sich aus der Kesselformel und dem Molvolumen. Leichte CFK-Tanks für die Raumfahrt fassen etwa 15 kg Wasserstoff bei 93 kg Tankmasse. Beim Auto ist man noch nicht so weit bzw. kann auch nicht den vom Gewicht her optimalen Kugeltank einbauen. Beim Mercedes GLC F-Cell wiegt der Tank 125 kg und fasst nur 4,4 kg Wasserstoff. Immerhin kommt man damit 400 km weit, genauso weit wie ein Tesla S mit 650 kg schwerer Batterie. In der Summe kann so ein Brennstoffzellenfahrzeug bei gleicher Reichweite leichter sein, etwa ein Viertel, was natürlich auch auf den Verbrauch durchschlägt. Vor allem sind durch dickere Tankwände ein höherer Tankdruck und damit eine höhere Wasserstoffzuladung möglich, während die immer größeren Batterien und die induzierten Lasten auf Karosserie und Fahrwerk bei Elektroautos sehr schnell Grenzen aufkommen. Es ist viel einfacher ein Brennstoffzellenfahrzeug zu bauen, dass dieselbe Reichweite wie ein mit Benziner/Diesel hat, als ein Elektrofahrzeug.

Als weiteren Vorteil kann man ein Elektroauto selbst laden. Wer eine Photovoltaikanlage hat sogar zu enorm günstigen Preisen, allerdings werden die meisten mit ihrem Auto beruflich unterwegs sein, dann hängt es nicht tagsüber an der eigenen Steckdose. Selbst eine normale Hausinstallation liefert genug Strom, um einen durchschnittlichen Akku in der Nacht aufzuladen. Beim Wasserstoff ist man zwingend auf eine der noch selteneren Tankstellen angewiesen.

Eine kleine Rechnung:

Nehme ich eine 82-kW-Batterie eines Tesla S und vergleiche diese mit 4,4 kg Wasserstoff die der Mercedes GLC F-Cell braucht, dann ist das natürlich ein Äpfel-Birnen Vergleich. Schon deswegen, weil der Wasserstoff heute nicht grün produziert wird und es mangels flächendeckendem Netz eine Technologie ist, die wenig verbreitet ist und somit teuer ist. Der Vergleich macht aber in einem Aspekt Sinn: beide Fahrzeuge haben in etwa eine Reichweite von 400 km. Und für beide kann ich die Energie ausrechnen und was man in der Praxis dafür zahlt. Unter dem Aspekt will ich es mal versuchen.

Bemühe ich die Chemie, so stecken in 4,4 kg Wasserstoff rund 175,1 kWh Energie. Das ist mehr als das doppelte der Speicherkapazität der Batterie und zeigt gleich, dass die Brennstoffzelle einen Wirkungsgrad von unter 50 % hat. Wasserstoff hat an der Tankstelle heute einen Preis von 9,5 Euro pro Kilogramm. Die 4,4 kg entsprechen somit Kosten von 40,48 Euro. Benzin liegt heute bei 1,30 Euro/l. Für die 40,48 Euro müsste bei 400 km Fahrtstrecke ein Benziner also rund 7,8 l/100 kg verbrauchen, dann wäre er gleich teuer. Eine 82 kWh des Teslas Batterie vollgefüllt kostete bei 31 ct/kWh dagegen nur 25,42 Euro. Dazu müsste man Verluste beim Laden rechnen, real sind es dann um die 28 Euro.

Der Fahrzeugpreis

Brennstoffzellen sinjd extrem teuer bezogen auf die Energiemenge, die sie liefern. Das drückt sich in dem Fahrzeugpreis aus. Das scheint das größte Hemmnis zu sein. Auf der anderen Seite sind Elektrofahrzeuge auch teuer als vergleichbare Benziner. Das der Preis allerdings nicht das alleinige Kriterium ist, zeigt sich daran das es preiswerte Elektrofahrzeuge gibt die nur ein Nischendasein. EVUM Motors hat einen minimalistischen Transporter gebaut – ursprünglich für Entwicklungsländer, für knapp 29.000 Euro. Der E-Go live kostet knapp 17.000 Euro, ist eben ein Kleinwagen mit einer Reichweite von nur 100 km. Die Leute kaufen aber sie viel teureren Modelle von etablierten Automobilherstellern, dabei kann ein Elektroauto praktisch jeder bauen, anders als beim Verbrennungsmotor benötigt man da wenig Erfahrung, es gibt sogar Werkstätten die bauen einen Benziner zum E-Auto um. Das heißt im Umkehrschluss, dass es aber weniger auf den Preis ankommt als vielmehr die Marke und einer Vergleichbarkeit zum herkömmlichen Fahrzeug.

Meine Meinung

Na ja meine Meinung als Nicht-Autofahrer ist, dass man überhaupt kein Auto braucht, in jedem Falle aber eines reicht. Die meisten Familien und auch etliche Einzelpersonen haben aber einen Zweit- oder gar Drittwagen. Da ich kaum glaube, dass sich das Rad zurückdrehen lässt und die Leute in Zukunft weniger Autos kaufen, denke ich haben beide Technologien ihren Platz. Tatsache ist: die meisten Personen legen täglich Strecken zurück, die weit unter der Batteriereichweite von Elektrofahrzeugen liegen. Für die tägliche Fahrt zum Arbeitsplatz ausgelegte Fahrzeuge wie der e-Go live mit nur rund 100 km Reichweite finden aber keinen Anklang, weil die meisten sich nach der maximalen Fahrtstrecke richten, und offensichtlich es als Zumutung empfinden, alle paar Hundert Kilometer mal eine längere Pause einzulegen. Dann wäre eben das E-Auto das Erstfahrzeug für die kurzen Strecken und der Wasserstoffantrieb der Zweitwagen für die längere Strecke.

Berufsfahrer und LKW werden wohl auf Dauer nicht um den Wasserstoff als Energiequelle herumkommen. Denn wenn eine Batterie für 400 km schon ein Drittel des Fahrzeuggewichtes ausmacht, dann wird sie für 800 km doppelt so schwer sein. Nur wiegt eben dann auch das Fahrzeug ein Drittel mehr und die höhere Masse bedeutet mehr Rollwiderstand und das senkt dann die Reichweite wieder. Selbst wenn Wasserstoff nur für 400 km geladen wird, kann man ihn genauso schnell tanken wie Benzin und mit diesem Manko leben. Das Laden von Batterien dauert auch bei Schnellladestationen länger, vor allem sollte man ihre Gesamtkapazität tunlichst nicht nutzen, sondern spätestens bei einem Viertel Restladung wieder aufladen.

Die Frage beim E-Auto ist meiner Ansicht nach eine andere: Bin ich als Käufer bereit mich auf die Nachteile des Fahrzeugs einlassen? Die Vorteile wie hohe Beschleunigung, Geräuscharmut, billiger Betrieb nimmt man ja auch gerne mit. Wie erwähnt legen die meisten von uns nicht 400 km am Stück zurück. Das ist die Ausnahme bei denen die nahe am Arbeitsplatz wohnen und die Reichweite einige Male im Jahr beim Fahren in den Urlaub brauchen. Da stellt sich mir die Frage, ob man für diese wenigen Male nicht einfach mal mit einer kleinen Pause alle 300 km leben kann, oder es tatsächlich die Reichweite ohne Stopp sein muss. Das Wasserstoffauto wird angesichts der Anschaffungskosten wahrscheinlich noch lange ein Luxusartikel bleiben.

One thought on “Wasserstoffautos

  1. Hallo Bernd,

    Ich selbst baue Solarprojekte seit vielen Jahren und habe somit auch mit den Technologien für Autos zu tun.
    In meinen Augen, ist der momentane boom hin zum ‚grünen Wasserstoff‘ eine farce.
    Aber zu deinem Thema:
    Autos, vor allem kleinere modelle, werden wohl eher mit Batterie in Zukunft kommen. Wasserstoff‘ wird wohl eher interessant für Schwerlast (LKW und Schiff).
    Das hat mit den Problemen beim Tank zu tun und weiter, wie du schon angemerkt hast, mit den enormen kosten für brennstoffzellen fahrzeuge.
    Das grösste Problem, wird wohl die Herstellung der Wasserstoff’s in naher Zukunft werden.
    Das meiste wird niemals durch renewables zur verfügung gestellt werden. Die ganzen Umwandlungen verbrauchen hier viel zu viel der benötigten Energie (man möchte ja gerne auch die Industrie (Stahl) mit sauberem Wasserstoff versorgen). Die Mengen der benötigten energie wird da geradezu astronomisch.
    Somit wird Wasserstoff eventuell kommen, aber dann eben genauso dreckig, wie momentan.
    Im Allgemeinen denke ich, dass wasserstoff da eher ein momentaner hype ist (wie auch schon for 10 – 20 jahren, man erinnere sich an die Airbus wasserstoff flugzeuge, mercedes b class und all die anderen projekte, die nach ende der steuergeld förderung alle leise in schubladen verschwunden sind).
    Gerade due elektrolyse hätte hier verbessert werden müssen, um die technologie zukunftsfähig zu machen. Hier geht mit das meiste der produzierten energie verloren.
    Entschuldige mein abscgweifen, aber dass ist ein thema das mir am herzen liegt

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