warten auf Wasserstoff

Die Brennstoffzelle ist der große Hoffnungsträger unter den alternativen Antrieben. Seit den 1980er Jahren ist der prophezeite Durchbruch bislang ausgeblieben. Ende 2020 gab es 90 H2-Tankstellen in Deutschland, in Europa insgesamt 130. Fahrtüchtige Wasserstoff-Pkw gehören fast alle den Unternehmen, die diese Technologie betreiben - mit großzügiger Förderung des Staates. 

 

Dabei wird Fahrstrom durch eine chemische Reaktion erzeugt, deren einzige Emission Wasser wäre. Nicht nur könnten die Reichweiten wie bei fossilen Kraftstoffen erreicht werden. Auch das Verteilmodell wäre wie bisher die Tankstelle.

Die Technik der Brennstoffzelle beruht auf dem Umstand, dass bei der Verbindung der Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser elektrische Energie frei wird. Zur Trennung der Elemente ist zwar erheblich mehr Energie notwendig. Diese könnte aber aus den Überschüssen gewonnnen werden, die sich bei der Gewinnung von Strom aus Solar- und Windkraft ergeben.

Die Brennstoffzelle liefert nicht ausreichend Energie für den Betrieb eines Fahrzeugs. Auch ist keine Rekuperation möglich. Daher benötigt das H2-Auto zusätzlich eine Batterie. Insofern verbieten sich die häufigsten Einwände gegen BEVs.

Brennstoffzelle

An der Brennstoffzellen-Technik arbeitet die Automobilindustrie bereits seit Jahrzehnten. Aber weder hat sie marktreife Modelle anbieten können noch in eine Infrastruktur investiert. Die Hersteller misstrauen dem Erfolg offenbar, und die Gründe sind zahlreich.

  • Die Produktion von H2 ist aufwändig.
  • Wasserstoff ist äußerst flüchtig, also
  • schlecht zu speichern und zu verteilen.
  • Er muss gekühlt und/oder komprimiert werden
  • mit erheblichem Energieaufwand.
  • Nur 33% Wirkungsgrad
  • der erhebliche Investitionsbedarf für Infrastruktur und
  • die neuartige Fahrzeugtechnik 

sprechen gegen die Brennstoffzelle.


Produktion


ENERGIE
Soll die H2-Brennstoffzelle überhaupt als Alternative in Frage kommen, muss die Herstellung des Wasserstoffs ausschließlich mit zusätzlich gewonnenen erneuerbaren Energien erfolgen. Hier muss das umso mehr gelten, als es schon beim batterie-elektrischen Antrieb entscheidend ist. 

 

ELEKTROLYSE
Bei der Elektrolyse wird Wasser in seine Bestandteile zerlegt. Spannung zwischen Anode und Kathode trennt Sauerstoff- von Wasserstoffmolekülen.

Der Sauerstoff entweicht, die H2-Moleküle werden aufgefangen. Der Betrieb einer Elektrolyse-Anlage benötigt zwischen 4 und 5 MWh Strom je Kubikmeter. Die Verfahren unterscheiden sich im Einzelnen nach Material von Anode und Kathode, des verwendeten Wassers und der erzeugten Umgebungstemperatur. "Grün" heißt der Wasserstoff, wenn die aufgewandte Energie vollständig CO2-frei erzeugt wurde, "grau" bei konventionellem Strom und "blau", wenn bei grauer Produktion die Emission von CO2 technisch verhindert wird.

KOMPRESSION

Der durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoff ist höchst flüchtig, weshalb er in Hochdrucktanks gespeichert geworden muss.  Wasserstoff ist außerdem leicht entzündlich. Lagerung und Transport unterliegen daher den Regeln für Gefahrstoffe.

 

KÜHLUNG
Zum Transport wird er mit 300 bis 500 bar Druck komprimiert und bis auf -265°C gekühlt. An den Verfahren wird intensiv geforscht, um Kosten und Energieverbrauch zu begrenzen.

TRANSPORT
Bis der Wasserstoff zum Betanken eines Fahrzeugs verfügbar ist, verdunsten weitere xxx %. Noch mehr Wasserstoff ginge verloren, wenn er aus entfernten Regionen (wie z.B. aus Marokko) importiert wird. Andererseits gibt es bereits on-site-Anlagen, die den Wasserstoff direkt neben der Tankstelle herstellen, so dass ein Transport gar nicht mehr entfällt.

VERTEILUNG
Die H2-Tankstelle pumpt den Wasserstoff mit 700 bar und -40°C  in den Fahrzeugtank. Der nächste Kunde muss einige Minuten warten, bis der Druck wieder aufgebaut ist. Der Druckaufbau dauert jedes weitere Mal etwas länger. Mehr als 80 Tankvorgänge pro Tag schaffen die H2-Tankstellen bisher nicht.



Tanken



TANK
Der 60l-Tank im Toyota Mirai fasst 5 kg, womit er etwa 480 km weit kommt. Die gespeicherte Energiemenge beträgt etwa 25% im Vergleich zum Benzin. Die Anforderungen an die Dichtigkeit sind erheblich größer als bei Benzin.

BRENNSTOFFZELLE
In der Brennstoffzelle reagiert der Wasserstoff mit aus der Luft zugeführtem Suaerstoff zu Wasser. Bei dieser Reaktion wird ein großer Teil der zur Elektrolyse aufgewandten Energie wieder frei. Im Fahrzeug wird der benötigte Strom also direkt erzeugt. 



Antrieb


BATTERIE / UMRICHTER
Der reine Brennstoffzellen-Betrieb wäre nicht ausreichend belastbar, so dass zusätzlich immer eine Batterie für Lastspitzen und zur Rekuperation installiert sein muss. Zur Versorgung des Elektromotors benötigt die Batterie einen Wechselrichter.

ELEKTROMOTOR
Hinter der Leistungselektronik arbeitet der Elektromotor wie im batterie-elektrischen Fahrzeug: Nahezu verschleißfrei, volles Drehmoment fast im gesamten Drehzahlbereich, vollständig elektronisch steuerbar, Wirkungsgrad 95%.



Reichweite

Aus der Primärenergie von 100 kWh schafft - bei einer Herstellung des Wasserstoffes vor Ort - ein Brennstoffzellenfahrzeug etwa 185 km. Im Vergleich hat es Verbrenner mit Benzin bei 90 km und mit Synth Fuels betrieben bei 70 km hinter sich gelassen. Deutlich vor ihm rangiert das elektrische Auto mit 485 km. 



Kosten

Der Aufwand für den Aufbau einer für die Wasserstoff-Versorgung von Pkw geeigneten Infrastruktur ist immens. Noch ist das Tankstellennetz dünn, die Mengen grünen Wasserstoffs verschwindend gering und teuer. Die paar Dutzend existierenden H2-Fahrzeuge befinden sich im Besitz von Unternehmen der Branche. Ein Interesse von Privatpersonen besteht nicht. Die staatliche Unterstützung der Brennstoffzell-Technologie beschränkt sich daher auf industrielle Nutzungen.

Die Diskussion über einen Import grünen Wasserstoffs aus Anrainern der Sahara wie Mauretanien oder Marokko verwundert. Der dort produzierte Wasserstoff müsste unter weiterem Energieaufwand nach Europa transportiert werden. Die gegenüber dem BEV deutlich geringere Effizienz sinkt damit weiter.

 

Für grünen Wasserstoff beträgt der voraussichtliche Aufwand je MWh etwa 50 EUR.

  • Der Preis pro kg liegt bei knapp 10,00 EUR.
  • Eine Wasserstoff-Tankstelle kostet 1 Mio. EUR
  • Ein ausreichend flächendeckendes Netz ist wegen des geringen Absatzes von H2-Fahrzeugen mittelfristig nicht zu erwarten


Eine Kampagne des BSM
für das Fahren mit Strom

 

Immanuelkirchstr. 9  |  10405 Berlin

 tel.: +49 (0) 30 / 4400 8426  | vorn-mit-e@bsm-ev.de

© Layout/Fotos/Grafik 
sowie Text (v.i.S.d.P.):

Matthias Breust  und Christoph Krachten