H2 Mythen

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Wasserstoff Mythen

Zum Wasserstoffantrieb gibt es noch mehr Unklarheiten und Vorurteile als zum Elektroauto. Gleichzeitig sehen manche in ihm den Heilsbringer CO2-neutraler Mobilität.
Was stimmt und was nicht?
1. Brennstoffzellenautos sind gefährlich

Dieses Gerücht hält sich wegen der Demonstration der Knallgasreaktion im Chemieunterricht hartnäckig. Motorraum WasserstoffautoDas Wasserstoff brennt wenn Sauerstoff in der Nähe ist, ist soweit richtig, es bildet mit Sauerstoff bei einem 4 bis 75 Prozentigen Anteil ein zündfähiges Gemisch. Erst ab einem Anteil von 18 Prozent bildet sich ein explosives Gemisch (Knallgas). Aber das kommt selten zustande weil Wasserstoff gut 14 mal leichter ist als Luft und sich schnell verflüchtigt. Problematischer ist es, wenn sich Wasserstoff in nach oben geschlossen sehr dichten Hohlräumen fängt. Tritt er beispielsweise aus dem Drucktank eines Autos aus, steigt er so schnell auf dass er sich mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft kaum vermischen kann. Das haben Forscher der University of Miami bei einem Test demonstriert. Sie setzten zwei Autos in Brand, eines mit Benzintank, das andere mit Wasserstoff-Drucktank. In die Treibstoffleitungen wurde zuvor jeweils ein kleines Loch gebohrt. Beide Fahrzeuge fingen erwartungsgemäß Feuer. Unterschiede gab es vorallem beim Verlauf, der Benziner stand schnell lichterloh in Flammen, das Wasserstoffauto blieb weitgehend unversehrt, der Wasserstoff verbrannte sehr schnell in einer Stichflamme, die weit über das Fahrzeug nach oben schoss und in der folge schnell erlosch. Das Auto mit Benzintank brannte hingegen vollständig aus, so wie es auch im realen Verkehrsgeschehen immer wieder vorkommt.

Fazit: Wasserstoff ist in Verbindung mit Sauerstoff brennbar und ab einem bestimmten Verhältnis ist ein Gemisch explosiv. Aber Wasserstoff ist extrem flüchtig, weil er so leicht ist, deshalb ist er wohl eher weniger gefährlich als andere Treibstoffe. Von Brennstoffzellenautos geht also keine besondere Explosionsgefahr aus. Die Brandgefahr ist bei Autos mit anderen Treibstoffen weitaus größer.


2. Wasserstoff lässt sich nur verlustreich in Tanks speichern

Beim BMW Hydrogen 7, der Wasserstoff in einem herkömmlichen Hubkolbenmotor verbrannte, war der Wasserstoff in einem thermisch hochisolierten Tank sehr kalt und verflüssigt gespeichert. Trotz der Isolation wird der Wasserstoff im Tank mit der Zeit wärmer und verdampft. Damit der Druck dadurch nicht zu hoch wird, muss das entstehende Wasserstoffgas aus dem Tank entweichen können. Der halbvolle Flüssigwasserstofftank des Hydrogen 7 leerte sich bei Nichtbenutzung in 9 Tagen. Für die Umwelt wäre das kein Problem, für den Nutzer schon. Die aktuellen Brennstoffzellenautos führen den Wasserstoff gasförmig in 700-bar-Drucktanks mit. Sie haben mehrlagige Wände aus verschiedenen Materialien, so dass selbst die kleinen Wasserstoffatome nicht durch die Tankwände verloren gehen. Die Verluste durch entweichenden Wasserstoff sind daher inzwischen minimal. Der hohe Druck macht die Tanks aufwendig. Das Tanksystem wiegt derzeit noch etwa 125 Kilogramm und fasst etwa beim Mercedes GLC F-Cell 4,4 Kilogramm. Der Verbrauch pro 100 Kilometer liegt bei etwa einem Kilogramm, so dass der GLC mit der Energie aus der Brennstoffzelle gut 400 Kilometer weit kommen soll. Bei einem Tesla Model S mit ähnlicher Reichweite wiegt der Akku zirka 650 Kilogramm.

Fazit: Es gibt keine nennenswerten verluste mehr durch Entweichung oder Diffusion.
3. Wasserstoffautos brauchen viel Energie

Moderne Brennstoffzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 83 Prozent, das Gesamt-Fahrzeug kommt auf gut 50 Prozent. E-autos kommen auf 90 Prozent Wirkungsgrad. Verluste entstehen beim E-auto vor allem beim Schnellladen – dann kann der Wirkungsgrad auf 75 Prozent sinken. Aber: Die Brennstoffzelle hat heute schon einen etwa doppelt so hohen Wirkungsgrad wie ein Verbrennungsmotor. Er liegt je nach Betrieb bei bis zu 65 Prozent. Die Gesamtenergiebilanz ist entsprechend deutlich besser. Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um einen Energiewandler, sie wandelt Wasserstoff zu elektrischem Strom. Deshalb kann ein solches System nie genauso effizient sein wie eine Batterie, die ein Energiespeicher ist. Diese Schwäche ist jedoch gleichzeitig auch eine Stärke da die Abwärme des Brennstoffzellensystems zusätzlich für die Beheizung der Fahrzeuge genutzt werden kann.

Fazit: Betrachtet man die ganze Kette von der Wasserstofferzeugung bis zur Umwandlung kommt man tatsächlich auf einen Wirkungsgrad von nur noch 29 bis 32 Prozent. Damit ist das Brennstoffzellenauto selbst wenn der Wasserstoff aus Erdgas gewonnen wird, Well-to-Wheel um etwa 25% besser als ein Benziner. Aber auch das E-auto ist bei einer Well-to-Wheel-Betrachtung (inklusive Stromerzeugung) nur minimal besser als das Brennstoffzellenauto.
4. Batteriefahrzeuge sind effizienter

Maximilian Fichtner, Professor für Festkörperchemie an der Universität Ulm, rechnete im November 2019 in der Wirtschaftswoche allerdings vor, dass der Verkehr in Deutschland einen jährlichen Energiebedarf von etwa 770 Terawattstunden habe. „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“. Der große Vorteil des Wasserstoffs: Als transportabler Speicher für große Energiemengen ist er unschlagbar – als stationärer Energiespeicher ist er Batterien erst recht überlegen: vielseitiger, flexibler, billiger. Auch Maximilian Fichtner ist daher nicht grundsätzlich gegen den Einsatz von Wasserstoff, sieht ihn aber nicht im Pkw, „sondern im stationären Bereich, als Speicher in der Stromversorgung für volatile Erneuerbare, und teilweise auch im Schwerlastverkehr oder bei Schiffen, und natürlich in der Industrie“.

Fazit: Einen Wirkungsgrad-Nachteil des Wasserstoffautos gegenüber Autos mit Verbrennungsmotoren gibt es nicht. Im Gegenteil: Selbst bei der Erzeugung von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern ist der Wirkungsgrad besser als beim Verbrenner. Gegenüber dem Elektroauto ist das Brennstoffzellenauto well to wheel allerdings schlechter, weil die Erzeugung des Wasserstoffs mit Strom und die erneute Umwandlung in Strom doppelt am Wirkungsgrad knabbern. Dafür taugt Wasserstoff besser als transportabler Energiespeicher. Wenn es gelingt, genug grünen Strom zu erzeugen, was laut Prof. Maximilian Fichtner nicht so klar ist, ist die Wirkungsgrad-Diskussion im Grunde akademisch. Denn das Ziel alternativer Antriebe ist die Reduktion der CO2-Emissionen. Und da sieht es gut aus fürs Wasserstoffauto. Aber das ist eine eigene Geschichte.

THG Emissionen PKW nach Fahrleistung
Brennstoffzellen-Auto (FCEV) und E-Auto (BEV) mit 90-kWh-Batterie sind in der Gesamt-Bilanz (bis 200.000 km) CO2-ärmer als der Diesel.  Quelle: Frauenhofer Institut

5. Die CO2-Bilanz des Wasserstoffautos ist schlecht

Das ist ein Trugschluss. Batterieelektrisch angetriebene Autos sind zwar beim Wirkungsgrad Tank to Wheel (also vom Stromtanken bis zum Fahren) schwer zu schlagen. Aber selbst mit aus Erdgas gewonnenem Wasserstoff ist das Wasserstoffauto bei der Well-to-wheel-Betrachtung schon um etwa 25 Prozent besser als Autos mit Verbrennungsmotor. Und beim aktuellen Strommix ist die CO2-Bilanz des Brennstoffzellenautos über die gesamte Lebensdauer auch etwas besser als die des E-Autos. Und was die Produktion angeht, spricht nichts dagegen, dass Brennstoffzellenfahrzeuge dieselbe Entwicklung durchlaufen wie Elektroautos, die auch heute noch 80 Prozent höhere CO2-Emissionen als ein Verbrenner verursachen. Sie sparen aber im Fahrbetrieb mit konventionellem Strommix etwa 65 Prozent CO2 gegenüber diesem ein. Dadurch sind ihre Gesamtemissionen an CO2 über den ganzen Lebenszyklus bei gleicher Laufleistung um mindestens 40 Prozent geringer. Gelingt es, das Batteriefahrzeug nur mit regenerativem Strom zu betreiben, schrumpfen seine CO2-Emissionen über den Lifecycle betrachtet um 70 Prozent gegenüber dem Verbrenner. Auf sehr ähnliche Zahlen kommt der Brennstoffzellenantrieb, der in der Herstellung weniger, im Fahrbetrieb aber etwas mehr Emissionen als das Batteriefahrzeug verursacht und bei dem die Bereitstellung des Wasserstoffs einen großen Einfluss auf den Gesamteffekt hat.
 
Fazit: Insgesamt ist das Brennstoffzellenauto trotz eigener (vergleichsweise kleinerer) Batterie mindestens so CO2-arm wie das rein batterieelektrische Auto. Aber mit Wasserstoff lässt sich binnen Minuten Reichweite nachtanken ohne große und somit schwere Batterien mitzuführen. Letzteres qualifiziert die Brennstoffzelle vor allem für Nutzfahrzeuge.
6. Brennstoffzellen brauchen viel knappes Platin

Wie man beim Elektroauto gern über Kobalt oder Lithium spricht, die eine massenhafte Herstellung unmöglich machen würden, gibt es ähnliche Einwände gegen die Brennstoffzelle. Denn zu deren Herstellung braucht man Platin, ein teures Edelmetall. Andererseits verwenden wir seit den 1980er-Jahren Platin in den Katalysatoren von Benzinern. Diskussionen darüber hört man hingegen keine. Braucht man für eine Brennstoffzelle so viel mehr Platin als für den Katalysator eines Verbrennungsmotors? Tatsächlich hatte die Mercedes B-Klasse F-Cell noch eine Brennstoffzelle mit hohem Platingehalt. Auch heute wird Platin noch als Katalysator im Stack verwendet. Beim neuen GLC F-CELL konnte Mercedes die Platinmenge gegenüber der Wasserstoff-B-Klasse um 90 Prozent reduzieren und wird im nächsten Schritt, nur noch wenig mehr als beim Kat eines vergleichbaren Benziners betragen (8-10g). Um Platin in der Brennstoffzelle zu ersetzen ist allerdings noch viel Forschungsarbeit nötig. Aber die Recyclingquote beim Platin in Benziner-Kats beträgt bereits 98 Prozent. Ähnliche Werte sind bei der Brennstoffzelle auch denkbar.

Fazit: Der Platin-Bedarf massenhaft produzierter Brennstoffzellen-Autos ist nicht höher als der für moderne Benziner.


7.Brennstoffzellen-Autos erzeugen das Klimagas Wasserdampf

Wasserdampf führt in der Atmosphäre grundsätzlich zu Erwärmung und wird daher auch als Klimagas bezeichnet. Aber beim Betrieb eines Brennstoffzellenautos wird überraschenderweise kaum mehr Wasser emittiert als bei einem Verbrenner, denn Benzin besteht aus Kohlen-Wasserstoffen. Auch bei seiner Verbrennung wird also Wasserdampf frei. Allerdings hat der Wasserdampf beim Brennstoffzellenauto viel niedrigere Temperaturen und kondensiert früher. Darum wird das beim Betrieb anfallende Wasser teilweise aufgefangen und zur Befeuchtung der Brennstoffzelle wiederverwendet. Glatteisgefahr durch Brennstoffzellenautos ist also ebenso nicht zu erwarten. Bei Flugzeugen mit Brennstoffzellenantrieb wäre die Wasserrückgewinnung lohnend: Man könnte sich die Mitnahme von rund 90 Prozent des Wassers für die Toiletten sparen – eine spannende Möglichkeit auch für Wohnmobile.

Fazit: Dass beim Betrieb von Brennstoffzellen-Autos Wasser entsteht, ist weder für Umwelt noch für den Verkehr ein Problem.


8.Wasserstofftankstellen kann sich niemand leisten
Wasserstofftankstelle
Die meisten Experten taxieren die Kosten für den Bau einer Wasserstofftankstelle derzeit auf etwa 1.000.000 Euro (1 Zapfsäule, Kapazität etwa 72 PKW/Tag), zum vergleich, der Bau einer Konventionellen Tankstelle kostet etwa 1,5- 2 Mio. €, hat jedoch mehrere Zapfsäulen und höhere kapazitäten. Gleichzeitig werden für ein flächendeckendes Netzt in Deutschland etwa 1.000 Tankstellen veranschlagt. Die Infrastruktur für Brennstoffzellenautos käme also auf etwa eine Milliarde Euro. Klingt viel, ist es aber nicht. Zum Vergleich eine Ladestation für E-Autos Kostet zwischen 15-50000€ und man benötigt Millionen davon um eine hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten. Wie die Autos auch, könnten Wasserstofftankstellen durch Skaleneffekte bei einer Art Massenherstellung zudem erheblich günstiger werden.

Fazit: An der Infrastruktur wird die massenhafte Verbreitung von Brennstoffzellen-Autos nicht scheitern. Aktuell gibt es in Deutschland schon 84 öffentliche Tankstellen, Tendenz stark steigend. Eher mangelt es an Kundschaft, momentan gibt es nur 3 erhältliche PKW Modelle auf dem Markt.
9. Brennstoffzellenautos bleiben ein Nischenprodukt

Angesichts der unbestreitbaren Vorteile stellt sich gerade in klimaschutzbewegten Zeiten die Frage: Warum kommt das Wasserstoffauto (noch) nicht? Die massenhafte Verbreitung von Brennstoffzellenautos scheitert aktuell noch an der zu teuren Produktion der Autos und an der ebenfalls teuren Infrastruktur. Beides sind durch Skalierung lösbare Herausforderungen. Bei sechsstelligen Stückzahlen oder mehr ist die Produktion eines Brennstoffzellenfahrzeugs zu ähnlichen Kosten möglich wie die eines batterielektrischen Autos. Ein Schritt zur Vergünstigung ist die Produktion der Brennstoffzelle von Rolle zu Rolle der MEA (Membrane Electrode Assembly), also der Kernkomponente der Zelle. Aktuell entsteht die noch einzeln. Der Brennstoffzellenantrieb ist vor allem für Kunden interessant, die eine hohe tägliche Reichweite benötigen und Zugriff auf Wasserstofftankstellen haben. Für Fahrzeuge im städtischen Umfeld hingegen ist heute ein rein batterieelektrischer Antrieb eine sehr gute Lösung. Der Mercedes GLC F-CELL (als Hybrid aus beiden Antriebsarten) ist ein wichtiger Schritt. Batterie und Brennstoffzelle bilden eine Symbiose. Die beiden Technologien ergänzen sich sehr gut: Die Leistung und Dynamik der Batterie unterstützen die reichweitenstarke und schnell betankbare Brennstoffzelle, die ihren idealen Betriebszustand eher im Teillastbereich hat. Vorstellbar wäre in Zukunft eine Kombination skalierbarer Batterie- bzw. Brennstoffzellenmodule, je nach Mobilitätsszenario und Fahrzeugtyp. Es wird Mitte der nächsten Dekade – aber sicherlich nach 2025 – die Relevanz der Brennstoffzelle generell und für den Transportsektor signifikant steigen. Dabei werden auch moderate Volumina helfen, Standards zu schaffen, die insbesondere für die Kostenreduktion essenziell sind.

Fazit: Die Haupthindernisse für die massenhafte Verbreitung von Brennstoffzellenautos sind aktuell die hohen Preise und die fehlende Auswahl an PKW Modellen. Das ließe sich ausgerechnet durch Massenproduktion vergünstigen. Brennstoffzellenautos sind nicht prinzipiell, sondern nur aktuell noch teuer und müssen keine Nischenprodukte bleiben.

Aufgearbeitet: FS-AH
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