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Wasserstoffantrieb – die Lösung für unbegrenzte Mobilität?

(Dieser Artikel ist in ähnlicher Form erschienen in Energie & Umwelt 1/2007, dem Magazin der Schweizerischen Energiestiftung. Er ist schon recht alt, jedoch scheint sich in der Zwischenzeit nichts geändert zu haben, was seine Aussagen in Frage stellen könnte.)

Autor:

Wasserstoff als Energieträger für Autos hat einige faszinierende Eigenschaften. Leider kann aber auch eine Wasserstoff-Strategie auf absehbare Zeit keine Lösung für die Energie- und Umweltproblematik des Individualverkehrs bieten.

Angesichts der Probleme mit Schadstoffen und Energieverbrauch von Benzin- und Dieselantrieben ist die Vorstellung von mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen faszinierend. Die Städte könnten buchstäblich aufatmen, wenn aus den Auspuffrohren nur noch Wasserdampf käme. Für das Klima könnte ein CO2-freies Autofahren ein entscheidender Rettungsbeitrag sein, und die Abhängigkeit vom Erdöl aufzuheben, wäre hochwillkommen. Nachdem bereits mehrere Autohersteller mit Wasserstoffantrieben experimentieren, sehen manche bereits eine rosige Energiezukunft anbrechen. Solch weit gehende Erwartungen verdienen allerdings eine eingehendere Prüfung.

Wasserstoff im Auto

Die kostengünstigste Möglichkeit ist die Umstellung heutiger Benzinmotoren auf Wasserstoff. Verbrennungsmotoren haben aber besonders im Teillastbetrieb, der beim Autoantrieb ja überwiegend auftritt, einen unbefriedigenden Wirkungsgrad. Wenn von zukünftig vielleicht möglichen Wirkungsgraden von 50 % gesprochen wird, ist hiermit Volllast-Betrieb gemeint; der effektive Wirkungsgrad im Fahrbetrieb wird sehr viel geringer sein. Eher noch technisch lösbar ist das Problem, dass außer Wasserdampf auch giftige Stickoxide entstehen.

Höhere Wirkungsgrade – insbesondere im Teillastbereich – und gleichzeitig einen lautlosen Betrieb ermöglicht eine Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff elektrischen Strom für einen Elektromotor erzeugt. Eine starke Gewichtsreduktion, eine längere Lebensdauer und ein geringerer Preis als für die bisher entwickelten Brennstoffzellen wäre jedoch nötig, und dies setzt weitere Durchbrüche der Forschung und Entwicklung voraus.

Das Mitführen einer ausreichenden Menge von Wasserstoff ist die nächste Herausforderung. Hier zeigen sich erhebliche Nachteile im Vergleich zu flüssigen Energieträgern. Während der Wasserstoff selbst recht leicht ist, sind die Speicher schwer und voluminös. Eine Möglichkeit sind dickwandige Druckflaschen für die Speicherung bei sehr hohem Druck. Weniger Druck benötigen die noch schwereren Metallhydridspeicher oder aufwändige Kryospeicher.

Was die Sicherheit angeht, kann ein Wasserstofftank einem herkömmlichen Benzintank durchaus überlegen sein, weil eine nach oben gehende Wasserstoff-Stichflamme eher weniger gefährlich ist also z. B. unter dem Auto brennendes ausgelaufenes Benzin.

Die Betankungstechnik muss zur Speichertechnologie passen. Der flächendeckende Aufbau der entsprechenden Infrastruktur wäre leider eine sehr teure Aufgabe.

… und woher kommt der Wasserstoff?

Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein sekundärer Träger für Energie aus anderen Quellen. Im Prinzip gibt es sehr vielfältige Optionen. Preisgünstig ist Wasserstoff aus Erdgas, aber das löst keine Ressourcen- und Klimaprobleme – da könnten wir einfacher gleich mit Erdgas-Autos fahren. Durch Elektrolyse lässt sich Wasserstoff aus Wasser und elektrischer Energie gewinnen. Letztere auf umweltverträgliche Weise (als Ökostrom) zu tragbaren Kosten in ausreichender Menge bereitzustellen, ist vorläufig wohl die größte Herausforderung von allen. Natürlich kann man z. B. Windstrom nutzen, wobei die täglichen Schwankungen dessen Angebots kein Problem sind, da sich Wasserstoff speichern lässt. Es ließen sich sogar gezielt zeitweise anfallende Überschüsse von Windstrom nutzen, wodurch auch die Stromnetze stabilisiert und noch wirtschaftlicher würden. Allerdings verliert man bei der Elektrolyse rund 30 % der Energie – bei Nutzung von Überschüssen tendenziell sogar etwas mehr.

Instruktiv ist es, die CO2-Reduktion zu betrachten, die der Einsatz von z. B. einer Megawattstunde Windstrom in zwei Szenarien ermöglicht:

  • Im einen Fall erzeugt man mit dem Strom Wasserstoff, fährt damit Wasserstoff-Autos und spart so Benzin ein. Leider gehen deutlich über 50 % der Energie bei der Elektrolyse und in der Brennstoffzelle verloren – bei Verwendung eines Verbrennungsmotors noch viel mehr - und Kompression oder Verflüssigung verschlingen weitere Energie.
  • Im zweiten Szenario ersetzt der Windstrom einfach die entsprechende Menge Strom aus Kohlekraftwerken, während die Autos nach wie vor mit Benzin fahren. Die so erreichte CO2-Reduktion ist meist sogar deutlich größer als mit Wasserstoff-Fahrzeugen. Und dies, ohne das Investitionen in teure Brennstoffzellen und eine Wasserstoff-Infrastruktur nötig sind.

Man mag sich also fragen, ob zumindest diese Art von Wasserstofftechnologie wirklich einen Fortschritt darstellt, oder eher (wie böse Zungen meinen) eine neue Maschinerie zur Energievernichtung. Immerhin würde mit Erdöl ein Rohstoff ersetzt, der knapper ist als Kohle. Aber warum dann nicht z. B. auf verbesserte aufladbare Batterien setzen?

In einer fernen Zukunft könnte die Lage allerdings anders aussehen, falls wir eine potente, umweltfreundliche und kostengünstige Quelle von Elektrizität finden. Manche träumen hier von neuartigen Kernspaltungs- oder gar Kernfusionsreaktoren, wobei aber die einen an Sicherheitsproblemen (u. a. Endlagerung und Proliferation von atomwaffenfähigem Material) kranken und gleichzeitig immer teurer werden, während die anderen noch viel teurer werden, falls sie überhaupt technisch machbar sind. Andererseits wäre es ziemlich ambitiös, mit Windstrom aus großen Offshore-Anlagen erst Kohle und Kernenergie zu ersetzen und dann noch in eine Wasserstoffwirtschaft einzusteigen.

Die Lage würde ebenfalls etwas anders aussehen, wenn Verfahren der Biomassevergasung praxistauglicher würden. Wasserstoff könnte dann relativ effizient aus Biomasse (z. B. Holz oder aus diversen Abfällen) hergestellt werden, und die Nachteile durch die Elektrolyse würden vermieden. Allerdings ist das Potenzial für Biomasse wegen der geringen Flächenproduktivität begrenzt – erheblich kleiner jedenfalls als das der Photovoltaik.

Immerhin denkbar ist, dass wir in 50 Jahren auch ganz neue Technologien haben werden, um Elektrizität zu erzeugen, oder aber direkt Wasserstoff z. B. aus Sonnenenergie, etwa mit Hilfe künstlicher Photosynthese.

Fazit

Es ist nicht auszuschließen, dass Wasserstoff irgendwann einmal viele Autos auf nachhaltige Weise antreiben wird. Jedoch ist dies sehr unsicher und deswegen kein Ersatz für das Streben nach Energieeffizienz und einer nachhaltigen Mobilität. Diverse Prestigeprojekte von Autoherstellern zielen womöglich weniger auf eine echte Problemlösung innerhalb nützlicher Frist ab, sondern eher auf die Einlullung der Bevölkerung, die sich mit technischen Wunschträumen beschäftigen soll, anstatt echte Problemlösungen heute zu verlangen. Und diese liegen wohl eher in hocheffizienten Fahrzeugen und einem nicht weiter ausufernden Individualverkehr.

Siehe auch: Wasserstoff, Wasserstoffwirtschaft, Verbrennungsmotor, Elektrolyse, Brennstoffzelle, Akkumulator, Energiespeicher, Elektromobilität

Kommentare von Lesern

02.01.2019

Wie sollen Millionen von PKW 2030/2040 mit E-Motor betrieben werden, wenn der notwendige Strom dann in Deutschland fehlt? Solange über 40 % des Stroms mit Braunkohle gewonnen wird, kompensiert dies die Einsparung der Abgaswerte von PKW und LKW. Mit Windrädern ist eine ausreichende Stromgewinnung nicht zu erreichen.

Die Zukunft liegt beim Wasserstoffmotor, die Japaner und Koreaner haben dies bereits erkannt und produzieren bereits PKW mit Brennstoffzelle. Zudem ist die Reichweite der E-Autos begrenzt. Solange so wenige öffentliche Ladestationen vorhanden sind, ist es nicht empfehlenswert.

Welche Haltbarkeit haben eigentlich die zur Verfügung gestellten Batterien? Sollte ich das E-Auto nach einigen Jahren wieder verkaufen, so ist doch damit zu rechnen, dass man die vorhandene Batterie durch eine “Neue” ersetzen muss. Und mit welchen Kosten ist hier zu rechnen ? Mercedes Benz spricht hier von bis zu 12 000 €!

Antwort vom Autor:

Zunächst einmal ist die Sache mit dem Strom für Elektroautos ist nicht so dramatisch; ich habe dies in meinem Blog-Artikel vom 12.12.2016 behandelt. Vor allem aber wäre mit Wasserstoff nicht etwa weniger bedenklich: Die Erzeugung des Wasserstoffs mit Elektrolyse kostet deutlich mehr Strom als das Aufladen der Batterien! Ein großes Problem ist eben die deutlich schlechtere Energieeffizienz dieser Technologie.

Übrigens halten auch die sehr teuren Brennstoffzellen nicht ewig – also auch hier nicht unbedingt ein kleineres Problem bei Wahl dieser Technologie.

12.03.2019

Was ist eigentlich mit der Gewinnung der seltenen Erden und die damit einhergehende Umweltverschmutzung?

Antwort vom Autor:

Das ist eine vor Problematik mancher Elektromotoren, wie sie für diverse Elektroautos eingesetzt werden – egal ob der Strom aus einer Batterie oder einer Brennstoffzelle kommt.

Meines Wissens verursacht die Gewinnung seltener Erden in etlichen Ländern schwerwiegende Umweltschäden. Andererseits sollte es möglich sein, mit verbesserten Praktiken sehr viel sauberer zu arbeiten. Außerdem können die verwendeten Materialien an sich gut rezykliert werden, sollten also durch Einsatz in einem Elektroauto keineswegs als endgültig verbraucht gelten.

Jedenfalls sehe ich in der Problematik der seltenen Erden keinen guten Grund, die Elektromobilität aufzuhalten und das Klimaproblem ungelöst zulassen.

15.03.2019

Wie verhält es sich mit dem ökologischen Fußabdruck bzw. der durchgehenden Effizienz, wenn Kunststoffe verbrannt werden, diese Anlage eine vom Betreiber angegebene Effizienz von 15 % bezogen auf die Erzeugung elektrischer Energie hat, daraus Wasserstoff produziert wird, um damit wiederum Nahverkehrsbusse mit Brennstoffzellen anzutreiben?

Oder, anders gesagt, setzen wir diese mehrfache Energieumwandlung einmal ins Verhältnis mit einem herkömmlichen Diesel-Antrieb bzw. 1 kWh Energie: Herr Prof. Dr. Harry Rosin als Verfechter des Kryo-Recyclings sagte, dass bei der Verbrennung von Kunststoffen lediglich ein Drittel der Energie, die bei deren Produktion benötigt wird, wieder herausgeholt werden kann.

Fange ich jetzt bei der Kunststoffproduktion an, bleiben bei einer bestimmten Menge Plastik, für dessen Produktion 1 kWh aufgewendet wurde, bei der Verbrennung 330 Wh übrig, die thermisch verwertet werden könnten. (Da ich nicht weiß, welchen Brennwert das Rohöl hat, das zur Produktion des Plastiks eingesetzt wird, rechne ich das mal mit der Produktionsenergie zusammen.)

Da das Müllheizkraftwerk – auch durch diverse Abgasnachbehandlungen – einen Wirkungsgrad von 15 % hat, bleiben von den 330 Wh noch 50 Wh nach elektrischer Wandlung übrig, die für die Wasserstoffproduktion eingesetzt werden kann. Nach obigen Angaben verlieren wir hier 30 % der Energie, d.h. wir haben noch 35 Wh von der ursprünglichen Kilowattstunde. Die Brennstoffzelle im Bus hat wieder nur einen angenommenen Wirkungsgrad von 50 %, d.h. es bleiben von 18 Wh übrig. Soweit die Theorie.

Wie sieht eine wissenschaftlich fundierte Rechnung aus? Wäre ein O-Bus, angetrieben beispielsweise aus einem Kohlekraftwerk, nicht effizienter?

Antwort vom Autor:

Hier geht einiges durcheinander. Zunächst einmal ist es natürlich richtig, dass in solchen Umwandlungsketten oft ein Großteil der Energie verloren geht, und mancher Ansatz dadurch am Ende gar nicht mehr sinnvoll ist. Allerdings ist auch nicht jeder Vergleich sinnvoll, und Sie haben teils etwas merkwürdige Annahmen getroffen. Beispielsweise fragt man sich ja nicht, ob man zusätzliches Plastik erzeugen soll, um dieses dann entweder in ein Müllheizkraftwerk zu werfen oder daraus Wasserstoff zu erzeugen. Vielmehr geht man von bestimmten so oder so vorhandenen Abfällen aus und überlegt, was man damit am besten tun könnte. Die energetische Nutzung in einem Müllheizkraftwerk ist eine Möglichkeit, allerdings keine besonders effiziente. Wenn es ein Verfahren gibt, aus Plastik Wasserstoff herzustellen, wäre zu prüfen, wie viel das ist, und wie sich das zu der Sache mit dem Müllheizkraftwerk vergleicht – wobei man Strom und Wasserstoff nicht direkt vergleichen kann. Man müsste also beispielsweise annehmen, dass mit dem Strom aus dem Müllheizkraftwerk Wasserstoff erzeugt wird, den man mengenmäßig dann vergleichen kann mit der Plastik-Vergasung. Vermutlich würde letztere dann vergleichsweise gut abschneiden. Man könnte aber auch mit dem Strom Elektrobusse antreiben und zum Vergleich mit Wasserstoff betriebene Busse heranziehen.

08.05.2019

Leider sind Ihre Aussagen sehr sehr vage, keine konkrete Angaben. Fest steht aber doch, das die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien und deren Entsorgung nicht umweltgerecht erfüllt werden können. Ganz zu schweigen von den immensen hohen Kosten für die Ladestationen. Wer soll diese bezahlen, ich hoffe doch nicht der Staat, sondern die Verursacher!

Antwort vom Autor:

Für mich ist es nicht klar, dass solche Batterien nicht umweltgerecht hergestellt und entsorgt werden können. Warum soll das nicht gehen? Ich sehe in der großen Ineffizienz des Wasserstoffantriebs das viel größere Problem.

Was die Ladestationen betrifft, werden diese am Ende wohl größtenteils von den Verbrauchern bezahlt, genauso wie Benzin-Tankstellen und Wasserstoff-Tankstellen. Aber gewisse steuerliche Anreize wird man vermutlich zusätzlich einsetzen. Dieselbe Problematik hätten wir übrigens mit Wasserstoff auch.

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