Elektroauto: Brennstoffzellenautos sind nur theoretisch effizient
Die Brennstoffzelle gilt als großer Hoffnungsträger für die Stromversorgung von Elektroautos. Die Autos sollen aufgetankt werden wie normale Wagen: Man nimmt Strom, erzeugt damit Wasserstoff, betankt damit das Auto und fährt sorglos und umweltfreundlich. Aus dem Auspuff kommt nur Wasserdampf, und Brennstoffzellen sind viel effizienter als Verbrennungsmotoren. Es klingt nach der optimalen Lösung.
Trotzdem hält etwas die Brennstoffzellenautos vom Durchbruch ab. Dieses Etwas ist keine Verschwörung der Autoindustrie, sondern das Konzept selbst. Bei kaum einer Technik liegen die Darstellung in der Öffentlichkeit und die Realität so weit auseinander. Denn wegen des Umwegs über die Elektrolyse, den Tank und die Brennstoffzelle verbraucht so ein Auto mehr als dreimal so viel Strom wie ein Elektroauto mit Akku.
Von der Energie im Wasserstoff bleibt nur die Hälfte
Schauen wir uns die Verluste einmal an einem praktischen Beispiel an. In der Theorie kann eine Brennstoffzelle eine Effizienz von bis zu 83 Prozent erreichen. Die Praxis sieht anders aus, wie beim neuen Honda Clarity : Er ist ausgestattet mit einer PEM-Brennstoffzelle und einem Tank, der 5 kg Wasserstoff bei 700 bar Druck speichert. Honda glaubt, damit eine Reichweite von 300 Meilen, also 480 km, nach EPA-Norm zu erreichen. Zum Vergleich: Ein Tesla Model S(öffnet im neuen Fenster) mit dem 85-kWh-Akku erreicht nach der gleichen Norm 430 km. Der Tesla bräuchte also einen 95-kWh-Akku, um die gleiche Reichweite zu erzielen.
Doch wie viel Energie benötigt der Honda dafür? 1 kg Wasserstoff hat einen Energiegehalt von 142 MJ. Das entspricht knapp 40 kWh. Der Tankinhalt des Clarity entspricht also einer Energiemenge von 200 kWh. Die Brennstoffzelle des 600 kg leichteren Clarity verbraucht auf der gleichen Strecke die doppelte Menge Energie eines Tesla S. Die durchschnittliche Effizienz erreicht nicht mehr als 50 Prozent.
Die phänomenale Effizienz gibt es nur in der Theorie
Das sollte nicht überraschen. Brennstoffzellen werden zwar immer wieder phänomenale Effizienzwerte zugeschrieben, aber die gelten nur für extrem niedrige Leistungen. Schon etwas höhere bringen große Verluste mit sich. Im praktisch relevanten Bereich liegt die Effizienz solcher Brennstoffzellen eben nur noch bei etwa 50 Prozent. Bei einem Zehntel der maximalen Leistung ist die Effizienz etwas höher, bei der vollen Leistung noch etwas niedriger.
Der Grund dafür liegt in der Aktivierungsenergie, die für die Reaktion nötig ist. Immerhin müssen Sauerstoff- und Wasserstoffmoleküle gespalten werden, und die Elektronen des Wasserstoffs müssen vom Atomkern getrennt werden. Das passiert zwar auch spontan. Dann bekommt die Brennstoffzelle die Aktivierungsenergie geschenkt, aber das geschieht nur sehr langsam. Bei höherer Leistung muss deshalb ein Teil der Zellspannung für diesen Zweck aufgewendet werden. Bei höheren Temperaturen verschwindet dieses Problem, aber dafür sinkt die freie Energie des entstehenden Wasserdampfs und damit die maximal mögliche Zellspannung. Umso niedriger die Zellspannung ist, desto niedriger ist die Effizienz. Dazu kommt bei hohen Leistungen noch der elektrische Widerstand in der Zelle.
Natürlich kann die Technik auch nach einem halben Jahrhundert noch weiter optimiert werden. Aber die physikalischen Grundlagen sind inzwischen gut bekannt. Man kennt die Flaschenhälse und arbeitet an ihnen. Brennstoffzellen werden zwar schrittweise verbessert, aber ein Durchbruch ist vorerst nicht zu erwarten.
Beim Tanken geht immer Energie verloren
Anders als beim Benziner geht auch noch Energie beim Tanken verloren. In der Praxis sind etwa 15 Prozent des Energiegehalts des Wasserstoffs nötig, um die kohlefaserverstärkten Tanks mit den nötigen 700 bar Druck befüllen(öffnet im neuen Fenster) zu können. Das sind noch mal rund 30 kWh Strom. Beim Laden von Batterien gehen aber auch etwa 5 Prozent des Energiegehalts verloren, also etwa 5 kWh. Bei Schnellladung ist es etwas mehr.
Diese Energieverluste können praktisch nicht verhindert werden. Es mangelt zwar nicht an Vorschlägen, die Lagerung von Wasserstoff zu vereinfachen. Wasserstoff soll mit anderen Stoffen verbunden werden, aber auch dazu ist Energie nötig. Nur ein Beispiel: Vor kurzem wurde im Forschungszentrum Jülich ein Festvortrag(öffnet im neuen Fenster) gehalten, der für die chemische Einlagerung von Wasserstoff in Stoffen wie Dibenzyltoluol plädierte. Zur Freisetzung des Wasserstoffs aus der chemischen Verbindung muss allerdings etwa 25 Prozent des Energiegehalts in Form von Wärme zugeführt werden. Die dafür nötigen Temperaturen sind so hoch, dass dafür auch nicht die Abwärme der PEM-Brennstoffzelle infrage kommt. Die Gesamteffizienz von der Erzeugung des Wasserstoffs zum Elektromotor beträgt dort etwa 28 Prozent - im Vergleich zur Batterie mit über 90 Prozent.
Solche und ähnliche Lösungen des Lagerungsproblems machen das Effizienzproblem also nur noch schlimmer. Etwa genauso schlecht ist die Verflüssigung von Wasserstoff, die rund 30 Prozent des Energiegehalts in Anspruch nimmt und ständig Energie für die Kühlung verbraucht. Weniger Verluste sind nur mit weniger Druck und größerem Volumen möglich, was für Autos keine ernsthafte Alternative ist, auch wenn das im Zweiten Weltkrieg durchaus versucht wurde(öffnet im neuen Fenster) .
Woher soll der Wasserstoff kommen?
Zuletzt stellt sich die Frage nach dem Wasserstoff selbst. Wenn Wasserstoff nachhaltig durch Elektrolyse erzeugt werden soll, dann ist die Effizienz begrenzt. Industriell verfügbare Elektrolysezellen erreichen trotz ihrer Geschichte von über 100 Jahren nur eine Effizienz von etwa 70 Prozent, bessere Prozesse konnten Forschung und Entwicklung noch nicht hervorbringen. Thermische Prozesse zur Wasserstofferzeugung bewegen sich im Bereich von 30 bis 40 Prozent. Im Ergebnis braucht die Erzeugung von 5 kg Wasserstoff und die Kompression für den Tank über 300 kWh Strom. Davon kommen aber nur etwa 100 kWh bei den Elektromotoren an.
Im Betrieb können wegen des hohen Stromverbrauchs keinerlei Kosten eingespart werden. Das Fehlen der Infrastruktur kommt noch hinzu, ist dabei eher ein Randproblem. Es soll vorläufig durch eine Home Energy Station zumindest zum Teil gelöst werden. Das ist eine Elektrolysezelle mit Kompressor und Zwischenspeicher. Eine volle 5-kg-Tankladung Wasserstoff kann sie aber nur alle 2,5 Tage erzeugen. Der dafür nötige Strom kostet mehr als das Benzin, das der Wasserstoff ersetzt.
Die Bilanz eines 60.000 US-Dollar teuren Brennstoffzellenautos ist damit ernüchternd. Der Kaufpreis ist zu hoch, mit dem Treibstoff lässt sich weder Energie noch Geld sparen. Die Energieeffizienz ist einfach zu schlecht, als dass die Technik kurz vor dem Durchbruch stehen könnte, egal, wie oft das behauptet wird. Solche Autos haben nur dann eine Zukunft, wenn auf die Energieeffizienz von Fahrzeugen nicht geachtet wird.