Elektroauto: Brennstoffzellenautos sind nur theoretisch effizient

Brennstoffzellenautos sollen die Zukunft des Elektroautos sein - sauber, leise, effizient. Aber sie haben ihren guten Ruf zu Unrecht: Sie können gar nicht, was von ihnen erhofft wird. Das lässt sich leicht vorrechnen.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 3. Dezember 2015, 15:54 Uhr

Brennstoffzellenauto Honda Clarity Fuel Cell: doppelt so viel Energie wie ein Tesla Model S (Bild: Honda)

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 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.