Brennstoffzelle: Sinnvolle Alternative für Elektroautos?

Die Brennstoffzelle wurde 1838 erfunden und fasziniert durch ihre sogenannte kalte Verbrennung, wenn Wasserstoff und Sauerstoff in der Zelle zu Wasser reagieren und dabei Strom produziert. Bei der leisen Reaktion entsteht lediglich Wasserdampf als Abgas und ist damit CO2 neutal.  
Der Wirkungsgrad ist mit 40 bis 70 % deutlich höher als ein Verbrennungsmotor und hat erheblich weniger bewegliche Teile. Wasserstoff hat eine hohe massenbezogene Energiedichte, kann in Tanks gelagert und schnell wieder aufgefüllt werden. Damit wär die Brennstoffzelle auf den ersten Blick perfekt für den Einsatz im Auto geeignet. Das sehen wir uns einmal näher an und beleuchten die Fakten.

Die Technik

Eine Brennstoffzelle benötigt für die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff einen Katalysator, aktuell wird Platin verwendet, der auf einer dünnen Membran aufgebracht wird. Dadurch wird eine Brennstoffzelle teuer, Platin ist ein sehr seltenes und wertvolles Edelmetall. In einem Toyota Mirai liefern 370 einzelne Brennstoffzellen, die zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel (englisch Stack) zusammengeschaltet werden, die Energie für den Vortrieb.

Für den Betrieb eines Brennstoffzellenstapels wird ein Kühlsystem, Tanks, Ventile und ein Verdichter, ähnlich dem heutigen Turbolader benötigt. Gleichzeitig wird auch noch eine kleine Lithium-Ionen Batterie benötigt, die von der Brennstoffzelle gespeist wird und den Elektromotor für den Antrieb mit Energie versorgt. Im Grunde genommen funktioniert ein Auto mit Brennstoffzelle wie ein serieller Hybridantrieb, die Batterie wird während der Fahrt durch die Brennstoffzelle geladen. Der Aufbau ist damit im Vergleich zu einem Elektroauto relativ komplex.

Wasserstoff hat eine geringe volumenbezogene, jedoch eine hohe massenbezogene Energiedichte und muss für mobile Anwendungen unter einem hohen Druck gespeichert werden. Aktuell werden beispielsweise beim Brennstoffzellenfahrzeug Toyota Mirai zwei Wasserstofftanks mit 700 bar eingesetzt. Jeder Tank kann 2,5 Kilogramm Wasserstoff aufnehmen und bietet damit einen Energieinhalt von 166,65 kWh, ein Kilogramm Wasserstoff (H2) hat einen Energieinhalt von 33,33 kWh.

Toyota gibt bei dem Fahrzeug eine Reichweite von 500 km nach dem veralteten NEFZ Zyklus an, ein Test bei Auto-Motor-Sport ergab einen durchschnittlichen Verbrauch von 1,1 Kilogramm H2 auf 100 km. Damit dürfte die realistische Reichweite bei ungefähr 455 Kilometern liegen und wäre damit durchaus alltagstauglich.

Davon ausgehend, dass ein Brennstoffzellenfahrzeug ca. 1,0 Kilogramm H2O auf 100 km verbraucht, würde sich ein Energieverbrauch von 33,3 kWh/100 km ergeben. Zum Vergleich: Ein Dieselmotor liegt bei einem Verbrauch von 5 Liter/100 km bei 49,5 kWh/100 km liegen, ein Elektroauto bei ca. 15 kWh/100 km. Ein Brennstoffzellenfahrzeug wäre zwar Wirkungsgradtechnisch besser als ein vergleichbares Auto mit einem Diesel- oder Benzinmotor, aber mehr als 50 % schlechter als ein rein elektrisch angetriebenes Auto.

Der Wasserstoff

Wasserstoff wird aktuell im industriellen Maßstab per Dampfrefomierung aus fossilem Erdgas (CH4) hergestellt, bei dem Prozess entsteht CO2.
Es kann aber auch CO2 neutral mittels erneuerbarer Energie durch das Elektrolyseverfahren aus Wasser hergestellt werden.
Der Wirkungsgrad für die Elektrolyse, inklusive Speicherung und Rückverstromung liegt bei maximal 43 %, der Hersteller Volkswagen geht von 30 % aus.

Um 100 Kilometer zurückzulegen müsste für ein Brennstoffzellenfahrzeug 77,5 kWh erneuerbare Energie erzeugt werden, ausgehend von einem Verbrauch von 1 kg Wasserstoff auf 100 km. Ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug könnte, unter Berücksichtigung der Verluste (Transport, Speicherung, Ladeverluste und Wirkungsgrad des Elektromotors), mit der erzeugten Energiemenge ca. 390 km zurücklegen.

Die Kosten

Einen Kostenvorteil bietet ein Brennstoffzellenauto leider nicht, ein Kilo Wasserstoff kostet aktuell 9,50 €. Zur Zeit ist Wasserstoff steuerbefreit und von Abgaben befreit. Damit kosten beispielsweise mit dem Toyota Mirai 100 Kilometer ungefähr 10,5 €. Bei einem rein elektrisch angetriebenen Auto kosten 100 km bei einem Verbrauch von 15 kWh ungefähr 4,00 €.
Die Anschaffungskosten liegen für die Mittelklasselimousine bei 78.540 €, zum Vergleich liegt das rein elektrische Model 3 von Tesla mit ähnlichen Abmaßen und Reichweite aktuell bei 45.370 €.
Hinsichtlich der Wartungskosten gibt es sowohl beim Toyota Mirai als auch beim Kia Nexo keine offiziellen Angaben. Sie dürften auf jeden Fall höher liegen als bei einem rein elektrischen Antrieb. 

Die Brennstoffzelle hat aus unserer Sicht jedoch noch eine aussichtsreiche Zukunft im schweren Nutzfahrzeugen, Schiffen, Unterseebooten und Zügen, bei denen die Wasserstofftanks gut untergebracht werden können und der Vorteil der schnellen Betankung und konstanten Leistungsabgabe eine Rolle spielt.

Die Zukunft wird auf jeden Fall elektrisierend!

Quellen:
Auto-Motor-Sport
Linde AG
Wikipedia

Grafiken:
Volkswagen AG

Bild:
Toyota

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