11.03.2020

Technischer Vergleich: Wasserstoff/Batterie-Antrieb – Was ist die wirksamste Form, um von A nach B zu kommen?

Im vorherigen Blogartikel wurde die Frage: Sollen wir auf Wasserstoff warten, weil es die bessere und zukunftsfähigere Technologie sei, diskutiert. Ganz offensichtlich wird seit Jahrzehnten daran gearbeitet und dennoch ist bis heute kein signifikanter Markt für Brennstoffzellenfahrzeuge entstanden. Heute möchte ich ein paar technische Aspekte im Vergleich mit dem Batterie-Antrieb beleuchten.

Technischer Vergleich: Wasserstoff/Batterie-Antrieb – Was ist die wirksamste Form, um von A nach B zu kommen?
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Fakt ist: Die Dekarbonisierung des Verkehrs erfolgt mittels Elektrifizierung. Biogene Treibstoffe werden keine bedeutsame Rolle spielen, jedenfalls nicht für den Großteil des Individualverkehrs und PKW-Antriebe.  Alle strombasierten Antriebe müssen sich in ihrer jeweiligen Anwendung nach den Kriterien Energieverfügbarkeit und Energieeffizienz bewerten lassen. Systemisch betrachtet erfährt die Energieversorgung nur eine Akzeptanz, wenn sie nachhaltig, sicher und preiswert ist. Aus Verbrauchersicht bedeutet das im Sinne von Versorgungssicherheit ein flächendeckendes Netzwerk, einfacher Zugang und stete Verfügbarkeit des Treibstoffs, am besten 24/7 und möglichst ohne Wartezeit.

Zugegeben geht Wasserstoff tanken heute noch schneller als Strom in die Batterie zu speichern und dauert etwa so lang wie ein konventioneller Tankvorgang. Allerdings muss Wasserstoff zunächst erzeugt und dann in der Brennstoffzelle in Strom umgewandelt werden, um den Elektromotor anzutreiben. Wird Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Strom erzeugt und dies idealerweise an Ort und Stelle, so dass der aufwändige Transport entfallen kann, kann man die beiden Systeme strombasierter Antriebe im Hinblick auf ihre Effizienz vergleichen. Die Entwicklung sowie Pilotversuche mit integrierter Erzeugung laufen bereits – heute wird jedoch Wasserstoff noch weitgehend aus Erdgas gewonnen (sogenannter grauer Wasserstoff im Vergleich zu grünem Wasserstoff) und zur Tankstelle transportiert.

Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen ist der Gradmesser für den Treibstoff und maßgeblich für die Nutzung im Fahrzeugbetrieb. Die Antriebseffizienz bestimmt dann den absoluten und relativen Verbrauch.

Energieeffizienz verschiedener Antriebe

Beim Blick auf die Energiespeicherkapazität verschiedener Energieträger hat zunächst scheinbar Wasserstoff das größte Potenzial – allerdings nur in Bezug auf den Heizwert und die massebezogene Energiedichte, die im Vergleich zu Benzin und Diesel dreimal so groß sind. Mit 39kWh/kg entspricht der Brennwert von 1 kg Wasserstoff dem von 3,3 Litern Benzin.

Wasserstoff hat als Gas im Vergleich zu den flüssigen Treibstoffen eine deutlich geringere Volumendichte. Diese ist abhängig vom Druck. Während Benzin 8760kWh Energie pro Kubikmeter enthält, ist im selben Volumen Wasserstoff bei Normaldruck nur 3kWh und bei 200 bar Druck 612kWh Energie gespeichert. Um ausreichend Wasserstoff für den Antrieb in Fahrzeugen zu speichern, sind Hochdruck-Tanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff entwickelt worden, um allen Sicherheitsanforderungen zu entsprechen. Heute ist der Stand der Technik ein 700 bar Tank mit 125 Litern Volumen, der 5 kg Wasserstoff speichert und ungefähr 125 kg wiegt. Der Brennwert entspricht etwa 22 Litern Benzin. Ist damit eine vergleichbare Reichweite im Fahrbetrieb zu erzielen?

Der Systemwirkungsgrad eines Brennstoffzellenantriebs ist tatsächlich mit ca. 50% etwas besser als der eines Verbrennungsantriebs mit 35-40% (Serienhybrid) im besten Fall. Dies ist jedoch kein Vergleich zu einer Batterie, die Strom mit einem Wirkungsgrad von 97% speichern kann. Ein Elektrofahrzeug erreicht somit im Vergleich dazu auf Systemebene 87% Wirkungsgrad, wenn man noch 10% Verluste durch Umrichter und Elektromotor berücksichtigt, die auch beim Brennstoffzellenantrieb zu Buche schlagen.

Der Gesamtsystemwirkungsgrad ist entscheidend

Gehen wir noch eine Ebene höher auf die systemische Ebene der Energiewirkungsgrade, so ist beim Vergleich der strombasierten Antriebe der Batterieantrieb mit 74% mehr als doppelt so effizient wie der Wasserstoff-Antrieb bei einer Gewinnung aus Strom durch Elektrolyse mit in Summe nur 38% Gesamtwirkungsgrad aus Strom.

Fazit: Unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz ist der reine Elektroantrieb mit Batteriespeicher die wirksamste Form, um von A nach B zu kommen.

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