Die Brennstoffzelle gilt seit wenigstens einem halben Jahrhundert als großer Hoffnungsträger für die Stromversorgung von Elektroautos. Sie sollen aufgetankt werden wie ein normales Auto. Man nehme Strom, erzeuge damit Wasserstoff, tanke damit das Auto und fahre unbeschwert und unbesorgt mit einem umweltfreundlichen Auto von A nach B. Aus dem Auspuff kommt nur Wasserdampf. Brennstoffzellen sind auch viel effizienter als Verbrennungsmotoren. Es klingt nach der optimalen Lösung des Problems.

Dieser Artikel wurde gestern auch auf golem.de veröffentlicht und basiert natürlich auf einem anderen Blogeintrag, an den sich einige erinnern werden. Wie ihr auch sehen könnt, gibt es inzwischen auch den “alles-auf-einer-Seite-Button”.

Trotzdem hält etwas die Brennstoffzellenautos vom Durchbruch ab. Dieses Etwas ist keine Verschwörung der Autoindustrie, sondern ein Problem das gern verschwiegen wird. Wegen dem Umweg über die Elektrolyse, den Tank und die Brennstoffzelle verbraucht so ein Auto über dreimal so viel Strom wie ein Elektroauto mit Akku. Ein Durchbruch ist nicht zu erwarten. Nicht in diesem Jahr, nicht im nächsten und auch nicht in den nächsten Jahrzehnten.

Tatsächlich ist das größte Problem in der Kette die Brennstoffzelle selbst. Der Ruf der Brennstoffzelle als effizientes Stück Technik ist gänzlich unverdient. Ja, sie ist mit einer Effizienz von etwa 50 Prozent besser als ein kleiner Verbrennungsmotor in einem PKW, der kaum 30% erreicht. Aber ein Akku kommt auf 90 Prozent. Dazu kommt noch etwa ein Drittel an Energie, die bei der Erzeugung des Wasserstoffs verloren geht und bei der Betankung des Autos. Die Effizienz eines Akkus liegt dagegen jenseits der 90%.

Bei kaum einer Technik liegen die Darstellung in der Öffentlichkeit und die Realität so weit auseinander.

Brennstoffzellen

Die größten Verluste gibt es in der Brennstoffzelle selbst. In der Theorie kann eine Brennstoffzelle eine Effizienz bis zu 83% erreichen. Die Praxis sieht anders aus, wie beim neuen Honda Clarity.  Er ist ausgestattet mit einer PEM-Brennstoffzelle und einem Tank der 5kg Wasserstoff bei 700bar Druck speichert. Honda glaubt damit eine Reichweite von 300 Meilen, also 480km, nach EPA-Norm zu erreichen. Zum Vergleich: Ein Tesla Model S mit 85 kWh Batterie erreicht nach der gleichen Norm 430km. Der Tesla bräuchte also eine 95kWh Batterie um die gleiche Reichweite zu erzielen.

Wieviel Energie braucht der Honda dazu? 1kg Wasserstoff hat einen Energiegehalt von 142MJ. Das entspricht knapp 40kWh (39,44kWh). Der Tankinhalt des Clarity entspricht also einer Energiemenge von 200kWh. Die Brennstoffzelle des 600kg leichteren Clarity verbraucht auf der gleichen Strecke die doppelte Menge Energie eines Tesla S. Die durchschnittliche Effizienz erreicht nicht mehr als 50%. Das braucht auch nicht zu überraschen. Die phänomenalen theoretischen Effizienzwerte erreichen Brennstoffzellen nur bei extrem niedrigen Leistungen. Schon etwas höhere Leistungen bringen große Verluste mit sich. Im praktisch relevanten Bereich liegt die Effizienz solcher Brennstoffzellen 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 auch spontan. Dann bekommt die Brennstoffzelle die Aktivierungsenergie geschenkt, aber das passiert 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. Um so niedriger die Zellspannung ist, um so 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 Revolutionen sind vorerst nicht zu erwarten.

Wasserstofftanks

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 700bar Druck befüllen zu können. Das sind nochmal rund 30kWh Strom. Beim Laden von Batterien gehen aber auch etwa 5 Prozent des Energiegehalts verloren, also etwa 5kWh. Nur bei Schnellladung ist es etwas mehr.

Diese Energieverluste können praktisch nicht verhindert werden. Es mangelt 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 gehalten, der die chemische Einlagerung von Wasserstoff in Stoffen wie Dibenzyltoluol propagierte. Zur Freisetzung des Wasserstoffs aus der chemischen Verbindung muss allerdings etwa 25% des Energiegehalts in Form von Wärme zugeführt werden. Die dafür nötigen Temperaturen sind dabei so hoch, dass dafür auch nicht die Abwärme der PEM-Brennstoffzelle in Frage kommt. Die Gesamteffizienz von der Erzeugung des Wasserstoffs zum Elektromotor beträgt dort etwa 28% – im Vergleich zur Batterie mit über 90%.

Solche und ähnliche “Lösungen” des Lagerungsproblems machen das Effizienzproblem also nur noch schlimmer. Etwa genauso schlecht ist die Verflüssigung von Wasserstoff, die rund 30% 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 es im zweiten Weltkrieg durchaus versucht wurde.

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Kommentare (34)

  1. #1 Andreas
    4. Dezember 2015

    Super Beitrag,

    Wie sieht es im Vergleich mit der Speicherung von Strom bei Spitzen aus, zwischen Pumpwasserspeicherkraftwerken, Akkus und Wasserstoff. Wäre der Wasserstoff eine Lösung für diese Speicherungin Hinblick darauf, dass mittlerweile immer mehr Regionen keine Pumpspeicherkraftwerke haben wollen, bzw. Umweltverbände sagen die Natur wird zerstört.

  2. #2 Bigschmock
    Trittau
    4. Dezember 2015

    Wer den Schlagabtausch zwischen Trittin und Vahrenholt Anfang der Woche auf Phoenix verfolgt hat, wird mit Erschrecken festgestellt haben, wie wenig Trittin die technische Machbarkeit des EEG interressiert. Gelinde gesagt hat der gar keine Ahnung von der Materie, aber Hauptsache politisch durchsetzen. Plötzlich ist England Vorreiter in Sachen CO2 Vermeidung. Allerdings vergißt er merkwürdigerweise, dass England dies mit dem Bau neuer Kernkraftwerke erreichen will. Und Frankreich erst, Donnerwetter auch, die haben sich bessere Klimaziele gesteckt als die BRD. Die bauen auch keine neuen Kernkraftwerke mehr, die tauschen die alten nur aus ! Man sollte natürlich auch bedenken, wieviele hunderttausende Arbeitsplätze allein durch das EEG enstanden sind. Ja, ist klar, die werden ja auch fast 1 : 1 durch den Strompreis finanziert. Auch durch die, die keine Arbeit haben.
    Das ist eine politische Führungsperson, die das sagt Verlogen oder einfach nur dumm bis in die Haarspitzen. Ich könnte kotzen.

  3. #3 gaius
    5. Dezember 2015

    Super interessant und für mich in der Deutlichkeit neu!

    Da stellt sich jetzt natürlich die Frage: Wie konnte eine Technik mit solchen Eigenschaften so weit kommen? Es muss doch Fachleute geben, die einen Überblick haben und auch bereit sind, darüber zu berichten. Oder ist diese Annahme schon naiv?

    • #4 wasgeht
      5. Dezember 2015

      Ganz einfach, es gibt andere Anwendungsgebiete, in denen sie ganz nützlich sind. Raumschiffe (Apollo, Space Shuttle) und U-Boote zum Beispiel.

      Für Autos wird es hauptsächlich entwickelt, weil es da ein gewissen Verlangen in der Öffentlichkeit (und damit Verkaufspotential) gibt, nicht weil es sinnvoll wäre.

  4. #5 JR
    5. Dezember 2015

    Auch ich habe mich schon häufiger gefragt warum diese Technologie so ins Hintertreffen geraten ist. Sehr interessant die Hintergründe dazu mal zu erfahren.

    Von der Effizienz mal abgesehen, sind die Brennstoffzellen nicht trotzdem Umweltfreundlicher? Weil der Aufbau diese kaum umweltgefährliche Stoffe enthalten und somit von der Entsorgung unproblematischer sind? Und sind die Transportwege für die Rohstoffe ggf. wesentlich kürzer?

    • #6 wasgeht
      5. Dezember 2015

      Das Problem ist die Energieerzeugung.

  5. #7 BreitSide
    Beim Deich
    6. Dezember 2015

    @JR:

    Von der Effizienz mal abgesehen, sind die Brennstoffzellen nicht trotzdem Umweltfreundlicher?

    UmweltfreundlicER als was? Als die Benzin- oder Dieselstinker? Wohl.

    Als Akku-eAutos? In keinster Weise. Wie schön dargelegt von Frank.

    Ein weiterer Grund für das Verlangen nach den FoolCells: Tankstellen und die Lieferanten dahinter sehen mit den Stromzapfstellen ihre Felle davonschwimmen. Die H2-Fabrik “zu Hause” ist wohl nur ein Fantasieprodukt. Ich kenne sogar einen Siemensianer, der daran glaubt.

    @Bigschmock: Mit dem falschen Fuß aufgestanden?

    Und schon wieder vergessen, mit welchen Geldern die milliardenschwere Atom- und Kohleindustrie gepampert wurde? 1:1 die Gelder der Steuerzahler und Kleinverbraucher.

    • #8 bigschmock
      6. Dezember 2015

      @breitside

      Das ist völlig richtig, was Du sagst. Die Folgen der Atom-, Kohle- und sonstiger “umweltfeindlicher” Energieerzeugung werden durch Steuern finanziert. Im Rahmen der Steuergerechtigkeit wird es dann von allen getragen (gepampert). Ungerecht wird es aber, wenn selbst Menschen mit geringem Einkommen den teuren Umbau voll bezahlen müssen und z.B.engergieintensive Betriebe davon ausgenommen werden, weil die Rendite sonst nicht stimmt.
      Die damaligen enormen wirtschaftlichen Vorteile in den 60/70er Jahren bei Preisen von 3 Pf/kwh und weniger, rechnet heute allerdings niemand mehr ein. Wo unsere Wirtschaft oder besser gesagt, unser Wohlstand wohl heute wäre?
      Mit Rücklagen von vielleicht 0,5 Pf pro kw/h hätten wir heute Beträge im Billionenbereich zur Entsorgung des Mülls. Zwar sind wir den Mist nicht los, hätten aber keine finanziellen Nöte. Apropos Nöte; was kostet die Bankenrettung, Mrd/Bio.?
      Also, betrachten wir das Ganze wie bei der Bankenrettung doch einfach als Kredit. Eine Zeit lang haben wir enorme Gewinne gemacht und nun zahlen wir die Zeche. Wo ist das Problem?

  6. #9 BreitSide
    Beim Deich
    6. Dezember 2015

    ich kaufe ein “h”: UmweltfreundlichER :roll:

  7. #10 ralph
    6. Dezember 2015

    @bigschmok
    #2
    manchmal frage ich, was schädlicher für eine nachhaltige Klimapolitik ist, Klimawandelleugner/Relativierer wie Vahrenholt, oder linksideologische pseudo Grüne ohne jeden ökonomischen Sachverstad.

    #4
    “….engergieintensive Betriebe davon ausgenommen werden, weil die Rendite sonst nicht stimmt.”
    Heißt: energieintensive Produktionen werden ins Ausland verlagert, was umwelttechnisch rein gar nichts bringt.
    Es führt nichts daran vorbei, es muss eine Art CO2-Steuer (oder besser Nachhaltigkeits-Steuer) auf jedes Produkt. Diese Steuer wird zusammen mit der Mehrwertsteuer erhoben. Nur wenn beim Verbraucher die versteckten Kosten ungebremst ankommen macht es für ihn Sinn nachhaltig einzukaufen. Andersherum lohnt es sich dann für die Industrie nachhaltig zu produzieren um konkurrenzfähig zu bleiben.

  8. #11 BreitSide
    Beim Deich
    7. Dezember 2015

    @bigschmock: Hast Dich super bei Ackermann, Fitschen und den anderen Verbrechern eingeschleimt. Bravo!

    Genau so ist es: Der Steuerzahler, also Jede von uns, zahlt, die Bänker stecken´s in die Tasche. Wo ist das Problem? Das Geld ist ja nicht weg, es hat nur jemand anderes. Wo ist das Problem?

    Die Bänker haben Milliarden Gewinne gemacht, wir haben es gezahlt. Und sie machen genauso weiter wie vorher. Wo ist das Problem?

    Unser trügerischer materieller Wohlstand beruht einfach darauf, dass wir die externen Kosten/Schäden unserer Lebensweise nicht zahlen. Die zahlen unsere Kinder, und vor Allem die Leute in den Entwicklungsländern. Wo ist da das Problem, wirst Du wieder fragen.

    Und – um zum Thema zurückzukehren – die Brennstoffzelle (außer vielleicht im Weltraum oder auf U-Booten, möglicherweise für eine Übergangszeit auf Lastern) wird Niemandem wirklich nutzen. Außer den Herstellern.

    Genauso wie der ganze NawaRo-/”Bio”kraftstoffwahnsinn. Hier werden Ressourcen verplempert, die woanders händeringend benötigt würden. Aber ein paar Hersteller haben sich eine goldene Nase verdient. Wo ist das Problem?

  9. #12 BreitSide
    7. Dezember 2015

    Och nö, nicht schon wieder die reaktionären Beißreflexe:

    manchmal frage ich, was schädlicher für eine nachhaltige Klimapolitik ist, Klimawandelleugner/Relativierer wie Vahrenholt, oder linksideologische pseudo Grüne ohne jeden ökonomischen Sachverstad.

    Ohne Grüne oder ihre Vorläufer gäbe es doch gar keine Klimapolitik, noch nicht einmal eine Umweltpolitik.

    Ich weiß noch, wie Leute wie Du damals zu den Schaumwalzen auf den Flüssen und den umkippenden Seen gesagt hatten: “Die Selbstrrreinigungskrrraft derrr Naturrr wirrrd das schon rrrichten!”

  10. #13 Karl Mistelberger
    7. Dezember 2015

    > #2 Bigschmock Trittau 4. Dezember 2015
    > Wer den Schlagabtausch zwischen Trittin und Vahrenholt Anfang der Woche auf Phoenix verfolgt hat, wird mit Erschrecken festgestellt haben, wie wenig Trittin die technische Machbarkeit des EEG interressiert. Gelinde gesagt hat der gar keine Ahnung von der Materie, aber Hauptsache politisch durchsetzen. Plötzlich ist England Vorreiter in Sachen CO2 Vermeidung. Allerdings vergißt er merkwürdigerweise, dass England dies mit dem Bau neuer Kernkraftwerke erreichen will. Und Frankreich erst, Donnerwetter auch, die haben sich bessere Klimaziele gesteckt als die BRD. Die bauen auch keine neuen Kernkraftwerke mehr, die tauschen die alten nur aus ! Man sollte natürlich auch bedenken, wieviele hunderttausende Arbeitsplätze allein durch das EEG enstanden sind. Ja, ist klar, die werden ja auch fast 1 : 1 durch den Strompreis finanziert. Auch durch die, die keine Arbeit haben. Das ist eine politische Führungsperson, die das sagt Verlogen oder einfach nur dumm bis in die Haarspitzen. Ich könnte kotzen.

    Es gibt keinen Grund zu kotzen. Auch William Connolley kotzt nicht sondern nennt die Fakten: The fuckwitted Krauts discover the downside of turning off their nukes.

  11. #14 bigschmock
    7. Dezember 2015

    @BreitSide # 11

    Welchen Teil meines Kommentars meinst Du, der geeignet wäre, sich bei Verbrechern einzuschleimen?

    • #15 BreitSide
      Beim Deich
      7. Dezember 2015

      Eigentlich der ganze Kommentar.

      Aber besonders dieser Teil:

      Apropos Nöte; was kostet die Bankenrettung, Mrd/Bio.?
      Also, betrachten wir das Ganze wie bei der Bankenrettung doch einfach als Kredit. Eine Zeit lang haben wir enorme Gewinne gemacht und nun zahlen wir die Zeche. Wo ist das Problem?

      Noch Fragen?

      • #16 bigschmock
        7. Dezember 2015

        @ BreitSide

        Wenn ich Dich also richtig verstehe krieche ich den Verbrechern mit folgenden Aussagen in den Arsch:

        Der kleine Mann zahlt die Energiewende und große Firmen werden von der Umlage befreit

        Die damaligen wirtschaftlichen Vorteile haben wir teuer erkauft. Quasi als Kredit, den wir zukünftig zurückzahlen müssen.

        Und für die Bankenrettung haben haben wir doch auch genug Geld zur Verfügung haben müssen. Warum nicht auch für die Beseitigung der Umweltschäden.

        • #17 wasgeht
          7. Dezember 2015

          Könntet ihr bitte den Exzellenzquotienten in euren Kommentaren erhöhen?

          Danke.

        • #18 BreitSide
          Beim Deich
          7. Dezember 2015

          OMG, Du verdrehst aber auch alles:

          Und für die Bankenrettung haben haben wir doch auch genug Geld zur Verfügung haben müssen. Warum nicht auch für die Beseitigung der Umweltschäden.

          Die Milliarden der Bankenrettung gingen praktisch ausschließlich in die Taschen der Bänker. Genauso wie die Milliarden “für” Griechenland, die auch praktisch nur an die Bänker gingen.

          Milliarden für die Umwelt würden allen nutzen. Aber das stört halt wieder die Bänker und die Superreichen.

          Es geht auch nicht um “Beseitigung von Umweltschäden”, sondern um deren Vermeidung. Das ist ein klein wenig was Anderes.

  12. #19 bigschmock
    7. Dezember 2015

    Ja, geht in Ordnung.

    Sorry

  13. #20 BreitSide
    Beim Deich
    7. Dezember 2015

    Das hoffe ich doch.

  14. #21 bigschmock
    7. Dezember 2015

    @ BreitSide

    Wer das Geld eingesteckt hat, war garnicht das Thema.

  15. #22 BreitSide
    Beim Deich
    7. Dezember 2015

    Genau DAS war das Thema. Es sei denn, Du sähest keinen Unterschied darin, ob das Geld Dir, mir oder Ackermann gehört.

    Bleibt ja alles in der Familie, gelle?

    Hat aber jetzt nicht viel mit der Brennstoffzelle zu tun, nicht wahr? Also können wir aufhören damit, Dich zu blamieren?

  16. #23 bigschmock
    7. Dezember 2015

    Ironie ist also auch nicht Deine Stärke. So long

    • #24 BreitSide
      Beim Deich
      7. Dezember 2015

      Ach sooo, das war alles Quatsch, was Du geschrieben hast! Muahaha, der war gut! Ich hatte ja tatsächlich geglaubt, Du meinst, was Du schreibst…

      Danke für die Aufklärung!

  17. #25 Wilhelm Leonhard Schuster
    7. Dezember 2015

    Ich hörte heute, daß die Kuweidis, 17% der VW Aktien halten.
    Außerdem ist der gesamte VW Vorstand zur Zeit
    bei denen, um gut Wetter zu erbitten.
    Könnte doch sein, daß dabei, auch das Wasserstoff-Problem zur Sprache kommt.
    Und warum sollte dort nicht etwas machbar sein?
    Die Sonnen-verwöhnten Wüstensöhne, haben schließlich mittlerweile sehr gut rechnen gelernt
    und erkennen die ” Macht der Wüsten Solarsonne/Wasserstoff ” mit Sicherheit auch.

    • #26 BreitSide
      Beim Deich
      7. Dezember 2015

      Da kann ich Dir nur zustimmen :-)

      Aber das hatte ja schon mit Desertec nicht geklappt. Und schließlich können wir das in Deutschland mit Sonne und Wind auch selbst zu 100% hinkriegen.

  18. #27 Wilhelm Leonhard Schuster
    7. Dezember 2015

    Land und Sonne steht in Deutschland nicht genügend zur Verfügung.
    Ich bin nicht genügend
    Fachmann , kann also nicht berechnen wieviel Km2 Wüste notwendig ist, sämtliche deutsche Autos mit Wasserstoff zu versorgen.

  19. #28 Bigschmock
    8. Dezember 2015

    Das sind Dinge, die Breitside nicht so sehr interessieren, denn weder Physik noch Chemie zählen offenbar zu seinen Fachgebieten. Mit ideologischem Bashing lassen sich diese Mankos auch nur oberflächlich deckeln. Wenn es aber an das Eingemachte geht, hört er sich an wie Mutti Merkel: Das schaffen wir zu 100 %… …na denn.

  20. #29 BreitSide
    Beim Deich
    8. Dezember 2015

    @WLS: Land, Sonne und Wind stehen in D in mehr als ausreichendem Maße zur Verfügung, da kann ich Dich beruhigen:

    Jedes Jahr wird mittels des Sonnenlichts etwa das Hundertfache des deutschen Primärenergieverbrauchs auf Deutschland eingestrahlt.[19] Dazu muss noch das Potential der Geothermie sowie der Windenergie gerechnet werden, wobei alleine die Windenergie an Land über ein nutzbares Potential von ca. 2400 TWh/a (ca. das Vierfache der deutschen Stromerzeugung) verfügt.[20]

    Bigschmock folgt wieder dem bekannten Muster: Nach dem Ende der “Argumente” kommt das ad hominem. War ja abzusehen… :roll:

  21. #30 ralph
    8. Dezember 2015

    @Was geht

    vielen Dank für den informativen Beitrag! Ich hatte mich tatsächlich schon lange gefragt, was aus den Brenstoffzellen geworden ist. Der Blick auf das physikalisch mögliche Potential bremst so manchen Hype.

    @Bigschmock
    mit Papageien zu argumentieren bringt nichts, ist mir aber auch schon passiert.

  22. #31 Wilhelm Leonhard.Schuster
    26. Februar 2016

    In Erlangen hat man bessere Wasserstoff-Speicher
    gefunden . Was ist da dran? Wer weiß darüber mehr?

  23. #33 Wilhelm Leonhard Schuster
    22. September 2016

    Gibt es was Neues auf dem “Sector Auto Brennstoffzelle”?

  24. #34 ovelkan
    Rodenbach
    14. November 2016

    Schön dargelegt. Ich vermisse aber die Gegenüberstellung mit einer DEFC, die ja viele Schwächen der Wasserstoffbrennzelle nicht hat.