Die Effizienz einer Brennstoffzelle hängt ganz wesentlich von zwei Faktoren ab. Am seltensten genannt, aber sehr wichtig, ist die Leistung. Um so mehr Leistung einen Brennstoffzelle bringen muss, um so mehr sinkt die Effizienz – und zwar rapide. Das liegt ganz wesentlich daran, dass nur begrenzt viel Platz für die Reaktionen ist und irgendwann nicht mehr so viel  Wasserstoff oder Sauerstoff nachkommen kann, wie gebraucht wird. Dazu kommt der elektrische Widerstand innerhalb der Brennstoffzelle. Um so größer der Stromfluss, um so größer wird der Spannungsabfall – und damit wachsen die Verluste pro übertragenem Ladungsträger. Und genau das ist die Effizienz. Wenn man also eine kleinere Brennstoffzelle benutzen will, dann geht das immer auf Kosten der Effizienz. Aber wegen der hohen Herstollungskosten der Brennstoffzellen, will man natürlich möglichst kleine Brennstoffzellen benutzen (vom Gewicht noch ganz abgesehen).

Der Zusammenhang hat zur Folge, dass die meisten Jubelmeldungen zu Brennstoffzellen die Effizienz bei minimaler Leistung angeben und nicht etwa bei der Nennleistung der Brennstoffzelle. Die sinkt dann nämlich gerne einmal von 70% auf 40% und ähnliches.

Der zweite Faktor ist die Arbeitstemperatur. Die hängt nun im wesentlichen von der Konstruktion der Brennstoffzelle ab. Von Wärmemaschinen ist man gewohnt, dass hohe Temperaturen hohe Effizienzen mit sich bringen. Das ist hier nicht so. Um so höher die Temperatur bei der die Reaktion stattfindet, um so größer wird der Anteil der Energie, die nur als Wärme frei wird, also als zusätzliche Bewegungsenergie des frisch gebildeten Wassermoleküls.

Selbst bei Zimmertemperatur, minimaler Leistung und ohne weitere Verluste kann man bestenfalls eine Effizienz von 83% erreichen. Mehr lässt die Chemie nicht zu. Bei 200 Grad sind es nur noch 77%, bei 600 Grad 70% und bei 1000 Grad 62%. Hohe Temperaturen sind aber der Schlüssel zu Vermeidung von Edelmetallen als Katalysator.

Dazu kommt noch, dass man Brennstoffzellen gerne nicht mit Wasserstoff betreiben würde, sondern direkt mit Methan. Aus Methan kann man Wasserstoff gewinnen, indem man bei hohen Temperaturen Wasserdampf mit Methan reagieren lässt. Es geht so also direkt in der Zelle. Allerdings entsteht dabei als Zwischenprodukt Kohlenmonoxid, das einige Katalysatoren bei der Arbeit behindert. Ganz abgesehen davon geht in dem Prozess nochmal etwa ein Viertel der Energie verloren.

In der Realität bleibt von überlegener Effizienz dann nichts mehr übrig. Eine Effizienz von 47% bezogen auf den unteren Heizwert ist deutlich schlechter als die Effizienz von 60%, die ein Gas-und-Dampf Kraftwerk mit dem gleichen Bezugswert liefert. Real, bezogen auf den Brennwert, liefert die Brennstoffzelle nur 39%.

Der einzige Vorteil ist, dass die Effizienz für eine so kleine Leistung noch recht gut ist.

Preise

Die realen Kosten bewegen sich im Bereich von $6000/kW, für Brennstoffzellen die nur 10-15 Jahre Lebenserwartung haben. Man liest zwar immer wieder von Abschätzungen um die $400/kW und ähnlich grandiosen Werten in Massenproduktion, aber die Realität sieht ganz anders aus. Natürlich können Skaleneffekte in Massenproduktion zu einer deutlichen Senkung der Preise führen, aber der Beweis steht immernoch aus und die Unternehmen halten sich sowohl mit ihren Preisen als auch mit ihren Kosten sehr bedeckt. Gleichzeitig steht die Revoltion am Brennstoffzellenmarkt immernoch aus, was vermuten lässt, dass die verdeckten Kosten und Preise eher ziemlich hoch sind.

Aber selbst wenn die Preise sinken bleibt die Frage: Was bringt es? Die Lebensdauer der Zellen mag noch steigen, aber der Effizienz sind physikalische Grenzen gesetzt. Diese Grenzen erlauben zwar tatsächlich höhere Werte als Turbinen und Dieselmotoren, aber nur bei extrem niedriger Leistung und damit extrem hohen Kosten für eine restlos überdimensionierte Brennstoffzelle. Gleichzeitig werden natürlich auch die klassischen Turbinen weiter entwickelt und immer effizienter.

Brennstoffzellen mögen ein weiterer Weg sein Strom zu erzeugen. Falls die Preise eines Tages ernsthaft sinken, können sie auch einige größere Nischen besetzen. Aber eine Revolution stellen sie nicht dar und deswegen wird sie auch weiterhin ausbleiben.

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Kommentare (23)

  1. #1 Kniffes
    20. Juli 2015

    Naja, eine kompakte Brennstoffzelle mit einem ganzen GuD-Kraftwerk zu vergleichen ist aber auch eher unrealistisch. Als Vergleich würden sich da wohl eher aktuelle Verbrennungsmotoren mit Generator eignen, beispielsweise in Pkw oder Nfz. Und dort könnten (!) unter bestimmten Bedingungen und der Vorraussetzung, dass es noch entsprechende Innovationen gibt, diese irgendwann mal konkurrenzfähig sein.

    (Wobei ich auch da ein großes Problem sehe: Man wird die elektrische Energie der Brennstoffzelle zwischenspeichern müssen, da man eine lastabhängige Leistungsentnahme aus der BSZ nur mit deutlichem Wirkungsgradverlust erkaufen kann. Ich habe also eine Batterie, die keine Batterie ist, die eine Batterie speist, die eigentlich nur notwendig ist, weil die erste keine richtige Batterie ist.)

    • #2 wasgeht
      20. Juli 2015

      Es wird teilweise gefordert(!), dass auf Großkraftwerke verzichtet und stattdessen “dezentral” kleine Brennstoffzellen und ähnliches benutzt wird, weil zentrale Stromversorgung angeblich schlecht wäre.

      Deswegen ist der Vergleich mehr als berechtigt. Großkraftwerke sind effizienter und sollten deswegen vorgezogen werden, wo immer das möglich ist, um den Brennstoffverbrauch zu minimieren.

  2. #3 Ludger
    20. Juli 2015

    Wenn man billigen Strom im Überfluss hätte, zum Beispiel nachts von Kraftwerken der Grundlast, der sonst gegen Gebühr in norwegischwen oder österreichischen Pumpspeicherkraftwerken abgenommen wird, könnte man mit dem zwar mit schlechtem Wirkungsgrad aber trotzdem wirtschaftlich Wasserstoffgas für Brennstoffzellenautos herstellen? Die Idee mit den Brennstoffzellenautos kommt ja aus lange vergangenen Jahrzehnten, als der Kernkraft für die Energieversorgung noch eine viel wichtigere Rolle zugedacht war. Ist die Idee deshalb in Japan wirtschaftlicher als in Deutschland?

  3. #4 dgbrt
    20. Juli 2015

    Das größte Problem sind die Tanks für die Rohstoffe. Bei Apollo 13 ist ja nur der Sauerstoff-Tank explodiert, das selbe bei einem Wasserstoff-Tank hier auf der Erde würde eine tolle Knallgas-Explosion bedeuten. Wer möchte schon auf einem solchen Pulverfass sitzen? Technik wird versagen, auch wenn sie noch so sicher ist!

    • #5 wasgeht
      20. Juli 2015

      Wasserstoff ist im Prinzip nicht gefährlicher als Methan und das benutzen wir überall. Ja, es ist gefährlich und Explosionen gibt es auch regelmäßig. Aber es sind nur Tote und Schwerverletzte damit verbunden und keinerlei Radioaktivität.

      Es gibt nichts zu sehen. Gehen sie weiter.

  4. #6 Ludger
    21. Juli 2015

    #5: “Wasserstoff ist im Prinzip nicht gefährlicher als Methan […]”

    Gibt es bei Methan auch so einen Effekt wie die Wasserstoffversprödung ( https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffverspr%C3%B6dung )?

    • #7 wasgeht
      21. Juli 2015

      Nein (außer bei Stadtgas, aber da war Wasserstoff drin).

  5. #8 Struppi
    21. Juli 2015

    Hmm? Mir geht es beim lesen der Artikels ähnlich wie Kniffes.

    Ich hatte von Brennstoffzellen bisher überwiegend im zusammenhang als Ersatz für Verbrennungsmotoren und Kleinsterzeugern gehört. Daher finde ich den Vergleich zu einem Großkraftwerk etwas populistisch – es soll mit Gewalt gezeigt werden, dass Brennstoffzellen inneffizient sind.

    Wobei dann aber neben dem Wirkungsgrad die Abgase oder Förderungsschäden nicht erwähnt werden.

    Das sind dann auch, soweit ich diese Berichterstattung verfolgt habe, die “revolutionären” Punkte, die für die Zelle in’s Feld geführt werden. Das mit nahezu endlos vorhandenen Rohstoffen und mit sehr wenig Abfallstoffen Energie erzeugt werden kann. Die dezentrale Versorgung kann daneben für viele Regionen auf der Welt ein grosser Vorteil sein. Nicht jedes Land hat die Bevölkerungsdichte wie wir hier.

    Aber letztlich hast du vermutlich recht, als Physiker muss man alles für Iter tun :-)

    • #9 wasgeht
      21. Juli 2015

      Der Punkt ist einfach, dass die Effizienz in Autos *noch* weiter sinkt, weil man dort noch mehr Leistung aus den Brennstoffzellen heraus holen will. Gleichzeitig kann man keine Hochtemperaturzellen benutzen, womit man entweder auf Wasserstoff oder Methanol und ähnliches angewiesen ist, dessen Effizienz in Brennstoffzellen auch nicht so toll ist.

      Sagen wir einfach, ich wollte bei den Brennstoffzellen in den Autos nicht noch nachtreten, die liegen eh schon fast regungslos auf dem Boden der Tatsachen.

  6. #10 ThouSou
    21. Juli 2015

    Falls jemand (wie ich) nach vielen Jahrzehnten des Wartens endlich mal eine Brennstoffzelle benutzen möchte:
    Es soll demnächst eine BSZ für die Hosentasche geben.
    OK vielleicht doch lieber nur im Rucksack und nicht in der Hosentasche ;-)
    https://hellokraftwerk.com/

  7. #11 Serge
    21. Juli 2015

    “Daher finde ich den Vergleich zu einem Großkraftwerk etwas populistisch – es soll mit Gewalt gezeigt werden, dass Brennstoffzellen inneffizient sind.”

    Die erste Hälfte des Argument (“populistisch “) sticht nicht, da es hier kein ‘populus’ gibt.

    Die zweite Hälfte trifft ebenfalls nicht, weil Sie nur eine Behauptung, aber keinen Beleg für die Effizienz der Brennstoffzelle anbieten.

  8. #12 Florian
    21. Juli 2015

    Ein Kraftwerk das mit Erdgas betrieben wird hat doch eine völlig andere Funktion als eine Brennstoffzelle die ja, wie im Artikel beschrieben, eher als Speicher dient.
    Geht der Vergleich zwischen GuD Kraftwerk und Brennstoffzelle davon aus das dass Gas für das Kraftwerk synthetisch Hergestellt wird?
    Das würde dann wieder halbwegs Sinn machen, aber wie auch andere schon geschrieben haben, zielen Brennstoffzellen für gewöhnlich doch eher auf Fahrzeuge ab, und müssten sich dann eher mit, mit synthetischem Gas angetriebenen oder vor allem wohl E-Autos mit Akku messen, oder nicht?
    So ein Kraftwerk würde dann eher mit Pumpspeichern und ähnlichem in Konkurrenz stehen.

    • #13 wasgeht
      21. Juli 2015

      Die Brennstoffzelle ist ein Ding bei dem vorn Luft und Brennstoff hinein kommen und hinten Strom und Abwärme raus kommen. Exakt das gleiche wie jedes Kraftwerk (das auch nur ein Motor mit Generator ist).

      Alles andere ist nur PR.

  9. #14 Struppi
    21. Juli 2015

    @serge: Für mich klingt der Artikel, als ob es darum geht eine Technologie gegenüber einer anderen als Schlechter darzustellen, wobei meiner Meinung nach dabei wichtige Faktoren vergessen wurden.
    Da die Fossilen Brennstoffe unpopulär sind, habe ich diesen Ausdruck verwendet. Mag für dich und deine Argumentationen nicht zutreffend sein, aber in der allgemeinen öffentlichen Debatte passt das schon.

    Der zweite Teil deiner “Kritik” ist unverständlich, da ein Satz der etwas zusammenfasst kein Beleg sein kann.
    Wobei ich aber auch nicht gesagt habe, dass die BZ effizient ist, falls ich das aus deiner Formulierung richtig herauslese. Es ging um den Artikel und dort wird die Effizienz der Technologien verglichen, also insofern erscheint mir dein Einwurf etwas verwirrt.

  10. #15 damals
    21. Juli 2015

    Wir schreiben das Jahr 1886. Was geht Automobile mit Verbrennungsmotor

    Jedoch erreichen Automobil mit Verbrennungsmotor nicht die Zugkraft, Tragkraft und Reichweite von Fuhrwerken und Lokomotiven. Es gibt kein speziell für Automobile ausgebautes Wegenetz und auch nicht hinreichend genügend Zapfstellen. Deshalb wird die automobile Revolution ausbleiben.

    • #16 wasgeht
      21. Juli 2015

      Der Unterschied zwischen Pferdewagen und Automobil waren Größenordnungen. Es gab auch kein physikalisches Gesetz, dass die Unterschiede im wesentliche begrenzte.

      Der Unterschied zwischen Brennstoffzellen und herkömmlichen Verbrennunngsmotoren beträgt ein paar Prozent und wird aus physikalischen Gründen niemals darüber hinaus kommen können.

      Sicher.

      Es kann sehr gut sein, dass man eines Tages einen Weg findet, Brennstoffzellen zu niedrigen Preisen herzustellen. Das wird in absehbarer Zeit nicht passieren.

      Aber auch wenn es passiert, dann hat man Brennstoffzellen, die im besten Fall 20-30 Prozent weniger Kraftstoff verbrauchen Verbrennungsmotoren (oder Kraftwerke mit Turbinen).

      Mehr nicht.

      P.S.: Mal ganz abgesehen davon, dass es eine 90-95% effiziente Möglichkeit gibt, Strom im Auto mitzunehmen und in Arbeit umzuwandeln: Batterien. Dann ist es sogar egal woher der Strom kommt.

  11. #17 Florian
    21. Juli 2015

    Ok ich denk ich habs geschnallt. Ich kannte Brennstoffzellen eigentlich nur im Zusammenhang mit Fahrzeugen, hab aber grade mal gegoogelt und gesehen das es auch Brennstoffzellen für Zuhause gibt um Erdgas in Strom umzuwandeln.
    Dann ist der Vergleich natürlich absolut logisch.

  12. #18 damals
    21. Juli 2015

    “Der Unterschied zwischen Pferdewagen und Automobil waren Größenordnungen” Nicht 1886.

    • #19 wasgeht
      21. Juli 2015

      Ja, aber es gab ein physikalisches Potential das weit darüber hinaus ging. Wären Autos aus physikalischen Gründen maximal 20%-30% schneller oder stärker als Pferdewagen gewesen, hätte es keine auch nur entfernt vergleichbare Entwicklung gegeben.

  13. #20 Phil
    22. Juli 2015

    Wie sieht das mit Brennstoffzellen und LKWs aus? In einem LKW sollte so eine Zelle doch deutlich effizienter betrieben werden können. Zumindest fahren LKWs die meiste Zeit das gleiche Tempo. Oder bleibt Diesel auf absehbare Zeit der Brennstoff der Wahl?
    Die Frage interessiert mich insbesondere unter dem Aspekt, dass ggf. autonom fahrende LKWs 23h/Tag auf der Straße sind und natürlich nicht wie ein PKW alle 300 km eine halbe Stunde die Batterie laden können. Dafür bräuchte es ein Konzept, oder man bleibt beim guten alten Diesel, solange es noch abbaubare Ölfelder gibt.

    • #21 wasgeht
      22. Juli 2015

      Das macht die Brennstoffzellen nicht billiger. Das Gewicht ist ja nur der eine Punkt. Um so größer die Leistung bei gleicher Effizienz sein soll, um so größer muss die Brennstoffzelle werden und um genausoviel steigt dann auch der Preis.

  14. #22 Struppi
    22. Juli 2015

    @damals: das war genau die grosse Zeit in der Elektroautos ihre Blüte hatten https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroauto#Die_gro.C3.9Fe_Zeit_der_Elektroautos_.281896.E2.80.931912.29

  15. #23 A. Röck (Cand.-Ing.)
    80333 München
    18. Februar 2016

    A.- Röck (Cand.-Ing.:
    i) AUTOFAHREN MIT WIND!
    ii) STATT LITHIUM eCAR HYPE, HYDROGEN POWERED CARS !
    Unter Greenpeace, gibt`s auch Greenhorns: D. Moser sagt: “Um die Energie von 1 Liter Sprit zu nutzen, müssen fast 3 Liter eingesetzt werden”. Er wollte uns eigentlich sagen: um die Energiemenge von 1 L Benzin (= 8,6 kWh-therm) in Form von Wasserstoff (H2), also wieder 8,6 kWh, aber als H2, zu erhalten, müssen rund 3 L (= 3 x 8,6 kWh) aufgewendet werden! Das ist nicht neu, der Faktor ist sogar noch schlechter (3,7), aber:
    II) WARUM ist auch das wieder mal eine der berühmten Milchmädchen-Rechnungen ?
    III) Niemand dieser Welt würde das machen, was Moser vergleicht, nämlich: Mit einem Benzinmotor einen Elektro-Generator antreiben, ergibt Gleichstrom [DC], u. nun mit diesem DC eine große Elektrolyse-Anlage (Dresden), speisen, die sehr wohl einen Wirkungsgrad von 70 % erreicht. Man umgeht diese lange Unsinns-Kette u. setzt WindKraftAnlagen (WKA), ein.
    IV) Aus 1 kWhel Gleichstrom [DC], aus Wind Elektrolyse von Wasser, kommt heraus:
    a) 0,7 kWh als H2 für die H2- Zellen des Wasserstoffautos,
    b) verkaufbarer Sauerstoff (O2) für Kliniken u. zum autogen Schweißen.
    c) verkaufbare 30% Abwärme in Fernwärme – Pipelines oder für Prozeßwärme. Das senkt die Kosten für den H2 enorm! D.h. einfach Energien als Verluste in Beziehung zu setzen, die gar nicht verloren sind, sondern prima verkauft werden können, ist glatter Unsinn!
    V) Nicht verkaufen kann man natürlich die Energie, die nötig ist, um H2 in Stahlflaschen zu komprimieren auf 700 bar; dazu sind 13% nötig von der Energiemenge, die man in die Flasche pumpt; D.h.: 1 kWhel aus Wind ergibt 0,7 kWh in Form, von H2; nur von diesen 0,7 kWh sind 13 % nötig für die Kompression auf 700 bar (= 0,09 kWh);
    VI) Die Kosten für 100 km Fahren sind also bis hier, wieviel?
    a) Für 100 km sind am Rad ca. 15 kWh mec. nötig: aus 1 Wind- kWhel erhält man über E-Lyse –> H2-Zellen -Stack –> eMotor- Ausgang 0,27 kWhmec. Kurz: 1 Wind- kWh entspricht 0,27 kWh-mec am Rad. Für 15 kWh (100 km) = 15 / 0,27 = 55,5 kWhel aus Wind nötig Diese Kosten (Industriestrom 12 Cent/ kWh) = 6,66 € / 100 km.
    Abzüglich Einnahmen aus dem Verkauf von O2 und Wärme also noch weniger Kosten!
    VII) Aber: wenn irgendwann 20 Mio H2-Cars oder gar unsere 45 Mio Autos mit H2 fahren würden, wäre wohl nicht mehr der ganze anfallende O2 noch verkaufbar! Die Wärme jedoch sehr wohl!
    Conclusio: a) Der Li-Hype ist in Wahrheit schon ein toter Hund, denn das Lithium (Li) reicht bei den global 1 Mrd. Autos, wenn sie alle eCars wären (bei 12000 km/ Jahr), höchstens 30 Jahre incl. Recycling!
    b) Denn: In der Erdkruste sind laut IPCC (UN) nur ca. 12- 20 Mio t Li.
    c) H2 reicht unendlich lange (5 Mrd. Jahre, d.h., solange die Sonne brennt, also Thermik ist und also Wind herrscht, die billigste aller Stromerzeugungen!
    d) Die Volkswirtschaftler der Autokonzerne haben sich aber entschlossen, erst mal die nächsten 30 Jahre den Li-Batterieantrieb den Massen zu verkaufen, erst dann hydrogen powered cars, d.h. in 60 J. 2 x die Massen abzocken! (Eig. Berechnungen).
    18.2.2016, A.R.