Was­ser­stoff im Auto: Ver­bren­ner oder Brenn­stoff­zelle?

Brennstoffzelle, Mobilität, Wasserstoff
Wasserstoff-Brennstoffzelle ist effizeint, aber die Infrastruktur steckt in den Kinderschuhen. Foto: US Navy

E‑Mobilität ist nicht nur Bat­te­rie, E‑Mobilität ist auch Brenn­stoff­zelle. Für die braucht man Was­ser­stoff (Erdgas würde auch gehen, doch ist das nicht rege­ne­ra­tiv). In der Mobi­li­tät könnte man den Was­ser­stoff auch ver­bren­nen. Ver­su­che dazu gab es reich­lich.

Erste Über­le­gun­gen dazu sind bereits 200 Jahre alt. BMW war später Vor­rei­ter mit dem Hydro­gen 7, gab den Versuch jedoch auf, da die Dif­fu­si­ons­ver­luste im Tank zu hoch waren. Und wer ver­liert schon Geld durch Treib­stoff­flüch­tig­keit.

Wis­sen­schaft­ler aus Graz sind nun der Frage nach­ge­gan­gen, was denn effi­zi­en­ter sei — den Was­ser­stoff via Ver­bren­ner zu ver­bren­nen oder per Brenn­stoff­zelle in Strom und damit in Antriebs­en­er­gie umzu­wan­deln. Sie kamen zu fol­gen­den Schlüs­sen:

H2 für Ver­bren­nungs­mo­tor

Vor­teile

  • Viel­stoff­taug­lich, also auch Gemi­sche mit Erd- und Biogas
  • Biva­len­ter Betrieb möglich
  • Retro­fit möglich
  • Robust und Kos­ten­güns­tig
  • Fertigungs/Fahrzeugstruktur mit > 1 Mrd. Fahr­zeu­gen

Nach­teile

  • Limi­tier­ter Wir­kungs­grad
  • Nicht voll­stän­dig Schad­stoff­frei
  • Reich­weite mit H2 Spei­cher ein­ge­schränkt
  • Geräusch­emis­sion ent­spre­chend Benzin-VKM

H2 für Auto-Brennstoffzelle

Vor­teile

  • Hoher Wir­kungs­grad (nicht durch Car­not­pro­zess begrenzt)
  • Lokal Emis­si­ons­frei (Tank to Wheel)
  • Keine beweg­ten Teile, Lärmarm

Nach­teile

  • Kosten (zunächst) enorm hoch
  • Infra­struk­tur­ab­hän­gig­keit (H2 Ver­sor­gung) derzeit sehr hoch
  • Lebens­dauer ungewiß
  • H2 Erzeu­gung ent­schei­dend für Well to Wheel

Für die Ver­bren­nung spricht also die vor­han­dene Infra­struk­tur und die vor­han­dene Tech­no­lo­gie des Ver­bren­ners, da der Was­ser­stoff hier grund­sätz­lich im biva­len­tem Betrieb ver­braucht wird. Das ist sowohl für Diesel als auch für Benzin möglich. Der große Nach­teil ist der jedes Ver­bren­nungs­mo­tors – der geringe Wir­kungs­grad.

Für die Brenn­stoff­zelle ist es genau anders herum. Hier fehlt die Infra­struk­tur so gut wie kom­plett, auf der anderen Seite ist die Effi­zi­enz unschlag­bar gut für den Ver­kehrs­sek­tor.

Dabei wäre das Infra­struk­tur­pro­blem zu lösen, wenn die Brenn­stoff­zel­len statt Was­ser­stoff mit Erdgas betankt würden. Dafür exis­tie­ren allein in Deutsch­land gut 900 Tank­stel­len. Doch ist dies weder von der Indus­trie noch von der Politik gewollt, da auch im Ver­kehrs­sek­tor Emis­si­ons­frei­heit ange­strebt wird. Und der wäre mit Erdgas nicht zu haben. Es sei denn, man tankt reines Biogas.

Die Wis­sen­schaft­ler sehen noch weiter Pro­blem­fel­der, die Was­ser­stoff als Treib­stoff prägen:

  • Wesent­li­cher Einfluß der gesetz­li­chen Rah­men­be­din­gun­gen (CO2-Steuer, Emis­si­ons­ge­setze, Ver­kehrs­be­schrän­kun­gen) auf die Ent­wick­lung von Fahr­zeug­an­trie­ben (Benzin/Diesel/Gas, Plug-In Hybrid‑, Batterieelektrische- und Brenn­stoff­zel­len­an­triebe)
  • Viel­falt der Antriebs­kon­zepte wird steigen, keine Kon­ver­genz abseh­bar
  • Umwelt­bi­lanz (v.a. CO2 Poten­zial) von Was­ser­stoff­an­trie­ben extrem abhän­gig von dessen Bereit­stel­lung
  • Vor­teile der Brenn­stoff­zelle ent­spre­chen denen von E‑Antrieben, zusätz­li­che Vor­teile durch Reich­weite und Betan­kungs­zei­ten ver­gleich­bar Ver­bren­ner
  • Kosten Brenn­stoff­zelle für Mas­sen­markt derzeit nicht kon­kur­renz­fä­hig
  • Was­ser­stoff im Ver­bren­ner limi­tiert im Wir­kungs­grad, aber Vorteil der Viel­stoff­fä­hig­keit der VKM – diese könnte als Brü­cken­tech­no­lo­gie insbes. Erdgas-Wasserstoff Gemi­sche ver­ar­bei­ten, die in bestehen­der Erdgas-Infrastruktur gespei­chert, trans­por­tiert und ver­teilt werden könnten

Die hier vor­ge­stell­ten Ergeb­nisse fußen auf den Arbei­ten der Wis­sen­schaft­ler Helmut Eichlse­der, Claus Matzer, Martin Rexeis vom Insti­tut für Ver­bren­nungs­kraft­ma­schi­nen und Ther­mo­dy­na­mik, Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Graz; und Manfred Klell, Alex­an­der Tratt­ner, HyCentA Graz

Ein Vortrag zu dem Thema findet sich hier.


Der aktu­elle Refe­ren­ten­ent­wurf des EEG 2016, der auch die Zukunft von Biogas als mög­li­chen Mobilitäts-Kraftstoff beinhal­tet, findet sich hier bei Energieblogger-Kollegen Daniel Ban­nasch auf seinem Blog Metro­pol­so­lar.