Bach erklärt

14. März 2020 03:25; Akt: 13.03.2020 19:04 Print

Warum nicht nur der Wirkungsgrad wichtig ist

von Christian Bach - Insgesamt verbrauchen Wasserstofffahrzeuge rund drei Mal mehr Strom als Elektrofahrzeuge. Weshalb machen sie trotzdem Sinn?

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Wasserstoff-Mobilität ist nicht nur aus Wirkungsgradgründen sinnvoll. (Bild: Hersteller)

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Wasserstoff-Personenwagen verfügen über einen Elektroantrieb mit einer vergleichsweise kleinen Batterie. Damit sie trotzdem weit fahren können, haben sie einen 700 bar Druckgasspeicher an Bord, der typischerweise zwischen 4 und 6 kg Wasserstoff fasst, sowie ein 80 bis 120 kW-Brennstoffzellensystem, das aus dem Wasserstoff wiederum Strom für den Betrieb des Elektroantriebs erzeugt. Das klingt nach vergleichsweise viel Technik in einem Fahrzeug – und ja, das ist es auch.

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Mit einem Kilogramm Wasserstoff fährt ein mittlerer Brennstoffellen-Personenwagen rund 100 Kilometer weit, mit Wirkungsgraden von 40 bis 45 Prozent. Das bedeutet, dass es zum Fahren rund doppelt so viel Energie benötigt, wie ein Batterie-Elektrofahrzeug. Der Wasserstoff für die Mobilität wird aus Strom erzeugt. Dabei geht ein Teil der Energie verloren; je nach Grösse der Wasserstofferzeugungsanlage zwischen 30 und 40 Prozent.

Der Wasserstoff muss dann noch zu den Tankstellen transportiert, auf 900 bar verdichtet und vor dem Betanken auf -40°C runtergekühlt werden, womit weitere 10 bis 15 Prozent Energie verloren gehen. Auch diese Wasserstoffbereitstellung klingt nach viel Technik! Insgesamt verbrauchen Wasserstofffahrzeuge also rund 3 Mal mehr Strom als Elektrofahrzeuge. Weshalb machen sie trotzdem Sinn?

Der Wirkungsrad ist nicht alles

Beschränkt man sich bei der Bewertung von Fahrzeugantrieben auf den Wirkungsgrad des Fahrzeugs und/oder der Energiebereitstellung, wäre die Geschichte der Wasserstoffmobilität hier wohl zu Ende. Das ist aber zu kurz gedacht. In der erneuerbaren Energiewelt spielt der Wirkungsgrad nicht mehr die gleich wichtige Rolle, wie in der fossilen Welt. Mindestens gleich wichtig ist, zu welchem Zeitpunkt Energie bezogen wird. Heute muss man mit fossiler und nuklearer Energie (sowie mit der bereits vorhandenen erneuerbaren Energie) jederzeit so viel Energie bereitstellen, wie gerade bezogen wird.

In Zukunft wird sich das umkehren: in einem regenerativen Energiesystem müssen wir Energie dann beziehen, wenn sie - beispielsweise durch solare Einstrahlung oder Wind - erzeugt wird. Weil das nicht immer möglich ist, muss das Energiesystem flexibilisiert werden. Das kann durch intelligente Steuerungen, Pumpspeicherkraftwerke, Batterien oder durch Umwandlung in Wasserstoff geschehen. Alle diese Speicher- und Wandlertechnologien sind verlustbehaftet, ermöglichen aber, dass insgesamt mehr erneuerbare Energie in das Energiesystem eingespeist werden kann.

Detaillierte energetische Simulationen an der Empa und anderer Stellen zeigen, dass der starke Ausbau von Photovoltaik und Batterien für den Tag/Nacht-Ausgleich zu grossen Mengen an temporär überschüssiger Elektrizität führen wird. Wenn wir diese Überschüsse nicht nutzbar machen, besteht die Gefahr, dass sich der Zubau an Photovoltaikanlagen einbremst. Die einzig praktikable Lösung ist, diesen temporär überschüssigen Strom in Wasserstoff umzuwandeln und so als chemischer Energieträger ausserhalb des Stromsektors energetisch zu nutzen - beispielsweise in Wasserstofffahrzeugen.

Der Haken an der Sache

Der langen Rede kurzer Sinn: wir werden beim Umstieg auf ein erneuerbares Energiesystem nicht an Wasserstoff vorbeikommen. Deshalb macht die Nutzung von Wasserstoff auch Sinn. Dank der Wasserstofferzeugung kann überschüssige Elektrizität genutzt und muss nicht abgeregelt werden. Das erhöht insgesamt den Wirkungsgrad des Gesamtenergiesystems.

Die Sache hat, um ehrlich zu sein, allerdings auch einen Nachteil. Im Winterhalbjahr beispielsweise wird die Wasserstoff-Produktion zu steigenden Stromimporten führen, die dann wohl noch längere Zeit mindestens zum Teil auf fossilen Quellen basieren werden. Damit das verhindert werden kann, braucht es weitere Technologien, wie die saisonale Speicherung von erneuerbarer Energie oder der Transport von erneuerbarer Energie aus dem Sonnengürtel rund ums Mittelmeer oder aus Offshore-Windparks der Nordsee in die Schweiz. Das alles klingt nochmals nach viel Technik – ja, zweifellos; aber das Schöne daran ist: alle diese Technologien gibt es. Nun geht es darum, diese im grossen Stil und gut orchestriert einzusetzen, damit es die fossile Energie möglichst schnell nicht mehr braucht.

Christian Bach

leitet die Abteilung «Fahrzeugantriebssysteme» an der Empa. Sein Team entwickelt Antriebskonzepte der nächsten Generation und erforscht, wie diese mit erneuerbarer Energie betrieben werden können. Im Mobilitätdemonstrator «move» (move.empa.ch) auf dem Empa-Gelände in Dübendorf werden solche Konzepte umgesetzt.

Die Empa ist das Forschungsinstitut des ETH-Bereichs für Materialwissenschaften und Technologie. Eines ihrer wichtigsten Forschungsthemen ist der Umstieg von fossilen Energiequellen hin zu nachhaltig erzeugter Energie.

move.empa.ch

Die beliebtesten Leser-Kommentare

  • Werdender Kunde am 14.03.2020 05:06 Report Diesen Beitrag melden

    Der grosse Vorteil vom H2-Auto ist

    das viel leichtere Gewicht gegenüber dem Batteriestromer. Zudem ist das H2 Auto an der Ladesäule schnell vollgeladen und kann gleich weiterfahren, einfaches Handling wie auch vom Verbrenner her gewohnt.

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  • Reto am 14.03.2020 09:38 Report Diesen Beitrag melden

    Gewicht

    Ein Tesla Model 3 mit Allrad-Antrieb wiegt weniger als ein gleich grosser Toyota Mirai mit 1/3 Leistung und nur Heckantrieb. So viel zum Thema, H2 Autos wären leichter.

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  • Das ist die Zukunft am 14.03.2020 04:49 Report Diesen Beitrag melden

    Ich freue mich schon sehr auf den neuen

    Toyota Mirai 2020 mit Wasserstoffantrieb, der sieht einfach super aus, und eine Wasserstoff-Tankstelle haben wir in St.Gallen ja auch schon, gerade mal 8 Min. von mir zuhause weg. Es werden jetzt immer mehr solcher H2-Tankstellen kommen, weltweit, kann jeder hier im Netz nachlesen. Das übergewichtige, unhandliche und komplizierte Batterieauto mit all seinen Nachteilen wird sich schon bald verabschieden müssen.

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Die neusten Leser-Kommentare

  • Michelangelo am 16.03.2020 11:40 via via Mobile Report Diesen Beitrag melden

    Überflüssige Energie?

    Wir haben noch lange keine überflüssige Energie um diese mit einem schlechten Wirkungsgrad zu verpulfern! Die Umwandlung in H2 mag bei Solaranlagen in der Wüste sinn machen, bei uns jedoch nicht.

    • MaschIng am 16.03.2020 16:12 via via Mobile Report Diesen Beitrag melden

      @Michelangelo

      Natürlich gibt es jetzt schon in Europa Phasen, wo die erneuerbare Energieversorgung gedrosselt werden muss. Und die so verpasste Stromproduktion sinmvoll hätte nutzen können. Ein Mittelwert ist eben kaum je die ganze Wahrheit.

    • Philippe Kuster am 17.03.2020 10:03 Report Diesen Beitrag melden

      H2 als Chance für Energieverluste

      Genau, man nehme Photovoltaik im Sommer zur Mittagszeit. Diese Energie wird oft in Schienen abgeleitet weil der Strom nicht ins Netz eingespiesen werden kann. Dieser Strom würde sich für eine solche Produktion von speicherbarer Energie perfekt eigenen.

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  • Dietmar Geckeler am 16.03.2020 11:31 Report Diesen Beitrag melden

    H2 ja, aber dort, wo er gebraucht wird

    Dass wir Wasserstoff (H2) in bestimmten Regionen benötigen werden - völlig d´ accord. Nur die Frage ist: was sollten wir dann mit diesem H2 machen? Wäre es nicht sinnvoller, ihn in der Industrie oder Düngemittelherstellung einzusetzen? Wo er also "fossilen" Wasserstoff ersetzt? Zudem kann der zur saisonalen Speicherung gewonnene H2 dann über Kraft-Wärme-Kopplung mit hohen Wirkungsgraden (> 90 %) wieder in Strom und Wärme rückverwandelt werden. Und wenn man mit diesem Strom dan ein Elektroauto lädt, dann ist der Gesamtwirkungsgrad höher als bei Nutzung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug.

    • MaschIng am 16.03.2020 11:38 via via Mobile Report Diesen Beitrag melden

      @Dietmar Geckeler

      Genau dies ist ja die Idee: Nachhaltig produzierter Wasserstoff als Rohstoff, Energiespeicher, Brennstoff und Treibstoff.

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  • andi am 15.03.2020 11:27 via via Mobile Report Diesen Beitrag melden

    Jedes Ding an seinen Ort

    Wasserstofftechnologie als Energiespeicher ist sicherlich sinnvoll und gehört dringend weiterentwickelt. Um die Schwankungen der Stromerzeugung (Solar, Wind) auszugleichen bietet Wasserstoff vielversprechende Möglichkeiten. Wasserstoff für den Antrieb von Autos zu nutzen, bringt jedoch nur denen etwas, die in der Lieferkette mitverdienen. Solarstrom direkt in Antrieb umzuwandeln ist viel effizienter, einfacher und günstiger.

  • Zukunft wird sauber am 15.03.2020 04:57 Report Diesen Beitrag melden

    Ich könnte mir so ein H2 Auto durchaus

    vorstellen wenn dann mal die Tankstellen dafür vorhanden sind, in der Schweiz gibt es mittlerweile erst etwa 2, oder 3, in St.Gallen wird eine neue im April eröffnet, also schon bald.

    • Minimalist am 15.03.2020 10:57 Report Diesen Beitrag melden

      Hat nichts mit Dummheit zu tun!

      Es soll sich auch rentieren! So eine H2 Tankstelle kostet ja auch nicht grad wenig. Wenn sie so viel intelligenter sind, machen Sie doch einfach eine auf!

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  • Hermann Matthes am 15.03.2020 02:40 Report Diesen Beitrag melden

    Mal umdenken

    Warum geht es immer darum, möglichst schnell tanken/laden zu können? Ich fahre mit meinem PHEV jeden Morgen mit vollem Akku los. Eine Ladesäule hat der noch nie gesehen. Und eine Tankstelle alle 3500km. Was ist so toll an einer Tankstelle/Ladesäule? Kostet viel Geld und stiehlt mit die Zeit. Und selbst produzierten Strom kann ich damit auch nicht nutzen.

    • Schweizer Bünzli am 15.03.2020 10:36 via via Mobile Report Diesen Beitrag melden

      @Toger Peret

      Bitte lies genau, selbst produzierter PV-Strom...

    • reto am 15.03.2020 11:52 via via Mobile Report Diesen Beitrag melden

      @Toger Peret

      Vom Himmel, genauer von der Sonne. Die liefert 5000 mal soviel Energie als die gesamte Menschheit braucht. Wasserstoff macht denau dort Sinn wo Energiespeicher für die Schwankungen (Tag/Nacht) gebraucht werden. Sicher nicht im Auto.

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