Aktualisiert 13.03.2020 18:04

Bach erklärt

Warum nicht nur der Wirkungsgrad wichtig ist

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

von
Christian Bach
Wasserstoff-Mobilität ist nicht nur aus Wirkungsgradgründen sinnvoll.

Wasserstoff-Mobilität ist nicht nur aus Wirkungsgradgründen sinnvoll.

Hersteller

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.

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

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