In diesem Artikel möchte ich auf die Thematik der Wasserstoff-Brennstoffzelle im direkten Vergleich mit dem reinen batteriebetriebenen Elektroauto eingehen. In den letzten Jahren habe ich oft Gespräche mit Menschen geführt, die die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie für die bessere halten und den batteriebetriebenen Elektroautos vorziehen. Nach detaillierter Einarbeitung in das Thema, habe ich ein paar erstaunliche Fakten entdeckt, die ich euch hier wiedergeben möchte.
Bevor ich die beiden Technologien miteinander vergleiche und grob auf die Funktionsweisen eingehe, möchte ich einen weit verbreiteten Irrglauben ansprechen. Immer wieder liest man in den sozialen Medien, unter Youtube Videos und in Foren Kommentare, in denen Elektroautos als Mist bezeichnet werden und stattdessen Parolen wie „die Zukunft liegt in der Brennstoffzelle“ gerufen werden.
Das kann ja sogar richtig sein. Man wird sehen, was die Zukunft so bringt. Jedoch haben diejenigen scheinbar eine Sache nicht so ganz durchschaut:
Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind auch Elektroautos!
Scheinbar kursiert hier ein Irrglaube, was den Antrieb mit einem Wasserstoffauto angeht. Eventuell lässt man sich hier von der Art der Betankung irritieren, die im Kopf der Allgemeinheit dem gewohnten Verhalten an einer Benzin-Tankstelle ähnelt. Daher gehen scheinbar viele Menschen davon aus, ein Brennstoffzellenfahrzeug funktioniere ähnlich wie ein Verbrennungsmotor.
Das ist jedoch weit gefehlt, denn auch bei einem wasserstoffbetriebenen Auto erfolgt der eigentliche Antrieb über einen Elektromotor und nicht, wie evtl. angenommen, über einen Verbrennungsmotor. Die zur Fortbewegung notwendige Energie wird lediglich auf eine andere Art gespeichert. Im weiteren Verlauf des Artikels möchte ich nun auf die Unterschiede der beiden Technologien eingehen.
Wie funktioniert ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle?
In einem Brennstoffzellenfahrzeug befinden sich meist unter oder hinter der Rückbank 2 Druckbehälter mit jeweils etwa 2,5 kg Fassungsvermögen. In diesen Druckbehältern wird der Wasserstoff mit einem Druck von etwa 700 Bar gelagert. Das Leergewicht einer dieser Behälter liegt bei 100 kg. Der Wasserstoff wird nun bei der Fahrt in die Brennstoffzelle geführt.
Die Brennstoffzelle hat mehrere Lagen/Stacks mit Membranen in denen Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert. Dabei entsteht Energie. Die Brennstoffzelle hat an sich zu wenig Leistung um ein Auto mit genügend Energie zu versorgen. Auch das hoch- und runterfahren der Zelle beim Betätigen des Fahrpedals würde viel zu lange dauern. Deshalb wird die gewonnene Energie in einem Akku zwischengespeichert. Beim Toyota Mirai sind das z.B. NiMh Zellen aus den konventionellen Hybrid Fahrzeugen. Neuere Brennstoffzellen Fahrzeuge verwenden jedoch modernere Lithium Ionen Batterien, die auch in reinen Batteriefahrzeugen zum Einsatz kommen.
Die Brennstoffzelle läuft vorzugsweise in einem festen Leistungsbereich, da das hoch und runterfahren der Brennstoffzelle nicht so schnell funktioniert. Das heißt sie liefert konstant Energie an eine Batterie, aus welcher dann wiederum die Energie zum fahren bezogen wird. Die Energie kann dann wie bei einem reinen Elektroauto an einen oder mehrere Elektromotoren geliefert werden.
Das betanken der Druckbehälter im Fahrzeug erfolgt an einer Wasserstofftankstelle. Davon gibt es aktuell (Stand: 10.09.2019) 75 Stück in Deutschland. Mehrere davon waren dieses Jahr bereits aus Sicherheitsgründen geschlossen, da eine Wasserstofftankstelle in Norwegen explodiert ist. Bis 2025 sollen es 400 Wasserstofftankstellen werden.
Zum Vergleich: Wir haben aktuell ca. 14.450 herkömmliche Tankstellen – Tendenz fallend – und etwa 17.400 öffentliche Ladesäulen für reine Batteriefahrzeuge – Tendenz stark steigend.
Der Tankvorgang eines Fahrzeugs mit Brennstoffzelle dauert etwa 5 bis 15 Minuten. Die Tankstelle muss nach jedem Tankvorgang wieder Druck aufbauen. Sobald mehrere Fahrzeuge unmittelbar nacheinander Tanken, kann der Tankvorgang auch mal schnell länger als 30 Minuten dauern.
Wie funktioniert ein reines Elektrofahrzeug?
Die Funktionsweise eines reinen Elektroautos ist relativ schnell und einfach erklärt. Das Auto kann an jeder herkömmlichen Steckdose, Starkstromsteckdose, Ladesäule oder Schnellladesäule geladen werden. Die Energie wird direkt in einem Akku gespeichert. Die Energie, welche zum fahren benötigt wird, bezieht das Fahrzeug dann direkt aus dem Akku.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle?
Die Herstellung von Wasserstoff ist sehr energieintensiv. Das heißt, für 1 kg Wasserstoff muss man ungefähr 55 kWh Energie aufwenden – dann ist der Wasserstoff aber noch nicht in der Tankstelle, sondern muss erst transportiert werden.
Bei der Umwandlung über die Brennstoffzelle im Auto sind dann von den 55kWh nur noch etwa 25 – 30 kWh übrig. Ein Mittelklasse Brennstoffzellen Fahrzeug benötigt etwa 1 bis 1,2 kg Wasserstoff pro 100 Kilometer. Der Stromverbrauch liegt somit eigentlich bei knapp 60 kWh pro 100 Kilometer. Zudem wird Wasserstoff aktuell hauptsächlich aus Erdgas gewonnen unter der Abspaltung von Co2.
Energieverbrauch von Wasserstoffautos und Batterie-Elektroautos im Vergleich
Das reine Elektroauto bezieht seine Energie quasi aus der Steckdose. Natürlich kommt da auch nur der Strommix raus, welcher aktuell im Netz ist. Das kann mal besser sein (hoher Anteil an erneuerbaren Energien) oder auch mal schlechter (Kohlekraftwerk). Aktuell liegen wir im Mittel bei etwa 35% Strom aus erneuerbaren Energien. Dieses Problem haben wir aber auch bei der Herstellung von Wasserstoff (überschüssigen Ökostrom haben wir nicht).
Beim Laden der Batterie hat man sogenannte Ladeverluste z. B. über Konverter im Auto die Wechselstrom in Gleichstrom für die Batterie umwandeln müssen. D.h. auch hier liegt der eigentliche Verbrauch pro 100 Kilometer etwas höher. Der Ladeverlust liegt in der Regel bei um die 5 bis 10%. Aktuelle Mittelklasse Elektrofahrzeuge verbrauchen zwischen 15 und 20 kWh auf 100 Kilometer. Dazu kommen nun die 5 bis 10% Ladeverlust. Also kommen pro 100 Kilometer nochmal 1 bis 2kWh on top. Wie wir sehen ist der Energieverbrauch um einiges geringer als bei der Brennstoffzelle.
Somit ergibt sich ein Stromverbrauch beim Fahrzeug mit Brennstoffzelle von knapp 60 kWh pro 100 km, während das reine Elektrofahrzeug lediglich 20 kWh benötigt.
Wasserstoffautos und Batterie-Elektroautos im Kostenvergleich
Um dies zu vereinfachen nehmen wir die Kosten pro 100 km (Energieverbrauch).
Das Brennstoffzellen-Fahrzeug benötigt etwa 1 bis 1,2 kg Wasserstoff pro 100 km. Der Preis pro 1 kg Wasserstoff liegt Bundesweit bei 9,50€. Pro 100 Kilometer können wir somit mit rund 10 Euro rechnen. Das reine Batteriefahrzeug benötigt etwa 20 kWh auf 100 km. Der Preis pro kWh liegt im bundesweiten Schnitt bei 0,25€. Somit liegt der Preis pro 100 Kilometer bei rund 5 Euro.
Ressourcenvergleich: Brennstoffzelle und Akku
Da sich in beiden Fahrzeugen Batterien befinden kommen in beiden Fahrzeugen Lithium und Kobalt zum Einsatz. Diese beiden Materialien zählen nicht zu den seltenen Erden. Des Weiteren wird der Kobaltanteil in den Batterien vermutlich schon bald Richtung 0 gehen.
In der Brennstoffzelle befindet sich jedoch Platin, welches zu den seltenen Erden zählt.
Wie lange dauert der Tankvorgang eines Fahrzeugs mit Brennstoffzelle?
Der Vorgang um ein Wasserstoffauto zu tanken, ist ähnlich dem eines herkömmlichen Fahrzeugs. Der Tankvorgang kann allerdings etwa 5 bis 15 Minuten dauern. Die Tankstelle muss nach jedem Tankvorgang wieder Druck aufbauen. Sobald mehrere Fahrzeuge unmittelbar nacheinander Tanken, kann der Tankvorgang auch mal schnell länger als 30 Minuten dauern.
Wie lange dauert das Laden eines Elektroautos?
Das Laden eines Elektrofahrzeugs wird meist daheim über Nacht, beim Einkaufen oder beim Arbeitgeber stattfinden. Wenn das Fahrzeug also nicht gebraucht wird, wird geladen. Das Laden unterwegs dauert zur Zeit etwa 30 Minuten bis zu einer Stunde. Meist wird das Elektroauto unterwegs nur immer zu 80% beladen, da danach der Ladestrom heruntergefahren wird. Die besten Elektrofahrzeuge laden aktuell von 20 auf 80% in rund 20 Minuten.
Wie hoch ist die Reichweite eines Fahrzeugs mit Brennstoffzelle?
Da das Brennstoffzellen Fahrzeug meist mit einem 5 kg Tank ausgestattet ist, liegt die Reichweite bei etwa 400 bis 500 Kilometern.
Wie hoch ist die Reichweite eines Elektroautos?
Da es so viele Elektrofahrzeuge gibt, hängt die Reichweite stark von der eingesetzten Batterie ab. Wie wir wissen kann man mit einem Verbrauch von ungefähr 20 kWh auf 100 km rechnen.
Bei einer 60 kWh Batterie kommt man somit realistische 300 Kilometer weit. Bei einer 100kWh Batterie liegt die realistische Reichweite somit bei 500 Kilometern. Moderne Elektrofahrzeuge erreichen auch gut nur 15 kWh auf 100 Kilometern.
Wie viel kostet eine Wasserstofftankstelle?
Die Kosten einer Wasserstofftankstelle liegen bei etwa 1 Millionen Euro. Damit kann dann EIN Anschluss betrieben werden.
Wie viel kostet eine Elektroauto Ladestation?
Die Kosten einer Tesla Supercharger Stationen für reine Elektroautos mit z.B. 8 Anschlüssen liegen bei etwa 100.000 Euro.
Beim Tesla Supercharger können so pro Stunde bei einer mittleren Ladezeit von 30 Minuten 16 Autos laden. An einer Wasserstofftankstelle können in der gleichen Zeit nur etwa 4 Autos tanken.
Muss ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle gewartet werden?
Die Brennstoffzelle benötigt eine regelmäßige Wartung. Auch hat z.B. der Toyota Mirai Wasserstoffsensoren an Board. Wasserstoff ist das leichteste Gas und verflüchtigt (diffundiert) sehr schnell. Um die Sicherheit der Insassen zu bewahren, nutzt Toyota diese Wasserstoffsensoren um den Fahrer im schlimmsten Fall vorher Warnen zu können. D.h. der Tank leert sich im Stand von selber.
Auch müssen die Membranen in der Brennstoffzelle mal getauscht werden und man benötigt Druckprüfungen für die Tanks.
Im reinen Batteriefahrzeug ist eine Wartung des gesamten Antriebsstrangs nicht notwendig.
Im Video: Die Effizienz von Wasserstoffbetriebenen Elektroautos gegenüber Batteriebetriebenen Elektroautos
Hier im Video wird die Effizienz von Wasserstoff- und Batteriebetriebenen Elektroautos nochmals genauer erklärt und anhand von einfachen Rechenbeispielen aufgezeigt. Einige Aussagen aus unserem Artikel werden in diesem Video unterstrichen.
Ergänzend zu unserem Artikel wird im Video noch festgehalten, dass Wasserstoff dennoch die Zukunft sein könnte. Dies wäre sinnvoll wenn die gesamte Energiegewinnung regenerativ erfolgt und zudem noch überschüssige Energie vorhanden ist. Dann könnte man Wasserstoff trotz der hohen Verluste als Zwischenspeicher nutzen.
FAQs: Wasserstoff vs. Batterie
Welche Nachteile hat Wasserstoff als Energieträger?
Wasserstoff trägt im Gegensatz zu anderen Energieträgern den Nachteil, dass das Verfahren für die Wasserstoffproduktion mit hohen Produktionskosten verbunden ist und die Effizienz geringer als beispielsweise bei Lithium-Ionen-Batterien ist. Elektroauto: Wasserstoff vs. Batterie – Welcher Antrieb ist besser?
Ist eine Brennstoffzelle eine Batterie?
Der Elektromotor bei Wasserstoffautos wird wird ähnlich wie bei Batteriebetriebenen E-Autos mit Energie versorgt, jedoch kommt diese Energie nicht aus einer Batterie, sondern aus einer Brennstoffzelle. Elektroauto: Wasserstoff vs. Batterie – Welcher Antrieb ist besser?
Was ist der Unterschied zu einer Brennstoffzelle und einer Batterie?
Bei Batterien wird der Strom direkt gespeichert. Wasserstoff dagegen wird durch Strom erzeugt, und anschließend getankt werden. Dadurch kann er durch Brennstoffzellen und vorhandenem Sauerstoff in der Luft Strom erzeugen. Elektroauto: Wasserstoff vs. Batterie – Welcher Antrieb ist besser?
wasserstoff oder Elektro: Unser Fazit
Die Brennstoffzelle ist eine schöne interessante Spielerei, ist aber dem reinen Batteriefahrzeug in allen wichtigen Punkten, wie Kosten, Effizienz, Wartung und Ressourcen unterlegen.
Selbst im Schwerlastverkehr, in welchem der Brennstoffzelle noch eine große Zukunft vorausgesagt wird, wird sich diese auf Grund der deutlich höheren Kosten pro Kilometer vermutlich eher nicht durchsetzen.
Selbst wenn wir in 10 Jahren überschüssigen Ökostrom hätten, wäre es eine Energieverschwendung damit Wasserstoff herzustellen, da man Wasserstoff, wie bereits geschildert, nicht so einfach speichern kann.
Historisch betrachtet hat sich jedoch schon des Öfteren die schlechtere Technologie durchgesetzt, daher sollte man eher vorsichtig sein, wenn man sich auf Wetten einlässt. Dies gilt natürlich sowohl für Wasserstoff, als auch für batteriebetriebene E-Autos.
Anmerkung: es gibt auch die Möglichkeit eines Wasserstoffverbrennungsmotors !! sehr schlecht – aber möglich