11.10.2019
Auto-Kraftstoffe (5): H2 - hoffnungslos hintenan
„Keep it simple“ ist ein bewährter Grundsatz für Ingenieure und Techniker. Wenn also Power-to-X (PtX) – wie wir im letzten Kapitel Auto-Kraftstoffe (4) gesehen haben – aus verschiedenen Gründen keine Lösung für eine Verkehrswende ist, warum es dann nicht mit einem Kraftstoff versuchen, den spätestens jeder Mittelstufen-Schüler aus den Knallgas-Experimenten des Chemie-Unterrichts kennt: den Wasserstoff (H2). 1766 vom englischen Naturforscher Henry Cavendish entdeckt, kommt dieses leichteste und im Weltall häufigste aller Elemente auf der Erde nicht in elementarer Form, wohl aber in Verbindungen vor, deren häufigste Wasser ist. Wasser lässt sich u.a. mit erneuerbarem Strom (Elektrolyse) aufspalten und so Wasserstoff gewinnen, der sich bei Bedarf wiederum mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser verbrennen lässt. Die Elektrolyse ist prinzipiell zwar auch eine Power-to-Gas-Technik, wird aber meist nicht so bezeichnet, weil sie erheblich älter als der PtG-Begriff ist, und weil sie im Gegensatz zu anderen PtG-Techniken nicht auf eine weitere chemische Umwandlung des Wasserstoffs setzt.
Damit sind wir dann auch bei den Vor- und Nachteilen von Wasserstoff als Kraftstoff:
Wasserstoff-Vorteile
- 1. Wasserstoff ist kein Klimagas; sofern es bei seiner Freisetzung nicht zu Knallgas-Explosionen kommt, ist diese völlig unproblematisch, da das freigesetzte Gas in den Weltraum entschwindet.
- 2. Auch Umweltprobleme bei den „Abgasen“ sind nicht zu befürchten, da die H2-Autos nur Wasserdampf emittieren.
- 3. Die Wasserstoff-Technik (Elektrolyse, Speicherung) ist seit langem bekannt und bewährt.
- 4. Im Gegensatz zu den PtX-Technologien bedarf es zur Wasserstoffnutzung keiner weiteren chemischen Umwandlung, was natürlich energiesparend ist.
- 5. Wasserstoff lässt sich gut in Brennstoffzellen (BSZ) verwenden – das ist erheblich energieeffizienter als die konventionellen Verbrennungsmotoren; selbst bei BMW gehören die Wasserstoff-Verbrenner inzwischen längst der Vergangenheit an [1].
- 6. Wasserstoff lässt sich an speziellen Tankstellen schnell und einfach in die Spezialtanks von H2-Autos füllen; die Tankfüllung z.B. eines Hyundai Nexo reicht dabei für rund 540 km [2].
- 7. Derzeit gibt es mit dem Toyota Mirai und dem SUV Hyundai Nexo zwei erprobte Serien-PKW am Markt; ein H2-SUV von Mercedes, und nur zum leasen, soll folgen.
- 8. Volkswirtschaftlich ist von Vorteil, dass hier – ebenso wie bei Agrarkraftstoffen und PtX – das konventionelle Tankstellennetz erhalten bleibt; daher sind neben Gase-Spezialisten wie Linde und Elektrolyseur-Herstellern wie Siemens insbesondere klassische Mineralöl-Konzerne [3] an dieser Technik interessiert.
- 9. Ebenfalls volkswirtschaftlich von Bedeutung ist, dass die Kompetenz für H2-Brennstoffzellen-Fahrzeuge bei den alten Auto-“Großmächten“ Japan und Deutschland liegt, die ihren Zenit überschritten haben: in Japan sind es Toyota und Honda, dessen Honda Clarity Fuel Cell zwar seit Jahren im Heimatland und den USA auf dem Markt, in Deutschland aber nicht lieferbar ist. In Deutschland sind es vor allem BMW und Mercedes, die in Zusammenarbeit mit der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) und dem Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) entsprechende Technologien entwickelt haben [4].
Bei soviel Vorteilen sollte die H2/BSZ-Technologie eigentlich ein Selbstläufer für die Verkehrswende sein. Doch seit Jahrzehnten steht der Marktdurchbruch für diese Technologie kontinuierlich immer unmittelbar kurz bevor.
Wasserstoff-Nachteile
Die mangelnde Verbreitung der H2/BSZ-Autos liegt nicht etwa an fehlender öffentlicher Förderung, sondern an den erheblichen Nachteilen des Wasserstoff-Pfades:
- 1. Komplizierter Wasserstoff: H2, das kleinste und leichteste aller Elemente, ist ein kompliziertes Gas. Es diffundiert durch normale Tankhüllen und versprödet Metalle. Daher braucht es spezielle Tanks, in denen es entweder gasförmig unter hohem Druck (heute 700 bar) oder flüssig bei extrem niedrigen Temperaturen (-253°C) gespeichert wird, wobei letzteres nur mit einem großen technischen und energetischen Aufwand möglich ist. Speicherformen wie Metallhydride kommen wegen ihres Gewichts nur bei Schiffen (U-Booten) in Frage. LOHCs, flüssige organische Wasserstoffträger (engl.: liquid organic hydrogen carriers), befinden sich noch in der Erprobung; die Trägerstoffe sind z.T. selbst kompliziert und kommen wegen ihrer Großvolumigkeit allenfalls für größere Fahrzeuge in Betracht.
- 2. Welche Folgen zudem eine weltweite Wasserstoff-Wirtschaft, bei der größere Mengen H2 in den Weltraum entweichen („Schlupf“), langfristig für die Wasserressourcen der Erde hätte, ist noch gar nicht untersucht.
- 3. Hoher Wasserverbrauch: In jedem Fall sind bei einer Umstellung des weltweiten Energie- oder auch nur des Verkehrs-Systems große Mengen an Wasser zur H2-Herstellung notwendig. Diese sind weltweit längst nicht überall frei verfügbar, und werden angesichts der steigenden Weltbevölkerung und der zunehmenden Erderhitzung sogar noch knapper werden.
- 4. Geringer Wirkungsgrad: der Gesamt-Wirkungsgrad des Wasserstoff-Pfades beträgt gerade einmal 26%! Diese Well-to-Wheel-Betrachtung (z.B. von der Welle eines Windrades bis zum sich drehenden Fahrzeugrad) gilt nur für Brennstoffzellen-Fahrzeuge; bei H2-Verbrennungsmotor-Fahrzeugen halbiert er sich noch mal. Das mag gegenüber den PtX-Pfaden und dem konventionellen Fossil-Pfad immer noch viel sein; gegenüber einem Gesamt-Wirkungsgrad von rund 70% bei Elektro-Fahrzeugen ist das wenig. Der geringe Wirkungsgrad würde dazu führen, dass eine erheblich größere Anzahl an Erneuerbare-Energien-Erzeugungs-Einheiten (Solar, Wind, Wasser) aufgebaut werden müsste, als heute schon für das Ziel 100% Erneuerbare-Energien absehbar ist.
- 5. Teurer erneuerbarer Wasserstoff: Heute werden noch weltweit jährlich 50 Millionen Tonnen H2 kostengünstig mit nicht nachhaltiger „Dampfreformierung“ aus Erdgas erzeugt, um z.B. in Chemie- und Metall-Industrie eingesetzt zu werden. Gegenüber dem billigen „fossilen“ Wasserstoff ist der erneuerbare Wasserstoff relativ teuer, obgleich der Preis in Deutschland noch durch das Gemeinschaftsunternehmen H2 Mobility [5] bei € 9,50 pro Kilogramm (reicht für ca. 90 bis100 km) gedeckelt ist. Auch wenn es künftig gelingen sollte, die Effizienz der entsprechenden Schritte des H2-Pfades noch deutlich zu steigern, so wird das wegen des klimapolitisch notwendigen Ersatzes der großen Mengen fossilen Wasserstoffs kaum zu günstigeren Preisen führen. Dazu kommt noch die Nachfrage-Konkurrenz aus dem Wärmesektor.
- 6. Teure Tankstellen – dünnes Netz: Die Kosten für den Aufbau einer Wasserstoff-Tankstelle liegen bei rund 1 Million Euro. Soll der Wasserstoff mittels Stroms direkt an der Tankstelle aus Wasser erzeugt werden, ist ein Elektrolyseur notwendig, und die Kosten können leicht auf deutlich über 2 Millionen Euro steigen. Das ist einer der Gründe, warum es in Deutschland nur rund 80 entsprechende Tankstellen gibt.
- 7. Teure Autos – geringes Modellangebot: Nicht nur das kompliziert zu handhabende Element Wasserstoff macht die H2-Autos teuer, sondern auch deren zusätzliche Elektro-Installation. Denn H2-Autos sind E-Autos, die einen, wenngleich im Vergleich zu reinrassigen E-Autos kleinen Akku benötigen – schon um Rekuperieren zu können. Und so kostet ein Hyundai Nexo rund 69.000 €, ein Toyota Mirai sogar rund 79.000 €. Bei solchen Preisen ist das Modellangebot natürlich gering und wird es bleiben.
Fazit
Wasserstoff ist ein interessanter Speicher, wenn genügend überschüssiger Strom und Wasser vorhanden ist. Ansonsten sind die Umwandlungsverluste eine erhebliche Beeinträchtigung dieser Technologie. Jenseits des reinen Speichersegments mag die Technik einige Nischen im Verkehrssegment besetzen – z.B. im Schienenverkehr, wo die Strecken täglich gleich sind und der Wasserstoff direkt im Betriebsbahnhof erzeugt werden kann, oder beim künftig noch verbleibenden LKW-Fernschwerlastverkehr. Aber für eine Verkehrswende in der Fläche ist Wasserstoff ungeeignet: zu kompliziert, zu wenig effektiv, zu teuer. Zwar gibt es immer wieder Ansätze von interessierten Industrie- und Wirtschaftskreisen, diese Technologie doch noch durchzusetzen [6], die allumfassende Verkehrswende hin zum Wasserstoff wird es nicht geben.
Wer es nicht glauben will, vergleiche einmal ein Tesla Model 3 mit einem Toyota Mirai [7], und erkläre dann, warum man 20.000 € mehr für den H2-Toyota ausgeben soll. Und von den volkswirtschaftlichen Kosten her hat die Elektromobilität auch längst „die Nase vorn“ [8].
Götz Warnke
Links
[1] de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffverbrennungsmotor, de.wikipedia.org/wiki/BMW_Hydrogen_7
[2 ]www.adac.de/der-adac/motorwelt/reportagen-berichte/auto-innovation/fahrbericht-hyundai-nexo/
[3] www.shell.de/medien/shell-publikationen/shell-hydrogen-study/_jcr_content/par/toptasks_e705.stream/1497968981764/1086fe80e1b5960848a92310091498ed5c3d8424/shell-wasserstoff-studie-2017.pdf
[4] www.now-gmbh.de/de , https://www.ptj.de/nip
[5] https://h2.live/
[6] reneweconomy.com.au/massive-5000mw-solar-and-wind-projects-set-to-fuel-was-hydrogen-expansion-91993/
[7] www.adac.de/der-adac/motorwelt/reportagen-berichte/auto-innovation/tesla-model-3/ , www.adac.de/der-adac/motorwelt/reportagen-berichte/auto-innovation/brennstoffzellenauto-toyota-mirai/
[8] www.umweltbundesamt.de/themen/elektromobilitaet-schlaegt-wasserstoff-bei
Die komplette Serie
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Fossil Fuels for fossil Brains (2): Gesellschaft, Moden und der SUV
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