Brennstoffzelle und Batterie im Vergleich

Die Elektromobilität ist auf dem Vormarsch. Dahingehend sind sich alle einig. Nur bei der Frage, welche Technologie sich bei der Elektrifizierung und der geeigneten Stromspeicherung durchsetzen wird herrscht noch Uneinigkeit. Für Automobilhersteller wie Tesla liegt die Zukunft klar bei Batterien als Energiespeicher. Insbesondere deutsche Automobilhersteller sehen langfristig jedoch die Brennstoffzelle als grossen Hoffnungsträger für die Elektrifizierung ihrer Fahrzeugflotte. Vermutlich gibt es zurzeit keine korrekte Antwort auf diese Frage. Vielmehr werden sich in Zukunft wohl beide Konzepte weiterentwickeln und nebeneinander existieren. In diesem Beitrag möchten wir lediglich einen genaueren Blick auf die Vor und- Nachteile beider Konzepte werfen und lassen Themen wie Ökobilanz und CO2 Ausstoss aussen vor.

Die Brennstoffzelle ist nur in der Theorie sehr effizient

Das Konzept eines Fahrzeugs mit Brennstoffzelle scheint auf den ersten Blick sehr interessant zu sein. Für den Antrieb des Elektromotors braucht es keine grossen und schweren Batterien als Energiespeicher, denn dank der Brennstoffzelle wird der nötige Strom durch die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff direkt im Auto hergestellt. Aus dem Auspuff entweicht lediglich Wasserdampf. In der Theorie kann eine Brennstoffzelle eine Effizienz von bis zu 83 Prozent erreichen. Leider konnte dieser theoretische Wert in der Praxis bisher noch nicht erreicht werden. Mit einem ersten Vergleich zwischen einem Honda Clarity und einem Tesla Model S soll dieser Umstand verdeutlicht werden.

Honda Clarity Fuel Cell, © Honda

Gemäss Honda fährt der Clarity mit den fünf Kilogramm gebunkerten Wasserstoff gemäss EPA 585 Kilometer weit. Ein Tesla Model S 100D schafft mit der verbauten 100 kWh Batterie gemäss EPA 539 Kilometer. Wie viel Energie benötigen die Fahrzeuge jedoch effektiv im direkten Vergleich? Ein Kilogramm Wasserstoff hat 40 kWh Energie – oder 142 KJ. Die Energiemenge des im Tank mit einem Druck von 700 bar gespeicherten Wasserstoffs beträgt demnach 200 kWh. Für die gleiche Strecke verbraucht der Honda also doppelt so viel Energie wie ein Model S. Grund dafür ist, dass die Brennstoffzelle ihre Effizienz nur bei sehr niedrigen Leistungen ausspielen kann. Mit steigender Leistung werden auch die damit verbundenen Verluste grösser. In der Realität liegt die Effizienz einer Brennstoffzelle im Fahrzeugbetrieb bei rund 50%.

Neben dem Effizienzverlust im Fahrzeugbereich, kommt noch ein weiterer Verlust beim Tanken dazu. Um den Wasserstoff mit dem nötigen Druck von 700 bar in die Tanks zu füllen, werden etwa 15 Prozent des Energiegehalts vom Wasserstoff nötig. Beim Honda Clarity sind das etwa 30 kWh Energie die für eine Betankung nötig sind.

Auch bei der Herstellung vom Wasserstoff wird Energie benötigt. Zwar fällt in der Industrie Wasserstoff als Nebenprodukt an, doch muss Wasserstoff vorwiegend per Elektrolyse hergestellt werden. Die bisweilen besten Elektrolysezellen haben eine Effizienz von 70 Prozent. Für die fünf Kilogramm Wasserstoff des Honda Clarity werden für die Herstellung und die Kompression zur Lagerung im Tank insgesamt 300 kWh Energie benötigt. Effektiv kommen davon aber nur etwa 100 kWh an den Rädern an. Findet die Wasserstoffherstellung darüber hinaus nicht direkt an der Tankstelle statt, ist weitere Energie für den Transport des Wasserstoffes nötig. So gesehen wird von der für den Vortrieb notwendigen Energie nur rund ein Drittel effektiv in Bewegung umgesetzt.

Die aktuell verfügbaren Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind noch sehr teuer. Für eine Brennstoffzelle werden seltene Erden benötigt und die aktuelle Generation erfordert beispielsweise 40 Gramm Platin. Für 40 Gramm dieses teuren Edelmetalls sind auf dem Weltmarkt aktuell etwa CHF 1200.- zu zahlen. Daneben kommen weitere teure Komponenten sowie eine geringe Stückzahl der Fahrzeuge hinzu, die den Preis für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug in die Höhe treiben. Mit steigender Anzahl und sinkenden Produktionskosten werden die Fahrzeuge in Zukunft sicherlich erschwinglicher werden.

Mit Brennstoffzellen müssen Kunden ihr mentales Modell nicht ändern

Neben dem effektiven Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle und dem hohen Preis für die Fahrzeuge gibt es noch eine weitere Komponente die beachtet werden sollte. Die für die Betankung notwendigen Wasserstofftankstellen sind noch wenig verbreitet. In Deutschland existieren etwa 70 Wasserstofftankstellen, und die Schweiz verfügt gerade einmal  über eine einzige öffentliche Tankstelle. Brennstoffzellen-Fahrzeuge können sich aber erst mit einer steigenden Anzahl von Tankstellen im Markt etablieren. Und genau bei diesen Tankstellen liegen auch der Erfolgsfaktor sowie der eigentliche USP. Besitzer von Brennstoffzellen-Fahrzeuge müssen nämlich ihr mentales Modell nicht ändern. Wie bei einem Verbrennungsfahrzeug wird der leere Tank an einer Tankstelle in kurzer Zeit wieder aufgefüllt, und die Reise kann nahtlos und ohne grosse Pausen fortgeführt werden. Fahrstrecken müssen nicht im Voraus geplant und Ladestopps nicht wie bei batteriebetriebenen  Elektrofahrzeuge extra in Kauf genommen werden.

Gewicht und Ladedauer sind die grösste Probleme der Batterien

In diesem direkten Vergleich sind die noch notwendigen längeren Ladepausen ein Nachteil bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen. Die Entwicklung zeigt im Bereich der Batterien und des Ladevorgangs jedoch bedeutende Fortschritte. Vor Kurzem wurden Ladesäulen mit einer Leistung von 400 Kilowatt und mehr vorgestellt, und die neusten Batteriekonzepte sollen ein Aufladen in nur 10 Minuten ermöglichen. Bis es jedoch so weit ist, müssen batteriebetriebene Elektrofahrzeuge nach rund 200 bis 500 Kilometer für mindestens 30 bis 60 Minuten an die Steckdose einer Schnellladesäule.

Tesla Batterie, © Tesla

Ein weiteres Problem der Batterien ist ihr hohes Gewicht und das nötige Volumen. Auch hier hat die Entwicklung bereits grosse Fortschritte gezeigt. Beispielsweise ist es Renault gelungen, die Energiemenge pro Kilogramm deutlich zu erhöhen. Beim Renault Zoe konnte die Batteriekapazität von 22 auf 41 kWh fast verdoppelt werden – und das bei gleichen Abmessungen der Batterie. Um bei unserem Vergleichsbeispiel zwischen Honda und Tesla zu bleiben unterscheidet sich das Leergewicht der beiden Fahrzeuge bei ähnlichen Abmessungen um 325 Kilogramm.

Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge mit höchstem Wirkungsgrad

Bei der Energieeffizienz kann das batteriebetriebene Elektroauto vollends überzeugen. Der Wirkungsgrad liegt bei rund 85 Prozent. Diese setzen sich aus dem Verlust durch das Thermomanagement, der Energieverbrauch von Nebenaggregaten sowie des Energieverlusts vom Elektromotor selbst zusammen. Neben dem Verlust von 15 Prozent beim Antrieb treten auch Ladeverluste auf. Je nach Stromstärke der Ladesäule und den äusseren Umständen wie Aussen- oder Batterietemperatur muss mit einem weiteren Verlust von 5 bis 20 Prozent gerechnet werden. Am Ende fliessen von der für den Vortrieb nötigen Energie etwa rund 75% effektiv an die Räder.

Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge waren vor allem in der Vergangenheit sehr teuer. Mittlerweile sind die Preise für die Batterie drastisch gesunken. In den letzten sieben Jahren hat sich der Preis pro Kilowattstunde um 80% reduziert. Dieser Preiszerfall wird sich in den nächsten Jahren noch fortsetzen. Gemäss Tesla liegt die Zielgrösse bei einem Preis von unter 100 US Dollar pro Kilowattstunde. Erreicht soll dieses Ziel durch eine Massenproduktion der Batterieeinheiten in grossen Fabriken wie die Tesla Gigafactory. Der Automobilmarkt rechnet damit, dass der Aufpreis für ein batteriebetriebenes Fahrzeug im Vergleich zum selben Fahrzeug mit Verbrennungsmotor in einigen Jahren egalisiert sein wird.

Zum Abschluss wird noch ein Blick auf die Lademöglichkeiten geworfen. In Deutschland gibt es aktuell gut 8000 Ladestationen mit insgesamt 23’000 Ladeanschlüssen. Im Vergleich dazu sind in Deutschland rund 14’100 konventionelle Tankstellen vorhanden. In der Schweiz werden aktuell knapp über 2’500 Ladestationen mit 7’000 Anschlüssen gezählt. Demgegenüber stehen in der Schweiz rund 3’600 konventionelle Tankstellen gegenüber. Nicht zu vergessen sind die unzähligen Haushaltssteckdosen, die immerhin ein Aufladen ermöglichen – wenn auch sehr langsam. Die Politik, private Anbieter aber auch die Automobilhersteller sind konsequent an der Erweiterung der Ladeinfrastruktur.

In einem späteren Beitrag werden wir uns der Ökobilanz sowie den Schadstoffen bei Produktion und im Betrieb widmen.

 

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