Batterie oder Brennstoffzelle?

Das nach wie vor grosse Problem des Elektroautos ist die Speicherung der elektrischen Energie zum Antrieb des Motors. Weil die heute üblichen Lithium-Ionen-Batterien noch immer schwer, teuer und in Bezug auf Rohstoffe und Produktion keinesfalls bedenkenlos sind, ziehen immer mehr Autohersteller auch den Brennstoffzellenantrieb in Betracht. In Kombination mit einer kleinen Speicherbatterie können damit attraktive Antriebskonzepte entwickelt werden. Schon 1966 zeigte GM einen ersten Elektro-Leichttransporter, der mit einem vom Apollo-Raumfahrtprogramm abgeleiteten Brennstoffzellen-Stack betrieben wurde. Heute vereint etwa Mercedes im Plug-in-Hybrid GLC F-Cell ­eine Brennstoffzelle mit einem Lithium-Ionen-Akku und erzielt damit eine Systemleistung von 155 kW. Mit 4.4 Kilogramm Wasserstoff (H₂) an Bord schafft das Fahrzeug eine Reichweite von bis zu 430 Kilometern. Dazu kommen 51 Kilometer aus der 13.8 kWh grossen Batterie. Im Hyundai Nexo leisten Batterie und Brennstoffzelle zusammen 135 kW. Das Wasserstofftankvolumen von 157 Litern erlaubt eine Reichweite von 800 Kilometern. Und schliesslich ist da auch noch die H₂-Initiative von Hyundai und dem Schweizer Unternehmen H2 Energy, nach der hierzulande bis ins Jahr 2025 1600 Lastwagen mit Brennstoffzellenantrieb unterwegs sein sollen.

Durchbruch im Lastwagen?
Aufgrund der höheren Energiedichte des Brennstoffzellenantriebs steigt also vor allem in der Nutzfahrzeugindustrie das Interesse, solche Systeme zur Serienreife zu bringen. Die Brennstoffzelle dürfte sich dort schon aus Gründen der Reichweite und Nutzlast aufdrängen. Allerdings stellen die hohen Anforderungen an Lebensdauer und Zuverlässigkeit eine weitere Herausforderung dar.

Kürzlich sorgte eine Studie des Fraunhofer-Instituts für solare Energiesysteme für Aufregung. Danach sind Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV) schon ab einer Reichweite von 250 Kilometern klimafreundlicher als Battery Electric Vehicles (BEV). Zu diesem Resultat kamen die Forscher nach dem Vergleich der Emissionen bei Herstellung, Betrieb und Entsorgung von FCEV und BEV. Ausschlaggebend ist in erster Linie die Grösse der Batterie. Die Antwort auf die Gretchenfrage wird also vorab von Faktoren wie Alltagstauglichkeit, Kosten und Nachhaltigkeit bestimmt. Zwar scheint die Lage klar: Im Vordergrund stehen aktuell die BEV. Dafür werden mit riesigen Summen und grossem Aufwand neue Modelle lanciert, Schnellladesta­tionen aufgebaut und Wohnhäuser mit Lademöglichkeiten in der Tiefgarage ausgestattet. Die doppelte Umwandlung im FCEV – Strom zu Wasserstoff und Wasserstoff wieder zu Strom – senkt natürlich die Effizienz. Wer also mit dem Strom direkt die Batterie seines Elektroautos lädt, fährt effizienter. Aber obwohl Wasserstoffautos noch extrem teuer sind und Wasserstoff mehr kostet als Strom, könnte sich bei genauerer Betrachtung bald ein anderes Bild zeigen.

Denn grundsätzlich gilt: Je sauberer die Energiequelle, desto besser die Umweltbilanz. Wird der Strom aus Sonne, Wind und Wasser produziert, sind FCEV attraktiver, da die Herstellung weniger Ressourcen verbraucht als bei BEV. Zudem droht mit steigernder BEV-Immatrikulationszahl die Gefahr der lokalen Netzüberlastung. Bidirektionales Laden und intelligentes Lastmanagement könnten helfen. Nur muss erst noch geklärt werden, welche rechtlichen und technischen Konsequenzen das regelmässige Auf- und Entladen der Batterie hat.

Woher kommt der Wasserstoff?
Allerdings sind auch bei der Wasserstoffalternative noch grössere Probleme zu bewältigen. Bei der Well-to-wheel-Betrachtung («Vom Bohrloch bis zum Rad») ist die Energiequelle für Strom und Wasserstoff entscheidend. Wie Strom ist auch Wasserstoff nur dann sauber, wenn er vollständig aus Wind-, Sonnen- und Wasserenergie erzeugt wurde. Sollen dereinst FCEV nachhaltig unterwegs sein, muss vorher die nachhaltige Wasserstoffherstellung in grossem Rahmen sichergestellt werden. 

Da Wasserstoff praktisch unbegrenzt vorhanden ist – allerdings nicht in reiner Form –, muss er möglichst sauber hergestellt werden. Heute erfolgt das meist durch Dampfreformierung. Vielversprechender ist die Elektrolyse mit Überschussstrom aus Wind- und Wasserkraft sowie Solarenergie. Da Wasserstoff zwar einen hohen gewichtsbezogenen, jedoch einen kleinen volumetrischen Heizwert aufweist, stellen Speicherung und Transport eine gros­se technische Herausforderung dar. Oft wird Wasserstoff heute als Gas transportiert und gelagert, und zur Betankung werden 350-bar- und 700-bar-Tankstellen errichtet.

Alternativ kann Wasserstoff flüssig und tiefkalt bei rund –250 Grad in sogenannten Kryotanks mitgeführt werden. Dabei ist das Problem des schnellen Verlusts durch das notwendige Druckentlastungssystem zu lösen. BMW gab die Entwicklung des mit flüssigem Wasserstoff betriebenen V12-Verbrenners nach wenigen Jahren wieder auf. Als dritte Variante der Speicherung kommen physikalische oder chemische Verbindungen infrage. Problematisch sind dabei oft das hohe Gewicht des Trägermaterials und die aufwendigen Bedingungen zur Be- und Entladung. Physikalisch kann Wasserstoff in Metallhydriden gespeichert werden, er wird dabei ins Metallgitter eingelagert. Andere Trägermaterialien sind Zeolithe, Aktivkohle oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Für die chemische Speicherung empfehlen sich organische Substanzen, sogenannte Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC), und besonders Alkohole wie beispielsweise Methanol.

Wie leistungsfähig?
Am Genfer Automobilsalon wird im März ein erstes serienmässiges Elektrofahrzeug Weltpremiere feiern, dessen Brennstoffzellen-Stack den Wasserstoff aus Methanol bezieht. Der Supersportwagen Gumpert Nathalie kann konventionell mit Methanol betankt werden. Zum Freisetzen des Wasserstoffs an Bord wurde ein kompakter Reformer ins System integriert. Ob das nach Angaben des deutschen Autobauers unter chinesischem Dach extrem leistungsfähige Brennstoffzellensystem die versprochenen Fahrleistungen erreicht, werden einschlägige Tests zeigen. Mit vier Motoren und bis zu 600 kW soll Nathalie allradgetrieben 100 km/h aus dem Stand in 2.5 Sekunden erreichen und eine Maximalgeschwindigkeit von 300 km/h ermöglichen. Als Reichweite bei normaler Fahrweise nennt Gumpert rund 1000 Kilometer. Derzeit haben beide Antriebsvarianten ihre Berechtigung, weil sich die Konzepte ergänzen.