Aktuell liest man in vielen deutschen Nachrichten fast täglich über Energiespeichertechnologien für Elektroautos und bekommt schnell den Eindruck, dass der Wettbewerb in der Entwicklung und Forschung auf Hochtouren läuft. Da gibt es auf der einen Seite die Batterie (BEV = Battery Electric Vehicle), welche oft als langsam ladend und umweltschädlich bezeichnet wird und auf der anderen Seite die Brennstoffzelle (FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle), die augenscheinlich keinerlei schädlichen Rohstoffe für den Betrieb benötigt und lediglich reines, sauberes Wasser als Abfallprodukt erzeugt.

Betrachtet man diese Aspekte über die Diskussion beider Energiespeichertechnologien allerdings genauer, so ist der Wettbewerb um beide Technologien jedoch quasi nicht existent. In der Realität existiert kein derartiger Wettbewerb und es ist fakt, dass batteriebetriebene Elektrofahrzeuge wesentlich umweltfreundlicher als PKWs sind, welche mit fossilen Rohstoffen betrieben werden. Und das selbst mit dem aktuellen Strommix, der auch heute noch aus ca. 1/3 Strom aus Kohlekraftwerken besteht. Dagegen haben Fahrzeuge mit Brennstoffzellen (stand heute) eine schlechte Wirkungsgradkette, einen hohen Primärenergiebedarf und eine vergleichsweise sehr aufwendige Infrastruktur. Insgesamt ist die Brennstoffzelle lange nicht so umweltfreundlich, wie sie oft dargestellt wird.

Lithium-Ionen-Batterien unterscheiden sich von allen vorher bekannten Batteriearten deutlich in der elektrochemischen Funktionsweise und ihre Technologie ist aus den 70er/80er Jahren und damit noch relativ jung. Erst ab den 90er Jahren begann die kommerzielle Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien und das erste Auto fuhr sogar erst 2003 mit dieser Batterietechnologie.

Seitdem hat sich die Lithium-Ionen-Technologie rasant weiterentwickelt und die physikalischen und chemischen Grenzen sind bei weitem noch nicht erreicht. Ständig werden neue Materialen und Produktionsverfahren entwickelt, die der Lithium-Ionen-Batterie bessere Eigenschaften verschafft. Die Forschung in diesem Bereich steckt voller neuer Ideen, wovon es sicher nicht alle in den Massenmarkt schaffen werden. Das gleiche zählt übrigens auch für die Gewinnung und Aufbereitung der notwendigen Rohstoffe, gerade für Lithium.

Wasserstoff hingegen ist in seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht mehr veränderbar. Hier geht es vielmehr darum, die aktuellen Anlagen und Maschinen zu verbessern. Die Brennstoffzelle selbst ist seit den 50er Jahren bekannt und das erste Elektroauto angetrieben von einer Brennstoffzelle fuhr 1966. Damit ist die Wasserstofftechnologie der Lithium-Ionen-Technologie zeitlich voraus und technisch bereits ausgereifter – was auch dazu führt, dass viele Potentiale bereits erforscht und ausgeschöpft sind.

Im nachfolgenden Text wird der aktuelle Stand und die zukünftigen Potentiale von Batterie-, als auch Brennstoffzellentechnologie dargestellt. Beide haben ihre Daseinsberechtigung, wenngleich die Brennstoffzelle sich in anderen Anwendungsgebieten viel besser eignet, als in KFZs als Energiespeicher zu fungieren.



BEVs (Batterieelektrische Fahrzeuge / Battery Electric Vehicle)

Infrastruktur

25% zusätzliche Stromproduktion sind notwendig, um alle PKWs in Deutschland vollständig elektrisch betreiben zu können [1], was in den nächsten 20-30 Jahren ein durchaus realistisch zu erreichendes Ziel ist. Die gesamte Infrastruktur für die Energieversorgung mit Strom existiert bereits zum Großteil und die Ladeinfrastruktur für PKWs kann Stück für Stück erweitert werden. Die dafür notwendige Technik ist bekannt, etabliert und zudem preiswert.

Ladestationen zum Laden von Elektroautos im Eigenheim (11 kW Wallbox) inklusive aller notwendigen Leitungsschutzeinrichtungen gibt es aktuell für ca. 400 € [2] – zuzüglich Preis für Verkabelungen. Eine derartige Wallbox muss dem Netzbetreiber nicht genehmigt, sondern lediglich angemeldet werden, da maximal 16 A Strom fließen. Damit können selbst Batterien der heute größten Elektroautos mit Reichweiten über 500 km Reichweite ohne Probleme in einer Nacht aufgeladen werden.

Für größere Reichweiten wie z. B. Urlaubs-, oder Dienstreisen, werden heute schon Schnellladesäulen auf Rastplätzen entlang der deutschen Autobahnen aufgestellt. Alleine Tesla hat in Europa (Stand Ende 2019) ein Netz von über 450 Standorten mit jeweils 4-8 Ladesäulen installiert. Ionity folgt und will bis Ende 2020 in ganz Europa 400 Standorte in Betrieb nehmen. Aktuell sind es ca. 160 Stück [3]. Dazu kommen weitere, oft regionale Anbieter, wie beispielsweise Fastned.

In dem Stromtankstellenverzeichnis von GoingElectric werden europaweit aktuell mehr als 400 Schnellladesäulen mit über 100 kW Leistung und insgesamt 1600 Anschlüssen aufgelistet [4].



Lebensdauer

Die Lebensdauer von Autobatterien ist kein Vergleich mit denen von Beispielsweise Handys oder Notebooks. Dies liegt auf der einen Seite an einer anderen chemischen Zusammensetzung, auf der anderen Seite am intelligenten Batteriemanagementsystem. Letztere sorgen dafür, dass die maximalen Ströme beim Be- und Entladen in Abhängigkeit von Ladezustand, Temperatur und Alterung kontrolliert werden. Dabei wird der Ladezustand von jeder Zelle kontinuierlich kontrolliert und bei Abweichungen wird entsprechend ausgeglichen. Zudem haben Batterien, welche in Elektroautos eingesetzt werden, immer einen internen Puffer, der dafür sorgt, dass sie niemals komplett vollgeladen, oder komplett leer entladen werden.

Namhafte Automobilhersteller wie Audi, VW, Mercedes und Tesla geben Garantien von 8 Jahren oder 160.000 km gefahrene km auf ihre verkauften Batterien. Bei BMW zählt die Garantie von 8 Jahren sogar ohne die Kilometerbeschränkung. Es gibt heute schon viele Berichte von Elektroautos, welche mit lediglich zwei Batteriewechseln ca. 650.000 km gefahren sind [5]. Das sind Werte, die sich vergleichsweise zum konventionellen Antrieb definitiv sehen lassen können.



Recycling und Second Life

Von aktueller Relevanz sind Themen wie Recycling und second life von Batterien. In naher Zukunft wird es eine große Anzahl an gebrauchten Batterien von Elektroautos geben, welche vielleicht nicht mehr den hohen Anforderungen von Elektroautos genügen, sich jedoch trotzdem noch zum Speichern von elektrischer Energie in anderen Anwendungen eignen. Es ist zu erwarten, dass die Aufbereitung und der Weiterverkauf von genau solchen Zellen ein Milliardengeschäft werden. Dies hat auch zur Folge, dass die Kosten von elektrischen Heimspeichern drastisch sinken werden. Damit lassen sich auch wesentlich größere Anlagen beispielsweise zur Unterstützung des Stromnetzes mit einigen hundert MWh Kapazität kostengünstig realisieren.

Anders als oft in den Medien behauptet, ist das Recycling von Fahrzeugbatterien aufgrund des einfachen Aufbaus, welcher nur einige wenige Komponenten enthält, auch gut möglich und wird sich ebenso zu einem Milliardengeschäft entwickeln. Einige Probleme wie ein großer Energieaufwand, welcher für das Recycling notwendig ist, lassen sich heute nicht leugnen. Jedoch ist zu erwarten, dass in mittelfristiger Zukunft mehr als 50% des Lithiums für neue Zellen aus Sekundärmaterial erhalten werden können.

Bei Wasserstoff sieht es mit Recycling und second life übrigens eher schlecht aus, da dies aufgrund der komplexen Technologie, welche aus vielen kleine und sehr unterschiedliche Komponenten (Motoren, Hochdruckpumpen, Filter, Ventile, Sensoren, Steuerungen, Dichtungen etc.) besteht, der Aufwand um einiges Größer ist.



Brandgefahr

An erster Stelle muss jedem klar sein, dass jede Energie welche elektrochemisch gebunden ist, Brandgefahr verbirgt. Das gilt für Diesel, Benzin, Wasserstoff als auch für Batterien gleichermaßen.
Immer wieder wird diskutiert, ob batteriebetriebene Elektrofahrzeuge nicht sogar gefährlicher als PKWs mit konventionellen Antrieben sind. In westlichen Ländern brennen pro Jahr ca. 1 Promille aller vorhandener PKWs. Für Deutschland entspricht das ca. 40.000 brennende PKWs, wovon ca. 15.000 schwere Brände sind. Zudem kommt es auch immer wieder zu Explosionen nach Unfällen, bei denen die Insassen ums Leben kommen.

Batterien von Elektroautos haben hohe Sicherheitsstandards, welche aufwände Crashtests beinhalten, um eine Zulassung zu erhalten. Aufgrund der heute noch relativ geringen Anzahl von Elektroautos auf unseren Straßen gibt es bislang noch keine seriösen Statistiken zum Thema Brandrisiko. Betrachtet man jedoch die Marke von der aktuell am meisten Elektroautos auf unseren Straßen unterwegs sind, Tesla, so ist das Brandrisiko um eine Größenordnung niedriger im Vergleich zu konventionell angetriebenen Autos. Zudem sind keine spontanen Explosionen nach selbst schweren Unfällen bekannt. Nach jedem Unfall gibt es ein Zeitfenster von mehreren Minuten, bei denen die Insassen gerettet werden können.

Dennoch sei angemerkt, dass Batterien auch noch nach längerer Lagerung nach Unfällen (bis zu fünf Tage) noch spontan anfangen können zu brennen. Zudem sind Brände von Batterien aufwändiger zu löschen als Brände von konventionellen Fahrzeugen, da auch größere Wassermengen notwendig sind. Im Brandherd können kleine Mengen von Flusssäure entstehen, welche sehr gefährlich ist.



Rohstoffe

In allen Erdteilen der Welt gibt es große Lithiumvorkommen. Die bereits heute bekannten Vorkommen und vorhandenen Reserven wären für den gesamten Austausch aller existierender konventioneller Kraftfahrzeuge (ca. 1,2 Mrd.) durch Elektroautos mit einem Batteriespeicher von 75 kWh ausreichend [6]. Dazu kommt noch die in Zukunft stärker zunehmende Nutzung von recyceltem Lithium, so genanntem Sekundärlithium, wodurch sich die Menge von verfügbaren Elektroautos noch einmal stark erhöhen lässt. Zudem besitzt das salzige Meerwasser extrem große Mengen von Lithium. Bedenken und Vorurteile, dass das vorhandene Lithium nicht ausreicht, sind daher also völlig unbegründet.



Kobalt

Der Kobaltanteil in Elektroautobatterien nimmt kontinuierlich ab. Mittelfristig wird kein Kobalt mehr für die Batterien benötigt. Tesla hat bereits im Jahr 2018 angekündigt, dass bei der nächsten Generation von Batterien nur noch geringfügige Anteile von Kobalt benötigt werden. Bereits heute bestehen moderne NMC811-Batterien für Autos aus gut 2/3 weniger Kobaltanteilen als es bei Zellen der älteren Generation und LiFePo Batterien der Fall ist. Batterien für Heimspeicher sind bereits jetzt frei von Kobalt.

Mienen im Kongo und anderer international tätiger Organisationen werden von der Bundesanstalt für Geowissenschaften (BGR) kontrolliert. Nach Aussage der BGR werden 80-90% des gesamten Kobalts von großen international tätigen Unternehmen abgebaut, welche sich im Normalfall an die gültigen Vorschriften halten [7]. Alle namhaften Hersteller von Elektroautobatterien beziehen ihr Kobalt von diesen Unternehmen.

Kinderarbeit gibt es in den sonst noch übrigen Unternehmen, welche meist Familiär geführt werden und illegal sind. Deren Kobalt-Anteile werden typischerweise in billigen no-name Produkten aus China für Unterhaltungselektronik verwendet. Doch selbst in diesen Bereichen hat die BGR nach eigener Auskunft nur in seltenen Fällen schwere Kinderarbeit gefunden.
Aus dem Kongo kommen insgesamt lediglich 60% des weltweit geförderten Kobaltmenge. Die restlichen 40% werden aus Ländern wie Australien gefördert, aus denen keinerlei nennenswerte Probleme bekannt sind.

In Brennstoffzellen wird beispielsweise oft Platin als Katalysator eingesetzt, welches in Umweltaspekten ähnlich kritisch wie Kobalt einzustufen ist. In neueren Stacks wird es aus Kostengründen sogar vermehrt durch Kobalt ersetzt.



Lithium

Lithium wird gewonnen, indem eine Salzlauge aus dem Boden pumpt und anschließend verdunsten lässt. Durch diesen Prozess besteht Gefahr, dass das Grundwasser abgesenkt wird, wenn zu viel entnommen wird.

Die Herstellung von Benzin und Diesel verbraucht vergleichsweise jedoch auch sehr viel Wasser. Die in Chile täglich notwendigen 21 Millionen Liter Wasser zur Gewinnung von Lithium entsprechen auch nur einem dreißigstel der Menge an Wasser, welche täglich aus dem Lausitzer Braunkohlekraftwerk abgepumpt werden muss. Zudem gibt es in Chile pro Jahr 3 Monate Regenzeit, bei der es einen Wasserüberstand von bis zu einem halben Meter gibt, was den gesamten Verlust mehr als ausgleicht. Mehr Details zur Umweltproblematik von Lithiumabbau in Chile und Argentinien gibt es in einem Artikel des Handelsblatts unter der Quelle [8].

Forscher des Institute of Technology Carlow in Irland kamen zu dem Entschluss, dass durch den heute sehr modernen Bergbau Mineralien aller Art ohne große Umwelteffekte abgebaut werden können [9]. Vergleichsweise zum Abbau von Platin und Seltenen Erden, hat der Abbau von Lithium einen kleinen Einfluss auf die Umwelt.

Die größten Abbaugebiete für Lithium befinden sich jedoch in Australien [10]. Weitere Vorkommen gibt es in vielen anderen Ländern rund um den Globus. In Portugal werden Beispielsweise ca. 1-2% des weltweiten Lithiumbedarfs abgebaut. Zukünftig wird ein großer Anteil des Lithiumbedarfs aus Sekundärlithium (Recycling) gewonnen werden, so wie es heute bereits mit Kupfer der Fall ist.
Oft wird bei der Umweltdiskussion über den Abbau von Lithium und Kobalt vergessen, dass durch die Förderung von Rohöl enorme Umweltschäden entstehen. Greenpeace selbst bezeichnet Rohol gar als „die schwarze Pest“. Einige Länder wie Nigeria sind komplett von Ölkonzernen abhängig. Internationale Umweltstandards sind hier quasi bedeutungslos. Die Lebenserwartung der dort Millionen lebenden Menschen sinkt durch die Belastungen durchschnittlich um 10 Jahre [11]. Das alles könnte man durch die Elektromobilität beenden.

In Summe bleibt zu sagen, dass der ökologische Fußabdruck von Elektroautos weit aus kleiner ist als der von Autos, welche mit konventionellen Energiequellen wie Benzin oder Diesel betrieben werden.
Auch muss angemerkt werden, dass Kobalt und Lithium in vielen anderen Anwendungen neben Elektroautos benötigt werden. Hierzu zählen Smartphones, elektrische Zahnbürsten, Rasierapparate, kabellose Werkzeuge, Smartwatches… um nur ein paar Beispiele zu nennen. Stand heute ist der tatsächliche Bedarf an Lithium für Mobiltelefone und Notebooks sogar größer als der von Elektroautos. Wer Elektroautos aufgrund der Rohstoffprobleme ablehnt, müsste daher konsequenterweise auch auf viele andere elektronische Produkte verzichten.



CO2 Footprint durch die Produktion

Die sehr schnellen Entwicklungen der Batterietechnologie in den letzten Jahren ist kaum in aktuellen Studien zu berücksichtigen und sorgen dafür, dass sich der CO2 Foodprint von Batterien, durch die gestiegene Energiedichte, dem von Brennstoffzellen stark angenähert hat.

Für eine 75 kWh Batterie mit einer WLTP Reichweite von über 500 km liegen die notwendigen Herstellungsemissionen bei ca. 7 tCO2 [12]. Ein Wasserstoffsystem benötigt für eine vergleichbare Reichweite rund 3,3 tCO2 [12]. Hier kommen jedoch noch einige CO2 Emissionen für die notwendige Wasserstoff-Infrastruktur hinzu, welche die gesamte CO2 Bilanz verschlechtern. Diese Aspekte fehlen in uns allen bekannten Studien zu einem CO2 Vergleich von Batterie- und Wasserstoffsystemen.

Durch 2nd-Life Anwendungen und das sich kontinuierlich verbessernde Recycling verbessert sich der CO2 Foodprint von Batteriesystemen weiter stark und wird dadurch in naher Zukunft sogar besser als der von Brennstoffzellensystemen.

Die Herstellung von Wasserstoff und vor allem von E-Fules (synthetisch hergestellte Flüssigkraftstoffe aus elektrischer Energie) ist aufgrund des hohen Energiebedarfs und der aufwändigen Anlagentechnik, welche zur Herstellung notwendig sind, mit weitaus höheren CO2-Emissionen belastet als der Strom, welcher für batterieelektrische Fahrzeuge notwendig ist.

Es muss an dieser Stelle angemerkt werden, dass auch Strom aus regenerativen Quellen wie PV und Wind aufgrund der notwendigen Anlagentechnik CO2-Emissionen verursacht. In vielen Vergleichen und Studien wird Wasserstoff aus regenerativem Strom erzeugt, was jedoch rein politischer Natur und nicht der physikalischen Realität – und schon gar nicht dem Stand der Wissenschaft – entspricht. Wenn in Zukunft eine größere Anzahl von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben auf den Straßen sind, wird diese politische Vereinfachung hoffentlich zugunsten der physikalischen Realität korrigiert.
In der Realität ist es tatsächlich nämlich so, dass der heute an Wasserstofftankstellen angebotene Wasserstoff sogar zum Großteil aus Erdgasdampfreformation gewonnen wird. Damit erzeugt ein Wasserstofffahrzeug sogar kaum weniger CO2 Emissionen als ein heute moderner Diesel PKW [14].

Bezogen auf die CO2 Emissionen während der Nutzungsphase liegen batterieelektrische Fahrzeuge weit vorne. Rechnet man mit dem mittleren deutschen Energiemix aus dem Jahre 2018 (also unter Berücksichtigung der Stromproduktion aus Kohlekraftwerken), so sparen Elektroautos ca. 40% CO2 Emissionen verglichen mit durchschnittlichen Diesel-PKWs und Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEVs). Lokale Emissionen bezüglich innerstädtischer Luftbelastung entfallen gänzlich.

Die für die Batterieproduktion notwendigen CO2 Emissionen eins mittelgroßen, durchschnittlichen Elektroautos mit einer Reichweite von 500 km bei 75 kWh sind nach heutigem Stand nach gut der halben Autolebensdauer (55.000 km) neutralisiert [16]. Am Ende der Lebensdauer geht das Elektroauto klar als Gewinner aus dem Rennen und hat gegenüber einem Dieselfahrzeug gut 6 t CO2 eingespart und gegenüber einem Auto mit Brennstoffzelle immerhin noch 3,8 t CO2.

Die oben aufgezählten Abschätzungen basieren auf dem heutigen Emissionsfaktor der für elektrischen Strom aus Deutschland gültig ist und ca. 1/3 Strom aus Kohlekraftwerken enthält. Während der Nutzung von Elektrofahrzeugen wird sich dieser Faktor erwartungsgemäß kontinuierlich verbessern, da die Nutzung von regenerativem Strom und 2nd-Life Anwendungen sowie Recycling stark zunehmen.
Es darf nicht vergessen werden, dass für den Cracking-Prozess zur Gewinnung von Rohöl für Benzin und Diesel eine große Energiemenge notwendig ist. Genaue und belastbare Zahlen gibt es dafür kaum, aber das US-Department of Energy erklärte 2009, dass für die Herstellung von einem Liter Kraftstoff ca. 1,6 kWh Strom notwendig sind [17]. Rechnet man dies auf eine Fahrstrecke von 100 km um, so bedeutet das für einen durchschnittlichen Diesel-PKW mit einem Verbrauch von 7 Liter / 100 km einen Stromverbrauch von mehr als 11 kWh. Wenn dieser Stromverbrauch in den CO2 Vergleich mit einbezogen wird, so kann ein mittelgroßes Elektroauto mit einer Reichweite von 500 km und 75 kWh Batteriespeicher seinen CO2 Abdruck bereits nach einem Viertel der durchschnittlichen Lebensdauer (160.000 km) egalisieren und zusätzlich 31 t CO2 einsparen.

Der Emissionsvorteil von Elektroautos mit Batterie gegenüber Brennstoffzellenfahrzeugen bleibt im Übrigen auch bei rein regenerativer Stromerzeugung erhalten, denn wie vorher schon erwähnt, erzeugen auch Winkraft- und PV-Anlagen bei ihrer eigenen Herstellung und Errichtung CO2-Emissione, die auf die gesamte Lebensdauer der Anlagen angerechnet werden müssen [18]. Dazu kommen noch die Aufwände für die notwendige Wasserstoff-Infrastruktur, wodurch sich der Vorteil von batterieelektrischen Fahrzeugen weiter vergrößert.



Brennstoffzellen PKWs (FCEVs)

Energiedichte

Wasserstoff ist ein leichtflüchtiges Gas mit einer geringen volumetrischen Energiedichte. Für den Transport und die Lagerung ist es daher notwendig, entweder auf extrem niedrige Temperaturen (-255 °C - fast wie im Weltraum) oder extrem hohe Drücke (700 bis 1000 bar - wie auf dem Meeresboden des Marianengrabens) umzustellen. Die notwendige Anlagentechnik ist zwangsläufig komplex und damit teuer. Zudem sind die Wirkungsgrade grundsätzlich schlecht, da für die Erzeugung dieser extremen Bedingungen viel Energie benötigt wird. Da diese Zusammenhänge physisch bedingt sind, wird sich in ferner Zukunft und auch mit erheblichem Forschungsaufwand nichts ändern.

Die volumetrische Energiedichte von kaltem flüssigem Wasserstoff, d.h. einschließlich Tanks und Zusatzgeräten, die in technischen Anlagen erreicht und genutzt werden kann, ist etwa halb so hoch wie die von konventionellen flüssigen Kraftstoffen (Benzin, Diesel) [19].



Infrastruktur

Konkret bedeutet dies, dass wir, um den Pkw-Verkehr auf Wasserstoff umzustellen, die gesamte bestehende Infrastruktur für Speicherung, Verteilung und Vertrieb komplett neu aufbauen müssten. Und wegen der geringeren Energiedichte müssten wir fast doppelt so groß bauen, also doppelt so viele Tankwagen, doppelt so große Zwischenlager, doppelt so viele Tankwagen und doppelt so viele Bodentanks an Tankstellen. Darüber hinaus müssen wir alles in der Kryotechnik für Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bauen, was bedeutet, dass sich die Kosten wieder etwa verdoppeln werden. Und dann brauchen wir auch die Produktionsanlagen: zur Stromerzeugung, zur Elektrolyse und zur Verflüssigung.

Eine gasförmige Verteilung von Wasserstoff im großen Maßstab, d.h. für Hunderttausende oder gar Millionen von Autos, ist völlig unmöglich. Die technisch erreichbare volumetrische Energiedichte von gasförmigem Wasserstoff ist wiederum fast eine Größenordnung (Faktor 10) niedriger als die von flüssigem Wasserstoff. Dementsprechend würden die Ausgaben für die Infrastruktur unermesslich steigen.
Aufgrund der schlechten Wirkungsgradkette [20], angefangen vom Offshore-Windpark bis zum Elektromotor im Auto einschließlich Flüssigkeitsverteilung und Hochdruckbetankung, ist der Bedarf an Primärenergie zur Erzeugung von Wasserstoff für Brennstoffzellen im Auto etwa 5-6-mal höher [21] als bei Batteriefahrzeugen.

Es ist leicht abzuschätzen, dass der Strombedarf für den Wasserstoffbetrieb aller 47 Millionen Pkw in Deutschland weit mehr als doppelt so hoch wäre wie die gesamte aktuelle Stromerzeugung [22]. Deshalb müssten wir die derzeit erzeugte Strommenge verdreifachen. Gleichzeitig wollen wir auch alle Kern- und Kohlekraftwerke abschalten und durch regenerative Stromerzeugung ersetzen - wie geht das?
Die Kosten für den Aufbau einer Infrastruktur zur Herstellung und Verteilung von Flüssigwasserstoff sind kaum vorstellbar und belaufen sich allein für Deutschland auf über hundert Milliarden Euro. Genaue Zahlen sind unbekannt und können nicht ernsthaft angegeben werden, da die notwendigen Anlagen nie in entsprechender Größe und Menge gebaut wurden.

Auch die lokale Produktion von Wasserstoff im großen Stil für Millionen von Fahrzeugen an Tankstellen ist aufgrund des schlechten Wirkungsgrades und des sehr hohen lokalen Strombedarfs nicht möglich. Dadurch würde die Verflüssigung entfallen, was die Ketteneffizienz etwas verbessern würde. Der zusätzliche Strombedarf wäre aber immer noch 1,5-mal höher als die aktuelle Produktionsmenge [23] und darüber hinaus müsste der Strom nun an tausende lokale Tankstellen verteilt werden. Das bedeutet praktisch einen Neubau des gesamten Hoch- und Mittelspannungsnetzes.



Ein direkter Vergleich von Wasserstoff- und batterieelektrischen PKWs

Der weltweite Bestand an vollelektrischen Pkw (BEVs) wird bis Ende 2019 rund 7 Millionen Einheiten erreichen. Darüber hinaus wird es rund 4 Millionen Plug-in-Hybride (PHEVs) [24] geben. Die weltweite Anzahl der Brennstoffzellenautos (FCEVs) liegt bei rund drei Größenordnungen unter 15.000 Fahrzeugen.

Derzeit werden nur zwei Brennstoffzellenautos aus Kleinserienproduktion auf dem Weltmarkt angeboten: Ein großer Geländewagen und eine Limousine der oberen Mittelklasse [25]. Der Markt für batteriebetriebene Pkw ist dagegen breit und umfasst bereits weit über 200 verschiedene Typen aller Fahrzeugklassen weltweit.



Fahrzeuggewicht

Generell wird erwartet, dass es in Zukunft möglich sein wird, die Materialkosten von Batteriesystemen weiter zu senken und die Fertigungsprozesse weiter zu vereinfachen. Neue Materialien und neue Herstellungsverfahren für Anode, Kathode und vor allem Elektrolyt ermöglichen immer höhere Energiedichten. Diese Entwicklungen vollziehen sich seit einigen Jahren in rasantem Tempo, weitgehend unbemerkt von der Öffentlichkeit. Dadurch hat sich die Energiedichte von Batteriesystemen in Serien-Pkw bereits in den letzten 5-7 Jahren verdoppelt [26].

Die realistische physikalische Grenze der Lithium-Ionen-Akkutechnologie liegt bei etwa 700 Wh/kg. Die heutigen Serienzellen erreichen 250 Wh/kg, Vorserienzellen sogar mehr als 400 Wh/kg. Hier besteht also noch ein großes Potenzial für zukünftige Entwicklungen. Die Lithium-Luft-Technologie kann theoretisch bis zu 13.000 Wh/kg erreichen, was mehr ist als bei Benzin und Diesel. Allerdings wird diese Technologie wahrscheinlich nie serienreif sein, da die Zellen instabil sind.

Aus heutiger Sicht erscheint eine Energiedichte von 300 Wh/kg mittelfristig (Zeithorizont 5 Jahre) und 500 Wh/kg langfristig (Zeithorizont ca. 10 Jahre) auf Systemebene erreichbar, d.h. Zelle plus Gehäuse, Kühlung, Batteriemanagement, Sicherheitstechnik, Steckverbinder usw.

Die Energiedichte des Wasserstoffsystems in einem aktuellen SUV liegt bei etwa 400 Wh/kg [27]. In der Regel ist die Leistungsdichte bei kleineren Fahrzeugen mit geringerem Tankvolumen (untere Mittelklasse, Kompaktklasse) schlechter und bei größeren Fahrzeugen (LKW) etwas besser.

BEVs benötigen jedoch nur gut halb so viel Energie wie FCEVs für einen vergleichbaren Bereich, da einerseits die Energiequelle effizienter ist und andererseits die Außenmaße bei gleicher Innengröße kleiner sind, was zu geringeren Fahrzeugverlusten führt [28].

Batteriesysteme müssen daher eine Energiedichte von gut 200 Wh/kg erreichen, um das gleiche Gewicht zu erreichen. Dies wird mit der aktuellen Batteriegeneration fast erreicht, denn die besten BEVs haben heute ein Systemgewicht von rund 170 Wh/kg [29]. In einigen Jahren werden Batterie-Elektroautos daher leichter sein als Brennstoffzellenfahrzeuge mit gleicher Reichweite. Auch heute noch sind sie fast gleich schwer.



Ladegeschwindigkeit

Die aktuell gemessene Ladegeschwindigkeit aktueller Batterieautos an den meistgenutzten Schnellladesäulen in Europa beträgt ca. 200 bis 350 km WLTP in 20 Lademinuten [30]. Die Reichweite kann bis zu 560 km WLTP [31] erreichen. Dies ist auch für lange Geschäfts- und Urlaubsreisen völlig ausreichend.

Die Beladung unterscheidet sich deutlich von der klassischen Betankung, bei der Sie an der Säule anhalten und warten. Beim Beladen parken Sie jedoch das Fahrzeug und haben Zeit zum Essen, Trinken oder Entspannen im Servicebereich. Eine typische Urlaubsreise in Südfrankreich oder Italien besteht aus maximal zwei oder drei Abschnitten, einer Entfernung von ca. 350 bis 400 km (3 bis 5 Stunden je nach Verkehrssituation) und ein oder zwei Pausen von jeweils einer halben Stunde bis zu einer Dreiviertelstunde. Elektroautos sind unschlagbar komfortabel und effizient im täglichen Gebrauch mit Fahrstrecken von 50 bis 100 km.

Die Ladegeschwindigkeit der FCEVs ist zweifellos schneller als die der BEVs - etwa 10 Minuten für einen vollen Tank mit einer Reichweite von 400 bis 600 km WLTP, je nach Fahrzeug. Das bedeutet jedoch, dass Sie wie bisher an der Seite des Fahrzeugs warten und keine Zeit für eine Pause haben. Anschließend muss die Tankstelle einen internen Maximaldruckspeicher von 900 bis 1000 bar füllen, so dass etwa eine halbe Stunde lang (oder nur bei deutlich geringerer Füllgeschwindigkeit) kein anderes Fahrzeug eingesetzt werden kann.



Platzangebot

Aufgrund der großen Tanks und der umfangreichen Systemtechnik werden Wasserstoffautos ausschließlich als SUVs oder große Limousinen gebaut. Das Brennstoffzellensystem eines modernen Hyundai Nexo benötigt so viel Platz unter der Motorhaube wie ein 6-Zylinder-Dieselmotor und leistet nur 163 PS. Darüber hinaus gibt es Ultrahochdrucktanks, die die Hälfte des Kofferraums blockieren.

Der bereits große Toyota Mirai wird in der nächsten Generation ab 2021 länger sein, um einen dritten Tank und damit mehr als 600 km Reichweite zu ermöglichen. Im Vergleich zu einem Verbrennungsfahrzeug gleicher Außengröße bieten Wasserstoffautos deutlich weniger Innenraum.

Eine Batterie lässt sich viel besser in die Fahrzeuggeometrie integrieren als torpedoförmige Hochdruckspeicher für Wasserstoff. Dank einer kurzen Fronthaube (Frontkabine) und einer schwachen Batterie (Skateboard) bleibt noch mehr Platz für Passagiere und Gepäck als bei einem Verbrennungsfahrzeug gleicher Außengröße.

Im Innenraum sind batteriebetriebene Fahrzeuge allen anderen Antriebssystemen weit überlegen. Einfach ausgedrückt, bieten batteriebetriebene Fahrzeuge etwa eine Klasse mehr Innenraum als Verbrennungsmotoren gleicher Größe, während Brennstoffzellenfahrzeuge eine Klasse weniger bieten. Daran wird sich auch in Zukunft nichts ändern, da die Größe von Tanks und Systemen maßgeblich von den physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff bestimmt wird.



Produktionsaufwand und Kosten

Die Produktion von Brennstoffzellenfahrzeugen ist wesentlich komplexer als die der heutigen Verbrennungsfahrzeuge (CEI). Dies ist zum einen auf die größere Größe der Fahrzeuge und zum anderen auf die zahlreichen Nebenaggregate für den Betrieb der Brennstoffzelle Dies führt nicht nur zu höheren Einkaufspreisen, sondern auch zu höheren Wartungs- und Reparaturkosten und einer kürzeren Lebensdauer.
Im Gegensatz dazu sind die Herstellungskosten von BEVs, mit Ausnahme von Batterien, 30-40% niedriger als bei Verbrennungsmotoren, da Elektromotor, Leistungselektronik und Eingangsgetriebe weitaus weniger Komponenten benötigen als ein komplexer Verbrennungsmotor mit einem komplexen Automatikgetriebe.

Und die Kosten für die Batterie sinken weiter [33]. Infolgedessen sind die Batteriekapazität und die Palette der neuen Elektroautos in den letzten Jahren trotz konstanter Verkaufspreise gestiegen, und in Zukunft wird sich die Kapazität je nach Fahrzeugkategorie in einer Bandbreite von 300 bis 600 km stabilisieren und die Preise werden sinken. Es ist realistisch zu erwarten, dass BEVs spätestens in fünf Jahren zum gleichen Preis und mittelfristig (zehn Jahre) sogar günstiger angeboten werden als aktuelle Benzin- und Dieselfahrzeuge.

Dazu wird auch der Preisdruck neuer Marktteilnehmer beitragen, die sich auf die Massenproduktion von Elektroautos vorbereiten (z.B. China, Südkorea und Kalifornien).



Demokratisierung der Energieversorgung

Wasserstoff ist grundsätzlich gefährlich (relativ brennbar in einem breiten Spektrum von Mischungen mit Luftsauerstoff). In Norwegen explodierte im Frühsommer 2019 eine kommerzielle Wasserstoff-Tankstelle für Pkw bei Oslo. Aufgrund der komplexen Technologie und des hohen Primärenergiebedarfs der Anlage ist Wasserstoff nicht für die private Produktion geeignet, so wie Einzelpersonen kein Rohöl raffinieren oder derzeit keine privaten Tankstellen betreiben.

Mit Wasserstoff ist das Unternehmen dauerhaft von den großen Energiekonzernen und deren weitreichendem Tankstellennetz (Quasi-Monopol) abhängig.
Der größte Teil des Versuchsnetzes von H2-Tankstellen in Deutschland wird von der H2 Mobility Deutschland GmbH betrieben, deren Gesellschafter neben zwei Wasserstoffunternehmen auch namhafte Ölgesellschaften sind.

Aufgrund der hohen Kosten für physisch induzierte Geräte werden die Kraftstoffkosten von Wasserstoffautos im Vergleich zu Diesel und Benzin deutlich steigen. Dies lässt sich bereits an den aktuellen Wasserstoffpreisen (ca. 10 € pro 100 km) ablesen, obwohl dieser Wert politisch festgelegt ist und bei weitem nicht die tatsächlichen Kosten von Wasserstoff aus Schmelzwerken widerspiegelt.
Strom und Batteriespeicher hingegen ermöglichen eine grundlegende Veränderung des Systems. Jeder, der über genügend Platz verfügt, kann einen erheblichen Teil seines eigenen Energiebedarfs durch Photovoltaik und Haushaltsspeicher decken. Nicht nur für den privaten Gebrauch, sondern auch für Ihr Fahrzeug. Die heimischen Stromspeichersysteme boomen, und dieses Problem wird in Zukunft zunehmen. Eine typische private Photovoltaikanlage mit Heimspeicher produziert Strom für 100 Kilometer Fahrtstrecke für rund 2.5034 Euro.

Die Dominanz der großen Energieunternehmen wird abnehmen. Großverbraucher (Industrie, Handel, Gewerbe, Handel, Gewerbe, Handel, dicht besiedelte städtische Siedlungen) und als Unterstützungslösungen für die Grundversorgung in der dunklen Jahreszeit werden sie weiterhin benötigen. Heute gibt es in Deutschland rund 14.500 Tankstellen. Künftig werden nur noch wenige Tankstellen und Laderäume auf Autobahnen benötigt, aber weit weniger Tankstellen für den Verkauf von flüssigen Kraftstoffen in Städten oder auf dem Land.

Durch diese Entwicklungen wird der Strom trotz Energieübertragung und mittelfristigem Ersatz von Kern- und Kohlekraftwerken durch neue regenerative Kraftwerke (PV, Wind) langfristig günstiger sein als heute.
Darüber hinaus ist die Erholung des Energiesektors aufgrund des hohen Anteils von Kohlekraftwerken und der politischen Entscheidung zum Ausstieg aus der Kernenergie vor allem ein deutsches Thema. Sie hat wenig Bedeutung für den internationalen Fortschritt in der zukünftigen Pkw-Technologie.



Zusammenfassung

Im Falle von Wasserstoff entstehen die Kosten vor allem durch die Leistung der Anlage, da diese durch die Größe der Stacks und aller Nebenanlagen (Filter, Pumpen, Kühlung, Heizung) bestimmt wird. Die Menge der gespeicherten Energie ist dagegen relativ günstig - letztendlich sind es nur zusätzliche Tanks.

Wasserstoff eignet sich daher, wenn über einen längeren Zeitraum viel Energie benötigt wird (C-Werte deutlich unter 0,1, d.h. Betriebszeiten deutlich über 10 Stunden). Dazu gehören zum Beispiel Schiffe, Langstreckenflugzeuge und feste Energiespeichersysteme, die wochen- oder gar monatelang autonom arbeiten. Mit der zunehmenden Nutzung schwankender Stromproduktion (Wind, Photovoltaik) werden Langzeitspeichersysteme benötigt, die auch in den Wintermonaten eine mehrwöchige Pause einlegen können. Hier kann Power-to-X mit Wasserstoffgas eine Lösung sein. Das Gas kann direkt in großen Windparkspeichern gespeichert und bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt werden. Dies erfordert keine komplexe Infrastruktur und ist daher etwas effizienter.
Im Gegensatz zu Wasserstoff sind die Batteriekosten vor allem auf die Menge der gespeicherten Energie zurückzuführen, da der Aufwand damit linear steigt. Hochleistung hingegen ist fast ein Geschenk, solange die Batterien groß genug sind.

Daher eignen sich Batterien, wenn relativ wenig Energie bei relativ hohem Leistungsbedarf benötigt wird (Rate C größer als 0,1, d.h. Betriebszeiten kleiner als 10 Stunden). Dies gilt für viele mobile Anwendungen (Zweiräder, Autos, Stadtbusse, leichte und mittelschwere Fahrzeuge), aber auch für die Energiespeicherung im Stromnetz im Bereich der Minuten- und Stundenreserven (siehe z.B. die Energiereserve Hornsdale in Australien).

Insbesondere bei Massenanwendungen sind die Infrastrukturkosten zu berücksichtigen. Die Infrastrukturkosten für Wasserstoff sind viel höher (in der Regel mehr als eine Größenordnung) als die Kosten für die Speicherung von Batterien. Dies ist zum einen auf den sehr niedrigen Anlagenwirkungsgrad und die daraus resultierenden hohen Produktionskosten und zum anderen auf die extremen Lagerbedingungen (niedrigere Temperaturen, höhere Drücke) zurückzuführen. Daher eignet sich Wasserstoff nur für Anwendungen, bei denen es relativ wenige Füllpunkte gibt.

Massenanwendungen mit hohem Energiebedarf, die nicht durch Batteriespeichersysteme wie Straßen- oder Schienenfahrzeuge abgedeckt werden können, werden langfristig auf synthetische Kraftstoffe anstelle von Wasserstoff umgestellt, da die Infrastruktur dafür viel kostengünstiger ist und bereits vorhanden ist.

Manchmal hören wir den Vorschlag, zwei Infrastrukturen für BEVs und FCEVs parallel aufzubauen. Elektroautos wären dann besser für den Nahverkehr mit kürzeren Strecken und Brennstoffzellenautos besser für lange Strecken geeignet. Ich halte diese Idee für völlig unsinnig, denn sie würde bedeuten, dass wir viel mehr Autos brauchen würden, als wir heute brauchen. Fast jede Familie würde mindestens zwei Autos brauchen.

Es besteht kein Zweifel daran, dass die technologische Offenheit richtig und wichtig ist, solange die betreffenden Technologien und ihre Möglichkeiten nicht ausreichend untersucht wurden. Das erste Brennstoffzellenauto lief 1966 auf amerikanischen Straßen, und allein in den letzten 50 Jahren wurden in Europa mehrere Milliarden Euro für die Brennstoffzellenforschung ausgegeben. Damit ist die Frist für die technologische Öffnung im Bereich der zukünftigen Energieversorgung von Pkw schon seit vielen Jahren abgelaufen. Die derzeit in Deutschland diskutierte "technologische Offenheit" ist nach Ansicht des Autors nur ein Mittel, um den Kunden mit dem zu verwirren, was er seit Jahrzehnten kennt: den Verbrennungsmotor. In diesem Zusammenhang stellt die technologische Offenheit eine Regression und die Aufrechterhaltung des Status quo dar.

Lassen Sie mich ganz klar sagen: Brennstoffzellenautos sind technisch, wirtschaftlich und letztlich ökologisch absurd. Ebenso absurd ist die Entwicklung einer Infrastruktur für Wasserstofftankstellen. All dies dient nur den kommerziellen Interessen einiger weniger großer Öl- und Wasserstoffunternehmen und ist eine Verschwendung von Steuergeldern.

Ich werde dem Wasserstoff keine Chance geben, Batterien für die Zukunft des Autos zu speichern. Wir täten gut daran, uns aus grundlegenden physikalisch-chemischen Gründen nicht auf veraltete und minderwertige Technologien zu verlassen, da dies den Industriestandort Deutschland gefährdet. Es ist falsch zu fragen, ob die Einführung von Elektroautos mit Batterie nicht zum Verlust von Arbeitsplätzen führt, die derzeit mit Verbrennungsmotoren verbunden sind. Im Gegenteil, es ist wichtig zu fragen, wie viele Arbeitsplätze verloren gehen, wenn die deutsche Automobilindustrie mit veralteter oder nicht wettbewerbsfähiger Technologie weltweit erhebliche Marktanteile verliert.

Wo sind Unternehmen wie Nokia und Kodak heute? Neue Akteure aus Fernost treten mit modernen Batterie-Elektrofahrzeugen auf den Markt, die für die Kunden sehr attraktiv sind: Ein viel besseres Fahrerlebnis ohne Geruch, mit weniger Vibrationen, weniger Lärm, mehr Platz im Inneren und im Kofferraum, reduzierten Wartungskosten und in Zukunft noch niedrigeren Anschaffungskosten. Wir müssen in Deutschland an vorderster Front stehen und dürfen uns nicht an veraltete (Verbrennungsmotoren) oder unzureichende (Wasserstoff) Technologien halten.

Natürlich braucht dieser Übergang Zeit. Einige Automobilhersteller haben jedoch die Zeichen der Zeit erkannt und sind mit aller Kraft unterwegs. Bisher waren viele andere nur lauwarm oder gar nicht.



Quellen

[1] https://www.ise.fraun-hofer.de/de/pr...gung-2018.html

[2] https://www.volkswagen-newsroom.com/...den-markt-5352

[3] https://ionity.evapi.de/#/

[4] https://www.goingelectric.de/stromta...len/statistik/

[5] https://ecomento.de/2018/07/24/643-7...usine-model-s/

[6] Entspricht allen bekannten Reservern und Ressourcen von Lithium (2018). Ungefähr 70 Mrd. Kg Bedarf von Lithium und davon in der Batterie ca. 0,17 kg/kWh. Damit können ca. 5,5 Mrd. Batterien mit je 75 kWh Kapazitätgebaut werden. Weltweit gibt es rund 1,2 Mrd. Pkws

[7] https://www.bgr.bund.de/DERA/DE/Down...alt-vetter.pdf

[8] https://edison.handelsblatt.com/erkl.../24022826.html

[9] https://www.mdpi.com/2079-9276/7/3/57

[10] Lithium Abbau in 2018: Chile 14,1 tsd. Tonnen, Australien 18,7 tsd. Tonnen, weltweit 37,8 tsd. Tonnen

[11] https://www.greenpeace.de/sites/www....e_umwelt_0.pdf https://www.dieumweltdruckerei.de/bl...oelfoerderung/

[12] Die spezifischen Emissionsfaktoren für der Herstellung von Batterien gehen in der Literatur weit auseinander, von rund 50 bis 200 kgCO2-eq/kWh. Gründe dafür sind, dass die für die Herstellung benötige Energie aus ganzunterschiedlichen Quel-len stammen kann –von PV-Anlagen bis zu Kohlekraftwerken. Auch die Energiedichte der betrachteten Zellen und damit das Alter der Studie spielt eine wesentliche Rolle. Auf Basis der aktuellen 250 Wh/kg Zellen und Versorgung der Produktion weitgehend mit PV-Energie scheint einEmissionsfaktor von 95 kgCO2-eq/kWhsinnvoll zu sein

[13] Emissionsfaktoren für die Herstellung von Brennstoffzellen-Pkwsfinden sich in der Literatur kaum. Es ist bekannt, dass 20 Tonnen CO2 für die Herstellung von 1 Tonne Kohlefaser emittiert werden. Bei einem gesamten Tankgewicht von 87,5 kg (Toyota Mirai) entspricht dies einer Emission von 1,8 tCO2für die Tanks.Hinzu kommen die Aufwände für das Brennstoffzel-lensystem. Dieses wiegt in einem Daimler F-Cell rund310 kg (ohne Tanks). Rechnet man mit einem üblichen Faktor von 6 tCO2 für die Herstellung von 1,2 t Fahrzeug, so kann man rund 1,5 tCO2für die Herstellung des Brennstoffzellensystemsabschätzen.

[14] FCEV:Bei typisch 370 gCO2/kWhH2Emissionen aus Erdgasdampfreformation, einem mittleren Verbrauch von 1,1 kgH2/100km = 36,6 kWhH2/100km und Kompressionsverlusten von 12% ergibt sich für FCEV ein Ausstoß von 16,9 kgCO2/100km. Diesel-PkW Dieselverbrennung verursacht Emissionen von 2,65 kgCO2/l. In 2017 betrug der Durchschnittsverbrauch eines Diesel-Pkw 7,0l/100km. Damit werden durchschnittlich 18,6 kgCO2/100km emittiert. Ein typisches FCEV spart gegenüber einem durchschnittlichen Diesel-Pkw also lediglich 9% Emissionen ein. BEV:Mittlerer Verbrauch 20 kWh/100km, Ladewirkungsgrad 90% = 22,2 kWh/100km. Der spezifische CO2-Emissionsfaktor des gesamten deutschen Strommixes in 2018 betrug 0,474 kgCO2/kWh. Damit ergeben sich typische Emissionenin Höhe von 10,5 kgCO2/100km. Ein typisches BEV spart gegenüber einem durchschnittlichen Diesel-Pkwalso rund 44%und gegen-über einem typischen FCEVrund 38%Emissionen ein.

[15] CO2-Rucksack der Batterieproduktion ca. 7 tCO2, siehe Fußnote 12. Emissionsvorteil BEV gegenüber Diesel ca. 18,6 –10,5 = 8,1 kgCO2/100km, siehe Fußnote 14. Nach 7.000/8,1×100=86.400 km sind die CO2-Emissionen rechnerisch egalisiert.Über die Lebensdauer ergeben sich somit 160.000/100×8,1-7.000 = 6 tCO2Einsparung.

[16] Zusätzlicher CO2-Rucksack eines FCEV ca. 3,3 tCO2, siehe Fußnote 13, also 3,7 tCO2weniger als BEV. Emissionsvorteil BEV gegenüber FCEV ca. 16,8 –10,5 = 6,4 kgCO2/100km, siehe Fußnote 14. Nach 3.700/6,4×100 = 57.800 km sind die CO2-Emissi-onen rechnerisch egalisiert. Über die Lebensdauer ergebensich somit 160.000/100×6,4-6.400 = 3,8 tCO2Einsparung.

[17] https://edison.handelsblatt.com/e-hu.../20826274.html

[18] Literaturangaben zum CO2-Emissionsfaktor von Windkraftanlagen schwanken zwischen rund 10 bis 40 gCO2/kWhel. Rech-net man mit dem Mittelwert 25 und optimalen Wirkungsgraden für Druckbetankung, Verflüssigung und Abdampfverluste sowie Elektrolyse (siehe Fußnote 20), dann verursacht eindurchschnittlichesFCEV mitWasserstoff aus Windstrom mindes-tens 3,1 kgCO2/100km, ein BEV jedoch nur 0,6kgCO2/100kmbei gleichen Rahmenbedingungen.Der CO2-Emissionsfaktor von PV-Anlagen wird in der Literatur zwischen 50 bis 100 gCO2/kWhelangegeben. Auch hier bleibt der Emissionsvorteil von BEV um rund den Faktor 5 gegenüber FCEV erhalten.

[19] Während beispielsweise ein 40 t Sattelschlepper genügend Dieselkraftstoff zum Tanken von 1.000 Pkws mit je 500 km Reichweite transportieren kann, reicht ein gleich großer Lkw mit 200 bar H2-Hochdruck-Gastanks gerade einmal für 63 Tankvorgänge von Brennstoffzellenautos: Benzin:35 tsd. Liter Transportkapazität pro Lkw. Bei 7 l/100km reicht das für 1.000 ICE-PkwsFlüssigwasserstoff LH2: 3,2 tH2Transportkapazität pro Lkw. Bei 1,1 kgH2/100 km reicht das für 580 FCEVsGaswasserstoff CH2: 0,35 tH2Transportkapazität pro Lkw. Bei 1,1 kgH2/100 km reicht das für 63 FCEVs

[20] Wasserstoffkette: Elektrolyse am Windpark ca. 49 bis 56% Wirkungsgrad; Verflüssigung ca. 60 bis 64% Wirkungsgrad; Transport und Lagerung des flüssigen Wasserstoffs erzeugt 5 bis 10% Abdampfverluste; Hochdruckkompression auf 900 bar für den Ladevorgang auf 700 bar ca. 85 bis 88% Wirkungsgrad; Stromerzeugung mittels Brennstoffzellensystem ca. 45 bis 58% Wirkungsgrad je nach Betriebspunkt, Spannungsstabilisierung mittels DC/DC-Steller ca. 95% Wirkungsgrad –Ketten-wirkungsgrad vom Windrad bis zum E-Motor im Auto ca. 10 bis 17%.Batteriestromkette: Netzleitungsverluste je nach Distanz und Spannungsebene ca. 90 bis 95% Wirkungsgrad, Ladeverluste durch Ladeelektronik und Batterie ca. 85 bis90% Wirkungsgrad –Kettenwirkungsgrad vom Windrad bis zum E-Motor im Auto ca. 77 bis 86%.

[21] Immer wieder findet man in der Literatur den Faktor 3anstatt 5 bis 6. Dabei werden regelmäßig die Verflüssigung des Wasserstoffes und die Abdampfverluste bei Transport und Lagerung vergessen. Auch werden bei der Hochdruckkompres-sion gerne nur die thermodynamischen Verluste von 8% angesetzt. Allerdings muss der Druck mit einem Pumpsystem er-zeugt werden, das wie alle Pumpen einen schlechten Wirkungsgrad von 50 bis66% aufweist, so dass die Hochdruckkom-pression tatsächlich auf 12 bis 15% Verluste kommt. Gerne wird auch der DC/DC-Wandler im Fahrzeug zur Spannungsstabi-lisierung vergessen. Ebenfalls beliebt ist es, bei der Elektrolyse nur den Wirkungsgrad der eigentlichen Brennstoffzelle (rund 65%) anzusetzen und die Verluste in den sonstigen Anlagenteilen (Filter, Pumpen, Kompressoren, Klimaanlage) zu vergessen. Tatsächlich arbeiten experimentelle Elektrolyseure heute jedoch bei maximal 56% im Teillastbereich. Hochleis-tungselektrolyseure für Massenproduktion erreichen nicht einmal 50% unter Volllast.

[22] Mittlerer Pkw-Verbrauch 1,1 kgH2/100km = 36,6 kWhH2/100km. Bei 631 Mrd. Pkw-km pro Jahr laut KBA (Stand 2018) sind das 231 Mrd. kWhH2. Selbst bei einem optimalen Kettenwirkungsgrad von 17% (siehe Fußnote 2) ergibt sich ein Net-tostrombedarf von 1.360 Mrd. kWh pro Jahr. Die Stromerzeugung in Deutschland im Jahr 2018 betrug 541,9 Mrd. kWh netto, wovon 40% aus erneuerbaren Energien stammten (https://www.ise.fraunhofer.de/de/pre...gung-2018.html)

[23] Der Kettenwirkungsgrad steigt bei Entfall von Verflüssigung und Abdampfverlusten auf 18 bis 27%, siehe Fußnote 20. Der Nettostrombedarf sinkt dadurch auf rund 860 Mrd. kWh, siehe Fußnote 22

[24] https://www.iea.org/gevo2019/

[25] Hyunday Nexo und Toyota Mirai. Alle anderen Fahrzeuge (Honda, BMW, Daimler, GM) sind experimentell und werden nicht frei an Kunden verkauft.

[26] Beispiel: Renault Zoein 2013 ca. 80-90 Wh/kg, Tesla Model 3in 2018 ca. 170 Wh/kg-jeweils Systemgewicht incl. Ge-häuse, Kühlung, BMS, Sicherheitstechnik usw.

[27] Daimler GLC F-Cell (2019): 355 kg Gewicht für das H2-System mit 4,3 kgH2-Tank (143 kWh) = 403 Wh/kg

[28] Tesla Model 3 LR RWD: 310 Miles EPA Reichweite, 1730 kg Leergewicht, 450 kg Zuladung, 425 l KofferraumToyota Mirai: 312 MilesEPA Reichweite, 1850 kg Leergewicht, 330 kg Zuladung, 361 l KofferraumBeide Fahrzeuge sind vergleichbar groß. Beim Tesla lässt sich zudem die Rückbank umklappen und der Kofferraum entspre-chend vergrößern, beim Toyota befindet sich dort einer der beiden H2-Tanks.

[29] Daimler GLC F-Cell (2019) 403 Wh/kg = 83 kg Gewicht für das H2-Systempro 100 km NEFZ ReichweiteTesla Model 3(2017) 170 Wh/kg = 86 kg Gewicht für das Batteriesystempro 100 km WLTP Reichweite

[30] Geladene Energiemenge an IONITY-Ladesäulen nach 20 Minuten Ladezeit (auf Basis von realen Messwerten, Ladestart bei 10% SOC): Jaguar i-Pace = 150 kmWLTP, Mercedes EQC = 180 kmWLTP, Audi e-tron = 210 kmWLTP, Tesla Model 3 = 350 kmWLTP, Porsche Taycan = 360kmWLTP

[31] Tesla Model 3 und Model S

[32] Unter anderem diverse Rohrleitungen, Druckregelventile, Pumpen und Verdichter, Filter, vielfältige Sensoren für Tempe-raturen und Wasserstoffgas, Gas-Gas-Befeuchter, Luftkühler und nicht zuletzt die vom sonstigen Fahrzeug unabhängige Klimatisierung des Stacks mit permanenter Reinigung durch Ionenaustauscher.

[33] EK-Preis pro kWhPouchzelle: 2010 über 600 €, 2018 ca. 150 €, Prognose: 2020 unter 90 €, 2025 zwischen 50 bis 70€ Quelle: https://www.elektroauto-news.net/201...ls-verbrenner/

[34] Unter Annahme von typischen Werten für ein Einfamilienhaus, das heißt 9,5 kWp Photovoltaik und 10 kWh Heimspeicher bei 55% Autarkie, also 45% Strom aus Netzbezug, sowie Abschreibung auf 20 Jahre