Wasserstoff – Brennstoffzelle – Toyota Mirai

Die Automobilindustrie wird nicht müde das Wasserstoff-Brennstoffzellen-Auto als die Zukunftsoption bei der Suche nach alternativen Antrieben zum Verbrennungsmotor zu propagieren. Nicht nur die Zeitungen und Automobilzeitschriften sind seit Jahren voll von diesen Meldungen auch die Blogs zum Thema sind es:
Mercedes setzt weiter auch auf Wasserstoff-Elektroautos
Mercedes: ein Tesla-Konkurrent und ein Fahrplan für saubere Antriebstechnik
Aber wo sind sie die Wasserstoffautos? Als Verbrennungsmotor sind sie schon lange gescheitert. Bleibt die Brennstoffzelle und da tut sich in letzter Zeit etwas. Toyota produziert seit einiger Zeit das erste Serien-Brennstoffzellen-Auto „Mirai“ (dt. Zukunft).
Wenn man sich das Video der Endmontage auf youtube ansieht dann ist das schon eine beeindruckende technische Meisterleistung von Toyota, die noch keinem anderen Automobilhersteller gelungen ist. Ist das Wasserstoff-Brennstoffzellen-Auto wirklich die Zukunft?

Am Beispiel des Toyota Mirai lässt sich exemplarisch sehr gut demonstrieren, was es technisch bedeutet ein solches Auto zur Serienreife zu bringen, was nicht gleichbedeutend mit einem Durchbruch ist, und welche Probleme sich in der Summe mit dem Energieträger Wasserstoff ergeben.

Wasserstoff ist das kleinste und leichteste Molekül das es gibt. Summenformel H2. Strukturformel H-H. Wasserstoff ist so leicht, dass er in der Atmosphäre aufsteigt und ins Weltall diffundiert. Es gibt daher keine nenneswerten Mengen in der Atmosphäre und auch keine nennenswerten natürlichen Quellen. Wasserstoff muss daher produziert werden. Da das Wasserstoffmolekül auch so klein ist diffundiert es durch alle Materialien hindurch. Ist der Wasserstoff also erst einmal produziert, ist mit ständigen Verlusten bei Speicherung und Transport (Pipelines) zu rechnen. Diese Eigenschaft ist es auch die zu einer Versprödung der Materialien führt, die mit dem Wasserstoff in Kontakt kommen (Wasserstoffversprödung), was vermehrte Korrosion und Alterung zur Folge hat.

Mit Sauerstoff O2 reagiert Wasserstoff exotherm, also unter Energieabgabe zu Wasser H2O. Dies ist die zentrale chemische Reaktion aus der die Nutzenergie zum Vortrieb gewonnnen wird. Als Knallgasreaktion kann sie einen Verbrennungsmotor antreiben, in der Brennstoffzelle liefert sie Strom. Im Verbrennungsmotor hat Wasserstoff fast alle Nachteile, die ein mit Benzin, Diesel oder Erdgas betriebener Verbrennungsmotor auch hat: ein schlechter Wirkungsgrad von durchschnittlich ca. 40% und Verbrennungsabgase, insbesondere Stickstoffoxide. Die Brennstoffzelle hat einen höheren Wirkungsgrad von bis zu 60% und emittiert nur Wasser.

Umgekehrt kann Wasserstoff endotherm d.h. unter Energieaufwand aus Wasser mittels Elektrolyse hergestellt werden. Hierzu kann z.B. Ökostrom verwendet werden und dann ist die Herstellung CO2-neutral. Der Wirkungsgrad ist aber mit 50% relativ schlecht d.h. nur die Hälfte des Stromes wird als Energie im Wasserstoff gespeichert, der Rest geht als Wärme verloren. Physicochemische Gesetze (2. Hauptsatz der Thermodynamik) verhindern hier eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades.
Wasserstoff kann auch aus Erdgas hergestellt werden. Dies erfordert weniger Energie, aber es entsteht dabei CO2 ist also nicht CO2-neutral.

Wie sieht nun die technische Umsetzung aus um daraus ein Serienauto zu machen. Zunächst die theoretisch möglichen Wege von H2-Erzeugung, -Lagerung und -Antriebs:

Erzeugung:

Erdgas -> Wasserstoff + CO2

  • Vorteil: billig
  • Nachteil: CO2-Emission
  • Fazit: nicht nachhaltig, Sackgasse

Wasser + Ökostrom -> Wasserstoff + Wärme

  • Vorteil: CO2-neutral
  • Nachteil: 50% Energieverlust
  • Fazit: hoher Energieverlust, aber einzig nachhaltig

Lagerung:

Druckkessel

  • Vorteil: technisch einfach
  • Nachteil: geringe Energiedichte
  • Fazit: machbar

Kryogen in flüssiger Form

  • Vorteil: hohe Energiedichte
  • Nachteil: technisch enorm aufwändig (Kühlung auf -253°C)
  • Fazit: nur für Raumfahrt machbar, für Laien nicht handhabbar

Transport:

Kryogen

  • Vorteil: kein Bau von Pipelines nötig
  • Nachteil: technisch enorm aufwändig
  • Fazit: nur für Überseetanker denkbar

Pipelines

  • Vorteil: technisch machbar
  • Nachteil: Leitungsverluste, Infrastruktur muss gebaut werden
  • Fazit: machbar, aber Wasserstofftankstellen müssen dort gebaut werden wo die Leitung steht

Antrieb:

Wasserstoff + Verbrenner

  • Vorteil: bekannte Technik
  • Nachteil: schlechter Wirkungsgrad, Abgase
  • Fazit: kaum Vorteile gegenüber Verbrenner, Sackgasse

Wasserstoff + Brennstoffzelle + Hybridbatterie + Konverter + Elektromotor

  • Vorteil: keine Abgase
  • Nachteile: aufwändige Technologie, wartungsintensive Brennstoffzelle
  • Fazit: machbar, siehe Mirai

Verschiedene technische Zweige scheiden also schon von vornherein aus. Übrig bleibt das was Toyota beim Mirai mit einem hochkomplexen mehrstufigen Hybridsystem beschreitet.
Der Wasserstoff wird in zwei große 100kg schweren Drucktanks eingefüllt. In der Brennstoffzelle wird daraus Strom und Wasser. Der Strom wird über eine NiMH-Batterie gepuffert um immer genügend Strom für die unterschiedlichen Lastzustände beim Fahren mit dem Elektromotor zu haben, da die Brennstoffzelle gleichmäßig gefahren werden muss. Dazwischen ist noch ein Konverter geschaltet, der die Spannung hochtransformiert und Wechselstrom für den Elektromotor liefert. Wie im obigen Video eindrucksvoll zu sehen ist das ganze Auto vorne und hinten mit Antriebstechnik vollgestopft. Die Kette sieht nun wie folgt aus:

Ökostrom: -> Leitung(^) -> Elektrolyse(^50%) -> Wasserstoff: -> Pipelines(^) -> Tankstelle(^) -> Drucktanks(^) -> Brennstoffzelle(^40%): -> Strom -> NiMH-Hybridbatterie(^20%)-> Strom -> Konverter(^) -> Wechselstrom -> Elektromotor: -> Antrieb

Eine lange Kette mit einem Haufen Umwandlungs-, Lagerungs- und Transportverlusten. Allein mit den Verlusten aus Elektrolyse, Brennstoffzelle und Batterie, bleiben vom Ökostrom am Ende nur noch klägliche 20% übrig. Das ist der Hauptgrund, dass das Wasserstoffauto kaum eine Zukunft hat.

Wie sieht es nun mit der Alltagspraxis eines solchen Autos, am Beispiel des Mirai aus:

Vorteile:
– das Tanken an der Wasserstofftankstelle dauert nur 5 Minuten für 500km Reichweite.
– das Tanken soll derzeit noch kostenlos sein

Nachteile:
– Wasserstoff muss und kann nur an Wasserstofftankstellen getankt werden, die sind aber noch sehr dünn gesät und sind in der Errichtung teuer (ca. 2 Millionen pro Stück)
– der Wasserstoff diffundiert durch alle Materialien. Wenn das Auto steht geht ständig Wasserstoff verloren.
– Wasserstoff ist im Gemisch mit Luft hochexplosiv. Der Mirai benötigt deswegen im Innenraum Wasserstoffdetektoren um eine kritische Konzentration zu verhindern.
– der Mirai ist voll mit Antriebstechnik. Die Brennstoffzelle nimmt viel Platz ein. Die Drucktanks nehmen viel Platz ein und sind auch noch schwer. Dazu noch Batterie, Konverter und Elektromotor. Nicht mehr viel Nutzraum für Passagiere und Gepäck. Und für 155 PS hat der Wagen fast ein Gewicht von 2t.
– der Anschaffungspreis liegt ohne Subventionen bei ca. 60.000 US-$
– die Wartung ist intensiv und entsprechend kostspielig: die Wasserstofftanks brauchen regelmäßig eine Druckprüfung, die Stacks der Brennstoffzelle müssen regelmäßig ausgetauscht werden.

Welche Entwicklungsmöglichkeiten hat der Wasserstoffantrieb?

Das Tankstellennetz lässt sich wenn auch teuer sukzessive ausbauen. Eine Versorgung zumindest der Tankstellen wäre vergleichbar dem Erdgasnetz denkbar.
Am schlechten Wirkungsgrad wird nur wenig zu drehen sein. Dem sind physicochemische Gesetzmäßigkeiten vor.
An den schlechten physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff wird sich überhaupt nichts ändern. Da komplettes Einsperren unmöglich ist, wird es immer Verluste geben, immer mehr Korrosion und Alterung und immer Energie für die zusätzliche Sicherheitstechnik (zusätzlich zu den üblichen Sicherheitsanforderungen an ein Auto) aufgebracht werden müssen.
Mit der hochkomplexen Antriebstechnik, die viel Platz braucht, ist auch eine Skalierbarkeit nach unten nicht gegeben. Kleinwagen wird es mit dieser Technik kaum geben.


Vollends absurd wird der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antrieb, wenn man ihn mit dem reinen Batterie-Elektroantrieb als Alternative vergleicht. Die obige Kette im Vergleich:

Ökostrom: -> Leitung(^) -> Konverter -> Batterie(^20%): -> Strom -> Konverter(^) -> Wechselstrom -> Elektromotor: -> Antrieb

Wirkungsgrad: ca. 80%

Und wenn man dann noch den Mirai mit einem Tesla Model S direkt in der Fahrpraxis vergleicht:

Vorteile:
– wesentlich mehr Platz für Passagiere und Gepäck (Frunk & Trunk)
– wesentlich besseres Leistung-Gewicht-Verhältnis
– vergleichbare Reichweite
– abgestellt kaum Entladung der Batterie
– kann am Stromanschluß zu Hause geladen werden -> Wahl von Ökostrom in D
– vergleichsweise preiswertes Superchargernetzwerk für Langstrecke
(200.000€ für 8 Ladepunkte)
– extrem langlebig (keine Wasserstoffversprödung, Vollaluminiumkarosserie,
Antrieb bis zu 2 Millionen km)
– extrem wartungsarm, kaum Verschleißteile beim Antrieb
– relativ wertstabil
– bestechende technische Einfachheit
Nachteile:
– das Laden am Supercharger dauert immer noch bis zu ca. 40 Minuten (Kaffeepause)
– Ladestation (wall box) zu Hause notwendig bzw. zumindest sinnvoll
– ca. 30.000 US-$ teurer (gebraucht aber schon für 60.000 € zu haben, und es gibt viele andere Elektroautomobdelle)
– Batterie altert mit der Zeit, Kapazitätsverlust

Wie sehen die Entwicklungsmöglichkeiten beim Batterie-Elektro-Antrieb aus?

Aufgrund der Einfachheit des Antriebes sind Elektroautos:
– breit skalierbar
– auch von neuen Firmen herstellbar (Konkurrenz)
– Stromtankstellenausbau schnell und kostengünstig (Infrastruktur schon vorhanden bzw. muss nur noch ausgebaut werden, kann sogar von Laien bewerkstelligt werden)

Da die Batteriepreis jährlich zwischen 12 und 14% fallen:
– zunehmend kostengünstiger in der Anschaffung

Die Leistungsdichte der Batterien wird immer höher:
– es kann immer mehr Kapazität verbaut werden -> höhere Reichweiten
– mit Superkondensatoren sind auch extrem schnelle Ladezeiten denkbar


Gesamtfazit:

Das Wasserstoff-Brennstoffzellen-Auto hat eher weniger als mehr Zukunft, vor allem wegen dem schlechten Wirkungsgrad bei Ökostrom als nachhaltiger Energiequelle. Ich bezweifle dass es sich in der Breite jemals durchsetzen wird. Bestenfalls sehe ich eine Nischenlösung für Extremautofahrer (Vertreter/Manager mit nicht mehr als einer Aktentasche), die nicht mehr als 5 Minuten Zeit haben zum auftanken und weite Strecken zurücklegen müssen (was machen die bei Stau?).
Für Otto Normalverbrauchen wird ein solches Auto zu teuer in der Anschaffung und Unterhalt, im Vergleich zum geringen Nutzwert, was das Platzangebot betrifft, sein.

Letzte Frage:
Warum baut Toyota, der größte und (subjektiv) beste Autokonzern der Welt ein solches Irrsinnsauto?

Kunden von Toyota sind weltweit in der Regel zufriedene Kunden. Toyota hat den Autobau nach Henry Ford das zweite mal revolutioniert. Pannenarme, zuverlässige Autos sind das Markenzeichen von Toyota.
Aber Toyota ist eben auch ein klassischer Autokonzern, der sich in ähnlichen Sachzwängen befindet wie die übrige Autobranche. Auch Toyota verdient sein Geld mit Verbrennern, mehr als jeder andere Autokonzern. Folgerichtig hat man schon vor Jahren auf den Hybrid gesetzt um möglichst „sanft“ vom Verbrenner weg zu kommen. Hier hat Toyota den Vorsprung den Tesla bei den Elektroautos hat. Die Entwicklung des Mirai ist da nur folgerichtig, denn auch er ist in erster Linie ein Hybridauto. Hybridautos sind der letzte Aufschrei der Automobilindustrie ihre Marktmacht zu behalten. Man könnte den Mirai auch als Verzweiflungstat betrachten.
Letztlich ist das auch eine Prestige-Frage für Toyota und die Antwort auf die Frage „Warum leckt sich der Hund die Eier?“: weil er’s kann. Niemand außer Toyota ist (derzeit) in der Lage ein solch komplexes Auto in Serie zu produzieren. Es mag den ein oder anderen Nachahmer geben, aber allen wird kein großer Erfolg beschieden sein. Wenn die Batterie-Elektroautos so günstig geworden sind, dass sie auch die Benziner und Diesel trotz billigen Öls in Anschaffung und Unterhalt hinter sich lassen, wird das Wasserstoffauto nur noch eine Randnotiz sein. Viele neue Hersteller werden sich den ohnehin schrumpfenden Automarkt unter sich aufteilen und die Bedeutung der etablierten Autokonzerne rapide sinken.

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5 Antworten zu Wasserstoff – Brennstoffzelle – Toyota Mirai

  1. cassiel schreibt:

    Ergänzung/Korrektur: Der Mirai ist genau genommen nicht das erste Serienfahrzeug mit Brennstofftzelle. Hundai produziert bereits seit 2013 den ix35 als H2FCEV in Kleinserie, der sogar in Deutschland siet Mitte 2015 zum Verkauf angeboten wird. Allerdings kann auch hier von keinem durchschlagenden Erfolg gesprochen werden. Bis dato wurden nur wenige hundert Fahrzeuge in ganz Europa ausgeliefert. Die Gesamtzahl der in Deutschland zugelassenen H2FCEV liegt in der gleichen Größenordnung. Der Preis von derzeit um die 60.000 EUR kann auch nicht als attraktiv gelten. Dafür hat der ix35 als SUV sicher mehr Platz als der Mirai.
    Der Verbrauch liegt bei ca. 0.95kg H2 auf 100km NEFZ. Ein Marktpreis für H2 wird von ca. 10 EUR pro kg aufgerufen. Bei einem Elektroauto mit Batterie (BEV) mit ca. 20kWh/100km sind das bei 0,25EU/kWh nur 5 EUR. Angesichts des schlechten Wirkungsgrades von H2 muss selbst da noch von einer Subventionierung gegenüber dem Strom ausgegangen werden.

    Ein weiterer Aspekt von H2FCEV: für die Brennstoffzelle wird teures und seltenes Platin benötigt. Lithium für Batterien ist dagegen im Überfluß vorhanden.

    Interessant sind auch die Hochglanz-Verlautbarungen der Wasserstofflobby. 2013 wurde als Absichtserklärung 50 Wasserstofftankstellen der „clean energy partnership“ (CEP) in Deutschland bis 2016 vereinbart. Aktuell sind es gerade mal 16 in ganz Deutschland, 12 davon in Berlin, Hamburg und Stuttgart. Und jede dieser Tankstellen hat auch noch ein begrenzte Kapazität von maximal 1200 Kfz-Betankungen pro Tag, die aber für die vielleicht 300 H2FCEV locker ausreichen – sofern diese nicht zu weit weg von diesen Tankstellen fahren. Das Henne-Ei-Problem der Wasserstoff-Auto-Infrastruktur ist selbst für ein Konsortium im dem alles was im deutschen Automobilbereich Rang und Namen hat vertreten ist, wohl eine Nummer zu groß.
    An der Schukosteckdose zu Hause kann dagegen schon jeder sein BEV über Nacht aufladen und allein damit – ganz ohne Schnelllader – 90% aller und noch mehr der Alltags-Fahrten bewältigen.

    Interessant ist auch der Blick auf den Automarkt wie bei mobile.de:
    von 1.6 Millionen derzeit angebotenen Fahrzeugen sind 3.000 Elektrofahrzeuge (BEV) und gerade 8 sind H2FCEV, alle der ix35. Der Abstand beträgt bei allen ziemlich genau drei Größenordnungen bzw. Promillebereich. BEVs liegen aber schon in der Größenordnung von CNG- und LPG-Autos (5.000 bzw. 12.000) Hybride liegen bei ca. 8.000.

  2. cassiel schreibt:

    Und die Bundesregierung verpulvert mal wieder dreistellige Millionenbeträge für eine Dinosauriertechnologie. Und das mit einer Physikerin als Bundeskanzlerin. Da kann man echt nur mit dem Kopf schütteln. Naja, das Geld der Bürger ist ja nicht weg, das bekommen nur andere für sinnlose Forschungsprojekte in den Rachen geworfen. Umverteilung – business as usual.

  3. cassiel schreibt:

    Was sich vorher „clean energy partnership“ nannte, nennt sich jetzt „H2 mobility“. Und statt von 2013 bis 2016 bundesweit 50 Wasserstofftankstellen versprechen und nur 16 zustande bringen (davon 12 in drei Großstädten) , verspricht man bis 2018 gleich mal 100. Dann werden sie vielleicht gerade mal 32 schaffen – wenn überhaupt.
    Die Glaubwürdigkeit der Wasserstoffrenomisten dürfte sich damit weiter nahe der Nullmarke bewegen, noch deutlich unter dem schlechten Gesamtwirkungsgrad.

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