„Elektrochemie und Mobilität: Die Autoindustrie hat eine Vision!“

Hermann Pütter

Effizienzkette Wasserstoff

Solarstrom    Wasserelektrolyse    H2    Brennstoffzelle    Antrieb des Autos

Ist dies eine Option für eine nachhaltige Mobilität? In Abbildung 1 waren schon zwei Zahlen zu sehen, die nachdenklich machen. Sowohl die Erzeugung als auch die Nutzung von Wasserstoff ist schon in der elektrochemischen Zelle mit Energieverlusten begleitet. Man darf die elektrochemische Zelle nicht isoliert sehen, sie ist Bestandteil einer komplexen Anlage. Dutzende von Zellen werden zu Einheiten, sog. Stacks zusammengefasst. Diese Stacks sind Teil einer Gesamtanlage, deren Versorgung und Betrieb auch Energie benötigen. So betragen die Gesamtwirkungsgrade einer Wasserelektrolyse etwa 65% und die eines Brennstoffzelleaggregats im Auto 50%. Auch der Transport und die Speicherung von Wasserstoff brauchen Energie. Von einem MJ Strom über die Kette, Wasserelektrolyse    Transport/Speichern    Brennstoffzelle    Strom, landet im Auto ein Viertel (Abbildung 6). Die Vorteile einer effizienten Energieversorgung im Auto sind also auf dem Weg bis zum Auto fast verloren gegangen.

Abbildung 6: Strom    Elektrolyse    Wasserstoff    Strom: Gesamteffizienz der Umwandlungskette

Bei Benzin und Diesel ist es umgekehrt. Der Weg vom Rohöl bis in den Tank ist trotz aller Zwischenschritte sehr effizient (Wirkungsgrad > 80%). Die meisten Verluste finden im Auto statt, wo nur etwa ein Fünftel der chemischen Energie des Kraftstoffs zum Antrieb genutzt werden.
Das Ressourcenproblem kann also nicht gelöst werden, wenn der ineffiziente Verbrennungsmotor auf diese Weise durch die effizientere Brennstoffzelle ersetzt wird.
Man darf aber das Kind nicht mit dem Bade ausschütten. Wo Wasserkraft im Überschuss vorhanden ist oder wo die Infrastruktur günstig ist, mag sich eine lokale Wasserstoffwirtschaft durchsetzen. Aus diesem Grunde betreiben die Autohersteller etliche Projekte mit Dutzenden von Brennstoffzellenfahrzeugen, um die Praxistauglichkeit unter den entsprechenden Randbedingungen zu testen.
Es gibt Alternativen für die Wasserstofferzeugung. Heute wird Wasserstoff effizienter über Steamreforming aus Erdgas hergestellt (Abbildung 6), in Zukunft könnte Wasserstoff solarkatalytisch direkt aus Wasser gewonnen werden. Ob Erdgas als "Brücke" den Weg in eine solche solare Wasserstoffwirtschaft bereitet, ist offen.

Effizienznetzwerk Strom

Abbildung 1 zeigt, dass Batterien mit hohen Wirkungsgraden entladen und geladen werden. In der Praxis gibt es auch hier Einschränkungen, aber die hohe Gesamteffizienz von einigen Batteriesystemen, dazu gehört auch die Lithium-Ionen-Batterie, ist unbestritten. Trotzdem gibt es ein Problem. Die Energiedichte einer Batterie ist niedrig. Um eine Tankfüllung Benzin durch Batterien zu ersetzen, reicht der gesamte Kofferraum nicht aus. Obwohl ein Elektroantrieb dreimal so genügsam ist wie ein Otto-Motor, ist das der Grund für die enttäuschende Reichweite reiner Batteriefahrzeuge.
Ein guter Kompromiss sind deshalb Hybridfahrzeuge. Im Zusammenspiel von Verbrennungsmotoren, Batterien und Elektromotoren können Schwächen umgangen und Stärken genutzt werden. Besonders attraktiv erscheint das Konzept des Plug-In-Hybrids. Das "Auto an der Steckdose" lädt daheim in der Garage oder auf dem Parkplatz beim Arbeitgeber oder am Supermarkt seine Batterie auf und minimiert damit seinen Kraftstoffverbrauch. Das ist gut für die Stromversorger, schlecht für die Ölscheichs - und schlecht für die übrige Stromkundschaft. Das knappe Gut Strom wird noch knapper.
Optimisten sagen, die komplette Umstellung unserer 50 Millionen Fahrzeuge auf Strom würde den Strombedarf lediglich um 6% steigern. Dies ist aber völlig unrealistisch. Der Energiebedarf für unseren Straßenverkehr ist heute gleich hoch wie unser Stromverbrauch, der bei 1,8 EJ liegt. Wenn sich die Gesamteffizienz des Personenstraßenverkehrs mit der Umstellung verdreifachte, würde Strombedarf um ein Drittel ansteigen.
Aber es gibt auch Chancen. Neue Kommunikationssysteme können viele (kleine und mittelgroße) Stromanbieter zu einem "virtuellen Kraftwerk" zusammenschließen und über ein so genanntes Smart Grid mit den Abnehmern verbinden. So werden Windkraft und Solarstrom optimal genutzt. Zur Pufferung des intermittierenden Stromangebots sind Stromspeicher nötig. Plug-In-Hybrids mit leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien wären deshalb geeignete Bausteine in einem solchen Smart Grid.
In Demonstrationsprojekten werden solche Konzepte heute auf ihre Verwertbarkeit geprüft werden.

Wasserelektrolyse und synthetische Biokraftstoffe

Eine elegante Speicherform für Strom wären Kraftstoffe. Zur Konferenz in Kyoto haben japanische Forscher in einem Projekt aufgezeigt, dass CO2 in der Kombination Solarstrom-Wasserelektrolyse zu Methanol hydriert werden kann. Der amerikanische Nobelpreisträger George Olah macht ähnliche Vorschläge in seinem vieldiskutierten Buch "Beyond Oil and Gas, the Methanol Economy". Das Brennstoffzellenauto NECAR 5 von Daimler ist erfolgreich mit Methanol als Kraftstoff gefahren. Methanol entsteht nach der folgenden Reaktionsgleichung:

Auch Biomasse soll zu Synfuels oder BtL-Fuels (Biomass-to-Liquid-Fuels) umgewandelt werden (siehe auch: Aktuelle Wochenschau, Woche 12) :

Wie die Reaktionsgleichung zeigt, braucht man auch hier Wasserstoff (siehe auch: Aktuelle Wochenschau, Woche 22 und 30). Hier könnte die Wasserelektrolyse gegen das Steamreforming aus Erdgas bestehen (Abbildung 7). Sie behält auch in kleineren, flexibel belastbaren Einheiten ihre Effizienz weitgehend und kann damit besser in ein dezentrales Netz erneuerbarer Energien eingepasst werden kann: Strom wird zunehmend dezentral erzeugt werden, der Transport von Biomasse im regionalen Umkreis ist demjenigen über weite Strecken meist überlegen, aufwendige H2-Speicher entfallen.
Aber auch hier gilt: Diese Entwicklung hat noch eine Wegstrecke mit vielen Stolpersteinen vor sich und ihr Erfolg hängt von vielen Randbedingungen ab.

Abbildung 7: Biomasse und Wasserstoff: Erhöhung der Synfuel-Ausbeute

Der Weg vor uns

Die Optionen für eine nachhaltige Mobilität, die die Ressourcen schont und das Klima nicht belastet, hängen von vielen technischen und gesellschaftlichen Entwicklungen ab.
Das Auto wird Bestandteil eines Energienetzwerkes sein, das sich seine Energien aus unterschiedlicheren Quellen nimmt. Regenerative, fossile, dezentrale, zentrale, konventionelle und neuartige Bausteine werden zusammengebaut werden. Für die Entscheidungsträger ist es keine leichte Aufgabe, hinter den schönen Visionen die aussichtsreichen Optionen zu erkennen und so die richtigen Entwicklungsschwerpunkte zu setzen.
Die Elektrochemie ist ein gutes Beispiel für die Komplexität der Zusammenhänge.
Abbildung 8 zeigt einige wichtige Randbedingungen, die Kernfragen betreffen:

Abbildung 8 zeigt auch je zwei entscheidende Faktoren für Brennstoffzelle, Wasserelektrolyse und Batterie. Diese sind nicht nur technischer Natur, wie Effizienz, Flexibilität oder Energiedichte.

Abbildung 8: Elektrochemie für eine effiziente Mobilität: Entscheidende Faktoren, wichtige Randbedingungen

Der wichtigste Baustein in jedem Energienetzwerk sind wir Konsumenten. Wir sind auch die eigentlichen Entscheidungsträger. Kann der Markt uns Konsumenten die richtigen Informationen liefern angesichts des Stimmengewirrs aus Industrie, Forschung, Politik, Werbung und Medien?
Der Knackpunkt aller Entwicklungen werden die Kosten sein. Ökonomie und Ökologie gehen Hand in Hand, wenn der Markt alle Kosten transparent macht und berücksichtigt. Mit der Einbeziehung von CO2-Kosten in den Markt ist der Anfang gemacht. Aber was sind die wirklichen Kosten von Strom, Gas und Öl? Steuern, Zölle, Abgaben und Subventionen vernebeln das Thema. Spekulanten und Kartelle verschärfen das Problem. Hier die Steine aus dem Weg zu rollen, wird eine Sisyphusaufgabe bleiben.


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Literaturhinweise

[1] Wasserelektrolyse, Steamreforming: M. Baerns, A. Behr, A. Brehm, J. Gmehling, H. Hofmann, U. Onken, A. Renken, Technische Chemie, Wiley-VCH, Weinheim 2006, Seite 419 ff
[2] Methanol: George A. Olah. A. Goeppert, G.K. Surya Prakash, Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy, Wiley-VCH, Weinheim 2006
[3] Wasserstoff: J.J Romm, Der Wasserstoff-Boom, Wiley-VCH, Weinheim 2006
[4] Elektrofahrzeuge: D. Naunin, Herausgeber, Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge, Expert-verlag, Renningen 2007