Bei der Definition von Antriebstechnologien kennen wir die Verbrennungsmotoren und die Elektromotoren. Wie sortiert sich hier ein Wasserstoffauto ein?

Hinweis: Der Artikel ist noch im Entwurf … im Zweifel nochmal später reinschauen, ob hier Änderungen vorgenommen wurden!

Ergänzend zu den zuvor genannten Antriebstechnologien gibt es noch weitere Arten von Motoren. Hier die Übersicht aller mir bekannter Motoren. Dabei ist der Begriff Motor als Kraftmaschine zu verstehen, also die Umwandlung von einer Energie in Bewegung. Den Artikel hinterlege ich mit Quellen aus Wikipedia. Ich versuche hier die möglichen oder auch gebräuchlichen Energielieferanten zu benennen:

• Verbrennungsmotor
  • Benzin
  • Diesel
  • Gas (Erdgas, Butan, Propan, Wasserstoff)
  • Alkohol
  • Staub (Kohle, Holz)
• Elektromotor
  • Batterie (im Deutschsprachigen Raum auch fälschlicherweise als Akku (ist nur eine Zelle) bezeichnet)
  • Generator (Umwandlung Kraft in Strom)
    • Wärmequellen jeder Art
    • Wasserkraft – nicht wirklich mobil nutzbar
    • Windkraft – nicht wirklich mobil nutzbar
    • Solare Energie – nicht wirklich mobil nutzbar
    • Verbrennungsmotor
  • Brennstoffzelle
    • Wasserstoff
    • Alkohol
  • Solarzelle (Photovoltaik) – nicht wirklich mobil nutzbar
• Stirling Motor
  • Wärmequellen jeder Art
• Raketenmotoren (Triebwerke)
  • Feststoffe (u.a. Schwarzpulver)
  • Wasserstoff
  • Kerosin
  • … Raketentreibstoff
• Dampfmotor /-maschine
  • Wärmequellen jeder Art
• Gas-/Dampfturbine (sind nicht identisch, werden aber hier gemeinsam betrachtet)
  • Wärmequellen jeder Art
  • Umsetzung von Verbrennungsgeschwindigkeiten

Folgende Dinge sind zu der Tabelle zu bemerken: „nicht wirklich mobil nutzbar“ bezieht sich auf die Nutzung der Quelle bei gleichzeitiger Abnahme der Leistung. Eine Solarzelle (PV) kann für die Lüftung oder Klimatisierung eines Autos aber durchaus funktionieren (wird sich aber finanziell kaum rechnen – Stand 2021). Die Auflistung der Wärmequellen möchte ich nicht vorenthalten, da es hier interessante Alternativen gibt:

• Wärmeenergie (wird auch in herkömmlichen Kraftwerken genutzt)
  • Natürliche Wärmequellen (Bodenwärme, Solare Wärme) – ist nicht/schlecht mobil nutzbar.
  • Atomare Wärmequellen (gebräuchlich bei U-Booten)
  • Verbrennungswärmequellen (Holz, Kohle, Gase)

Auffällig ist, dass der Wasserstoff bei zu mindestens 2 Antriebsarten direkt und bei 2 Antriebsarten indirekt auftaucht:

• direkt Nutzung von Wasserstoff zum Betrieb des Motors
  • Verbrennungsmotor
  • Raketenmotor
• indirekte Nutzung von Wasserstoff
  • Elektromotor durch Erzeugung von Strom aus chemischen Reaktionen in einer Brennstoffzelle
  • Elektromotor durch Einsatz von Wasserstoff bei Verbrennung (Turbine oder normale Wärmequelle)

Also was ist nun ein Wasserstoff-Auto?

Ich kann es nur in Form der gebräuchlichen Alternativen erklären:

• Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (Ottomotor), was anstelle von den üblichen Kraftstoffen/Betriebsstoffen (Benzin, Diesel, Erdgas, LPG) mit Wasserstoff betankt wird.
• Fahrzeug mit einem Elektromotor, was neben einer kleinen Batterie (die ist nötig) einen Brennstoffzelle enthält, die mit Wasserstoff und Sauerstoff (meist gereinigt/gefiltert aus der Umgebungsluft) betrieben wird. Diese Fahrzeugkategorie wird mit Brennstoffzellenfahrzeug (engl. Abk. FCV/FCEV) bezeichnet. Der Name Wasserstoff kommt hierbei in dem Namen nicht vor (Brennstoffzellen können auch mit anderen Gasen und Flüssigkeiten (Alkohole) betrieben werden). Korrekt wäre also Wasserstoff betriebenes Brennstoffzellenfahrzeug.

BMW, Mercedes et. al. haben im Bereich der PKW Ende des letzten Jahrtausends erkannt, dass der Betrieb von Verbrennungsmotoren (engl. Abk. ICE) mit Wasserstoff aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen keinen Sinn macht. Die Gründe gelten heute noch unverändert: Hohe Kosten für Wasserstoff (derzeit subventioniert auf 10€/kg), geringer Wirkungsgrad. Im Großmotorenbereich gibt es immer noch Hoffnungsträger, da bei konstanten Lasten derzeit schon ordentliche Wirkungsgrade zu erzielen sind (Fa. Keyou). Bei der Thesen auf der Webseite: „Nur mit Wasserstoff als Energiespeicher und Kraftstoff ist eine erfolgreiche Energie- und Mobilitätswende möglich“, „Der Wasserstoffspeicher ist dem batterieelektrischen Speicher um Jahrzehnte voraus.“ und „Die Batterie bleibt die Schwachstelle bei Elektrofahrzeugen“ habe ich aber so meine Probleme und sind m.E. so nicht haltbar.

Auch dass die Produktion von Wasserstoff schon seit 1808 ein „etablierter industrieller Prozess“ ist, macht Wasserstoff nicht besser – sondern leider das Gegenteil! Wasserstoff wird überwiegend (Schätzungsweise 99%) aus Dampfreformation mittels (Erd-)Gas gewonnen (Quelle: Air Liquide).

Wie wir aus der Schule wissen ist jegliche Umformung von Energien mit Verlusten behaftet! So ist der Verlust bei der Erzeugung von H2 bei 20-30%, bei der Nutzung in der Brennstoffzelle treten nochmal 50% Verluste auf (wobei hier unberücksichtigt bleibt, dass bei der Ladung und Entladung der Batterie – bei Beschleunigung und bis zum Starten der Brennstoffzelle ist diese nötig – die gleichen Verluste auftreten, wie beim batterieelektrischen Fahrzeug). Hiermit ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad (inkl. Elektromotor zum Antrieb) von 33% bei Nutzung von grünem Wasserstoff. Bei grauem Wasserstoff (klimaschädlichem) ist der Gesamtwirkungsgrad geschätzt bei knapp 40%. Im gesamten Prozess treten also Verluste zwischen 60 und 70% auf. Leider gibt es keine belastbaren Zahlen, was die Speicherung, Kühlung und Kompression des Wasserstoffs an Tankstellen an Energie zusätzlich benötigt. Fairerweise müssten wir diese Energieaufwände noch umlegen, wodurch die Effizienz von Wasserstoff aber nochmal geringer würde! In verschiedenen Quellen wird dies mit 11% Verlust beziffert.

Demgegenüber berechnet man die Erzeugung von Strom (der gleiche Strom, der zur Erzeugung von grünem Wasserstoff genutzt würde), welcher evtl. weiter (Entfernung) transportiert werden muss (Verluste in Überlandleitungen, Transformatoren etc.), die Ladeverluste durch den Gleichrichter und die Zellchemie mit 15% Verlusten und die umgekehrte Wechselrichtung und Energieeffizienz des Elektromotors ebenso mit 15% Verlusten, was zu einem Gesamtverlust bei einem batterieelektrischen Auto von nur 27% führt.

Aktuellere Zahlen aus 2020 weisen für das batterielektrische Auto einen 1% höheren Verlust beim Transport des Stroms (6% vs. 5%), aber eine deutlich gestiegene Effizienz der Motoren (95% vs. 90%) auf – dieser Vorteil kommt auch den . Dies kann ich als Fahrer eines vergleichbaren E-Auto aus 2016 und 2021 100% unterschreiben! Die Effizienz liegt damit bei 77% (vorher 73%).
Für die E-Autos, die mit einer Brennstoffzelle und einer kleinen Batterie fahren sind die Zahlen sogar gegenüber 2018 deutlicher gestiegen: Die Effizienz liegt jetzt bei 33% (vorher 22%).

Die beiden Vergleiche sprechen für sich. Anbei ein Bild, das die Effizienz der Technologien im Jahr 2020 bildlich darstellt und einen Ausblick auf das Jahr 2050 bietet:

Eine kleine (leider weniger witzige) Side-Note über den 2 stelligen (leider hinter dem 0 Komma) Anteil an grünem Wasserstoff in Relation zur gesamten Wasserstoff Produktion (in 2020):

https://cleantechnica.com/2021/12/22/0-03-of-hydrogen-is-green-hydrogen/