Wasserstoffantrieb energetisch betrachtet…

Mirai
Toyota Mirai mit Brennstoffzelleantrieb an der Wasserstofftankstelle
Quelle © Toyota USA

Im Teil 1 der AG über alternative Fahrzeug-Antriebe, der AG „Elektromobilität energetisch betrachtet“, haben wir das eAuto ausführlich untersucht und einen Vergleich mit dem klassischen Antrieb angestrengt. In dem vorliegenden Teil 2 wollen wir unsere Überlegungen auf Wasserstoffantriebe ausdehnen.

Wasserstoff übt eine nahezu magische Faszination aus – längst nicht nur auf Menschen, die dem Gedanken der „grünen“ :mrgreen: Ökologie zugewandt sind. Auch von erklärten Gegnern der sozusagen „Energiewende“ bis hin zu Skeptikern der Elektromobilität höre ich des Öfteren „mit Wasserstoff… das ist dann was völlig anderes, da macht es ja Sinn…“ 😉.

Offenbar ist das Image von Wasserstoff ungebrochen gut, was freilich mitunter auch seinem Namen geschuldet sein dürfte. Denn die Vorstellung, Autos und Maschinen mit nichts als Wasser antreiben zu können und nichts als Wasser durch den Auspuff in die Umwelt zu entlasten, ist und bleibt faszinierend und behält wohl bis auf weiteres sein exzellentes sauberes Image. Dass dies nicht ganz berechtigt ist, insbesondere hinsichtlich energetischer Bilanz nicht, sollte eben die vorliegende AG belegen. Denn um eines vorwegzunehmen: ungebundener Wasserstoff kommt nun einmal nicht in der freien Natur vor, also muss er – ähnlich wie der Strom auch – erst erzeugt werden. Dass letzteres nicht umsonst zu haben ist, sondern vielmehr mit aller Art Aufwendungen, wie monetär, energetisch, ökologisch etc. erkauft werden muss, sollte jedem klar sein. Und da schließt sich aber der Kreis. Denn schon wieder sind wir bei der Frage der Energiegewinnung und auch das Thema Kernenergie holt uns erneut ein; dazu später mehr.

Zunächst wollen wir dem Leser das Hin-und-her Switchen zwischen dem vorliegenden sowie dem vorangegangenen Teil der Studie ersparen, indem wir die Teilprozesse auf dem Wege „vom Bohrloch zum Antriebsrad“ sowie einige Resultate aus dem 1. Teil der AG zitieren:

Wir betrachteten demnach den folgenden Gesamtprozess:

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mit folgenden Teilprozessen:

A. Gewinnung von Ausgangsstoffen, z.B. Rohöl, Erdgas, Kohle, Uran, Thorium, Biomasse, Müll (auch „Atommüll“);

B. Aufbereitung von Ausgangsstoffen (um sie dem Carnot-Prozess zuführen zu können – s. C), z.B. Müll-Konditionierung, Cracking in der Raffinerie, Aufbereitung von abgebrannten Brennelementen, Pulverisierung von sog. „Atommüll“ (zwecks Verbrennung in Flüssigsalzreaktoren oder schnellen Brennern), aber auch Herstellung von Brennstoffen wie z.B. Hydrazin oder Wasserstoff;

C. Carnot-Prozess. Hier wird aus den aufbereiteten Ausgangsstoffen zunächst die (Carnotsche) Input-Energie (Wärme) gewonnen und anschließend in mechanische Energie umgewandelt – mit den bekannten Verlusten des Carnot-Prozesses, etwa in Form von Prozess-Abwärme. Dies geschieht entweder in einem Turbinenwerk (Kraftwerk) oder aber unter der Motorhaube eines konventionell angetriebenen Fahrzeugs.

D. Abgriff der Carnotschen Output-Energie zwecks Stromerzeugung bzw. Fahrzeugbetrieb. Hier wird die zuvor gewonnene Carnotsche Output-Energie entweder direkt als Fahrzeug-Endenergie verbraucht, wie es im konventionell angetriebenen Fahrzeug (kurz „gV“ für „gasoline Vehicle) der Fall ist oder aber erst an die Stromgeneratoren weitergeleitet um Strom für die Endenergie eines eV zu erzeugen. .

Diese Energien der einzelnen (Teil-) Prozesse sowie die korrespondierenden Wirkungsgrade bezeichneten wir im Teil 1 der AG gemäß folgender „Eselsbrücken“:

Ausgangsstoffe;

Bereitstellung;

Carnot;

Drive;

Wir haben schlussgefolgert, dass der Stromer nur dann an den (fossilen) Verbrenner einigermaßen herankommt, wenn man wirklich einen hoffnungslos veralteten Benziner hernimmt, die graue Energie bei der Herstellung von Batterien etc. gerade mal mit 5% zulasten des Stromers beziffert 👿 (was viele Leser bemängelt haben 💡 !) und sonst überall gnädig rechnet… und selbst dann kommt der Stromer an einen solchen Benziner wie gesagt gerade so heran! Der versierte Leser kann mit Fug und Recht vermuten, dass dies beim hV nicht viel anders sein dürfte…

BMW_Hydrogen7E68
BMW Hydrogen 7 E68
Quelle © WikiCommons by Christian Schütt
Die energetische Bilanz dieses inzwischen eingestampften Systems ist aufgrund des doppelten Carnot-Effektes extrem schlecht.

Im 1. Teil der vorliegenden AG „Elektromobilität energetisch betrachtet“, wie auch sonst innerhalb der „AG Energetik“, hätte ich persönlich nie die Ambition gehegt, eine minutiöse Studie z.B. „from Whole to Wheel“ anzustellen. Denn dazu hab‘ ich immer noch weder die Mittel noch die Zeit. Was aber – wie ich meine – recht gut gelang, ist die geeignete Methodik aufzuzeigen: Betrachtet man beispielsweise die „Bestromung“ eines Elektromobils aus einem Dieselgenerator (was ab und zu mal vorkommen soll!), so ist der Gestehungsprozess für einen und denselben (Diesel-) Kraftsoff definitorisch gleich. So kann man die anderen Prozesse viel leichter bilanzieren und Erkenntnisse daraus gewinnen.

Genau diesen Trick mit der, sagen wir dem mal „Symmetrie“, will ich nun auf das Wasserstoffauto anwenden. Dazu betrachten wir zunächst mal die Eingangs zu Teil 1 erwähnte und inzwischen eingestampfte „h“-Flotte von BMW. Die Verbrennung von Wasserstoff in einem Hubkolbenmotor macht die Prozesse C und D aber auch die Heizung H so gut wie identisch. Und wenn wir dann noch die Mehraufwendungen etwa aufgrund der kryotechnischen Tanks o.ä. sowie bei der grauen Energie G unseren h-7’er wohlwollend schenken, so reduziert sich der energetische Vergleich mit dem Benziner auf die Prozesse A und B.:

Und hier kommt es für die „h“-Fans :mrgreen: sowie für meinen Gesprächspartner seinerzeit, s. Teil 1 so richtig dicke. Denn die besten realisierten Verfahren zur Herstellung und anschließender Verflüssigung von Wasserstoff weisen einen Wirkungsgrad von 2/3 auf, bezogen auf den Brennwert. Das wäre noch nicht einmal mehr das Problem gewesen, wäre da im Zähler dieses Quotienten nicht die… Carnotsche Sekundärenergie! Ja, die Elektrolyse (ob von Wasser oder von Kohlewasserstoffen) muss eben – wie der Name schon sagt – mit elektrischer Energie ➡ angetrieben werden, die wiederum, wie wir wissen, nicht ohne Impact, insbesondere nicht ohne Carnot-Effekt zu haben ist!

VorKKM➡ Es ist zwar möglich, Wasserstoff mit rein thermischer Energie zu erzeugen 💡 – allerdings schlägt auch hier der so umgangene Carnot voll zurück. Denn die Temperaturen, die hierfür benötigt werden, sind in den meisten Verfahren eben sehr hoch und folgerichtig läuft die Vorstellung der Verwendung von Prozessabwärme ins Leere. Hinzu kommt noch die graue Energie, die bei den meist technisch sehr anspruchsvollen Anlagen nicht unbeträchtlich ist. Realistisch sind solche Verfahren ohnehin nur bei Einsatz von Hochtemperaturreaktoren und das bedeutet schon wieder „Kernenergie“ :mrgreen:
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Mit anderen Worten: Wir durchlaufen die Prozesse A, B, C und gewinnen (wie beim Elektroauto-Prozess auch) Strom, dann machen wir mit weiterem 1/3 Verlust Wasserstoff daraus (Prozess „K“ steht für „Kryo“) – um ihn anschließend in einem weiteren Carnot-Prozess zu verbrennen… 😳 Der Leser möge bitte selber nachrechnen, dass ein solches System energetisch gesehen um eine ganze Dezimalordnung schlechter als ein Benziner.
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F-Cell-B
Damit nicht der Eindruck einer Schleichwerbung zugusten eines bestimmten Herstellers (und somit der Finanzierung der „AG Energetik“ durch denselben :roll: ) entsteht:
Mercedes B-Klasse mit Brennstoffzellenantrieb.
Quelle © Auto Motor und Sport

Wir hingegen machen uns die Sache schon wieder leichter 😉, indem wir den Stromer „eV“ mit dem (elektrisch „betankten“) Brennstoffzeller „fV“ vergleichen und wodurch wir erneut eine wunderschöne Symmetrie erhalten. Denn die Stromerzeugung ist ja in beiden Fällen definitorisch gleich – Strom ist Strom. Doch während der Batterie-Stromer diesen Strom direkt für den Betrieb nutzen kann, macht das „fV“ einen Umweg eben über den Prozess K, von dem wir ja wissen, dass er 1/3 Energie kostet. Es kommt noch hinzu, dass die Brennstoffzelle höchstens 2/3 Wirkungsgrad aufweist. OK, man muss dem Batterie-Stromer ebenfalls gewisse Verluste anlasten – auch und gerade beim Thema Heizung, aber dies ist mit 15% wohl getan.

Das Ergebnis ist niederschmetternd. Demnach erreicht ein Brennstoffzellenfahrzeug gerade mal die Hälfte der Effizienz eines „Stromers“, von dem wir ja wissen, dass er nie und nimmer ans klassisch angetriebene Fahrzeug herankommt… 😳

Als Fazit aus beiden Teilen der AG halten wir fest, dass alternative Antriebe energetisch gesehen ineffizient sind. Sie machen folglich nur dann einen Sinn, wenn die Energie selber keine große Rolle mehr spielt, wenn sie umweltverträglich und im Überfluss vorhanden ist. Deshalb:

∴ 💡 Alles steht und fällt mit der Kernenergie – auch und insbesondere die alternativen Antriebe. 💡 ∴

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