Ist das FCEV die Lösung für die Elektromobilität?

Fahren Elektroautos nur mit Batterie oder Brennstoffzelle besser? Derzeit setzen Autobauer vor allem auf reine Elektroautos. Aber bietet nicht das Brennstoffzellenfahrzeug mehr Vorteile? Eine Analyse. 

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Wenn wir den Klimawandel in den Griff bekommen wollen, dann müssen wir uns um klimaschonende Mobilität und Alternativen zu fossiler Antriebsenergie kümmern. Derzeit kreist die Debatte bei alternativen Antrieben stark um die Frage, ob Elektrofahrzeuge am besten mit Brennstoffzellen oder mit Lithium-Ionen-Batterien fahren. Die Antwort auf diese Frage wird von Faktoren wie Alltagstauglichkeit, Kosten und Nachhaltigkeit bestimmt. 

Aktuell scheint das Rennen zwischen Brennstoffzelle und Lithium-Ionen-Akku gelaufen: reine Elektrofahrzeuge (BEV), Hybridfahrzeuge ausgenommen, dominieren die Neuzulassungen, und Ladesäulen findet man viele, während Wasserstofftankstellen rar gesät sind. Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) sind teurer und Wasserstoff als Kraftstoff kostet mehr als Strom. Ist also alles klar? Nicht ganz. Denn schaut man sich die Brennstoffzelle noch einmal genauer an, dann ergibt sich ein differenziertes Bild. Wir haben die Vor- und Nachteile der Antriebsvarianten für das Elektroauto für Sie zusammengestellt. 

Wie umweltfreundlich sind BEV im Vergleich zu FCEV?

Für den Vergleich Strom und Wasserstoff gilt: Je grüner die Energiequelle, desto besser die Umweltbilanz. Im Öko-Vergleich zu Elektroautos hat es die Brennstoffzelle derzeit daher schwer: Zunächst muss aus Strom Wasserstoff erzeugt werden. Dieser wird ins Auto getankt, im Auto wird aus Wasserstoff wieder Strom erzeugt. Diese doppelte Umwandlung senkt die Effizienz deutlich. Wer mit dem gleichen Strom direkt die Batterie seines Elektroautos lädt, fährt sparsamer und somit auch umweltfreundlicher. Allerdings könnte das in Zukunft anders aussehen. Sobald der Strom überwiegend aus Sonne, Wind und Wasser produziert wird, wird ein Brennstoffzellenauto konkurrenzfähig, da es bei der Herstellung weniger Ressourcen als ein batteriebetriebenes Elektroauto verschlingt.

Eine aktuelle Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) im Auftrag der H₂ Mobility scheint das zu bestätigen: Demnach sind ab einer Reichweite von 250 Kilometern Pkw mit Wasserstoff und Brennstoffzelle klimafreundlicher als Batteriefahrzeuge. Der entscheidende Faktor sei der wesentlich größere CO₂-Rucksack, den Batterieautos durch die Produktion der Batterie tragen müssen, so die Forscher. Der Treibhausgas (THG)-Fußabdruck von Produktion und Recycling eines Brennstoffzellensystems inklusive Tank entspreche etwa dem eines Elektroantriebs mit einer 45 bis 50 kWh Speicherkapazität, heißt es. Für Autos mit größeren Batterien werden mehr THG-Emissionen ausgestoßen als für das Brennstoffzellensystem in einer vergleichbaren Leistungsklasse. 

Untersucht wurden in der Studie die erzeugten THG-Emissionen bei Herstellung, Betrieb und Entsorgung von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen mit Reichweiten ab 300 Kilometer, für die Zeiträume 2020 bis 2030 und 2030 bis 2040. Die Studie macht aber auch Einschränkungen. So sei unter anderem das Verbesserungspotenzial bei der Herstellung wichtiger Materialien (Platin, Aluminium etc.) nicht berücksichtigt worden. Zudem empfiehlt die Studie neben den THG-Emissionen noch weitere Wirkungskategorien zu untersuchen, etwa den Flächen- und Wasserverbrauch. Auch sei die Umweltwirkung für die Errichtung der Mobilitätsinfrastruktur nicht betrachtet (Ladeinfrastruktur, H₂-Verteilung, etc.) und eine Second-Life-Nutzung von Batterien und Brennstoffzellen nicht eingerechnet worden. 

Zusammengefasst bedeutet das: Elektrofahrzeuge mit mittleren bis kleineren Batterien (<50 kWh Speicherkapazität) und Reichweiten bis 250 Kilometer senken die Emissionen im Verkehr. Für höhere Reichweiten haben Brennstoffzellenfahrzeuge aus Sicht des Klimaschutzes zunehmende Vorteile. Der THG-Fußabdruck beider Alternativen hängt stark von dem der Produktion der Batterien beziehungsweise des Wasserstoffs ab.

Woher kommt der Strom? Sind Engpässe im Stromnetz möglich?

Basierend auf der aktuellen Situation des Strommarktes in Deutschland sind laut Berechnungen des ADAC mittelfristig keine größeren Probleme zu erwarten. Denn zehn Millionen Elektroautos würden einen zusätzlichen Strombedarf von circa 5,6 Prozent bedeuten. Zudem könnten Effizienzsteigerungen und Energieeinsparungen zur Beleuchtung sowie in Gebäuden und Industrieanlagen einen Teil des Mehrbedarfs der Elektromobilität kompensieren. 

Die Gefahr der lokalen Netzüberlastung steige laut ADAC aber mit der Anzahl an Elektrofahrzeugen. Insbesondere die Verteilnetze, die den Strom auf der "letzten Meile" zum Endkunden liefern, sind der zusätzlichen Nachfrage durch Haushalte mit Elektroautos nicht gewachsen, wie das ZEW Energiemarktbarometer 2018 herausgefunden hat. Auch die Analysten der Beratungsfirma Oliver Wyman haben in der Studie "Der E-Mobilitäts-Blackout" zusammen mit Forschern der TU München vorgerechnet, dass die deutschen Niederspannungsnetze einem kommenden Boom von Elektroautos nicht gewachsen seien. Ab einem Anteil von 30 Prozent Elektroautos würden diese das örtliche Verteilnetz überlasten und lokale Stromausfälle provozieren, sobald viele Fahrzeuge zur gleichen Zeit geladen werden. Allerdings könnten bidirektionales Laden und intelligentes Lastmanagement Abhilfe schaffen. Hier gilt es aber zu klären, welche rechtlichen Konsequenzen das bidirektionale Laden hat und wie sich das häufige Be- und Entladen auf die Alterung von Batterien auswirkt.

Um Wasserstoff zu gewinnen, müssen große Mengen an Energie aufgewendet werden. Heute wird Wasserstoff meist mithilfe von Dampfreformierung erzeugt. Dabei reagiert kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit Wasserdampf, was aus Klimagesichtspunkten kein großer Gewinn ist, da wieder Kohlendioxid entsteht. Daher ruhen die Hoffnungen vieler Experten auf der Elektrolyse. Überschüssiger Strom aus Windkraft und Solarenergie kann mithilfe von Elektrolyse in Wasserstoff verwandelt und so entweder gespeichert oder vielfältig weiterverwendet werden. Bei erneuerbaren Energien via Elektrolyse ist der gesamte Produktionspfad im Gegensatz zur konventionellen Erdgasreformierung nahezu vollständig emissionsfrei. Wasserstoff, der mittels Elektrolyse aus Ökostrom und Wasser erzeugt wird, dient als Ausgangsstoff für alle Power-to-X-Technologien. Mit Power-to-X lässt sich beispielsweise Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge herstellen. Wasserstoff lässt sich also vielfältig einsetzen. Aber auch durch das Einbinden der Fahrzeugakkus in das Stromnetz kann Überschussstrom besser genutzt werden.

Allerdings sind das Elektrolyse-Verfahren und die anschließende Wasserstoffverflüssigung sehr energieintensiv, da fast die Hälfte der eingesetzten Energie dabei verloren geht. Überhaupt kommt das mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeug nur auf eine Energieeffizienz von rund 26 Prozent, batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge erreichen rund 69 Prozent. Das bedeutet: Um den Energiebedarf der FCEV zu decken, müsste die Ökostrom-Produktion um ein Vielfaches stärker ausgebaut werden als für BEV – was wiederum Folgen für den Flächenverbrauch, Materialeinsatz und die gesamte Umweltbelastung hat. 

Gibt es genügend Rohstoffe?

Laut Öko-Institut übertreffen die Vorkommen von Lithium, Kobalt, Nickel, Grafit (Batterien) und Platin (Brennstoffzellen) den Bedarf deutlich. Engpässe könnte es aber geben, wenn die Förderstätten dazu nicht rechtzeitig erschlossen werden. Zudem müssen Umwelt- und Sozialprobleme gelöst werden. Insbesondere Kobalt gilt als "schmutziger" Rohstoff. Über die Hälfte des weltweiten Kobalts kommt aus dem Kongo. In den Minen werden oft Kinder als billige Arbeitskräfte eingesetzt, berichtet Amnesty International. Darüber hinaus belastet die Kobalt-Förderung die Umwelt. 

Auch der Lithiumabbau hat Konsequenzen, insbesondere für die Bevölkerung in Bolivien, Chile und Argentinien, wie "Brot für die Welt" untersucht hat. Rund zwei Millionen Liter Wasser werden benötigt, um eine Tonne Lithium herzustellen. In der Folge sinkt der Grundwasserspiegel in dem sogenannten Lithiumdreieck, die Vegetation vertrocknet, Böden versalzen und endemische Vogelarten wie Flamingos sterben aus. Zudem wird der Lebensraum indigener Gemeinschaften zerstört. Der größte Teil des Platins lagert hingegen im sogenannten "Platingürtel" Südafrikas, auch sein Abbau trägt zur Umweltverschmutzung bei und ist mit Menschenrechtsverletzungen verbunden.

Wie steht es um die Lade‑ und Betankungsinfrastruktur?

Durch die höhere Energiedichte, mit der der Wasserstoff im Tank gegenüber der elektrischen Energie in der Batterie gespeichert werden kann, bieten diese den Vorteil höherer Reichweiten. Brennstoffzellen-Autos können in rund drei Minuten für Reichweiten von 500 bis 800 Kilometer betankt werden. Allerdings ist Voraussetzung für das schnelle Tanken, dass man überhaupt eine H₂-Station findet. Aktuell gibt es laut Now GmbH 71 eröffnete H₂-Tankstellen in Deutschland. Zum Vergleich: Die Anzahl der Ladestationen in Deutschland liegt laut Statista-Daten derzeit bei rund 15.880.

Wie lange bei einem Elektrofahrzeug das Laden dauert, hängt vor allem von der Batteriekapazität sowie der Ladeinfrastruktur, also der Säule, der Station oder dem Stromanschluss ab. So braucht ein durchschnittlicher Akku an der heimischen Steckdose über zehn Stunden, bis er wieder aufgeladen ist. Doch es geht auch schneller: Im Rahmen des Projektes Fastcharge wurde der Prototyp einer Ladestation mit einer Leistung von bis zu 450 Kilowatt eingeweiht. Elektro-Forschungsfahrzeuge demonstrierten an dieser Ultra-Schnellladestation Ladezeiten von weniger als drei Minuten für die ersten 100 Kilometer Reichweite beziehungsweise 15 Minuten für einen vollen Ladevorgang (10 – 80 Prozent State of Charge (SOC)). Mit größeren Ladeleistungen rückt aber auch stärker das Thermomanagement von Batterien in den Fokus der Entwicklung. Hier ist entscheidend, wie die wachsende Verlustwärme weggekühlt werden kann, um eine lange Lebensdauer der Batterie sicherzustellen und das Durchgehen einzelner Zellen auszuschließen. 

Zusammengefasst bedeutet das: Ladesäulen können laut Springer-Autor Jürgen Rechberger wesentlich einfacher und kostengünstig aufgestellt werden, erklärt er im Kapitel Grundlagen der Brennstoffzellentechnologie aus dem Buch Grundlagen Verbrennungsmotoren. Ein großer Teil davon seien allerdings ganz normale Ladesäulen. Schnellladesäulen hätten extrem hohe Anschlussleistungen, die eine enorme Belastung für die bestehenden Elektrizitätsnetze darstellten, so der Autor. Wasserstoff könne hingegen in großen Mengen unproblematisch in Pipelines transportiert werden, auch im bestehenden Erdgasnetz. Aufgrund der kurzen Betankungszeit sei auch eine hohe Kundenakzeptanz gegeben und eine Zapfsäule könnte am Tag bis zu 250 Fahrzeuge versorgen. Im Vergleich dazu könnten bei einer herkömmlichen Ladesäule nur vier bis sechs Fahrzeuge und an einer Schnellladesäule 60 bis 80 Fahrzeuge geladen werden. Die Wasserstofftankstelle benötige dafür ungefähr 50 Kilogramm Wasserstoff pro Stunde und die Schnelladesäule eine permanente Anschlussleistung von 300 Kilowatt. Speziell in urbanen Räumen wird es laut Rechberger wahrscheinlich wesentlich kostengünstiger sein, eine Wasserstoffinfrastruktur aufzubauen, als komplett neue Elektrizitätsnetze für die benötigte Anzahl an Schnellladesäulen.

Wohin mit den Antriebsbatterien und Brennstoffzellen?

Batterien von Elektroautos sind Sondermüll. Laut Batteriegesetz müssen Batteriehersteller beziehungsweise -Händler diese zurücknehmen und verwerten. Technologisch gesehen sind Recyclingverfahren für Lithium-Ionen-Antriebsbatterien bereits heute verfügbar. Dadurch können laut ADAC aus Antriebsbatterien bis zu 95 Prozent der relevanten Funktionsmaterialen Kobalt, Nickel, Lithium und Kupfer zurückgewonnen werden. Da sich die Recyclingprozesse allerdings in einem frühen Stadium der Entwicklung befinden, ebenso die gesetzlichen Rahmenbedingungen und Logistikkonzepte, ist das Recycling der Batterien derzeit aber noch eine große Herausforderung, wie die Springer-Autoren im Kapitel Recycling of Batteries from Electric Vehicles aus dem Buch Behaviour of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles betonen. 

Antriebsbatterien, die für ihren Einsatz im Fahrzeug nicht mehr leistungsfähig genug sind, können auch im "Second life" noch viele Jahre als stationäre Stromspeicher verwendet werden. Allerdings herrscht Uneinigkeit darüber, ob alte Akkus besser direkt recycelt oder als Second-Life-Batterien weiterverwendet werden sollen. 

Aus einer Brennstoffzelle kann das Platin nach Ablauf der Lebensdauer fast vollständig zurückgewonnen werden, es werden Recyclingraten von über 98 Prozent erreicht. Eine weitere Herausforderung besteht durch die Charakteristik von Brennstoffzellen und einer geringen Eignung für hochdynamische Lastwechsel, wie sie im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs vorliegen. Daher werden heute nach wie vor Lithium-Ionen-Batterien als Pufferspeicher in Brennstoffzellenfahrzeugen verbaut, was zusätzlich beim Recycling, aber auch bei der Gesamtökobilanz des Brennstoffzellen-Fahrzeugs berücksichtigt werden muss.

Was bedeuten BEV und FCEV für die deutsche Autoindustrie?

Während die Forschung zu und Produktion von Lithium-Ionen-Zellen fest in asiatischer Hand liegen und die Batteriepackproduktion hohe Investitionen erfordert, kann es der deutschen Automobilbranche mit dem Brennstoffzellenantrieb gelingen, einen wesentlichen Teil der Wertschöpfung zurück ins Haus zu holen, die mit der Batterie-Elektromobilität verloren geht. Dabei ist die Serienfertigung eines Brennstoffzellenstacks kein großes Thema mehr, das Senken der Kosten für den Wasserstofftank ist die größere Herausforderung, erklärt Andreas Burkert im Report Die Brennstoffzelle – Zwischen Euphorie und Ernüchterung aus der MTZ 7-8-2019.

Fazit

BEV sind die effizienteste Methode, um erneuerbaren Strom in Fahrleistung umzusetzen. Deswegen ist dieses Konzept speziell für kleinere und leichtere Fahrzeuge ideal. Nachteilig sind aber die längeren Beladezeiten. Diese könnten künftig aber kürzer werden. Begrenzt werden die Ladezeiten dabei weniger von der Batterietechnologie, sondern vielmehr von der Leistungs- und Energiebereitstellung der Ladeinfrastruktur. FCEV sind immer dort von Vorteil, wo die direkte Nutzung von Strom nicht oder nur schwer möglich ist und wo lange Distanzen zurückgelegt werden müssen. Die Betankungszeit ist schnell, Wasserstoff kann speziell im urbanen Umfeld einfacher zur Verfügung gestellt werden und bereits wenige Tankstellen versorgen eine sehr große Fahrzeugflotte. Ein großer Vorteil von Wasserstoff ist zudem, dass er universeller Energieträger und Speicher ist. Die Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff ist Bindeglied zwischen erneuerbarem Strom, anderen Energieträgern und Grundstoffen. Ressourceneinsatz und -abhängigkeit ist beim Brennstoffzellenantrieb vergleichsweise gering. Hingegen ist der Lithiumabbau für die Batterie im BEV, aber auch für die kleine Puffer-Batterie im FCEV, enorm umweltschädlich. Die Brennstoffzelle bietet die Chance, die Fertigungstiefe der deutschen Autohersteller zu erhalten. Bei BEV ist diese geringer, da die Batteriezellen bislang aus Asien kommen. 

Was bedeutet das nun für den Vergleich BEV versus FCEV? Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge ergänzen sich. Beide Antriebsvarianten haben ihre Berechtigung. Der große Vorteil des Wasserstoffs ist aber, dass er als transportabler und stationärer Speicher für große Energiemengen im Rahmen der Energiewende kaum zu schlagen ist. Generell gilt aber: Die Verkehrswende darf sich nicht auf den Austausch der fossilen Antriebsenergie durch erneuerbare beschränken. Auch die Anzahl der Fahrzeuge muss verringert werden.