Ausgebrannt: Das Ende der Brennstoffzelle

Seit vielen, vielen Jahren forscht die Automobilindustrie an einer Technologie, die lange Zeit als Allheilsbringer galt. Verspricht sie doch hohe Reichweiten bei kurzen Tankvorgängen, ebenso wie man es vom Verbrennungsmotor gewohnt ist, bei gleichzeitig Null-Emissionen. Die Rede ist von der Brennstoffzelle – doch so richtig wollte die Technologie nie Fahrt aufnehmen. In diesem Blogeintrag möchte ich die Gründe dafür verdeutlichen – und aufzeigen, warum ich an ein Durchstarten dieser Technologie nicht mehr glaube.

Wie ging es mit der Brennstoffzelle los?

Den Titel des ersten Brennstoffzellenfahrzeugs (kurz: FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle) darf sich der GM Electrovan aus dem Jahre 1966 ans Revers heften. Der Van verfügte über eine respektable Spitzenleistung von 160 kW (218 PS) und eine recht geringe Dauerleistung von 32 kW (44 PS). Damit fuhr das Fahrzeug immerhin bereits 150 Meilen, also 240 km, weit. Aufgrund von Sicherheitsbedenken, wie die Seite GM Heritage Center informiert, wurde der Van nur innerbetrieblich eingesetzt. An eine Serienproduktion war natürlich auch noch nicht zu denken, da das Platin, welches für die Brennstoffzelle benötigt wird, viel zu teuer war und die fehlende Infrastruktur eine Betankung auf öffentlichen Straßen unmöglich machte. Heute, 50 Jahre später, sind die Probleme an dieser Stelle immernoch die gleichen.

Nach dem GM Electrovan passierte dann erst einmal knapp 30 Jahre lang gar nichts, bis Daimler-Benz im Jahre 1994 das NECAR 1 (=New Electric Car) auf Basis des Mercedes-Benz MB 100 vorstellte. Hierbei handelte es sich, wie bei GM, um einen Transporter, dessen Laderaum mit der Brennstoffzellentechnik vollgestopft wurde. Aufgrund des Gewichts der ganzen Technik musste eine LKW-Hinterachse verbaut werden. Die Brennstoffzelle des NECAR 1 verfügte über eine Leistung von 50 kW (68 PS) und eine Reichweite von bescheidenen 130 km.

Zwei Jahre später folgte der NECAR 2, ein auf Basis der ersten V-Klasse (BR638) entwickelts FCEV. Um Platz zu sparen, wurden die Tanks in das Hochdach verlegt, sodass nun bis zu sechs Personen im Fahrzeug Platz fanden. Das Brennstoffzellensystem wurde deutlich verkleinert und eine Tonne leichter und hatte nun durchaus praxisgerechte Ausmaße. Die Reichweite konnte dabei auf 250 km  gesteigert werden.

Die NECAR-Fahrzeuge 3 bis 5 basierten allesamt auf der ersten A-Klasse (BR168). Das System wurde Schritt für Schritt verkleinert, bis es vollständig in den Unterboden der A-Klasse passte und somit der volle Praxisnutzen zur Verfügung stand. Die NECAR-Varianten 3 und 5 verfügten darüber hinaus über einen Reformer, bei dem aus Methanol der Wasserstoff gewonnen wurde. Da Methanol fast wie normaler Sprit getankt werden kann, wird die Betankung und Speicherung des „Kraftstoffs“ deutlich erleichtert. Letztendlich wurde aber die Methanol-Variante nicht weiter verfolgt, da beim Reformprozess Kohlenstoff entsteht und das Fahrzeug damit kein Zero-Emission-Vehicle war.

Der NECAR 4 verfügte in verschiedenen Variante über die zwei anderen Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung. Eine Variante ist dabei die Druckspeicherung, bei dem der Wasserstoff bei 350 bar bzw. heute 700 bar gespeichert wird. Für die Kompression wird natürlich Energie benötigt, welche ungefähr 12% der betankten Energiemenge entspricht.

Die zweite Variante ist die Speicherung des Wasserstoffs in flüssiger Form, was durch Herunterkühlen auf unter -250°C erreicht wird. Hierfür werden extrem gut isolierte Tanks benötigt, da sich sonst der Wasserstoff erwärmt. Dieser wird dann gasförmig und es ensteht ein Druck im Tank, der über ein Überdruckventil abgelassen werden muss. Dadurch leert sich ein solcher Tank in wenigen Wochen komplett. Weiterhin benötigt diese Technologie für die Betankung knapp 20% der getankten Energiemenge. Aus diesen Gründen wird die Wasserstoffspeicherung in flüssiger Form heute nicht weiter verfolgt.

Zurück zur Geschichte: Ab dem Jahr 2000 fingen, neben Daimler-Chrysler, weitere Automobilhersteller weltweit an, FCEV zu entwickeln, darunter Fiat, GM, Honda, Toyota und Volkswagen. Dabei wurden vor allem Versuchsträger und Kleinstserien aufgelegt. Erwähnenswert sind hier noch die Mercedes-Benz B-Klasse F-Cell, die mit ihrer Tour um die Welt im Jahr 2011 die Zuverlässigkeit belegte, sowie der Honda FCX Clarity von 2008, der in Kalifornien in geringer Stückzahl sogar an Privatkunden vermietet wurde. Beide Fahrzeuge zusammen kommen auf eine Stückzahl von ca. 300 (200 B-Klasse und 100 FCX Clarity). Beide Fahrzeuge sind an sich bereits voll alltagstauglich – auch was Fahrleistungen und Reichweite (bis zu 350 km) angeht. Allerdings wurden aus den bereits 1966 bekannten Gründen keine höhreren Stückzahlen realisiert, da die Tankstellen für Wasserstoff immer noch sehr dünn gesäht und die Kosten der Brennstoffzellensysteme ebenfalls weiterhin zu hoch für eine Großserienproduktion waren.

Wie sieht es heute aus?

Zur Zeit gibt es in Deutschland genau zwei FCEV, welche ausschließlich geleast werden können. Ab nächstem Jahr werden vorausichtlich zwei weitere hinzukommen, womit sich das Angebot dann auf 4 Fahrzeuge verdoppelt. Dies wären dann die folgenden:

• seit 2015: Toyota Mirai (erhältlich nur im Leasing)
• seit 2016: Hyundai ix35 FCEV (erhältlich nur im Leasing)
• ab 2017/18: Honda Clarity
• ab 2017/18: Mercedes-Benz GLC F-Cell Plug-In

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Der Hundai ix35 sowie der Mercedes GLC basieren hierbei auf Großserienfahrzeugen. Der Toyota Mirai ist als reines FCEV konzipiert und den Honda Clarity soll es auch als Plug-In-Hybrid (PHEV) und batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) geben.

Alle Fahrzeug sind an sich voll alltagstauglich, man hat nicht das Gefühl in einer Bastelkiste zu sitzen – wie auch in meinem Blogeintrag „Japanische Zukunft“ über den Toyota Mirai deutlich wird. Die Probleme der hohen Kosten und der praktisch nicht vorhandenen Infrastruktur sind dagegen weiterhin vorhanden. Wodurch wir zum nächsten Abschnitt kommen:

Warum geht es nicht voran?

In meinen Augen gibt es vier sehr gute Gründe, warum die Brennstoffzelle nicht so richtig an Fahrt aufnimmt und auch nicht mehr aufnehmen wird:

Grund 1: Die Infrastruktur

Die aktuelle Infrastruktur von Wasserstofftankstellen kann als nicht vorhanden angesehen werden. Es gibt eine handvoll deutschlandweit, von denen allerdings nur wenige öffentlich zugänglich sind – und vor allem auch funktionieren, da Ausfälle ebenfalls nicht selten sind. Man mag entgegnen, dass es aktuell auch nicht gerade viele Lade- bzw. Schnellladesäulen für BEVs gibt – das ist richtig. Allerdings sind die Kosten für eine Wasserstofftankstelle um ein Vielfaches höher als die für eine Ladesäule. Da die Anzahl der Wasserstofffahrzeuge ebenfalls gegen Null geht, rechnet sich die Investition noch viel weniger als in eine Ladesäule, wo der Bedarf deutlich steigend ist. Außerdem ergibt sich bei Ladesäulen der Vorteil, dass ich theoretisch überall ein Kabel aus dem Boden ziehen kann, um dort eine Ladesäule anzuschließen (ganz so einfach ist es natürlich auch nicht, aber prinzipiell stimmt dieses Bild). Es ist also hier eine dezentrale Versorgung möglich.

Bei Wasserstoff sieht das ganz anders aus. Dieser muss zentral erzeugt und verteilt werden – ähnlich der Versorgung mit Benzin und Diesel. Allerdings ist es dadurch deutlich schwieriger und teurer, ein flächendeckendes Netz aufzubauen. Sollte man mit einem FCEV einmal tanken müssen und keine Tankstelle ist in Reichweite, habe ich wenig Chancen, an meine Energie zu kommen (weshalb der GLC als Plug-In über einen On-Board-Lader verfügt). Eine Steckdose findet sich dagegen zur Not überall. Da die Anzahl der BEVs und PHEVs in Deutschland stark steigend ist, gehe ich davon aus, dass etwaige Investitionen daher eher in ein Schnellladenetz als in eine Wasserstoffinfrastruktur fließen werden.

Übrigens ist der aktuelle Status der Wasserstofftankstellen in Deutschland hier einsehbar.

Grund 2: Die Kosten

Die Kosten für die Brennstoffzelle sind ebenfalls immer noch sehr hoch – sonst würden die zur Zeit verfügbaren Fahrzeuge nicht für hohen Beträge verleast werden (ca. 1.200 Euro beim Mirai). Ein Kauf ist in Deutschland derzeit ebenfalls nicht möglich, was üblicherweise auf die hohen Kosten der Fahrzeuge zurückzuführen ist. Dies liegt an der hohen Komplexität der Brennstoffzellentechnik. Prinzipiell benötige ich alle Komponenten, die auch ein BEV benötigt und ein BEV derzeit teuer macht, also E-Maschine, Batterie, Leistungselektronik und ggf. eine Ladeeinheit (wie beim GLC). Zu diesen Kosten addieren sich die Kosten für die Brennstoffzelle, die trotz vieler Optimierungen in der Herstellung immer noch eine hohe Menge an Platin und anderen teuren Rohstoffen benötigt. Eine Kostenreduktion wie bei den Batterien ist derzeit nicht ersichtlich.

Für Kunden lohnt sich daher einfach die Anschaffung eines FCEV noch viel weniger als die Anschaffung eines BEVs. Hinzu kommen die hohen Kosten für den Wasserstoff im Vergleich zu den relativ geringen Stromkosten eines Elektrofahrzeugs.

Grund 3: Wasserstofferzeugung und Umwandlung

Ein grundsätzliches Problem sehe ich im Übrigen in der Wasserstofferzeugung. Wasserstoff kann dabei auf Basis von Erdgas gewonnen werden, wodurch sich allerdings die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern nicht verrringert und zusätzlich CO2 bei der Herstellung entsteht. Das Problem gibt es bei der Stromerzeugung in Deutschland aktuell natürlich aich. Daher muss man sich die CO2-neutralen Lösungen anschauen.

Um Wasserstoff CO2-neutral herzustellen, kann der Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser hergstellt werden. Dazu benötige ich Strom, der wiederum aus CO2-neutralen Quellen stammen muss. Bei der Elektrolyse sind derzeit keine besseren Wirkungsgrade als ca. 40% zu erreichen. Wenn ich aber den Strom aber nun schon CO2-neutral erzeugt habe, dann kann ich diesen auch gleich in eine Batterie laden und umgehe somit die Verluste, die bei der Herstellung des Wasserstoffs anfallen.

Hinzu kommt der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie innerhalb der Brennstoffzelle. Hier liegt der maximal erzielbare Wirkungsgrad bei 50%. Führe ich die Wirkungsgrade aus Erzeugung (40%), Betankung (90%) und Umwandlung in Strom (50%) zusammen, erhalte ich einen (vereinfachten) Gesamtwirkungsgrad von 18%.

Zum Vergleich die (vereinfachte) Wirkungsgradkette beim BEV: Statt mit dem CO2-neutralen Strom Elektrolyse durchzuführen, lade ich diesen in mein BEV, was mit min. 90% Wirkungsgrad möglich ist. Um den Strom dann an die E-Maschine abzugeben, kann ich ebenfalls mit einem pessimistischen Wirkungsgrad von 90% rechnen. Dies ergibt dann einen Gesamtwirkungsgrad von 81% – das sind Welten im Vergleich zum FCEV.

Die Elektrolyse kann allerdings dann sinnvoll sein, wenn aufgrund der schwankenden Erzeugung von Ökostrom zu viel Strom im Netz ist und dieser gerade nicht aufgenommen werden kann. Mit diesen Stromspitzen kann dann Wasserstoff erzeugt werden, welcher dann entweder gespeichert oder ins Erdgasnetz als CO2-neutraler Bestandteil eingespeist werden kann.

Grund 4: Die Industrie

Meines Erachtens hat sich die Automobilindustrie, aus den genannten Gründen, bereits von der Brennstoffzelle verabschiedet. Durch die Kostenreduktion bei den Batterien, die bald möglichen Reichweiten von über 400 oder 500 km, sowie die bald zu erwartende Reduktion der Nachladezeit und die wachsende Anzahl an Ladesäulen insgesamt hat viele Nachteile der BEVs inzwischen eliminiert bzw. sorgen dafür, dass die Nachteile bald eliminiert sein werden.

Das haben auch die Hersteller erkannt, weshalb sogar Toyota, bisher großer Verfechter der Brennstoffzellentechnologie, ab 2020 eine Plattform für elektrische Fahrzeuge angekündigt hat. Es ist sicherlich auch kein Zufall, dass der Honda Clarity auch als BEV angeboten wird, obwohl Honda ebenfalls zu den Pionieren der Brennstoffzelle gehört. Das gleiche Bild ergibt sich bei Daimler, wo zwar nächstes Jahr endlich das erste Serienbrennstoffzellenfahrzeug auf dem Markt kommt (23 Jahre nach dem NECAR 1), allerdings für die Zukunft nur noch BEVs bei den alternativen Antrieben proklamiert werden (Mercedes EQ, Mercedes Urban eTruck, usw.). Von der Brennstoffzelle wird hier nicht mehr viel gesprochen.

Gleichzeitig ist es für viele neue Firmen, wie bspw. Tesla, Faraday Future und die vielen chinesischen Hersteller, deutlich einfacher, in den BEV-Markt einzusteigen als in die Brennstoffzelle zu investieren.Wer einen FCEV auf dem Markt bringen möchte, muss also sehr viel Geld in die Hand nehmen und die komplette Entwicklung und ggf. Forschung selber stemmen.

Die Technik eines BEVs dagegen ist von vielen Lieferanten und Herstellern erhältlich und großserientauglich entwickelt. Es gibt viele Zellhersteller (LG, Samsung, Panasonic, usw.), unter denen ein großer Konkurrenzdruck herrscht und der für fallende Preise sorgt. Mit der Herstellung von Batterien beschäftigt sich inzwischen fast jeder Hersteller. Solch eine umfangreiche Lieferkette mit entsprechenden Großserienfertigungsanlagen gibt es derzeit nur für BEVs bzw. sind dafür in Planung (wie z.B. das neue LG-Werk in Polen). Ähnliche Aktivitäten sind bei der Brennstoffzelle derzeit nicht zu erkennen.

Aus all diesen Gründen sehe ich für die Brennstoffzelle in der Automobilindustrie keine Zukunft. Maximal im Langstrecken-LKW-Verkehr kann ich mir den Einsatz dieser Technologie noch vorstellen, wobei es mich nicht wundern würde, wenn auch hier die Brennstoffzelle von den Batterien ausgebootet wird.