Der Mythos vom schlechten Wirkungsgrad des Wasserstoff-Antriebes

Die vielen Kritiker der Verwendung von Wasserstoff für emissionsfreie Antriebe argumentieren fast alle mit dem schlechten Wirkungsgrad und dessen Erzeugung und Umwandlung in Strom.

Leider machen sich nur wenige die Mühe, dieses Thema ganzheitlich zu betrachten.

Hier ein Versuch:

Was ist überhaupt ein Wirkungsgrad? Er beschreibt die Effizienz einer technischen Einrichtung oder Anlage als Verhältnis von nutzbarer Energie zur zugeführten Energie. Ein einfaches Beispiel ist die Glühbirne, die einen Wirkungsgrad von etwa 5% hat. 95% des eingesetzten Stromes gehen als Wärme verloren. Diese Ineffizienz hat zur Folge, dass wir nicht mehr Kraftwerke für die Stromerzeugung brauchen, sondern dass wir auch viel Geld für etwas bezahlen, was wir nicht wollen (hier die Wärme). Eine LED-Leuchte hat dagegen einen Wirkungsgrad von 30-40%.  Deshalb wurden die Glühbirnen in der EU verboten.

Ähnlich ist es mit dem Verbrennungsmotor. Bei modernen Verbrennungsmotoren liegt der Wirkungsgrad aufgrund des physikalischen Prinzips (Wärmekraftmaschine) bei 20 bis 25%. Etwa drei Viertel der Energie, die im Benzin steckt, fällt als Abwärme an. Nur ein Viertel dient der Fortbewegung. Das ist ein Durchschnittswert. Bei relativ hohen Leistungen des Motors ist der Wirkungsgrad höher. Wenn ich aber an der Ampel oder im Stau stehe, dann ist der Wirkungsgrad Null – der Motor verbraucht Benzin ohne das Auto zu bewegen. Und auch hier gilt: je schlechter der Wirkungsgrad umso mehr muss ich für den Sprit bezahlen.

Wie ist es nun bei Elektro-Antrieben? Aufgrund eines anderen physikalischen Prinzips ist der Wirkungsgrad sehr viel höher. Bei einem E-Antrieb mit Batterie liegt der bei etwa 80% (ohne die Verluste beim Laden) und bei einem E-Antrieb mit Brennstoffzelle bei etwa 60%. Allerdings bekomme ich hier die Wärme für Heizung „kostenlos“ mitgeliefert. Diese Werte hängen direkt mit den Verbrauchswerten pro 100 km zusammen, die auf den Verkaufsprospekten angegeben sind: für eine größere Limousine sind das zum Beispiel 25 Kilowattstunden (kWh) mit einen Batterie-Antrieb, oder 0,9 kg Wasserstoff (das sind 30 kWh) für einen Brennstoffzellen-Antrieb oder 5 l Diesel (das sind 130 kWh) für einen Verbrennungsmotor.

Also ist doch die Batterie die bessere Lösung?

 

 

Jetzt stellt sich die Frage, wo der Strom zum Laden oder für die Erzeugung von Wasserstoff herkommt und wieviel der „Kraftstoff“ dann kostet. Dabei sollten wir voraussetzen, dass der Strom aus Erneuerbaren Energien kommt, also größtenteils durch Wind und Sonne. Beides steht jedoch alles andere als gleichmäßig zur Verfügung. Nachts und bei wenig Wind muss ich den Strom, den ich zum Laden der Batterie brauche, zwischenspeichern. Das kostet Wirkungsgrad und kostet Geld. Und dann gibt es Zeiten, an denen viel mehr Strom aus Wind und Sonne zur Verfügung steht und sehr billig ist. Was mache ich aber mit dem überschüssigen Strom? Die beste Lösung ist es, den Strom in Wasserstoff umzuwandeln und diesen dann zu speichern. Der Wirkungsgrad dafür liegt bei etwa 70%. Nachdem der Strom im Überschuss zur Verfügung steht und häufig sogar zu negativen Preisen verkauft wird (ich bekomme Geld, wenn ich den Strom abnehme) macht es eigentlich keinen Sinn, hier noch den Wirkungsgrad mit einzurechnen. Denn die Alternative wäre, den grünen Strom abzuregeln (= vernichten).

Was ist die Schlussfolgerung? In einerWelt, in der der Strom aus Erneuerbaren Energien kommt, gibt es Zeiten, in denen der Strom in großen Mengen im Überschuss vorhanden und damit sehr billig ist. Es gibt auch Zeiten, in denen der Strom knapp und teuer ist. Die Brücke dazwischen ist Wasserstoff, der relativ einfach gespeichert und transportiert werden kann und dann auch als Kraftstoff zur Verfügung steht.

Ganzheitlich betrachtet gibt es deshalb weder beim Wirkungsgrad noch bei den Kosten große Unterschiede zwischen dem Tanken von Strom oder von Wasserstoff. Und ohne Wasserstoff ging viel des grünen Stromes verloren.

 

 

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16 Kommentare zu „Der Mythos vom schlechten Wirkungsgrad des Wasserstoff-Antriebes“

  1. Leider werden in dem Artikel die Kompession und die Speicherung unterschlagen. Auch der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle liegt lt. Frauenhofer bei ca. 50%. D.h. ich brauche für ein FC Auto ca. 3 mal soviel Strom wie für ein BEV.
    Nichtsdestotrotz muss der Überschuss im H2 umgewandelt werden und in der Industrie, in Flugzeugen, Schiffen und vielleicht im LKW eingesetzt werden. Das Auto kommt erst dran wenn wir genügen grünen Strom haben und dies wir frühestens irgendwann im nächsten Jahrzehnt sein und dann zahle ich immer noch 3 mal so viel wie für das BEV.

    1. Die Details habe ich bewußt ignoriert, auch beim Batteriefahrzeug, bei dem das Schnellladen und das Heizen des Fahrgastraumes und der Batterie gerne ignoriert werden.
      Der batterie-elektrische Antrieb ist nur dann besser, wenn zeitgleich zum Laden sehr viel Sonne scheint oder sehr viel Wind weht. Muss der Strom zwischengespeichert werden (in Form von Wasserstoff), dann gibt es keinen Vorteil des Batterie-Fahrzeuges mehr.

  2. Was hier bewusst oder unbewusst nicht berücksichtigt wird ist die für die Erzeugung des H2 nötige Energie. Die liegt für 1kg H2 bei ca. 55kWh plus ca 5kW für Komprimierung / Transport / Bereitstellung / Befüllung. Da ist das Fahrzeug noch nicht einen Meter gefahren. Mit der Energiemenge legt ein BEV bereits 250-300km zurück inkl. Klimaanlage. Mein Fahrzeug liegt derzeit bei knappen 19kWh. Wenn ich jetzt 20% Ladeverluste berücksichtige fahre ich mit 60kWh knappe 260km. Da steht das H2 Auto noch. Für 100km benötigt ein H2-Auto ~0,8kg H2. Um also auf meine 260km zu kommen knappe 2kg. Was gleichbedeutend mit 120kW (!) in der Herstellung ist. Alleine mit der Energie die zur Herstellung nötig fahre ich Kreise um das Wasserstoffauto. Ja die Reichweite ist höher, das tanken geht mittlerweile auch schnell aber selbst wenn der gesamte Strom „grün“ erzeugt wird ist H2 für PKW eine reine Energieverschwendung. Wir müssen die Energie die wir haben so sinnvoll wie möglich nutzen. Da macht es doch keinen Sinn erst mit (viel) Strom H2 herzustellen diesen dann in ein Auto zu tanken und wieder zu Strom zu machen der übrigens auch in einem H2 Auto in einem Akku gepuffert wird. Dann direkt in den Akku und gut. Um auf Ihre Schlussfolgerung einzugehen, macht es da nicht eher sinn den Wasserstoff bei Energieüberschuss zu erzeugen und bei „Mangel“ in Gasturbinen mit Kraft-Wärme-Kopplung zu „verbrennen“. Der Wirkungsgrad wäre um längen besser als in der Brennstoffzelle im PKW.

    1. Genau diese, sehr verbreitete Betrachtung ist nicht zu Ende gedacht. Ich habe die Verluste bei der Erzeugung von Wasserstoff sehr wohl berücksichtig. Die Kernfrage ist doch, woher kommt der Strom zum Laden der Batterie? Den hohen Wirkungsgrad erziele ich doch nur, wenn bedarfsgerecht ausreichend viel Sonnen- und Windstrom bereit steht. Was mache ich Nachts und bei Flaute? Warten bis wieder die Sonne scheint oder der Wind weht? Das kann lange dauern! Und bei Stadtbussen und Nutzfahrzeugen bleibt nur Nachts ausreichend Zeit zum Laden. Kommt der Strom aus einer Gasturbine oder aktuell primär aus dem Kohlekraftwerk, dann liegt der Wirkungsgrad der Stromerzeugung bei 40%. Multipliziert mit dem Wirkungsgrad der Batteriefahrzeuges und der Ladesäule liegt dann der Gesamtwirkungsgrad unter 30%. Da ist ein Wasserstoff-E-Antrieb besser – vor allem im Winter, wenn die Energie zum Heizen des Fahrgastraumes „kostenlos“ von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird.

      1. Ganz schön wilde Hypothesen zur Stromerzeugung und -verbrauch… für jemanden der hier einen faktenbasierten Ansatz proklamiert würde ich mir dazu mal Zahlen wünschen.
        Und wenn Wasserstoff als Energiespeicher dienen soll, dann sollte man den Überschuss doch direkt am Erzeugungsort wieder in Strom umwandeln und nicht in ein Auto tanken. So habe ich immer die beste Energie im Tank, je nachdem wann ich lade.
        Aber gut, ich denke eine neutrale Diskussion ist auf dieser Plattform nicht möglich

          1. “ Hier finden Sie die Zahlen:
            h2connect.eco…. “

            Also frei nach dem Motto: Wenn sie wissen wollen ob rauchen schädlich ist, fragen sie Dr. Marlboro!

            Oder: Wenn sie wissen wollen, ob die Klimakrise sinnvoll gemanaged wird, fragen sie den kinderbuchschreibenden Klimaschutzminister.

            Oh Mann, armes Deutschland, ist das lächerlich! Geht es denn nicht noch blöder???

    2. Seltsam, Sie rechnen hier vor, dass die Produktion von Wasserstoff 55kWh benötigt werden.
      Der elektrische Wirkungsgrad der Elektrolyseure liegt bei 70%. Das kann man überall in deren Datenblättern entnehmen. Im produzieren Wasserstoff (von 1kg war die Rede) erhalten Sie also 38,5kWh /kg Als Wert der Energiedichte.
      Diese Größenordnung entsprecht auch in guter Näherung dem Brennwert des Wasserstoffs. Daher stellen sich zwei Fragen:

      Warum erheben Sie die el. Energiebilanz auf Brennwertbasis, und nicht auf Heizwertbasis?
      Wenn Sie über elektrische Energie sprechen, die die Fahrzeuge antreiben soll, warum ziehen Sie dann die latente Wärmeenergie in Form vom Brennwert mit in ihre Betrachtungen mit ein??

      1. In der Energietechnik ist es Konvention den Heizwert zu nehmen – bei H2 = 33,33 kWh/kg
        Der Energiebedarf bei der Elektrolyse liegt je nach Hersteller und Betriebspunkt zwischen 40 und 50 kWh/kg H2.
        Vereinfacht wird vielfach mit 70% Wirkungsgrad gerechnet.

  3. habe schon seit 20 Jahre eine PVanlage und bin an Wildparks beteiligt
    fahre seit 3 Jahren ein E auto
    für mich lautet die Lösung
    nutze die Energie Bewusst sofort und in der Größe wie Sie vorhanden ist dann sparst du Umwadelverluste und brauchst weniger zu speichern.
    Ein intelligenter Verbraucher der 🌞Energie produziert braucht ein Display das ihm anzeigt wie sich sein Energie Haushalt gegenüber dem Netz verhält .
    Erst dann lohnt es sich Energie zu Speichern.
    Eine optimierte Wasserstofftechnologie gehört mit sicherheit dazu.

  4. In Geesthacht bei Hamburg gibt es ein Pumpspeicherkraftwerk.
    Dort wird überschüssiger Strom benutzt um Wasser hochzupumpen.
    Wenn Strom knapp ist kann das Wasser wieder abgelassen und wieder zu Strom umgewandelt werden.

    Wirkunksgrad 80 Prozent. Warum dann Wasserstoff?

    Siehe auch Wikipedia.

    1. das reicht leider nicht: in Deutschland haben wir 40 Gigawatt Pumpspeicherkraftwerke – brauchen würde wir 1.000 mal so viel

  5. Wer wirklich ganzheitlich denkt, weiß, dass Wasserstoff ohnehin in ziemlich großer Stil in Industrie (Stahl, Glas, Kunstdünger usw.) und etwa bei Schiffen (und Flugzeugen) zur Anwendung wird kommen. Das sind die Verbraucher, die zuerst auf H2 umgestellt werden sollen, bevor überhaupt an den MIV gedacht werden kann! Das heißt auch, dass dort bereits von Zwischenlagerung von H2 aus überschüssiger Stromproduktion die Rede wird sein können.

    Ansonsten verweise ich bezüglich Vergleich der Wirkungsgrade auf https://www.umweltbundesamt.de/themen/verkehr-laerm/kraftstoffe/wasserstoff-im-verkehr-haeufig-gestellte-fragen#effizienz

    Fahrgastraumheizung ist sicher ein (beschränktes) Argument, aber in bisherigen Pkw’s geht sehr viel Raumwärme einfach verloren. Ansonsten kann man im Winter die dicke Jacke einfach anlassen.

    1. der so beliebte Vergleich der Wirkungsgrade (wie heir vom UBA zitiert) macht keinen Sinn!
      Für die Wasserstofferzeugung wird nut Strom genutzt, der sonst nicht gebraucht wird – auch nicht zum Laden von Batteriefahrzeugen

      1. Nein Herr Tillmetz,
        für die Wasserstofferzeugung wird nicht nur „Strom genutzt, der sonst nicht gebraucht wird“ – ganz im Gegenteil!
        Derzeit stammen immer noch >95% allen H2 aus fossilen Energieträgern – vor allem Erdgas und Kohle. Die Umweltbilanz eines FCEV ist dadurch grottenschlecht.

        Ebenso falsch ist die Behauptung, dass dieser angebliche „Überschuss-„Strom nicht zum Laden von Batteriefahrzeugen /Akkus genutzt werden könnte.
        Stationäre Akkus mit PV und BEV-Traktionsbatterien werden zukünftig noch öfter entweder direkt mit PV geladen oder (bspw. im Winter) mit Windstrom aus dem Netz. Über 70% aller neuen PVA werden heute schon mit einem Akku ausgerüstet.
        Heute schon können (und nutzen es auch) BEV-Fahrer und PVA mit Akku eigenen PV-Strom laden und ohne großen Aufwand auch dynamische Stromtarife (aWATTar, Tibber) zum Laden der Akkus nutzen – der ist dann besonders billig, wenn viel EE-Strom im Netz ist – also genau der von Ihnen bestrittene bestrittene saubere „EE-Überschuss-Strom“ wird heute schon zunehmend geladen.
        Und man muss meist nicht einmal jeden Tag laden, sondern kann Preistäler bewusst abwarten – ohne Zusatzkosten.

        Das sind dann auch die Zeiten, die Sie für die H2-Erzeugung proklamieren. Dabei hängt der Preis des erzeugten H2 allerdings stark von der Auslastung der Elektrolyseure ab. Grünes H2 wird also noch deutlich teurer, wenn man tatsächlich ebenso wie beim Akku-Laden nur bei hohem EE-Angebot stundenweise den Wasserstoff produzieren würde. Deswegen laufen die meisten Elektrolyseure auch mit Netzstrom durch oder werden allenfalls bei „Dunkelflauten“ gedrosselt.

        Falls Sie jetzt auf ferne Länder zur H2-Produktion verweisen wollen – die brauchen eigentlich ihren EE-Strom und den evtl. dort erzeugten Wasserstoff selbst für ihre Decarbonisierung. Wenn diese Länder also Wasserstoff trotzdem nach Deutschland verkaufen, dann ganz gewiss nicht billig …

        Der schlechte Wirkungsgrad eines Antriebes mit Wasserstoff als Energiespeicher ist kein Mythos, sondern ergibt sich aus physikalischen Gesetzmäßigkeiten.

        1. Doch, Herr Schmidt: heute stammt nicht nur der Wasserstoff aus fossilen Quellen. Unsere komplette Energieversorgung wird heute zu deutlich mehr als 70% aus Erdöl, Erdgas und Kohle sicher gestellt. 70% dieser Energie importieren wir jeden Tag. Es wird eine Utopie bleiben, dass wir uns komplett selbst mit der notwendigen Energie versorgen können. Auch künftig werden wir – dann grüne – Energie importieren. In den riesigen Wüsten dieser Welt gibt es genügend davon und die braucht dort niemand. Zum Überschussstrom: Bislang haben wir 8 TWh an grünem Strom nicht nutzen können. Hätten wir den in Wasserstoff umgewandelt, dann hätten wir damit mehr als 10.000 Stadtbusse das ganz Jahr über betreiben können.

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