Das Potenzial der Brennstoffzellentechnologie als Ersatz für die Antriebstechnik von Elektroautos in Deutschland

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Herausforderungen der Energiewirtschaft
2.1 Wasserstofftechnologie
2.1.1 Erzeugung von Wasserstoff und Umkehrprozess: Ein Überblick
2.1.2 Einsatzmöglichkeiten
2.1.3 Chancen & Herausforderungen
2.2 Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge und Hybride
2.2.1 Grundlagen der Lithium-Ionen-Technologie
2.2.2 Chancen & Herausforderungen
2.3 Zwischenfazit

3. Analyse gesellschaftliche und politischer Dimensionen
3.1 Meinungsbild der Gesellschaft
3.2 Politische Rahmenbedingungen
3.3 Wasserstoffstrategie: Vergleich Deutschland und Japan

4. Mobilität im Wandel: Ein Ausblick
4.1 Politische Implikationen
4.2 Strategieausrichtung der Automobilindustrie

5. Fazit

Kurze Zusammenfassung der Hausarbeit

Literaturverzeichnis

Anhang

1. Einleitung

Auf dem Weg in eine umweltfreundliche und verantwortungsbewusste Energiewirt-schaft ist Konsens, den regenerativ erzeugten Strom am gesamten Strom-Mix auszu-bauen. Der ausgestoßene Kohlendioxidanteil ist nicht nur schlecht für Klima, Mensch und Tiere, sondern in der Verfügbarkeit seiner Ressourcen auch endlich. Die beinahe unbegrenzte Verfügbarkeit von Sonnen- und Windenergie verbessert die CO2-Bilanz und gehört damit zu einem wichtigen Baustein für eine saubere Zukunft. Zur Speiche-rung und Nutzung solcher grünen Energie kommt der Wasserstofftechnologie eine be-sondere Bedeutung zu. In Kapitel zwei wird die Funktionsweise beschrieben, der elektrischen Antriebsart und ihrer Funktionsweise gegenübergestellt sowie Chancen und Risiken beleuchtet. Technische und politische Gegebenheiten können Einfluss nehmen, Wasserstoff als grünen Kraftstoff der Zukunft gegenüber batteriebetriebene E-Autos zu etablieren. Dies bedarf jedoch einer gesellschaftlichen Debatte und politi-schen Weichenstellungen. Erst eine Akzeptanz auf Nachfrageseite kann für Investiti-onssicherheit sorgen. Wie weit Deutschland ist und welche Strategien eine mögliche Etablierung erleichtern, soll im Folgenden deskriptiv erarbeitet werden. Kapitel drei wird die gesellschaftlichen und politischen Rahmenbedingungen herausarbeiten und durch einen kurzen Ländervergleich mit Japan gegenüberstellen. Abschließend wird die Hausarbeit mit einem Ausblick abgerundet.

2. Herausforderungen der Energiewirtschaft

Gewinnung, Umwandlung und der Transport von Energieträgern ist mit Umweltbelas-tungen, Wirkverlusten und finanziellen Kosten verbunden. Ein Risikofaktor in diesem Zusammenhang ist der kausale Zusammenhang zwischen der knappen Ressource fossiler Energieträger und den daraus resultierenden finanziellen Kosten, also dem Endverbraucherpreis der daraus entstandenen Energie. Erdöl hat laut Meinung von Experten die Hälfte seiner Reserven bereits im Jahr 2025 bis 2030 verbraucht, es wird dann mit einem starken Anstieg des Preises gerechnet. Bei Erdgas ist die Lage ähn-lich. (Crastan 2012: S.10). Darüber hinaus sind die Marktpreise fossiler Brennstoffe wie Erdöl stark abhängig von sicherheitspolitischen Faktoren.

Im Hinblick auf die verbrauchte Nutzenergie kommt der Wirkungsgrad ins Spiel, da er sich von der Struktur der Energiebereitstellung stark unterscheidet. So wird in einem heutigen Fahrzeug durchschnittlich nur ca. 20 Prozent der Energie des Benzins als mechanische Arbeit umgewandelt (Crastan 2012: S.5). Der immer größere Energie-einsatz hochentwickelter Industriestaaten kann als Folge eine Überbeanspruchung und Vergiftung der Biosphäre mit sich ziehen. Die daraus entstehenden sozialen Prob-leme stellen Risiken für die sozioökonomische Ordnung dar und machen es umso er-forderlicher, dass die Energiewirtschaft einen Beitrag in der Verwirklichung einer die Umwelt so wenig als möglich belastenden Energiebereitstellung auf Basis einer um- weltverträglichen Energienutzung bietet. Hohe Wirkverluste sind häufig Zeichen man-gelnder Effizienz. Die Verbesserung aller involvierter Prozesse hin zu einer rationellen und zugleich ökologisch nachhaltigen Nutzung der Energie kann nur durch finanzielle Mittel in die Erforschung und Entwicklung gelingen, um die Mobilität der Zukunft zu gestalten (Crastan 2012: S.7).

Da der Schwerpunkt der Hausarbeit der Bereich der Mobilität ist, muss die Eingangs-frage gestellt werden, wie groß die entstandenen energiebedingten Emissionen durch Abgase aus Verbrennungsmotoren sind. Das Bundesumweltamt hat errechnet (Abbil-dung 1), dass sich bereits auf Platz zwei mit 20 Prozent Emission die Verkehrswirt-schaft befindet. Hier ist Handlungsbedarf dringend erforderlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 1: Energiebedingte Treibhausgasemissionen in Deutschland nach Sektor im Jahr 2017 (Quelle: Umweltbundesamt)

2.1 Wasserstofftechnologie

Die Suche nach Lösungen hin zu einer klimaneutralen Mobilität hat aufgrund der brei-ten öffentlichen Diskussionen Konjunktur. Wasserstoff als sekundärer Energieträger hat eine herausragende Stellung, da besonders die Eigenschaften dieses Rohstoffes das zentrale Problem der Energiewende mit lösen könnte. Da die Hausarbeit nur die wesentlichen Themenfelder einbeziehen kann, ist eine inhaltliche Bearbeitung auf die gängigen Verfahren stark begrenzt. Kapitel 2.1.1 befasst sich deshalb in der Kürze mit der Erzeugung von Wasserstoff unter Einsatz von Sekundärenergie Strom aus Was-ser.

2.1.1 Erzeugung von Wasserstoff und Umkehrprozess: Ein Ü berblick

In reiner Form kommt Wasserstoff nicht vor, weshalb er unter Einsatz von Primärener-gie gewonnen werden muss. Der Wirkungsgrad der Herstellung sowie die Emission von CO2 sind in diesem Zusammenhang zwei wichtige Beurteilungskriterien für effizi-ente und zukunftsfähige Verfahren.

Etwa 1,5 Prozent des globalen Gesamtenergiebedarfs wird pro Jahr durch die Erzeu-gung von Wasserstoff verbraucht. 40 Prozent des benötigten Wasserstoffs stammt aus unzähligen Industrieprozessen. Die anderen 60 Prozent stammen aus einer Vielzahl verschiedener großtechnischer Verfahren, wie durch Reformierung fossiler Kohlen-wasserstoffe. Die Dampfreformierung als wirtschaftlichstes Verfahren wird am häufigs-ten in Deutschland angewendet und ist in der Lage, einen Wirkungsgrad von 80 Pro-zent zu erreichen Da die Reformierungsverfahren meist auf fossile Kohlenwasserstoffe setzen, bilden sie CO2 und sind somit nicht wünschenswert. Entscheidend ist, gängige Verfahren anzustreben, die gesellschaftlich wünschenswerte Ziele mit wirtschaftlichen Zielen verbindet. Ein aufwändigeres aber dafür umweltschonendes Verfahren ist die Vergasung von Biomasse. Hier wird als Ausgangsstoff häufig Holz, Torf, Klärschlamm und organischer Abfall verwendet. Die Wirkungsgrade liegen hier bei ca. 55 Prozent (Eichlseder & Klell 2010: S.59ff).

Da Wasserstoff aus Wasser als beinahe unerschöpfliche Quelle hergestellt wird und in der Regel emissionsfrei ist, wird diesem Verfahren in Forschungs- und Entwick-lungseinrichtungen sowie in öffentlichen Debatten eine größere Rolle beigemessen. Die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff als erster Schritt ist jedoch ein Prozess, der aufgrund des hohen notwendigen Energieeinsatzes in der Praxis bis heute kaum genutzt wird. Es ist eines der großen Herausforderungen im Umgang mit Wasserstoff-technologien (Crastan 2012: S.446).

Elektrolyse als bekanntes Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff

Bei elektrischer statt thermischer Energie kann die Wasserspaltung schon bei Umge-bungstemperatur durchgeführt werden, was die Elektrolyse als Verfahren für die groß-industrielle Anwendung interessant macht. Hier wird durch Stromzufuhr die elektro-chemische Zerlegung einer Substanz erwogen. Wird zusätzlich zur Erzeugung rege-nerativer emissionsfreier Strom verwendet, kann von einer emissionsfreien Energie-kette bei einem Wirkungsgrad von bis zu 70 Prozent gesprochen werden (Eichlseder & Klell 2010: S. 60). Nach der Gewinnung von Wasserstoff durch den Elektrolysepro-zess (1. Schritt) ist dieser in gebundener Form anschließend als Kraftstoff zu speichern und über ein Tankstellennetz zu verteilen (2. Schritt), um dort aufgenommen zu wer-den und in der mobilen Anwendung sowie der Rückverstromung in Brennstoffzellen nutzbar zu machen (3. Schritt) (Eichlseder & Klell 2010: S.1).

1. Schritt: Elektrolyseprozess als Umkehrprozess des galvanischen Elementes Elektrolysezelle nimmt Arbeit auf
2. Schritt: Speicherung und Transport des H2
3. Schritt: Umkehrprozess der Elektrolyse Galvanische Zelle gibt Arbeit ab

Die folgende Abbildung 2 gibt nochmals einen kurzen Überblick über die verschiede-nen Verfahren und stellt den Energieaufwand zur Herstellung von 1kWh Wasserstoff gegenüber.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Verschiedene Verfahren zur Wasserstofferzeugung und Energieaufwand zur Herstellung von 1kWh Wasserstoff (Quelle: Eichlseder & Klell 2010)

Umkehrprozess der Elektrolyse: Die Brennstoffzelle

Auf die verschiedenen Verfahren zur gasförmigen oder flüssigen Speicherung und den Transport von Wasserstoff (in Schritt 2) wird nicht näher eingegangen, jedoch zur Funktionsweise der Brennstoffzelle die Funktionsweise ergänzt: Der Grund für die er-höhte Aufmerksamkeit der Brennstoffzelle ist die Tatsache, dass diese als Hauptbe-standteil des Fahrzeugmotorraums für eine funktionierende und effiziente Wasserstoff-technologie essenziell ist.

Das Funktionsprinzip wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein vorge-stellt. Die Technik konnte sich jedoch nie gegen die zeitgleich entwickelten mecha-nisch angetriebenen Dynamomaschinen zur Stromerzeugung durchsetzen (Crastan 2012: S.446). Bei der prinzipiellen Arbeitsweise einer Brennstoffzelle handelt es sich, wie bereits erwähnt, um eine Umkehrung des Elektrolyseprozesses. Die Brennstoff-zelle besteht ähnlich wie eine handelsübliche Batterie aus der Anode, Kathode und dem Elektrolyt. Durch die Anode strömt einerseits der Wasserstoff (H2) als Brennstoff, anderseits durchströmt die Luft die Kathode. Dazwischen liegt ein Elektrolyt, das gas-dicht die beiden Polen voneinander trennt. Brennstoffzellen können auch Erdgas, Bio-gas und andere Kohlenwasserstoffe umwandeln. Die Kathode gibt Elektronen ab und transportiert diese Ionen zur Anode. Abhängig von der Brennstoffzellen-Familie wer-den die Elektrolyte unterschieden. Am Beispiel der Keramik-Zelle (SOFC Solid Oxide Fuel Cell) wird als Elektrolyt eine keramische Schicht aus Zirkonoxid verwendet. Die folgende Abbildung 3 zeigt den grafischen Aufbau einer Brennstoffzelle. Von der Ka­thode aus wird die Zirkonoxid-Keramik-Schicht durch Ionisierung von Luftsauerstoff durch die Aufnahme zweier Elektronen (O ² -) durchdrungen und auf der Anodenseite neutralisiert. Der Wasserstoff reagiert als Reduktionsmittel, welches durch die Redu- zierung des Sauerstoffs die Oxidationsreaktion einleitet (Crastan 2012: S.446). Brenn-stoffzellen können mit einer Reihe verschiedener Brennstoffe betrieben werden. Nen-nenswert sind Wasserstoff, Methan, Methanol oder Kohlenstoff (Eichlseder & Klell 2010: S.223).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Aufbau der Brennstoffzelle (Quelle: Crastan:S.446)

2.1.2 Einsatzm ö glichkeiten

Die Einsatzmöglichkeiten der Wasserstofftechnologie sind vielfältig und nicht auf einen bestimmten Industriebereich beschränkt. Neben industriellen Anwendungsbereichen, der Raumfahrt und dem Verkehrsbereich sind auch in der chemischen Industrie Bei-spiele zur Anwendung bekannt. So kann durch den Synthesevorgang zur Herstellung von Ammoniak Düngemittel hergestellt werden. Die Stahlindustrie versucht durch Elektrolyse den Anteil der kohlenstoffhaltigen Brennstoffe herunterzufahren. Auch im Strom- und Wärmenetz kann durch Beimischung von Wasserstoff ein klimafreundli-cherer Strom in das Netz gespeist werden.

Wird jedoch der Schwerpunkt der Hausarbeit betrachtet, bezieht sich dieser auf die Chancen und Herausforderungen zukunftsweisender Antriebsarten im Mobilitätsbe-reich, besonders im Hinblick auf die Wasserstofftechnologie. Diese wird bereits in Ein-zelfertigung in Schiffen, U-Booten, Spaceshuttles, Zügen und kleineren Nutzfahrzeu-gen verwendet. Darüber hinaus kann Wasserstoff Batteriesysteme ersetzen, deren verwendete Rohstoffe wie Lithium oder Kobalt umwelttechnisch umstritten sind. Ob wasserstoffbetriebene PKWs oder Brennstoffzellen-LKWs - es werde an einer Vielzahl von Elektromotoren pilothaft experimentiert und in Einzelserie produziert (Behörden Spiegel: S.1 online). Entscheidend für eine erfolgreiche flächendeckende Nutzung von wasserstoffgespeisten Fahrzeugen sind die technischen, infrastrukturellen und ökono-mischen Bedingungen.

2.1.3 Chancen & Herausforderungen Chancen

Wasser als Ausgangsstoff kommt überall in der Natur vor und ist deshalb reichlich vorhanden. Da kein Umweg über die mechanische Energie wie bei Wärmekraftma-schinen existiert, ergeben sich theoretisch höhere Wirkungsgrade, ohne dass rotie-rende Teile und daraus resultierende Lärmemission auftreten. Anders als Strom aus Sonne und Wind lässt sich der hergestellte Wasserstoff in gas- oder in flüssiger Form auf minus 253 Grad Celsius optimal speichern und abrufen. Solange während des Zerlegungsprozesses von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erneuerbare Ener-giequellen hierfür verwendet werden, entstehen bei diesem Vorgang keinerlei CO2-Emissionen. (Jung et al, S. 62ff).

Ein Kilogramm des Sekundärenergieträgers kann ein Auto ca. 100 Kilometer fortbe-wegen. Ernst & Young sieht die Entwicklung deshalb positiv. Vorteile wie die zurück-gelebte Entfernung von mindestens 500 km und die schnellere Betankung durch Was-serstoff innerhalb weniger Minuten macht die Brennstoffzelle zu einer Schlüsseltech-nologie (Bayrischer Rundfunk 2019: Online).

Herausforderungen

Umweltexperten sehen allerdings den niedrigen Wirkungsgrad aufgrund der Tatsache, dass ein hoher Energieaufwand genötigt wird, um das Wasser aufzuspalten, skeptisch. Der erzeugte Wasserstoff muss in Gastanks gelagert und nach dem Tanken im Auto in Strom gewandelt werden. All diese Schritte führen zu Energieverlusten. Nur 25 Pro-zent der originären Energie wandelt diese in reine Bewegungsenergie um, der Rest geht verloren (Bayrischer Rundfunk 2020: Online). Entscheidend ist also die Betrach-tung der gesamten Wertschöpfungskette. Sollte die Erzeugung des Wasserstoffs CO2-frei gelingen, hat die Brennstoffzelle das Potenzial einer positiven Umweltbilanz.

Aufgrund des niedrigen Wirkungsgrades sind H2-Fahrzeuge teurer als E-Autos. Ta-belle 1 in Anlehnung an eine Berechnung des Ökoinstituts für angewandte Ökologie vergleicht die Kosten für beide Antriebsarten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Treibstoffpreis je 100km (Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Ö koinstitut e.V.)

Gemäß dem Fall eines vollständig CO2-freien Energiekreislaufs besteht eine Abhän-gigkeit von den Tages- und Jahreszeiten. Regnet es viel, ist im Energiemix eine Erhö-hung des regenerativen Anteils schlichtweg unmöglich. Die Windenergie verhält sich ähnlich abhängig und kann bei windarmen Jahreszeiten kaum zu einer Verbesserung der Ökobilanz beitragen. Effiziente Energiespeichersysteme und smarte Energietrans-portketten könnten eine Lösung darstellen, um die gespeicherte Energie zu konservie-ren und bei Bedarf abzurufen. Ein wichtiger Bestandteil und gleichzeitig technische Herausforderungen stellen deshalb die galvanischen Zellen zur Speicherung elektri-scher und chemischer Energie für Fahrzeughersteller dar (forschung-energiespei-cher.info 2012: Online).

Schafft es die Industrie auf absehbare Zeit nicht, Lösungen für den mit hohem Ener-gieaufwand hergestellten, gespeicherten und verteilten Wasserstoff zu finden, wird die Antriebstechnik weiter unwirtschaftlich bleiben. Ferdinand Dudenhöffer, einer der füh-renden Automobilexperten Deutschlands und Professor an der Universität Duisburg-Essen, formuliert es so:

„ Der Preis für ein Auto sei inakzeptabel. Grob gesagt kostet ein Wasserstoff-Pkw in Deutschland 70.000 bis 80.000 Euro, auch Leasingvertr ä ge sind nicht billig. Immerhin gibt es staatliche F ö rderung. Dennoch – das sei viel zu teuer [ … ] “ (Bay-rischer Rundfunk 2019:Online).

Hohe Entwicklungskosten und die gleichzeitig niedrigen Stückzahlen belassen die Preise für umweltverträgliche Wasserstofffahrzeuge auf hohem Niveau.

Darüber hinaus benötigt es für eine flächendeckende Akzeptanz bundesweit mindes-tens 1000 Tankstellen, bislang sind es 71 Tankstellen in Deutschland und 15 in NRW. Zum Vergleich: Die Anzahl der öffentlichen Ladepunkte für E-Autos liegt bei ca. 17.400 Säulen (statista.com in Anlehnung an ChargeMap.com 2020: Online).

2.2 Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge und Hybride

Bereits vor einem Jahrzehnt wurde medial vom aufsteigenden Siegeszug der E-Mobi-lität gesprochen. Eine breite Modellpalette, Milliarden Euro Fördergelder sowie baldige Diesel-Verbote verlauteten die baldige Voll-Elektrifizierung auf Deutschlands Straßen. Doch bis auf eine kleine elektrische Bewegung sind noch immer nur ein Bruchteil der Kfz-Neuanmeldungen E-Fahrzeuge, trotzdem sich inzwischen die Automobilhersteller mit einer gewissen Ernsthaftigkeit damit befassen und neue (teils-) elektrifizierte Vari-anten vorhanden sind. Massive Förderungen aus Steuergeldern und staatlicher Len-kung haben dennoch bis heute nicht zum Durchbruch verholfen, wie die Statistik in Abbildung 5 Kapitel 3.1 deutlich macht (Meiners 2020: Online). Selbst die Regierung hat das sehr optimistische Ziel von einer Mio. E-Fahrzeugen auf deutschen Straßen bis 2020 weit verfehlt. Doch medial geht der Hype um den Elektroantrieb weiter.

Es fällt während der Recherche auf, dass noch kein einheitliches elektrisches oder hybridelektrisches Antriebskonzept gefunden wurde. Verschiedene Varianten haben jedoch alle eines gemeinsam: Tiefgehende Kenntnis der Batterietechnologie ist eine Grundvoraussetzung für ein zukunftsfähiges System. Wenn es um mobile Speicher-systeme von elektrischer Energie geht, sind Batterien auf Lithium-Ionen-Basis die meistverwendete Speicherlösung, da sie bei kleinster Bauweise über die höchste Energiedichte ermöglichen (Crastan 2012: S. 476f). Welche Funktionsweise steckt da-hinter und welche Chancen und Risiken gibt es? Diese und weiteren Fragen wird im Folgenden nachgegangen.

2.2.1 Grundlagen der Lithium-Ionen-Technologie

Lithium-Ionen-Batterien sind galvanische Zellen, in denen positive wie auch negative Elektroden Lithium-Ione einlagert werden, die beim Laden von Elektrode zu Elektrode gepumpt werden. Es findet ein Austausch zwischen positivem (Kathode) und negati-vem (Anode) Grafit-Material statt (Crastan 2012: S. 477f).

- Ladevorgang pumpt positiv geladene Ionen von der Kathode durch den Elektrolyt hindurch zwischen die Grafitebenen der Anode, während die Elektronen durch den Ladestrom über den äußeren Stromkreis fließen
- Beim Entladevorgang wandern die Lithium-Ionen zurück in das Me-talloxid der Kathode, während die Elektronen über den äußeren Strom­kreis fließen (Crastan 2012: S. 478f).

Der grundlegende Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkumulators ist in Abbildung 4 darge-stellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Aufbau des Lithium-Ionen-Akkus (Quelle: Crastan 2012: S. 477)

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