Elektrifizierung des Antriebsstrangs 14.12.2007, 19:32 Uhr

Batterie ist der Brennstoffzelle noch weit voraus  

Bei der Elektrifizierung des Antriebsstrangs entscheidet die Batterie den Wettbewerb mit der Brennstoffzelle derzeit für sich. Doch würde das Verbesserungspotenzial der Brennstoffzellentechnologie voll ausgeschöpft, könnte sich das bis 2015 ändern.

Die Batterie ist in der ökologischen und ökonomischen Bewertung vierfach besser als ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem. Doch würde das Verbesserungspotenzial der Brennstoffzellentechnologie voll ausgeschöpft und der Betrieb mit Erdgas statt Wasserstoff möglich, könnte 2015 ein Auto mit Brennstoffzellen und bordeigener Erdgasreformierung zur batteriegestützten Elektrotraktion fast aufschließen.

Läuten leistungsstarke Batterien das Aus für die Brennstoffzelle ein?

Tatsächlich bieten bei der Elektrifizierung des Antriebsstrangs sowohl die Brennstoffzellen als auch Batterien die Möglichkeit, emissionsfreie Mobilität zu sichern. In Zukunft werden beide Systeme in friedlicher Koexistenz nebeneinander arbeiten, erwartet Dr.-Ing. Wolfgang Steiger, Leiter Antriebe und Energiewandlung bei VW.

Steiger verwies kürzlich auf dem Aachener Kolloquium „Fahrzeug und Motorentechnik“ darauf, dass in der ökologischen und ökonomischen Bewertung der Kraftstoffe und der Antriebe von Fahrzeugen („Well-to-Wheel“ WtW), sowohl die Traktion mit Brennstoffzellensystemen als auch die mit Batterien durchaus gleichwertig hinsichtlich CO2- und Energiebilanz sein könnten. Bei der WtW-Bewertung werden alle Energie- und Emissionsströme von der Gewinnung des Rohstoffs über die Umwandlung des Rohstoffs in die Energieträger bis zur Umsetzung der Energie im Antrieb berücksichtigt.

Die Prämisse ist laut Steiger, dass die richtige Primärenergie eingesetzt wird: So ist beispielsweise die bei der Brennstoffzelle notwendige Wasserstoffgewinnung über den Pfad der Elektrolyse deutlich energieaufwendiger als die Einspeicherung des Stroms direkt in eine Batterie. Die Sinnhaftigkeit einer Wasserstoffgenerierung über den Strompfad lässt sich daher in Frage stellen – zumal die Prognose für das Jahr 2015 ausweist, dass die Brennstoffzelle mit Erdgas-Dampfreformierung in Zukunft ähnlich gute Energieeffizienzwerte aufweisen wird wie die reine Elektrotraktion.

Kurzstreckenmobilität bis 200 km könnte eine reine Elektrotraktion (Batterien) durchaus ermöglichen. Steiger setzt in Zukunft für die Langstreckenmobilität auf optimierte Verbrennungsmotoren mit einer Minimalhybridisierung. Für den Bereich von 200 km bis 400 km würde sich laut Steiger eine Brennstoffzelle als Stromlieferant anbieten. Voraussetzung für Batterie und Brennstoffzellen seien Leistungsfähigkeit und niedrige Kosten in Herstellung und Betrieb.

Sowohl bei der Brennstoffzelle als auch bei der reinen Elektrotraktion sind noch erhebliche Anstrengungen nötig, um für beide Elektroantriebsarten die Technologie- und Markttauglichkeit darzustellen. Ebenso muss die Frage nach den Energie- und CO2-Bilanzen beantwortet werden.

Mineralischer Kraftstoff und Strom werden produziert und sind in Well-to-Wheel(WtW)-Bilanzen zu bewerten: Rohölqualitäten bei Kraftstoffen, der Kraftwerksmix beim Strom „aus der Steckdose“ und der Aufwand der Wasserstoffgewinnung durch Elektrolyse ebenso wie die Kompression dieses Gases etc. für ein Brennstoffzellensystem im Auto. Beim Batteriebetrieb der Elektrofahrzeuge gehören Verluste durch Lade- und Entladevorgänge auch zur WtW-Bilanz.

Wie schneiden nun die „Stromer“ im Vergleich zum klassischen Verbrennungsmotor ab? Steiger, versiert in Antrieben und Energiewandlung, gab in Aachen den Vergleich der WtW-Energiebilanzen: Basis ist der Energieeinsatz für den Antrieb eines Pkw im europäischen Fahrzyklus.

Adäquat muss laut Steiger für das Elektrofahrzeug mit Batterie 50 % mehr Energie aufgewendet werden. Zum adäquaten Antrieb des Brennstoffzellenautos sei das Sechsfache an Energie zur Verfügung zu stellen. Im Vergleich der „Stromer“ benötige der Pkw mit Batterie heute ein Viertel des Gesamtenergiebedarfs eines Brennstoffzellenautos. Verbesserungspotenzial ist bei beiden jedoch vorhanden.

VW arbeitet an der Verbesserung der Brennstoffzelle u. a. durch den Technologiesystemwechsel von der Niedertemperatur-Brennstoffzelle (NT-BZ) zur Hochtemperatur-Brennstoffzelle (HT-BZ). Dadurch würde laut VW der Wirkungsgrad der Stromerzeugung durch Wasserstoff-BZ von derzeit 50 % (NT-BZ) auf 66 % (HT-BZ) gesteigert.

Der Fortschritt in der Brennstoffzellentechnik und der Wasserstoffgewinnung wird dazu führen, den Energiebedarf von Brennstoffzellen-Fahrzeugen drastisch zu reduzieren. Er werde aber in der Well-to-Wheel-Bilanz nicht an die Elektrotraktion mit Batterien heranreichen, solange der Wasserstoff mit Strom aus dem herkömmlichen Kraftwerksmix durch Elektrolyse erzeugt wird, war den Ausführungen Steigers auf dem Kolloquium in Aachen zu entnehmen.

Ein großer Schritt gelänge, wenn sich der Wasserstoff in einer großtechnischen Anlage (Reformierung) direkt aus Erdgas bzw. Biogas gewinnen ließe und der Transport in Pipelines vorgenommen würde. Dadurch könnten sich laut Steiger die CO2-Emissionen und der Energiebedarf in der Well-to-Wheel-Bilanz etwa halbieren. Würde zudem noch das Verbesserungspotenzial der HT-BZ-Technologie voll ausgeschöpft, schätzt Steiger, dass 2015 eine Brennstoffzelle mit Erdgasreformierung in der Well-to-Wheel-Bilanz an die Werte der batteriegestützten Elektrotraktion heranreiche.

 

Ein Beitrag von:

  • Rolf Müller-Wondorf

  • Wolfgang Pester

    Ressortleiter Infrastruktur bei VDI nachrichten. Fachthemen: Automobile, Eisenbahn, Luft- und Raumfahrt.

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