Vergleich Brennstoffzelle, E-Fuels und E-Antrieb: Alles spricht fürs E-Auto

Vergleich Brennstoffzelle, E-Fuels und E-Antrieb: Alles spricht
fürs E-Auto
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Vergleich Brennstoffzelle, E-Fuels und E-Antrieb: Alles spricht fürs E-Auto

© HIU / Prof. Maximilian Fichtner

Maximilian Fichtner ist Chemiker und hat sich lange mit Energie und Wasserstoff beschäftigt. Jetzt ist er einer der bekanntesten Batterieforscher Deutschlands. Auf dem auto motor und sport-Kongress wägt er alternative Antriebe gegeneinander ab. Das Ergebnis ist eindeutig.

Je klarer die Anforderung der Dekarbonisierung des Individualverkehrs wurde, desto größer wurden die Kontroversen um den richtigen Weg, Benzin und Diesel zu ersetzen. Der Brennstoffzellenantrieb unter Nutzung von grünem Wasserstoff schien eine verlockende Lösung. Grundsätzlich Treibhausgas-neutral darstellbar, aber dank des nachtankbaren Energieträgers nah am Gewohnten. Ist der Treibstoff alle, fährt man zur Zapfstelle und hat binnen Minuten wieder hunderte Kilometer Reichweite im Auto. Die technischen Hindernisse schienen überwindbar, schließlich gab es das erste Brennstoffzellen-Auto bereits 1966.

Erste batterieelektrische Autos (BEVs) gab es bereits im 19. Jahrhundert. Sogar das erste Auto, das schneller als 100 km/h fuhr, war ein E-Auto (der torpedoförmige Einsitzer "Jamais Contente" erreichte 1899 mehr als 105 km/h). Aber damals fuhr man mit Bleiakkus. Deren Energiedichte war zu gering, als dass E-Autos damals mit den zeitgleich aufkommenden Verbrennern hätten mithalten können: Schon 1912 gab es kaum mehr batterieelektrische Fahrzeuge.

Lithium-Ionen-Batterie macht moderne E-Autos möglich

Die Renaissance des E-Autos leitete Sony mit dem ersten Serien-Lithium-Ionen-Akku in einer Videokamera ein, 2008 baute Tesla den ersten Roadster mit Laptop-Akkuzellen. Die Energiedichte war um ein Vielfaches höher, aber das Problem mit der vergleichsweise langsam nachladbaren Reichweite blieb eines, wenn auch auf anderem Niveau – "Reichweitenangst" war um 2010 das Stichwort, der Wasserstoffantrieb schien damals gerade aus Nutzersicht weiterhin vielversprechender.

Auch Maximilian Fichtner arbeitete die ersten 20 Jahre seiner Forscherkarriere daran, beschäftigte sich mit E-Fuels und war Mitautor der Dena-Studie "GermanHy – woher kommt der Wasserstoff in 2050?" (2008).

2013 aber erhielt er einen Ruf an die Universität Ulm und den Lehrstuhl für Festkörperchemie; er ist bis heute Leiter der Abteilung "Festkörperchemie" im Helmholtz-Institut Ulm, das an Batterien forscht. In einem Vortrag auf dem auto motor und sport Kongress im Oktober 2021 skizzierte er die Entwicklung der alternativen Antriebsarten, zeigte Grundprobleme, Hindernisse, aber auch Potenziale der Technologien und belegte sie mit zahlreichen bemerkenswerten Fakten.

Das E-Auto emittiert weniger Treibhausgase

Life-Cycle-Analysen (z.B. vom ICCT) belegen, dass batterieelektrische Autos (BEVs) die günstigste Treibhaus-Gas-Gesamtbilanz haben. Und zwar unabhängig davon, ob der Fahrstrom aus regenerativen Quellen stammt oder im aktuellen Strommix entsteht. Mit grünem Strom bzw. Wasserstoff ist das Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV) nur wenig schlechter, mit grauem Wasserstoff (aus Erdgas) ist ein FCEV schlechter als ein Plug-in-Hybrid (PHEV).

Brennstoffzellenautos brauchen viermal mehr Energie als E-Autos

Der Energiebedarf ist für FCEV aber viermal höher als für BEV, bei dem 70 Prozent des erzeugten Stroms am Rad ankommen, während es beim FCEV nur 18 bis 20 Prozent sind. Eine Erzeugung des Wasserstoffs in sonnen- oder windreichen Gegenden, wo sich theoretisch ein Grünstrom-Überschuss vorstellen lässt, und der Transport zum Verbrauchsort, sind dabei noch nicht eingerechnet.

Zur H2-Tankstelle muss 5 mal täglich ein Lkw kommen

Große Probleme sieht Fichtner auch bei der Infrastruktur für Wasserstoff: Teure Tankstellen bzw. Zapfsäulen könnten zwar binnen 15 Minuten bis zu 3 Autos volltanken, aber maximal 40 Autos am Tag. Ein Tankwagen könne auch nur 60-65 Tankfüllungen pro Fuhre liefern. An einer Durchschnittstanke müssten demnach bis zu 5 Lkw pro Tag vorfahren.

In China boomen Wasserstoffautos – nicht

Die These, dass die Brennstoffzelle sich in Asien durchsetzen könnten, während wir abseits der riesigen Märkte dort in eine technologische Sackgasse unterwegs sind, kontert Fichtner mit aktuellen Absatzzahlen aus China. Dort fanden von Januar bis März 2021 273.000 BEVs eine Käufer, aber nur 37 FCEV.

E-Fuels sind keine Lösung fürs Klima

Noch kritischer sieht Fichtner die Produktion von E-Fuels, wie sie Porsche in einem Pilot-Projekt im wundreichen Patagonien in Chile versucht. Der nochmals aufwendigere Herstellungsprozess, der CO2 und H2 zu Treibstoffen synthetisiert, verbraucht zur Erzeugung eines Liters E-Diesel zehn Mal so viel Energie wie ein BEV. Sprich: Mit der Energiemenge, die zur Herstellung von 6 bis 7 Liter E-Diesel (100 Kilometer Reichweite) notwendig sind, kommt ein E-Auto 1000 Kilometer weit. Und mit der von Porsche für 2026 geplanten Menge E-Fuel könnte gerade mal ein Prozent des Spritbedarfs in Deutschland gedeckt werden. Fichtners Schlussfolgerung: Die Absicht, mit E-Fuels Klimaziele erreichen zu wollen, ist bis auf Weiteres illusorisch.

Batterien entwickeln sich hervorragend

Realistischer sind laut Fichtner weitere Fortschritte bei der Entwicklung der Batterietechnologie. Die Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterie hat sich seit ihrer Markteinführung durch Sony 1991 vervierfacht, während die Kosten um den Faktor 18 zurückgegangen sind und selbst seit 2010 hat sich die Kapazität bei einer 90-prozentigen Kostenreduktion verdoppelt. Durch neue Packaging-Lösungen und verbesserte Chemie-Kompositionen sieht Fichtner den Auto-Akku, der 1000 Kilometer Reichweite bietet zu konkurrenzfähigen Kosten. Und das obwohl seltene, teure oder fragwürdige Rohstoffe wie Kobalt und perspektivisch sogar Lithium entbehrlich werden dürften. Kobalt erreiche schon jetzt in vielen Batterien einstellige Prozentanteile.

Sprit braucht mehr Energie zur Herstellung als das E-Auto zum Fahren

Unabänderlicher Vorteil des E-Autos bleibt seine konkurrenzlose Effizienz. Gerade, weil die Erdölförderung immer aufwändiger wird, steigt hingegen der Energieaufwand dabei immer weiter. So bietet Diesel zwar einen enormen Heizwert 8,8 kWh/l. Aber schon 2018 brauchte die Erzeugung eines Liters Diesel 7 kWh Energie. Um 6 Liter Diesel (für etwa 100 Kilometer Reichweite) herzustellen sind dementsprechend 42 kWh nötig – zusammen mit dem Heizwert stecken in 6 Liter Diesel also rund 95 kWh – damit kommt ein durchschnittliches E-Auto 600 Kilometer weit.

Prof. Dr. Maximilian Fichtner ist Direktor des Helmholtz Institute Ulm (HIU). Er leitet die interdisziplinäre Forschungsgruppe "Solid State Chemistry" im HIU, in der Chemiker, Physiker und Ingenieure tätig sind. Ihr Fokus liegt auf der Untersuchung von neuartigen Lithium-Ionenbatterien und von Batterien jenseits von Lithium-Ionen-Systemen.

Fichtner hat an der Universität Karlsruhe (TH) Chemie studiert und 1992 am damaligen Kernforschungszentrum Karlsruhe (KfK) in Oberflächenwissenschaften promoviert. Er wurde dann Vorstandsreferent im Bereich "Grundlagenforschung und Neue Technologien" am Forschungszentrum Karlsruhe (FZK, i.e. Nachfolger des KfK). An den weiteren Stationen seiner wissenschaftlichen Karriere beschäftigte er sich zunächst intensiv mit e-Fuels, dann mit Wasserstoff, ab 2013 mit Batterieforschung:

1997-2001: Arbeitsgruppenleiter Mikroverfahrenstechnik am FZK. (Synthese von E-Fuels, on board-Synthese von Wasserstoff durch Methanol-Steam reforming; der erste Doktorand der Gruppe ist Mitgründer der Firma INERATEC (E-Fuels))

2001-2012: Arbeitsgruppenleiter "Nanoskalige Materialien zur Energiespeicherung" am Institut für Nanotechnologie des FZK (Wasserstoffspeicherung; Vertreter der BRD bei der Intenationalen Energie Agentur, Sprecher der "HyTecGroup", Mitglied des Beirats der Bundesregierung, Mitautor der dena-Studie "GermanHy – woher kommt der Wasserstoff in 2050?")

2013: Ruf an die Universität Ulm, Lehrstuhl für Festkörperchemie; Leiter der Abteilung "Festkörperchemie" (bis heute) am neu gegründeten Helmholtz-Institut Ulm (Batterieforschung) Erste Arbeiten zu neuartigen Batterien basierend auf anionischem Ladungstransport, erste Magnesiumbatterien

2014: Geschäftsführender Direktor des HIU

2018: Wahl zum wissenschaftlichen Direktor von CELEST

2019: Sprecher des Exzellenzclusters POLiS

2020: Leiter der Abteilung "Energiespeichersysteme" am Institut für Nanotechnologie des KIT

Quelle: 2021 Motor-Presse Stuttgart
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