Betriebswirtschaftlicher Vergleich zwischen einem brennstoffzellenbetriebenen und einem batteriebetriebenen Elektroantrieb

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Symbolverzeichnis

1 Einleitung

2 Theoretische Grundlagen
2.1 Gesamtökobilanz
2.2 Die Brennstoffzelle
2.2.1 Funktionsweise
2.2.2 Die PEM-Brennstoffzelle
2.2.3 Das Brennstoffzellensystem
2.2.4 Wirkungsgrad und Reichweite
2.3 Die Traktionsbatterie
2.3.1 Funktionsweise
2.3.2 Der Lithium-Ionen-Akkumulator
2.3.3 Das Batteriemanagementsystem (BMS)
2.3.4 Sicherheit und Lebensdauer
2.3.5 Wirkungsgrad, Reichweite und Gewicht
2.4 Der Elektromotor als Fahrzeugantrieb
2.4.1 Funktionsweise und Eigenschaften
2.4.2 Permanentmagnet-erregter Synchronmotor (PMSM)
2.4.3 Generator und Rekuperation

3 Wirtschaftlichkeitsanalyse
3.1 Aufbau einer Infrastruktur
3.1.1 Wasserstoffwirtschaft
3.1.1.1 Wasserstoff als Energieträger
3.1.1.2 Herstellung von Wasserstoff
3.1.1.3 Transport
3.1.1.3.1 Wasserstoff-Pipeline
3.1.1.3.2 Tanklastzüge
3.1.1.4 Bereitstellung an der Tankstelle
3.1.1.5 Speicherung im Fahrzeug
3.1.1.5.1 Flüssigwasserstoff
3.1.1.5.2 Gasförmiger Wasserstoff
3.1.1.5.3 Metallhydridspeicher
3.1.2 Stromwirtschaft
3.1.2.1 Stromerzeugung in Deutschland
3.1.2.2 Transport
3.1.2.3 Speicherung
3.1.2.4 Bereitstellung
3.1.2.4.1 Mögliche Probleme
3.2 Total Cost of Ownership (TCO)
3.2.1 Anschaffungspreis
3.2.1.1 Elektromotor inkl. Steuerung
3.2.1.2 Kraftübertragung
3.2.1.3 PEM-Brennstoffzelle + Peripherie
3.2.1.4 Wasserstofftank
3.2.1.5 Lithium-Ionen-Akkumulator
3.2.1.6 Gewinnaufschlag und Vertriebskosten im Rahmen der Preisbildung
3.2.1.7 Zusammenfassung
3.2.2 Life-Cycle-Costs („Costs of Ownership“)
3.2.2.1 Betriebskosten
3.2.2.2 Fixkosten
3.2.2.3 Wertverlust

4 Beeinflussbarkeit der Wirtschaftlichkeitsanalyse
4.1 Kaufpreissubventionierung
4.2 Nicht-monetäre Anreize
4.3 Einfluss der Batteriekapazität auf Kosten, Reichweite und Gewicht
4.4 Negative Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit von Elektroantrieben

5 Ist-Situation
5.1 MINI E Pilotprojekt
5.2 Smart fortwo ed

6 Fazit und Ausblick

Anhangi

Literaturverzeichnis

Ehrenwörtliche Erklärung

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Wirkungsgradketten von Elektroantrieben im Vergleich

Abbildung 2: Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

Abbildung 3: Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle

Abbildung 4: Leistungs-/Drehmoment-Kennlinie eines Elektromotors

Abbildung 5: Auswirkungen des Strompreises auf die Herstellkosten von H2

Abbildung 6: Stromerzeugung in Deutschland 2007 nach Energieträgern

Abbildung 7: Zusammensetzung des Strompreises

Abbildung 8: Grund- u. Spitzenlast im Tagesverlauf mit/ohne Elektroautos

Abbildung 9: Entwicklung der Auto- und Lebenshaltungskosten

Abbildung 10: Zusammensetzung der Life-Cycle-Costs des Referenzfahrzeugs

Abbildung 11: Zusammensetzung der Life-Cycle-Costs des BEV

Abbildung 12: Zusammensetzung der Life-Cycle-Costs des FCEV

Abbildung 13: Verkehrsverhalten eines durchschnittlichen Pkw-Nutzers 2005

Abbildung 14: Verhältnis von Reichweite, Batteriekosten u. Gewicht

Abbildung 16: Preisentwicklung der „Seltenen Erden“ Dysprosium und Neodym

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Globale Wasserstoffproduktion 2005

Tabelle 2: Stromerzeugungskosten u. CO2-Ausstoß nach Kraftwerkstyp

Tabelle 3: Technische Daten der Antriebskonzepte

Tabelle 4: Anschaffungspreise der Antriebskonzepte

Tabelle 5: Life-Cycle-Costs nach Antriebskonzept

Tabelle 6: Parameter für die Berechnung der Kfz-Versicherung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die zunehmende Elektrifizierung des Fahrzeugantriebs ist spätestens seit dem weltweiten Erfolg von Hybridfahrzeugen (wegen des hohen Dieselanteils in weit geringerem Maße in Europa), allen voran des Toyota Prius, in den Blickpunkt der Öffentlichkeit gerückt. Vielen gilt die Kombination aus Verbrennungs- und Elektromotor jedoch nur als Übergangslösung auf dem Weg zum rein elektrischen Antrieb.

Laut Versprechen der Hersteller können schon in ein bis zwei Jahren mit Hybridfahrzeugen, welche über eine Steckdose zur Ladung über das Stromnetz verfügen (z.B. GM: Chevrolet Volt, Opel Ampera, Ford: Escape Hybrid) Fahrstrecken von bis zu 60 Kilometern rein elektrisch zurückgelegt werden. Um eine höhere Reichweite zu erzielen, springt anschließend der Verbrennungsmotor als so genannter „Range Extender“ ein. Alternativ kann bei der unvollständigen Ausnutzung der o.g. Reichweite das Fahrzeug an der heimischen Steckdose aufgeladen werden. Diese „Plug-In Hybrid Electric Vehicle“ (PHEV) genannten Fahrzeuge stellen eine deutliche Verbesserung der heute eingesetzten Hybridtechnik dar, bei der sich auf Grund der heute noch verwendeten Batterietechnologie (Nickel-Metall-Hydrid) und somit geringen elektrischen Reichweite der Verbrennungsmotor schon nach weniger als fünf Kilometern Fahrstrecke zuschaltet. Die Verwendung eines konventionellen Motors wirkt sich bei der Hybridtechnologie jedoch nachteilig auf das Gewicht und die Kosten aus.

Langfristig von strategischer Bedeutung ist allerdings die Notwendigkeit des Einsatzes von konventionellen Kraftstoffen, die zum einen Treibhausgase emittieren und zum anderen eine hohe Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, wie z.B. Öl oder Erdgas, bedingen. Diese zwei Faktoren sind letztlich die entscheidenden Triebfedern für die Entwicklung von alternativen Antrieben und Kraftstoffen, was auch die Bundesregierung dazu veranlasst hat, Fördergelder im Rahmen von Industriepartnerschaften bereitzustellen (z.B. „Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff“ und Brennstoffzellentechnologie (NIP), „Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität“). Im Folgenden soll zunächst näher auf die Beweggründe hierfür eingegangen werden.

Die in den vergangenen Jahrzehnten beobachtete, von Menschen beeinflusste („anthropogene“) globale Erwärmung - synonym ist heutzutage der Begriff „Klimawandel“ gebräuchlich - wird langfristig die größte Herausforderung für die Menschheit sein, führt sie doch u.a. zu einem Anstieg des Meeresspiegels, einer Zunahme von Wetterextremen wie Überschwemmungen oder Dürre sowie der Ausbreitung von Krankheiten.

Bedingt wird die globale Erwärmung durch die Zunahme der Treibhausgase, insbesondere von Methan und Kohlenstoffdioxid (CO2), welche sich in der Atmosphäre ansammeln und dadurch die von der Erde reflektierte Sonnenstrahlung absorbieren. Dies führt dazu, dass die Wärmestrahlung in der Atmosphäre zurückgehalten wird und somit zu einem Anstieg der Temperatur. So gehören 12 der letzten 13 Jahre (1995 – 2007) zu den wärmsten seit Beginn der Wetteraufzeichnungen im Jahre 1850^[1].

Die Emission des wichtigsten Treibhausgases, Kohlenstoffdioxid, stieg von 1970 bis 2004 um 80 Prozent. Maßgeblichen Anteil daran hatten die Energieversorgung (+145 Prozent) sowie der Verkehr (+120 Prozent)^[2]. Dazu trägt u.a. der weltweit zunehmende Bedarf an Mobilität bei, der vor allem in den Städten zu mehr Verkehrslärm und einer Verschlechterung der Luftqualität führt.

Um diesen Trend umzukehren, haben sich die Mitgliedsländer der Europäischen Union (EU) verpflichtet, bis 2020 die Treibhausgase durchschnittlich um 30 Prozent zu senken.

Zur Erreichung dieses Ziels hat das Bundeskabinett im August 2007 die weltweit ehrgeizigsten Maßnahmen unter dem Titel „Das Integrierte Energie- und Klimaprogramm“ beschlossen.

Einer der Kernpunkte ist hierbei die effiziente Energieerzeugung, -verteilung und –Nutzung.

Neben dem Ausbau der Erneuerbaren Energien soll im Bereich Verkehr u.a. die Umstellung der Kfz-Steuer auf CO2-Basis erfolgen, welche ab dem 1. Juli 2009 gelten wird.

Der Fokus liegt hierbei auf der Erreichung der von der Europäischen Kommission festgelegten Grenzwerte für Kohlenstoffdioxid von 120g/km, welche ab 2012 für 65 Prozent und bis 2015 stufenweise (2013: 75, 2014: 80 Prozent) für alle in der EU zugelassenen Neuwagen gelten sollen^[3]. Dieses Ziel erscheint sehr ambitioniert, lag doch der durchschnittliche CO2-Ausstoß aller in Deutschland neu zugelassenen Personenkraftwagen im Jahr 2008 bei 165 Gramm pro Kilometer^[4].

Doch nicht nur der Klimawandel, sondern auch die hohe Abhängigkeit von Ölimporten bereitet insbesondere den Industrieländern zunehmend Sorgen. Die hohen Schwankungen des Ölpreises im vergangenen Jahr zeigen, dass nicht nur die weltweit steigende Nachfrage, sondern auch Spekulationen den Preis nach oben treiben können (auf über 140 US-Dollar pro Barrel im Juli 2008), was zu einem zu einer hohen Kostenbelastung von Unternehmern und Verbrauchern führte und zum anderen die hohe Abhängigkeit der entwickelten Länder von der gegenwärtig wichtigsten Rohstoffquelle einmal mehr demonstrierte. Der zwischenzeitlich um über 70 Prozent gefallene Ölpreis kann nicht darüber hinwegtäuschen, dass Öl eine endliche Ressource ist und möglicherweise in 40 bis 50 Jahren zu Ende gehen wird.

Insbesondere im Verkehrssektor, welcher zu 98 Prozent vom Öl abhängt^[5], sind langfristig neue Konzepte notwendig, um dem weiter zunehmenden Mobilitätsbedarf Rechnung zu tragen. Hierzu beitragen könnten in Zukunft zum einen alternative Kraftstoffe (z.B. Ethanol), zum anderen neue Antriebskonzepte, da die auf fossilen Ressourcen basierenden Kraftstoffe voraussichtlich nicht alle durch erneuerbare Biokraftstoffe ersetzt werden können. Zudem kritisieren Experten im neuesten Bericht des Weltklimarats (IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change), dass für den Anbau der zur Biospritherstellung benötigten Pflanzen (z.B. Zuckerrohr) große Flächen tropischen Regenwalds gerodet werden müssen, in dessen Vegetation große Mengen an CO2 gebunden sind und es zwischen 40 und 120 Jahren dauere, bis die als Folge der Abholzung verursachte Freisetzung des Treibhausgases durch die Einsparung bei fossilen Kraftstoffen kompensiert würde^[6].

Eine sinnvoller erscheinende Option sowohl zur Senkung der CO2-Emissionen – insbesondere im Hinblick auf die Erreichung der EU-Vorgaben von 120 g/km im Jahr 2015 - als auch zur Reduktion der Ölabhängigkeit stellen Elektroantriebe dar, welche die Bundesregierung im Rahmen der Veranstaltung „Nationale Strategiekonferenz für Elektromobilität“, die am 25. und 26. November 2008 in Berlin stattfand, auf Grund ihres möglichen Beitrags zur Zielerreichung in ihr Programm aufgenommen hat.

Elektroantriebe bergen - unabhängig davon, ob elektrische Energie oder Wasserstoff als Energieträger dient – strategisch hohes Potenzial, da ihre Energieträger mit Hilfe von Erneuerbaren Energien erzeugt und dadurch sowohl die Schadstoffemissionen als auch die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen verringert werden können. Darüber hinaus sind auch mit dem heutigen Strommix – zumindest im Falle des batterieelektrischen Antriebs - schon beachtenswerte Senkungen des CO2-Ausstoßes möglich (siehe Kapitel 3.1.2). Zwei wesentliche Faktoren stehen jedoch einem Serieneinsatz bisher im Weg: nicht ausgereifte Technologien sowie hohe Kosten.

Die vorliegende Arbeit enthält zunächst eine Gegenüberstellung der Ökobilanzen der beiden Elektroantriebskonzepte. Anschließend soll zunächst auf deren Komponenten (Brennstoffzelle, Lithium-Ionen-Akkumulator sowie Elektromotor) hinsichtlich Aufbau, Funktionsweise und verwendeter Werkstoffe (mögliche Kostentreiber) eingegangen werden.

Im Hauptteil sollen Antworten u.a. auf folgende Fragen gefunden werden: Welche Infrastruktur ist für den Betrieb von batterie- bzw. brennstoffzellenbetriebenen Elektroahr-eugen notwendig und was kostet deren Aufbau? Welche Kosten entstehen bei der Herstellung eines Elektroautos und zu welchem Ausmaß spiegeln sich diese in den Anschaffungspreisen wider?

Anschließend soll beleuchtet werden, mit welchen Kosten der Kunde neben dem Anschaffungspreis – insbesondere für den Betrieb und den Unterhalt – rechnen muss. Dabei wird auch darauf eingegangen, wie die Politik Einfluss nehmen kann, um den Absatz von Elektrofahrzeugen zu fördern.

Darüber hinaus gilt es eine Antwort auf folgende Fragen zu finden: Gibt es hinsichtlich der Kapazität des Lithium-Ionen-Akkus bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen ein optimales Verhältnis von Gewicht, Kosten und benötigter Reichweite? Welche Faktoren können die Wirtschaftlichkeitsanalyse negativ beeinflussen? Welche Erkenntnisse hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit von Elektrofahrzeugen können aus aktuellen Feldversuchen mit Kundenbeteiligung (MINI E, Smart ed) gewonnen werden?

Der Kunde schließlich ist die letzte Instanz, dessen Entscheidung trotz aller politischer Einflussnahmen über den Erfolg oder Misserfolg des Elektrofahrzeugs bestimmt, und dieser [Kunde] orientiert sich in der heutigen Zeit - auch auf Grund der allgegenwärtigen Diskussionen um CO2-Steuer und stetig steigenden Lebenshaltungskosten - zunehmend an Fahrzeugen, die neben einem günstigen Anschaffungspreis auch niedrige Kosten für Betrieb und Unterhalt aufweisen. So legten die Neuzulassungen von Personenkraftwagen mit einem CO2-Ausstoß von bis zu 140 Gramm pro Kilometer im Jahr 2008 entgegen dem Trend (Gesamtmarkt für Pkw: minus zwei Prozent) um gut 25 Prozent zu und machten damit ein Viertel aller Zulassungen aus, während der der Markt für Pkw mit Emissionswerten >140 g/km um etwa neun Prozent einbrach^[7](Effekte durch die so genannte „Umweltprämie“ sind hierbei noch nicht berücksichtigt, da diese erst Anfang Januar 2009 als Gesetzesvorschlag aufgenommen und bekannt wurde).

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Gesamtökobilanz

Da der Einsatz von Brennstoffzellen nur Sinn macht - d.h. die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen sowie die Emission von Treibhausgasen (insbesondere CO2) signifikant verringert werden können - wenn der Brennstoff, also Wasserstoff (H2), aus nicht fossilen Quellen hergestellt wird, werden die so genannten „Reformer“ (Teil des Brennstoffzellensystems), in denen der Wasserstoff aus Erdgas oder Methanol gewonnen wird, in der vorliegenden Arbeit nicht betrachtet. In ähnlicher Weise strebt es auch das u.a. vom Bundesverkehrsministerium finanzierte Projekt „Clean Energy Partnership“ an, an dem eine Reihe namhafter Industrieunternehmen (u.a. Daimler, Ford, General Motors, Linde, Total) beteiligt sind. Hinzu kommt, dass es auch energetisch betrachtet wesentlich sinnvoller wäre, Erdgas bzw. Autogas (entsteht bei der Raffinierung von Benzin und Diesel) direkt in einem Motor zu verbrennen, da bei der Umwandlung in Wasserstoff etwa ein Drittel der enthaltenen Energie unwiederbringlich verloren geht^[8].

Erschwerend kommt hinzu, dass bei den im Folgenden aufgeführten Niedrigtemperatur-PEM-Brennstoffzellen sehr hohe Anforderungen an den Reinheitsgrad des Wasserstoffs gestellt werden, da die eingesetzte Kunststoffmembran sehr empfindlich auf Kohlenstoffmonoxid (CO) reagiert, das neben anderen Verbindungen bei der Reformierung entsteht. So kann es den eingesetzten Katalysator in seiner Funktion einschränken, was wiederum zum Leistungsabfall führt^[9]. Darüber hinaus verschlechtert sich durch den Reformer der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems auf nur noch 35-40%, was nur wenig oberhalb derer von Pkw-Verbrennungsmotoren (Ottomotor: bis max. 28 Prozent, Dieselmotor: bis max. 33 Prozent) liegt^[10].

Als Alternative gilt die Herstellung von Wasserstoff per Elektrolyse. Hierzu sind allerdings ebenfalls hohe Mengen an Energie notwendig, da durch die Vielzahl von Umwandlungsprozessen (z.B. Verflüssigung, Verdichtung, Transport) ein Großteil der ursprünglich eingesetzten Energie verloren geht. Allerdings kann der benötigte Strom (teilweise) regenerativ erzeugt werden, wodurch sich zumindest die ökologische Bilanz verbessern lässt.

Vergleicht man im Hinblick auf die energetische Bilanz die Wirkungsgradketten sowohl des flüssigen als auch des gasförmigen (komprimierten) Wasserstoffs beim Einsatz in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit der des batteriebetriebenen Elektroantriebs, zeigt sich, dass dieser etwa mit einer dreifach höheren Effizienz die ursprünglich eingesetzte Energie nutzt. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass die Energie, die für den Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs notwendig ist, bei vergleichbaren Fahrleistungen für drei Elektrofahrzeuge mit Batterien als Energiespeicher ausreichen würde. Somit ergibt sich für mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge ein klarer Nachteil hinsichtlich der Gesamtwirkungsgrade, wie Abbildung 1 zeigt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung1: Wirkungsgradketten von Elektroantrieben im Vergleich^[11]

Betrachtet man Elektrofahrzeuge hinsichtlich der Gesamtökobilanz, ist die „Weel-to-Wheels“- Analyse (frei übersetzt: „vom Rohstoff zum Rad“) eine geeignete Methode. Sie berücksichtigt sämtliche CO2-Emissionen von der Raffinierung über den Transport bis zum Verbrauch des Kraftstoffs im Fahrzeug selbst.

Geht man davon aus, dass Fahrzeuge mit Elektroantrieb langfristig nicht nur lokal, sondern auch global (d.h. unter Berücksichtigung der Kraftstoffvorkette) emissionsfrei betrieben werden sollen, stellt sich die Frage, ob die hierfür benötigten - bisher nur begrenzt verfügbaren - Erneuerbaren Energien nicht anderweitig sinnvoller eingesetzt werden können – d.h. eine höhere CO2-Einsparung (einen höheren Grenznutzen) erzielen können - da es im Hinblick auf den Klimawandel irrelevant ist, woher die Treibhausgase stammen, sondern vielmehr von Bedeutung ist, ob sie überhaupt entstehen.

Berücksichtigt werden muss hierbei, dass durch die (teilweise oder vollständige) Nutzung regenerativen Stroms für Elektroautos eine Substitution von fossilen Brennstoffen, z.B. für die Stromerzeugung, nicht mehr bzw. nur noch begrenzt möglich ist^[12]. Dies bedeutet, dass durch die Substitution von fossilen Kraftstoffen die Einsparung von Treibhausgasen mindestens ebenso so hoch sein muss es wie bei einem Ersatz fossiler Brennstoffe (z.B. Steinkohle) - die neben schadstoffärmerer Atomenergie zur konventionellen Energie-bereitstellung beitragen - durch erneuerbare Energiequellen der Fall wäre.

Wird eine Kilowattstunde zum Vortrieb eines batteriebetriebenen Elektroantriebs (Verbrauch: ca. 17 kWh/100 km) genutzt, können etwa sechs Kilometer zurückgelegt werden. Im Vergleich mit einem Pkw-Verbrennungsmotor könnten bei identischer Fahrleistung durch eine Substitution des konventionellen Kraftstoffs 600 – 800 Gramm CO2 vermieden werden^[13]. Die substituierte Menge ist nun mit einer möglichen Einsparung bei der Stromerzeugung zu vergleichen. Nimmt man an, dass Steinkohlekraftwerke in Zukunft z.B. durch Windkraftanlagen ersetzt werden, könnten so zwischen 700 und 1.000 Gramm CO2 (abhängig vom Wirkungsgrad des Kraftwerks sowie der Beschaffenheit der verwendeten Kohlen) pro erzeugter Kilowattstunde eingespart werden.

Dies bedeutet, dass bei der Nutzung regenerativ erzeugten Stroms für den Lithium-Ionen-Akku eines Elektroautos in der Gesamtbilanz nur wenig mehr CO2 emittiert wird als bei einer anderweitigen Verwendung des Stroms. Bei Berücksichtigung von externen (Umwelt-) Effekten wie reduzierten Lärm- und Abgasemissionen würde dieser vermeintliche Nachteil jedoch überkompensiert.

Anders stellt sich die Situation bei brennstoffzellenbetriebenen Elektroantrieben dar, welche auf Wasserstoff als Brennstoff angewiesen sind. Wird die Menge H2, welche den Energiegehalt von einer Kilowattstunde enthält, zum Vortrieb des Fahrzeugs (Verbrauch: ca. 33 kWh/100 km) genutzt, können nur etwa 3 Kilometer zurückgelegt werden. Damit einhergehend kann bei einer vergleichbaren Strecke (s.o.) nur die Hälfte der Emissionen, d.h. 300 – 400 Gramm CO2 pro Kilometer eingespart werden. Somit schneiden Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb hinsichtlich der Gesamtökobilanz deutlich schlechter ab als ihre batteriebetriebenen Pendants.

Hinzu kommt, dass für die Erzeugung, Transport und Speicherung des Energieträgers Wasserstoff sehr hohe Mengen an Energie aufgewendet werden müssen (siehe Kapitel 3.1.1.2 f.). Auf Grund dieser Erkenntnisse wäre die Nutzung Erneuerbarer Energien zur Erzeugung von Wasserstoff aus ökologischer Hinsicht nur dann erstrebenswert, wenn diese im Überfluss vorhanden wären. Ökonomisch gesehen wäre es jedoch weiterhin nicht sinnvoll, wie in Kapitel 3 gezeigt wird. Bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen wäre die Nutzung regenerativer Energien auch bei sowohl ökologischer als auch ökonomischer Betrachtung zumindest nicht von Nachteil.

2.2 Die Brennstoffzelle

Das Prinzip der Brennstoffzelle ist bereits seit 170 Jahren bekannt. Im Jahr 1838 stellte Christian Friedrich Schönbein zwischen zwei Platindrähten, die sich in einer Elektrolytlösung befanden, eine Spannung her. Seine Ergebnisse veröffentlichte er im Januar des Jahres 1839 in der Zeitschrift „Philosophical Magazine“^[14]. Im selben Jahr entdeckte William R. Grove, ein Freund Schönbeins, auf Grundlage dieses Prinzips das „batterisierte“ Knallgas und gilt seither als Erfinder der Brennstoffzelle^[15].

Auf Grund weiterer, bahnbrechender Erfindungen wie der des elektrodynamischen Generators (Werner von Siemens 1866), des Verbrennungsmotors (Nikolaus Otto 1876, Rudolf Diesel 1892) sowie der Zündkerze (Gottlob Honold 1901/1902)^[16]wurde die Brennstoffzelle jedoch im Laufe der Zeit aus dem öffentlichen Bewusstsein verdrängt.^[17][18]

Ersten praktischen Einsatz fand sie bei den amerikanischen Raumfahrtmissionen (Apollo, Space Shuttle) sowie in U-Booten. Als Brennstoff wurden reiner Wasser- sowie Sauerstoff verwendet. Der erste mobile Einsatz in einem Pkw gelang GM im Jahr 1967 in einem umgerüsteten „Electrovan“.^[19]

Heute erforschen und entwickeln die meisten großen Automobilhersteller Brennstoffzellen für den Serieneinsatz. Die hohen Kosten für die Fertigung und vor allem die Frage, woher der (reine) Wasserstoff kommen soll, stehen einer Großserienfertigung bisher im Weg.

2.2.1 Funktionsweise

Eine Brennstoffzelle erzeugt mittels einer chemischen Reaktion aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie. Die Reaktionspartner dürfen jedoch nicht direkt aufeinander treffen, da sonst nur eine normale Verbrennung oder eine Knallgasreaktion die Folge wäre. Sie werden daher räumlich voneinander getrennt^[20]. Durch die kontrollierte Reaktion in den Brennstoffzellen kann die freiwerdende elektrische Energie zum Antrieb des Elektromotors genutzt werden. Es handelt sich hierbei um den umgekehrten Prozess der Elektrolyse, bei der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird.

Die verschiedenen Brennstoffzellentypen besitzen prinzipiell den gleichen Aufbau: Zwei Elektroden werden durch einen Elektrolyten voneinander getrennt. Einer Elektrode – Anode genannt – wird H2 zugeführt, als Folge entstehen Wasserstoff-Ionen mit positiver Ladung. An der anderen Elektrode – der so genannten Kathode – entstehen aus Sauerstoff bzw. Luft negativ geladene Sauerstoff-Ionen. Zwischen den Elektroden bildet sich somit eine Spannung, die durch die Verbindung zu einem Stromkreis z.B. zum Antrieb eines Elektromotors zur Verfügung steht^[21].

Im Schaubild auf der folgenden Seite wird das Funktionsprinzip schematisch dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle^[22]

Eine Brennstoffzelle ähnelt in ihren Eigenschaften einer Batterie. Ihr größter Vorteil ist, dass sie über einen weitaus längeren Zeitraum Energie liefern kann, da der „Brennstoff“ – im Gegensatz zur Batterie - extern gespeichert (H2-Tank) und kontinuierlich zugeführt werden kann^[23]. Die Batterie hingegen hat eine begrenzte Kapazität und somit eine eingeschränkte Reichweite.

2.2.2 Die PEM-Brennstoffzelle

DieProton Exchange Membrane Fuel Cell(Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzelle) oder auch Polymer-Elektrolyt-Membran (kurz: PEM)-Brennstoffzelle, gilt von allen Brenn-stoffzellentypen als jene mit dem größten Potenzial für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Dies rührt daher, dass sie – im Vergleich zu Verbrennungsmotoren - den besten Kompromiss bietet aus niedriger Betriebstemperatur (zwischen 60 und 100 Grad Celsius), hoher Energiedichte und der Möglichkeit, als Reaktionspartner Luft statt reinem Sauerstoff zu verwenden. PEM-Brennstoffzellen enthalten als Elektrolyten eine Kunststoff-Membran, sie ähnelt im Aussehen einer Frischhaltefolie für Lebensmittel. Mit „Protonen“ werden synonym die Wasserstoff-Ionen bezeichnet, die zusammen mit den Sauerstoff-Ionen an der „kalten“ Verbrennung beteiligt sind (s.o.).^[24]

Auf Grund des stark sauren Charakters der Membran sind Edelmetallkatalysatoren erforderlich. Hierbei wird - wie auch bei konventionellen Fahrzeugkatalysatoren - Platin bzw. Platin-Ruthenium-Legierungen eingesetzt, was auf Grund der benötigten Menge einen erheblichen Kostenfaktor darstellt (siehe Kapitel 3.2.1.3).

Da eine einzelne Brennstoffzelle für den Antrieb des Elektromotors bei weitem nicht ausreicht, werden - um eine ausreichende elektrische Spannung zu erzielen - mehrere Zellen (zehn bis mehrere hundert) zu einem so genannten „Stack“ (dt. Stapel) hintereinander geschaltet. Bei PEM-Brennstoffzellen lässt sich die die Leistungsabgabe sehr dynamisch regeln. Sie eignen sich daher sehr gut für den mobilen Einsatz^[25].

2.2.3 Das Brennstoffzellensystem

Wie ein Verbrennungsmotor ist auch eine Brennstoffzelle alleine noch nicht funktionstüchtig, sondern benötigt zusätzliche Komponenten um elektrische Energie bereitstellen zu können. In einem Brennstoffzellensystem ist dies zum einen der Wasserstofftank, in dem der Brennstoff flüssig oder gasförmig (heutzutage sind 700 bar Druck möglich) gespeichert wird^[26]. Ein Kompressor befördert und verdichtet die für die „kalte“ Verbrennung benötigte Luft in den Brennstoffzellenstack. Das Kühlsystem, über das die entstehende Reaktionswärme an die Umgebung abgegeben wird, enthält ein Kühlmittel (z.B. Wasser), eine Pumpe und eine entsprechende Regelung zur Erzielung der gewünschten Stacktemperatur^[27].

Die Leistungselektronik sorgt dafür, dass die erzeugte Spannung des Stacks zunächst in einen konstanten Gleichstrom und anschließend in Drehstrom umgewandelt wird, um den Elektromotor anzutreiben. Die Elektronik dient folglich sowohl als Gleichspannungswandler als auch als Wechselrichter^[28]. Hinsichtlich der Betriebstemperaturen ist heutzutage keine (relevante) Einschränkung mehr zu verzeichnen. So liegen die Außentemperaturgrenzen für das Brennstoffzellensystem, z.B. bei der Mercedes-Benz B-Klasse F-Cell, bei minus 15 Grad sowie plus 40 Grad Celsius^[29], was für den alltäglichen Bedarf völlig ausreicht. Moderne Brennstoffzellenfahrzeuge haben zudem einen Lithium-Ionen-Akku an Bord (ca. 1,5 kWh), der als Puffer zur Speicherung bei der Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) oder der Beschleunigungsenergie dient.

2.2.4 Wirkungsgrad und Reichweite

Hinsichtlich des Wirkungsgrads finden sich in der Literatur z.T. sehr unterschiedliche Angaben. Tatsache ist, dass die Brennstoffzelle prinzipiell über einen höheren Wirkungsgrad verfügt als Verbrennungsmotoren, da die zugeführte – im Wasserstoff gespeicherte - chemische Energie in der Brennstoffzelle direkt in elektrische Energie umgewandelt wird (beim Verbrennungsmotor wird zunächst chemische Energie in Wärmeenergie verwandelt; durch den Einsatz eines Kolbens wird anschließend die Wärmeenergie in mechanische Energie umgesetzt, dadurch entstehen hohe Verluste)^[30][31]. Der hohe Wirkungsgrad macht sich besonders im Teillastbetrieb bemerkbar, z.B. im Stadtbetrieb, wo der Verbrennungsmotor prinzipbedingt schlecht abschneidet. Wird der Wirkungsgrad η nach der „Tank-to-wheel“(TTW)-Methode („vom Tank zum Rad“) berechnet, liegt er bei einem Brennstoff-zellenfahrzeug bei ca. 45% und somit fast doppelt so hoch wie der durchschnittliche Wirkungsgrad eines Ottomotors (η ≈ 24%) und etwa 60 Prozent über jenem eines Dieselmotors (η ≈ 28%)^[32], jedoch gut 40 Prozent unter dem eines batteriebetriebenen Elektroantriebs (η ≈ 77%), dessen Lithium-Ionen-Akku einen Entladewirkungsgrad von über 90 Prozent aufweist^[33].

2.3 Die Traktionsbatterie

Fahrzeuge mit batteriebetriebenem Elektroantrieb galten um die vorletzte Jahrhundertwende als Luxus, ermöglichten sie doch einen leisen und abgasfreien Betrieb, der zudem ohne manuellen Anlasser auskam^[34]. Verbrennungsmotoren galten zu dieser Zeit als Luftverpester, laut und äußert unzuverlässig^[35].

So entwickelte Ferdinand Porsche ein Elektrofahrzeug („Lohner Porsche“), das über Radnabenmotoren angetrieben wurde. Den Nachteil des hohen Gewichts der Batterie sah er durch das fehlende Getriebe kompensiert. Um die Reichweite zu erhöhen, trieb ein Benzinmotor einen Generator an, der die Batterie auflud, welche wiederum den Elektromotor antrieb. Ferdinand Porsche erfand somit das erste Kraftfahrzeug mit seriellem Hybridantrieb^[36].

Wie revolutionär diese Tat war, zeigt sich heute mehr denn je: Fast alle Automobilhersteller entwickeln mit Hochdruck Hybridantriebe, die jedoch nur als Übergangslösung zum langfristig emissionsfreien Fahren mit reinen Elektroautos dienen sollen.

Auch die Probleme sind die gleichen wie vor 110 Jahren: die unzureichende Energiedichte der Batterien führt zu einem hohen Akku- bzw. Fahrzeuggewicht sowie zu geringer Reichweite. Ein wesentlicher Faktor, der einem möglichen Erfolg im Wege steht, sind die enorm hohen Kosten eines Elektroantriebs, insbesondere für die Batterie (ca. 15-20.000 Euro beim MINI E^[37]), die hier zunächst von funktioneller Seite betrachtet werden soll.

2.3.1 Funktionsweise

Im weitesten Sinne handelt es sich bei Batterien um mehrere galvanische Elemente, die hintereinander geschaltet werden, um eine höhere Spannung zu erzielen^[38]. Als galvanisches Element wird jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bezeichnet. Batterien im engeren Sinne sind elektrochemische Energiespeicher und – wie Brennstoffzellen auch – Energiewandler. Die gespeicherte chemische Energie wird bei der Entladung mittels einer Redoxreaktion in elektrische Energie gewandelt.

Diese kann - unabhängig von einem Stromnetz - durch einen Verbraucher – z.B. den Elektromotor - genutzt werden. Wiederaufladbare (Sekundär-) Batterien werden als Akkumulatoren („Akku“) bezeichnet^[39].

2.3.2 Der Lithium-Ionen-Akkumulator

Lithium-Ionen-Akkus stellen die neueste Entwicklung in der Batterietechnik dar. Sie werden heute millionenfach in tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen, Laptops und Mp3-Spielern eingesetzt. Ihre positiven Eigenschaften wie die hohe Energiedichte (bei Kraftfahrzeugen gelten 120-150 Wh/kg als machbar^[40]), geringe Selbstentladung und der fehlende Memoryeffekt wollen sich nun auch die Automobilhersteller zunutze machen und in den für die nächsten Jahre angekündigten Hybrid- und Elektrofahrzeugen einsetzen^[41].

Als Elektroden werden u.a. ein Lithium-Metalloxid (z.B. Lithium-Kobaltoxid) sowie ein kohlenstoffhaltiges Material (z.B. Grafit) eingesetzt. Als Elektrolyt dient ein Gemisch aus organischen Lösungsmitteln sowie Lithium-Leitsalz^[42]. Beim Laden bewegen sich die positiv geladenen Lithium-Ionen in Richtung der negativ geladenen Anode und lagern sich dort zwischen den Graphitebenen ein (siehe Abbildung 3). Die Elektronen fließen parallel über den Ladestrom zur Anode. Beim Entladevorgang – z.B. beim Betrieb eines Elektromotors – wandern die Lithium-Ionen zurück Richtung Kathode und gehen mit dem dort vorhandenen Metalloxid eine Verbindung ein. Die Elektronen fließen wiederum im Ladestrom mit^[43].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung3: Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle^[44]

Wegen der relativ geringen Leitfähigkeit des organischen Elektrolyts dürfen die Elektroden (im obigen Beispiel Aluminium an der Kathode, Kupfer an der Anode) nur eine geringe Masse haben, da die Zelle sonst zerstört werden könnte. Dies macht einen hohen Fertigungsaufwand erforderlich und erklärt z.T. die hohen Kosten für die Batterie^[45]. Abhilfe sollen hier feste Elektrolyte in Form von Polymeren schaffen, die sich ebenfalls in der Entwicklung befinden.

2.3.3 Das Batteriemanagementsystem (BMS)

Ein Batteriesystem kann nur so gut sein kann wie seine schwächste Zelle. Daher ist es erfor-derlich, dass besonders für jene Zelle ein gutes Betriebsverhalten sichergestellt ist, um eine zufriedenstellende Leistung zu erreichen. Diese Aufgabe übernimmt in einer modernen Antriebsbatterie das Batteriemanagementsystem (BMS); es verfolgt dabei diese Ziele^[46]:

- Verbesserung der Zuverlässigkeit
- Verlängerung der Lebensdauer
- Erhöhung der Wirtschaftlichkeit
- Bestimmung des Ladezustands zur Berechnung der Reichweite

Um eine hohe Leistungsfähigkeit zu erreichen ist es notwendig, die Temperatur der Batterie jener des optimalen Betriebsbereichs (ca. 18 – 25° C) anzupassen und auch zwischen den Zellen auszugleichen. Zudem soll eine Begrenzung des Stromflusses einer vollständigen Entladung – der so genannten Tiefentladung – vorbeugen, welche die Lebenszeit des Akkus erheblich verkürzen würde (wie es z.B. bei Mobiltelefonen der Fall ist). Zu den Aufgaben des BMS gehört weiterhin die Steuerung des Lade- und Entladevorgangs in einem vorher festgelegten Rahmen mit eventuellem Ladungsausgleich.

[...]

^[1]Quelle: Vierter Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on climate change (IPCC), http://www.ipcc.ch/ipccreports/ar4-syr.htm, Zugriff: 27.12.2008

^[2]Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Vierter_Sachstandsbericht_des_IPCC, Zugriff: 27.12.2008

^[3]Quelle: auto, motor und sport online http://www.auto-motor-und-sport.de/eco/co2-ziele-einigung-auf-stufenplan-873478.html, Zugriff: 27.12.2008

^[4]Quelle: http://www.kba.de/cln_005/nn_125264/DE/Statistik/Fahrzeuge/Neuzulassungen/neuzulassungen__node.html?__nnn=true, Zugriff : 23.02.2009

^[5] Quelle: http://europa.eu/rapid/pressReleasesAction.do?reference=MEMO/07/5&format=PDF&aged

=1&language=DE&guiLanguage=en, Zugriff: 26.01.2009

^[6]Quelle: http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,607674,00.html, Zugriff : 15.02.2009

^[7]http://www.kbashop.de/wcsstore/KBA/Attachment/Kostenlose_Produkte/n_monat_2008_12.pdf, 24.02.2009

^[8]Vgl. Romm, Joseph J.: Der Wasserstoff-Boom, S.54

^[9]Quelle: http://www.innovation-brennstoffzelle.de/, Zugriff: 31.12.2008

^[10]Vgl. Romm, Joseph J.: Der Wasserstoff-Boom, S.22

^[11]Quelle: http://www.efcf.com/reports/E21.pdf, Zugriff: 17.01.2009

^[12]Vgl. Pehnt, Martin, Höpfner, Ulrich u. Merten, Frank: Elektromobilität und Erneuerbare Energien, Quelle: http://www.erneuerbare-energien.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/elektromobilitaet_ee_arbeitspapier.pdf (S.5), Zugriff: 19.02.2009

^[13]Vgl. Pehnt, Martin, Höpfner, Ulrich u. Merten, Frank: Elektromobilität und Erneuerbare Energien, Quelle: http://www.erneuerbare-energien.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/elektromobilitaet_ee_arbeitspapier.pdf (S.6), Zugriff: 19.02.2009

^[14]Vgl. Pehnt, Martin: Energierevolution Brennstoffzelle?, S.34

^[15]Quelle: http://www.hydrogeit.de/brennstoffzelle.htm, Zugriff: 29.12.2008

^[16]Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Z%C3%BCndkerze, Zugriff : 27.02.2009

^[17]Vgl. Oertel, Fleischer in: Brennstoffzellentechnologie: Hoffnungsträger für den Klimaschutz, S.35

^[18]Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle, Zugriff: 29.12.2008

^[19]Quelle: http://www.netinform.de/H2/Wegweiser/Uebersicht2.aspx, Zugriff: 29.12.2008

^[20] Vgl. Oertel, Fleischer: Brennstoffzellentechnologie: Hoffnungsträger für den Klimaschutz, S.35

18 Vgl. Pehnt, Martin: Energierevolution Brennstoffzelle?, S.48

^[22] Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/a/a2/Brennstoffzelle_funktionsprinzip.png,

Zugriff: 30.12.2008

^[23]Quelle: Encyclopædia Britannica Online: http://www.search.eb.com/eb/article-252832, Zugriff: 02.01.2009

^[24]Vgl. Romm, Joseph J.: Der Wasserstoff-Boom, S.22

^[25] Quelle: http://www.netinform.de/H2/Wegweiser/Guide2.aspx?Ebene1_ID=51&Ebene2_ID=4433,

Zugriff: 04.01.2009

^[26]Vgl. Pehnt, Martin: Energierevolution Brennstoffzelle?, S.52

^[27]Vgl. Naunin, Dietrich und 18 Mitautoren: Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge, S.134 f.

^[28]Quelle: http://www.pemfc.de/, Zugriff: 05.01.2009

^[29]Vgl. Bloch, Alexander: Brenn-Punkt in: auto, motor und sport, Ausgabe 3/2009, S.40

^[30]Vgl. Oertel, Fleischer: Brennstoffzellentechnologie: Hoffnungsträger für den Klimaschutz, S.91

^[31]Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Motor, Zugriff: 16.12.2008

^[32]Quelle: TechMax, ein Magazin der Max-Planck-Stiftung Heft 1/2003 S. 3 (http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/techmax/heft2003_01/pdfTM1de.pdf

Zugriff: 02.01.2009)

^[33]Quelle: http://www.heise.de/mobil/Weiterentwickelte-Lithiumakkus-ueberholen-die-Brennstoffzelle--/artikel/58609/1 (05.02.2009)

^[34]Quelle: http://www.wallstreet-online.de/diskussion/1141662-11-20/alternativen-zu-oel, Zugriff: 30.12.2008

^[35]Quelle: http://de.geocities.com/jayedelman/porsche.html, Zugriff: 30.12.2008

^[36]Quelle: http://www.porsche.com/germany/aboutporsche/porscheandenvironment/hybrid/lohnerporsche/, Zugriff: 03.01.2008

^[37]Vgl. Fischer, Jochen: „Daimler schreibt eine blaue Null“ in: Sonntag Aktuell vom 21.12.2008, S.14

^[38]Vgl. Wissen.de Lexikon Band 2, S. 328

^[39]Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Batterie, Zugriff: 29.12.2008

^[40]Vgl. Braess, Hans-Hermann, Seiffert, Ulrich: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, S. 116

^[41]Quelle: http://lexikon.meyers.de/wissen/Lithiumionenzelle, Zugriff: 04.01.2009

^[42]Vgl. Köhler, Uwe in: Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge S. 46 ff.

^[43]Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator, Zugriff: 05.01.2009

^[44]Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/c/cc/Li-Ion-Zelle_(CoO2-Carbon%2C_Schema).svg, Zugriff: 05.01.2009

^[45]Vgl. Uwe Köhler in: Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge, S.46 ff.

^[46]Vgl. Heinemann, Detlef in: Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge, S.49