Die PEM-Brennstoffzelle als alternativer PKW-Antrieb

Die Leistungsdichte einer modernen PEM-Brennstoffzelle ermöglicht den Einsatz als alternativen (elektrischen) PKW-Antrieb. Sie bietet mit Wasserstoff als Kraftstoff neben einem hohen Wirkungsgrad den Vorteil der lokalen Emissionsfreiheit.

Die hohen Wirkungsgrade der Brennstoffzelle (BZ) von bis zu 80% lassen sich im PKW-Antrieb nicht darstellen, denn es muß zwischen Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstack), Brennstoffzellen-System und Brennstoffzellen-Antrieb unterschieden werden. Ein Brennstoffzellen-System berücksichtigt u. a. die Antriebsleistung des notwendigen Luftkompressors; ein Brennstoffzellen-Antrieb hat weitere Verluste durch den el. Antrieb, so daß nur Wirkungsgrade zwischen 37% und 40% (stationär / dynamisch) erreichbar sind. Die Unterscheidung zwischen Brennstoffzellenstack und Brennstoffzellen-Antrieb zeigt auch, daß ein Fahrzeug mit 50kW Brennstoffzellenleistung nur 35kW am Rad bereitstellt.

In dieser Arbeit konnte durch die Simulation eines optimierten wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellenfahrzeugs nachgewiesen werden, daß dieses im NEDC gegenüber konventionellen Benzin- und Dieselfahrzeugen einen deutlich höheren Wirkungsgrad „tank-to-wheel“ aufweist (BZ: 36%, 3L-Fzg: 26%, Diesel: 21-25%, Benzin: 17-19%).

Hinsichtlich des Verbrauchs im NEDC zeigt das simulierte Brennstoffzellenfahrzeug bei einem Gewicht von 1320kg zwar Verbrauchsvorteile gegenüber ähnlich großen oder schweren konventionellen Fahrzeugen. Diese verfügen aber über wesentlich mehr Leistung und ein deutlich besseres Leistungsgewicht. Vergleicht man das Brennstoffzellenfahrzeug mit den sparsamsten Konventionellen wie dem AUDI A2 3L (gleiche Fahrzeuggröße, 30% geringeres Gewicht), so zeigen beide den gleichen niedrigen Energieverbrauch im NEDC von umgerechnet ca. 3,0L/100km (0,92kg H2/100km).

Somit erfüllt der BZ-Antrieb hinsichtlich Wirkungsgrad und Verbrauch im NEDC die in ihn gesetzten Erwartungen, ohne allerdings die sparsamsten herkömmlichen Antriebe hinter sich zu lassen. Im direkten Vergleich außerhalb von Fahrzyklen zeigt sich der Brennstoffzellen-Antrieb in der Reichweite, dem Leistungsgewicht sowie in den maximalen Fahrleistungen deutlich unterlegen.

Bei der entscheidenderen Betrachtung des Primärenergieverbrauchs „well-to-wheel“ verliert der Brennstoffzellen-PKW durch die energieaufwendige Wasserstoffherstellung und die Energieverluste bei der Druck- oder Flüssigspeicherung seinen Vorteil gegenüber fossil betriebenen PKW mit Kolbenmotor: der Primärenergieverbrauch liegt bestenfalls auf dem Niveau von Ottomotoren. Von 100% Primärenergie können maximal ca. 55-65% im Wasserstofftank gespeichert werden (heute realisierbar: 18- 23%). Der Brennstoffzellen-Antrieb könnte nur dann Vorteile für die Umwelt erbringen, wenn die Energieverluste und Emissionen bei der Wasserstoffherstellung und -speicherung im Fahrbetrieb wieder kompensiert werden. Die Nutzung fossiler Primärenergie zur Wasserstoffgewinnung führt im Vergleich zu heutigen Antriebskonzepten zu höheren Energieverbräuchen und ist somit kontraproduktiv.

Neben dem fehlenden geeigneten Wasserstoffspeicher stehen die Kühlungsprobleme der PEM-Brennstoffzelle und die hohen Fahrzeugkosten einer Massenproduktion im Weg. Die sich abzeichnende Entwicklung weg von knapper werdenden fossilen Rohstoffen hin zu synthetischen Kraftstoffen aus verschiedenen Primärenergieträgern ermöglicht kurzfristig emissionsärmere konventionelle Antriebe, die mittelfristig mit Wasserstoff betrieben werden könnten. Damit eröffnet sich langfristig die Möglichkeit, das sparsame und effiziente Brennstoffzellenfahrzeug mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff zu etablieren. Die bis dahin wahrscheinlich gelösten technischen Probleme bestätigen dann die Aussage von Prof. Panik: „Wenn Wasserstoff als Kraftstoff, dann mit der effizientesten Antriebstechnik – mit der Brennstoffzelle.“