Brennstoffzellen sind nicht das Problem, der Wasserstoff ist es

17.2.2022 Derzeit ist noch keine größere Menge an grünem Wasserstoff in Sicht, und fossiler Wasserstoff hat kaum bessere CO2-Bilanz als Benziner und Diesel

Auf den ersten Blick war im Vorjahr ein gutes Jahr für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) auf den Pkw-Märkten. Toyota mit dem Mirai FCEV der zweiten Generation und Hyundai mit dem NEXO FCEV verzeichneten gute Umsätze, was die Ankündigung von Honda im Juni 2021 weitgehend wettmachte, dass es beschlossen hatte, die Produktion seines Honda Clarity FCV einzustellen (unter Berufung auf fehlende Wasserstoffinfrastruktur und schwache Nachfrage).

Der weltweite Absatz von Brennstoffzellenautos von Toyota hat sich von 1.770 Fahrzeugen im Jahr 2020 auf 5.918 im Jahr 2021 mehr als verdreifacht und das bisher beste Verkaufsjahr 2017 mit 2.741 verkauften Fahrzeugen in den Schatten gestellt. In ähnlicher Weise war es bei Hyundai auf in dem sie 2020 6.781 Brennstoffzellen-NEXO verkauften und den Absatz um 42 % auf 9.620 Fahrzeuge im Jahr 2021 steigerten. ( Verkäufe von Toyota und Hyundai Brennstoffzellen-Personenwagen. Quelle: IDTechEx)

Auf den ersten Blick erscheint dies positiv für die Brennstoffzellenindustrie. Aber wenn man sich die Treiber für dieses Wachstum genauer ansieht, zeigt sich, wie weit Toyota, Hyundai und die Regierungen, die die Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen unterstützen, gehen müssen, um diese Dynamik aufzubauen.

Beispielsweise war der Mirai in Kalifornien Berichten zufolge mit einem Rabatt von 65 % gegenüber seinem Listenpreis von über 50.000 USD erhältlich. Da Toyota zusätzlich zu Steueranreizen auf Bundes- und Landesebene in Höhe von weiteren 12,500 US-Dollar einen Rabatt von 20.000 US-Dollar anbot, war der Mirai 2021 in den USA für unter 18.000 US-Dollar erhältlich! Um den Deal weiter zu versüßen, bot Toyota für die ersten drei Betriebsjahre auch einen Kraftstoffkredit in Höhe von 15.000 USD an. Ein 50.000-Dollar-Auto für weniger als 20.000 Dollar mit 100.000 Kilometern kostenlosem Kraftstoff ist zweifellos ein attraktives Angebot und wird gekauft.

Bei Hyundai ist es ähnlich. Von den 9.620 Hyundai NEXOs, die 2021 weltweit verkauft wurden, wurden 88 % in Südkorea ausgeliefert. Südkoreanische nationale und staatliche Anreize im Jahr 2021 bedeuteten, dass der Verkauf des NEXO im Wert von jeweils 60.000 US-Dollar mit einer Subventionsregelung von rund 30.000 US-Dollar unterstützt wurde. Das sind attraktive 50% Rabatt. Es ist schwer vorstellbar, dass eine solche Unterstützung für einen längeren Zeitraum lebensfähig ist.

Der Einsatz von Mirai- und NEXO-Fahrzeugen zeigt, dass die Verwendung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) in Automobilanwendungen technologisch sinnvoll ist (obwohl Hyundai im August 2021 15.000 NEXO zurückgerufen hat, um ein Problem mit Klappern zu beheben). PEM-Brennstoffzellen, die unter Druck stehenden gasförmigen Wasserstoff als Kraftstoff verwenden, können eine größere Reichweite und eine schnellere Betankungszeit liefern als gleichwertige batteriebetriebene Elektrofahrzeuge. Bei FCEVs sind jedoch weder die Brennstoffzellen noch die fehlende Infrastruktur für die Wasserstoffbetankung (obwohl auch diese schwach ist) das Hauptproblem – es sind die hohen Emissionen und die Kosten des Wasserstoffs selbst.

Probleme mit der FCEV-Emission

Der jüngste Bericht von IDTechEx, „Fuel Cell Electric Vehicles 2022-2042“, enthält eine Analyse der gCO2/km-Well-to-Wheel-Emissionen von Brennstoffzellen- und Batterie-Elektrofahrzeugen und vergleicht sie mit der Tank-to-Wheel-Emission von Autos mit Verbrennungsmotor. Wie die Stromerzeugung hat auch die Produktion von Wasserstoff (H2) einen CO2-Fußabdruck. Kohlenstoffarmer grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt. Die Elektrolyse benötigt etwa 50 kWh Strom, um 1 kg H2 zu erzeugen, sodass der CO2-Fußabdruck von durch Elektrolyse erzeugtem H2 in erster Linie an die Kohlenstoffintensität des verwendeten Stroms gebunden ist. Grüner Wasserstoff wird zu 100 % aus erneuerbarer Energie hergestellt und kann einen äußerst kohlenstoffarmen Kraftstoff liefern.

Das Problem ist, dass grünes H2 noch nicht in großen Mengen produziert wird und wenn es produziert wird, ist es vergleichsweise teuer. Die überwiegende Mehrheit (~95 %) des heutigen Wasserstoffs wird durch die Dampf-Methan-Reformierung von Erdgas erzeugt, ein Prozess, der billiger ist, aber zu erheblichen CO2-Emissionen führt. Dieses „graue H2“ hat einen Emissionsfußabdruck von etwa 10,9 kgCO2/kgH2.

Toyota gibt den Kraftstoffverbrauch des neuen Mirai mit 0,86 kg H2/100 km an, sodass der Mirai mit grauem H2 etwa 94 g CO2/km ausstößt, während der NEXO (1 kg H2/100 km) etwa 109 g CO2/km ausstößt. Diese Werte sind nur eine marginale Verbesserung gegenüber den CO2-Auspuffemissionen moderner Verbrennungsmotoren. Alle umweltbewussten Personen, die FCEV-Autos gekauft haben, können sich in dem Wissen entspannen, dass ihr emissionsfreies Fahren auf der Straße (nur Wasser und Wärme) die lokale Luftqualität verbessert, aber es gibt immer noch einen Weg, den Planeten zu retten gehen. Die Schlussfolgerung ist, dass Brennstoffzellenfahrzeuge grünes H2 benötigen, um wirklich „grüne“ Fahrzeuge zu sein. (IDTechEx-Schätzung der gCO2/km-Emission für Pkw-Antriebsstränge. Quelle: IDTechEx)

Probleme mit Wasserstoff-Kosten

Im Januar 2022 traf die Stadt Montpellier, Frankreich, die Entscheidung, eine Bestellung von 51 Wasserstoff-Brennstoffzellenbussen zu stornieren, und sich stattdessen für elektrische Busse zu entscheiden, und verschrottete damit das 29 Millionen Euro (33 Millionen USD) teure Projekt Montpellier Horizon Hydrogène. In Zusammenarbeit mit der EDF-Tochter Hynamics sollte ein 2-MW-Elektrolyseur mit Wasserstoffspeicher gebaut werden, der mit 2,8 MW Photovoltaik betrieben wird, um 800 kg grünen Wasserstoff pro Tag zu erzeugen. Bei der Überprüfung der Finanzen für das Projekt kam man jedoch zu dem Schluss, dass die Betriebskosten der Brennstoffzellenbusse 0,95 Euro (1,08 $) pro km im Vergleich zu 0,15 Euro (0,17 $) pro km für batterieelektrische Busse betragen hätten. Die Wasserstoffbusse wären im Betrieb als sechsmal teurer gewesen und hätten 3 Millionen Euro pro Jahr gekostet, verglichen mit 500.000 Euro pro Jahr für die Batteriebusse!

Eine Quelle für billiges grünes H2 wird für den Erfolg von Brennstoffzellenfahrzeugen entscheidend sein. Es ist eine mutige Regierung, die sich zu hohen öffentlichen Ausgaben verpflichtet, um den Kauf von Brennstoffzellenfahrzeugen zu unterstützen, mit dem Versprechen, dass eines Tages der Kraftstoff verfügbar sein wird, um sie emissionsarm zu machen. Die Produktion von grünem Wasserstoff ist zweifellos eine riesige Chance für Unternehmen, die bereit sind zu investieren, obwohl es erhebliche Herausforderungen bei der Produktion und Verteilung zu meistern gilt, um H2 zu einem kostengünstigen emissionsfreien Automobilkraftstoff zu machen. Für die OEMs, die seit 30 Jahren Brennstoffzellenfahrzeuge entwickeln, kann die Massenproduktion von billigem grünem Wasserstoff nicht früh genug kommen, sie bräuchten ihn gestern.


Dr David Wyatt, Technology Analyst at IDTechEx


Die Hintergründe stammen aus dem Bericht „Fuel Cell Electric Vehicles 2022-2042“ von IDTechEx, der den aktuellen Stand der Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen für Pkw, leichte Nutzfahrzeuge, Lkw und Stadtbusse untersucht. www.IDTechex.com/en/research/future-mobility-subscription