Sind Brenn­stoff­zellen um­welt­freund­lich?

Zwei Brennstoffzellenautos sind seit 2015 auf dem Markt: der Hyundai ix 35 Fuel Cell (links) und der Toyota Mirai (rechts; Bilder: Hyundai / Toyota)

Zwei Brennstoffzellenautos sind seit 2015 auf dem Markt: der Hyundai ix 35 Fuel Cell (links) und der Toyota Mirai (rechts; Bilder: Hyundai / Toyota)

Die Brennstoffzelle gilt als Zukunftstechnologie für Autos, aber auch für Hausheizungen. Doch sind Brennstoff­zellen in jedem Fall umwelt­freundlicher? Ein interna­tionales Wissenschaft­lerteam unter Führung der Empa hat es durchge­rechnet und kommt zum Schluss: Es kommt auf den Treibstoff an.

In der Zukunft könnten wir mit Brennstoffzellenautos fahren, die solar erzeugten Wasser­stoff verbrennen. Das „Null-Emissions­auto“ wäre damit Wirklich­keit. Zugleich könnten in den Kellern unserer Häuser kleine Blockheiz­kraftwerke stehen – ebenfalls basierend auf Brennstoff­zellen­technik. Sie verwandeln Erdgas und Biogas in Elektri­zität und erzeugen „nebenbei“ Wärme zum Heizen des Gebäudes. Nur – ist das, was technisch möglich ist, auch sinnvoll für die Umwelt? Der Empa-Forscher Dominic Notter hat mit Kollegen aus Griechen­land und Brasilien die Umwelt­bilanzen für den Einsatz von Brennstoff­zellen durchge­rechnet: von der Herstel­lung über die gesamte Lebens­dauer und den Betrieb bis hin zum abschlie­ßenden Rezyk­lieren einer solchen Brenn­stoffzelle.

Das Ergebnis fiel eindeutig aus: Brennstoffzellen für Autos sind nur dann ökologisch sinn­voll, wenn sie mit Wasser­stoff aus erneuer­baren Energie­quellen laufen. Es hat keinen Sinn, Strom aus dem europä­ischen Netz zu zapfen, daraus per Wasser-Elektro­lyse Wasser­stoff herzu­stellen und damit Autos zu betanken. Der CO2-Ausstoß pro Kilowatt­stunde Strom wäre bei dieser Methode viel zu hoch. Derzeit wird indus­trieller Wasserstoff überwiegend direkt aus Erdgas gewonnen. Doch auch mit dieser Art Treibstoff bringt die Brennstoff­zelle praktisch keinen Umwelt­vorteil. Ein Auto mit Verbrennungs­motor hat derzeit die Nase vorn, denn die Herstellung konventio­neller Autos ist weniger umwelt­belastend.

Auch im Öko-Vergleich zu Elektroautos hat die Brennstoffzelle derzeit keine Chance: Zunächst muss aus Strom Wasser­stoff erzeugt werden, das Auto gewinnt daraus wieder Strom. Diese doppelte Umwandlung senkt die Effi­zienz deutlich. Wer mit dem gleichen Strom direkt die Batterie seines Elektro­autos lädt, fährt sparsamer und somit auch umweltfreundlicher. In Zukunft könnte das jedoch anders aussehen, sagt Notter. Produ­zieren wir Strom überwiegend aus Sonne, Wind und Wasser, macht dies das Brennstoff­zellenauto konkur­renz­fähig – denn es verschlingt bei der Herstel­lung weniger Ressourcen als ein batterie­betrie­benes Elektro­auto, hat eine wesent­lich größere Reich­weite und lässt sich schneller betanken.

Beim Vergleich der Blockheizkraftwerke ließ das Wissenschaftler­team eine Brennstoff­zelle basierend auf neusten Carbon-Nano­röhrchen gegen einen Stirling-Motor antreten, der abgasfrei Hitze in Bewegungsenergie umwandelt. Beide Arten des Blockheiz­kraftwerks lassen sich mit Erdgas betreiben. Das Ergebnis dieser Rechnung: ein leichter Vorteil für die Brennstoff­zelle, weil sie einen höheren Anteil des Erdgases in wertvolle Elektri­zität verwandelt. Wer mit ihr Wärme und Strom zugleich erzeugt, nutzt neunzig Prozent der im Erdgas enthal­tenen Energie – ein Spitzen­wert. Blockheiz­kraftwerke, egal welcher Bauart, sind also Meisterwerke der Energie­effizienz. Nachteil: Eine Brenn­stoff­zelle enthält seltene Metalle wie Platin, die immer teurer werden und in Zukunft schwer zu beschaffen sein könnten. Der Stirling-Motor lässt sich dagegen einfach aus Stahl konstruieren.

Für ihre Berechnungen nutzten Dominic Notter und seine Forscherkollegen das Instru­ment der Ökobilanz. Damit lässt sich der Umwelt­einfluss von Gütern und Dienst­leistungen berechnen und vergleichen. Die Bauteile der Brennstoff­zellen berechneten die Forscher dabei von Grund auf selbst: Für das Blockheiz­kraftwerk hat die Brennstoff­zelle eine Leistung von 1 kW und wird mit einem Stirling-Motor verglichen, der die gleiche Menge Strom erzeugt. Das Brennstoff­zellenauto in der Studie hat 55 kW Leistung und wird mit einem 55 kW starken Elektro­auto und einem 55-kW-Benzin-Klein­wagen verglichen.

Ergebnis: Zieht man den aktuellen EU-Strom-Mix als Vergleich heran, dann hat der Benzin-Kleinwagen mit einem angenommenen Verbrauch von 6,1 l / 100 km nach 150,000 km Fahr­leistung die Nase vorn. Das mit über­wiegend konven­tionellem EU-Strom geladene Elektro­auto erzeugt eine leicht höhere Umwelt­belastung – vergleichbar mit 6,4 l / 100 km Benzinverbrauch. Ein Brennstoff­zellen-Kleinwagen, dessen Wasserstoff mit EU-Strom erzeugt wird, wäre heute bei weitem die schlechteste Option. Das Auto würde den gleichen Umwelt­effekt erzeugen wie ein Luxus-Sportwagen mit einem Benzin­verbrauch von 12,1 l /100 km.

Doch die Brennstoffzelle könnte eine wichtige Zukunftstechnologie sein – dann nämlich, wenn in Zukunft über­schüs­siger Strom aus Windkraft und Solar­energie in Form zur Erzeugung von Wasserstoff dient und damit für Haus­heizungen oder Mobi­lität zugänglich ist. Aktuell werden Windkraft­anlagen schlicht abgeschaltet, wenn zu viel Strom auf dem Markt ist. Das volle Öko-Energie-Potenzial bleibt damit ungenutzt. (Quelle: Empa)

Referenz: D. A. Notter et al.: Life cycle assessment of PEM FC applications: electric mobility and ì-CHP, Energy Environ. Sci. 8, 1969 (2015); DOI: 10.1039/C5EE01082A

Link: Environmental Risk Assessment and Management Group (ERAM), Technology and Society Lab (TSL), Empa, St. Gallen

Speak Your Mind

*