Die Diskussion um den Antrieb der Zukunft wird mit Leidenschaft geführt. Eine Fragestellung treibt dabei die Emotionen regelmäßig auf die Spitze: wird sich die Brennstoffzelle als eine Antriebsoption im PKW-Segment langfristig festigen oder wird sich hier der Batterie-elektrische Antrieb als einzige Technologie durchsetzen? Vertreter des „Battery-Only“ Lagers beziehen ihre Argumentation häufig auf drei Eigenschaften: Emissionen, Reichweite und Effizienz.
Emissionen:
„Beide Technologien sind lokal emissionsfrei, stoßen somit keine CO2-Emissionen oder Schadstoffemissionen aus.“ So wird der Technologievergleich gerne eingeleitet.
Korrekt, solange über die Tank-to-Wheel Emissionen gesprochen wird. Gleichstand zwischen Batterie und Brennstoffzelle, 1:1.
Sobald die CO2-Intensität in einer Well-to-Wheel oder Life-Cycle-Betrachtung verglichen wird, ist allerdings Vorsicht geboten! Durch entsprechende Annahmen hinsichtlich Batteriegröße, Produktionsart des Energieträgers oder die zugrundeliegende Laufleistung kann das Ergebnis stark beeinflusst werden. Hier ist keine pauschale Aussage über einen Sieger im Technologievergleich möglich.
Reichweite:
„Vor einigen Jahren, konnten sich Brennstoffzellen-Fahrzeuge (FCEV) durch große Reichweiten deutlich von Batterie-Fahrzeugen (BEV) absetzen. Heute werden auch BEVs mit Reichweiten von über 500 km angeboten. Diese hohen Reichweiten und das wachsende Netz an Schnellladesäulen stellen die Langstreckentauglichkeit der BEVs sicher. Das wesentlichste Argument für die Brennstoffzelle gehört nur noch in die Geschichtsbücher!“ Diese allgemeine Behauptung wird häufig von Befürwortern des „Battery-Only“-Ansatzes formuliert.
In der Diskussion um die Reichweiten, wird ein Zusammenhang häufig vernachlässigt. Die Herstellerangaben zu den Reichweiten beziehen sich auf einen Testzyklus, in Europa auf den „WLTP“. Der Nutzer ist zwar vom Verbrenner gewohnt, dass sein realer Verbrauch in vielen Fahrsituationen von den Herstellerangaben abweicht. Rund 20% Mehrverbrauch sind ganz normal. Den meisten Nutzern ist allerdings nicht bewusst, dass sich diese Abweichungen bei elektrischen Antrieben strukturell verstärken. Auf der Langstrecke werden viele Fahrer einen Verbrauch von 50% bis 100% über der Herstellerangabe erleben. Damit wird ein altbekannter Streitpunkt zwischen Herstellern und Verbrauchern nicht geschlichtet, sondern dramatisch befeuert.
Technischer Exkurs:
Ein Fahrzeug muss mit seiner abgerufenen Antriebsleistung den Fahrwiderstand überwinden. Dieser setzt sich aus dem Rollwiderstand, dem Steigungswiderstand, dem Beschleunigungswiderstand und dem Luftwiderstand zusammen. Letzterer ist unter anderem abhängig von der Geschwindigkeit zum Quadrat. Die benötigte Antriebsleistung steigt somit exponentiell zur Geschwindigkeit. Dieser Zusammenhang ist zunächst für alle Fahrzeuge gleich, unabhängig von ihrer Antriebstechnologie.
Zwischen der abgegebenen Antriebsenergie und der aufgenommenen Energie in Form von Diesel, Benzin, Strom oder Wasserstoff steckt allerdings noch der Wirkungsgrad des Antriebs. Hier verbirgt sich der wesentliche Unterschied. Bei einem Verbrennungsmotor verändert sich der Wirkungsgrad sehr stark über den Betriebsbereich, während er bei einem Batterie- oder Brennstoffzellenfahrzeug relativ konstant bleibt! Näherungsweise kann man formulieren, dass der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors bei höherlastigem Betrieb steigt (siehe Verbrauchskennfeld/Muscheldiagramm eines Verbrennungsmotors). Damit wird in einem Verbrenner der exponentiell steigende Energiebedarf des Antriebs bei hohen Geschwindigkeiten durch den steigenden Wirkungsgrad zum Teil kompensiert.
Der Fahrer eines PKW mit Verbrennungsmotor spürt den extrem steigenden Leistungsbedarf in entsprechenden Fahrsituationen nur in gefilterter Form am steigenden Kraftstoffverbrauch. Bei Batterie- oder Brennstoffzellenfahrzeugen tritt dieser Filter-Effekt nicht auf. Der Nutzer bekommt stets den Leistungsbedarf des Antriebs direkt und ungefiltert auch im Verbrauch zu spüren. Die Reichweite des Fahrzeugs reduziert sich entsprechend stark. Besonders ausgeprägt wird dies in Fahrsituationen bemerkbar, in denen gerade die große Reichweite gewünscht ist: auf der Autobahn mit Geschwindigkeiten von >120 km/h oder beim Ziehen z.B. von einem Wohnwagen auf der Urlaubsfahrt. Zur Einordnung: die durchschnittliche Geschwindigkeit im WLTP Testzyklus beträgt 47 km/h.
Im Vergleich der Batterie- und Brennstoffzellentechnologie sind beide Fahrzeuge von diesem Unterschied gegenüber einem Verbrenner betroffen. Auf typischen Langstreckenfahrten muss häufiger geladen bzw. getankt werden, als man dies normalerweise erwarten würde. Die Schnelligkeit der Lade- bzw. Tankvorgänge wird sich als umso wichtigeres Differenzierungsmerkmal zwischen der Batterie- und Brennstoffzellentechnologie etablieren. Die besten Ladezeiten von BEV liegen bei 20-30 Minuten, jedoch bezieht sich diese Angabe auf ein Nachladen bis 80% der Speicherkapazität. Entweder muss der Fahrer weitere 20-30 Minuten warten, bis die Batterie zu 100% geladen ist oder er setzt die Fahrt mit einer geringeren Reichweite fort. In den 5 Minuten Tankstopp eines Wasserstofffahrzeugs wird der Tank hingegen komplett gefüllt. Auf der Langstrecke muss dem FCEV somit ein Vorteil bei der effektiv nutzbaren Reichweite zugesprochen werden oder die Lade- bzw. Tankzeiten transparent auf eine volle Batterie und einen vollen Tank bezogen werden.
Laut Werbeprospekt gibt es einzelne BEV, die mit der Reichweite eines FCEV mithalten können. Neben der effektiv nutzbaren Reichweite auf der Langstrecke, ist allerdings ein weiterer Aspekt zu berücksichtigen: als wesentlicher Kostentreiber, werden große Batterien und diese maximalen Reichweiten nur für sehr spezielle PKW als „Serienausstattung“ angeboten. Im Regelfall ist die Reichweite bei BEV als wählbare Option mit einem zusätzlichen Preisschild versehen. Ein FCEV bringt diese Eigenschaft bereits als „Serienausstattung“ mit. Jeder Kunde kann somit die Langstreckentauglichkeit des FCEV flexibel nutzen. Die BEV-Kunden werden hingegen bei der Bestellung abwiegen müssen, wie oft solche Fahrten vorkommen und welche Zahlungsbereitschaft sie mitbringen, um die Komforteinbußen auf der Langstrecke zu vermeiden.
Das FCEV kann also nach wie vor bei der Reichweite punkten! 1:2 für die Brennstoffzelle.
Effizienz:
„Der Weg von einer erneuerbaren Stromquelle über ein BEV auf die Straße ist deutlich effizienter als der vergleichbare Weg über eine Elektrolyse und ein FCEV. Der begrenzt verfügbare Strom aus erneuerbaren Energien darf nicht für FCEV verschwendet werden!“ In dieser Einfachheit wird die Effizienzdiskussion gerne abgehandelt.
Unbestritten ist die technische Effizienz innerhalb der beschriebenen Systemgrenzen für die Batterie-elektrische Mobilität höher. Mit dieser Perspektive geht ein Punkt an das BEV. Gleichstand 2:2.
Wichtig ist allerdings, derartige Betrachtungen auch in einen gesamtsystemischen Ansatz zu bringen. Entscheidend für die Marktentwicklung beider Technologien ist letztlich nicht die technische Effizienz, sondern die betriebswirtschaftliche. Wenn ein Akteur durch die Veredelung des Stroms in chemische Energieträger ein profitableres Geschäftsfeld erschließen kann, anstelle den Strom direkt zu verkaufen, dann wird die technische Effizienz zur Nebensache. Das wertvollere Folgeprodukt kompensiert den verursachten Energieaufwand. Der chemische Energieträger wird sich am Markt etablieren. Eine Situation, die überall in der freien Wirtschaft zu beobachten ist: Produkte werden durch Material- und Energieeinsatz hergestellt und zu einem Preis verkauft, der alle Kosten deckt und einen Gewinn zulässt. In diesem Zusammenhang wird allerdings nicht von Energieverschwendung, sondern von Wertschöpfung gesprochen!
Fazit:
Im argumentativen Dreisprung lässt sich bei oberflächlicher Betrachtung schnell herleiten, dass die Brennstoffzelle im PKW-Segment überflüssig sei. Erlaubt man sich allerdings etwas mehr inhaltlichen Tiefgang, relativiert sich diese scheinbar so offensichtliche Überlegenheit des Batterie-elektrischen Antriebs.
Man darf zuversichtlich sein, dass auch langfristig beide emissionsfreien Antriebstechnologien ihren festen Platz in der PKW-Anwendung haben werden. Denn die mächtigste Position in der Frage um den Antrieb der Zukunft nehmen nicht die Vertreter von Wissenschaft, Politik und Wirtschaft ein… sondern die Kunden! Für sie zählen keine Testzyklen oder akademischen Herleitungen, sondern die praktischen Erfahrungen mit Technik, Kosten und Komfort.
