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Brennstoff entscheidend für Umweltbilanz15.Juli 2015
Sind Brennstoffzellen umweltfreundlich? Nicht immer!
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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.

Zwei Brennstoffzellenautos sind seit 2015 auf dem Markt: der Hyundai ix 35 Fuel Cell (Bild oben) und der Toyota Mirai (Bild unten). Erst in Zukunft, wenn es Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen gibt, sind diese Autos umweltfreundlicher als heutige Modelle, sagt eine Studie der Empa. Bild: hyundai.presscorner.ch

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 Kolleginnen und 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.

Entscheidend ist, wie der Strom erzeugt wird
Das Ergebnis fiel eindeutig aus: Brennstoffzellen für Autos sind nur dann ökologisch sinnvoll, wenn sie mit Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen betrieben werden können. 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: Die Herstellung konventioneller Autos ist nämlich weniger umweltbelastend.

Auch im Öko-Vergleich zu Elektroautos hat die Brennstoffzelle derzeit keine Chance: Zunächst muss aus Strom Wasserstoff erzeugt werden. Dieser wird ins Auto getankt, im Auto wird aus Wasserstoff wieder Strom erzeugt. 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. Sobald eine Gesellschaft ihren Strom überwiegend aus Sonne, Wind und Wasser produziert, wird ein Brennstoffzellenauto konkurrenzfähig – denn es verschlingt bei der Herstellung weniger Ressourcen als ein batteriebetriebenes Elektroauto, hat eine wesentlich grössere Reichweite und kann schneller betankt werden.

Blockheizkraftwerke: Weltmeister der Energieeffizienz
Beim Vergleich der Blockheizkraftwerke liess das Wissenschaftlerteam eine Brennstoffzelle basierend auf neusten Carbon-Nanoröhrchen gegen einen Stirling-Motor antreten. Diese abgasfreie Maschine verwandelt Hitze in Bewegung und wurde 1816 vom schottischen Priester Robert Stirling erfunden und patentiert. 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 90 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.

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Brennstoffzellenauto Toyota Mirai.
Bild: www.toyota-media.de


Elektroautos mit EU-Strom sind nicht umweltfreundlicher als Benziner
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 selber: Fürs Blockheizkraftwerk hat die Brennstoffzelle eine Leistung von 1 kW (Kilowatt) 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 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 von Wasserstoff zwischengespeichert wird und damit für Hausheizungen oder Mobilität zugänglich wird. Aktuell werden Windkraftanlagen schlicht abgeschaltet, wenn zu viel Strom auf dem Markt ist. Die Öko-Energie geht damit ungenutzt verloren.



Literaturhinweis
«Life cycle assessment of PEM FC applications: electric mobility and ì-CHP», D.A. Notter, K. Kouravelou, T. Karachalios, M.K. Daletou, N. Tudela Haberland, Energy & Environmental Science, 2015, DOI: 10.1039/C5EE01082A, http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ee/c5ee01082a#divAbstract


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