Effizienz und Wirkungsgrad, zwei völlig eindeutige Begriffe – ODER ETWA NICHT?
Achim Schwarz
Der erste Teil unserer Serie zum Energieträger Wasserstoff, in dem Sales Engineer Achim Schwarz über ein Brennstoffzellenfahrzeug im Ness-Fuhrpark berichtete, erfuhr erfreulich hohe Resonanz.
In diesem zweiten Teil erklärt er uns nun, dass man genau hinschauen muss, wenn es um die Begriffe Effizienz und Wirkungsgrad geht. Außerdem gibt er uns einen Einblick in die Lebenszyklusemissionen von Wasserstoff beim Einsatz als Kraftstoff im Straßenverkehr. So viel sei verraten: Bis zum Ende lesen lohnt sich!
Achim, insbesondere beim Thema Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff ist viel von den Begriffen Effizienz bzw. Wirkungsgrad die Rede. Wenn man Aussagen sieht, dass der Energieträger Wasserstoff hierbei schlecht abschneidet, könnte man doch meinen, dass diese Begriffe absolut eindeutig definiert sind, oder?
Machen wir es kurz und schmerzlos: Das sind sie eben absolut nicht! Es ist für mich als Energietechnikingenieur beispielsweise immer wieder erstaunlich zu sehen, wie selbst Personen, die es besser machen müssten – beispielsweise Hochschulprofessoren aus dem Bereich Energie – die in ihren Aussagen gewählten Definitionen nicht nennen. In anderen Fällen wird dies jedoch sicher auch auf Unwissenheit basieren.
Dann gib uns ein Beispiel dafür, was bei den Definitionen den Unterschied macht!
Ich fange mal an mit dem Energiegehalt von Brennstoffen, die Wasserstoffatome enthalten, wodurch bei ihrer oxidativen Umsetzung Wasser frei wird. Man kann z.B. bei einer Verbrennung das entstandene Wasser im gasförmigen Zustand belassen, dann wird der Energiegehalt (unterer) Heizwert genannt. Lässt man es jedoch den flüssigen Zustand annehmen und nutzt die bei der Kondensation freiwerdende zusätzliche Wärmemenge, so spricht man vom Brennwert bzw. oberen Heizwert.
Der Unterschied im Energiegehalt ist umso größer, je mehr Wasserstoff ein Brennstoff enthält. Beträgt der Unterschied beim Erdgas (bei dessen Hauptbestandteil Methan sind vier von fünf Atomen Wasserstoff) beispielsweise ca. 10%, so sind es beim reinen Wasserstoff schon gut 18% (Heizwert 33,3 kWh/kg, Brennwert 39,4 kWh/kg). Eine ganz erhebliche Differenz also!
Und wie wird nun dieser Punkt in der Praxis gehandhabt?
Wirkungsgrade von Heizgeräten werden meist bezogen auf den Heizwert des Brennstoffs angegeben, auch historisch bedingt, da früher die zusätzliche Kondensationswärme selten nutzbar war. Bei Gebäudeheizungen sind jedoch Brennwertgeräte inzwischen ein alter Hut, bei korrekter Anwendung können sie diese „Zusatzenergie“ tatsächlich nutzen. Bei Erdgas-Brennwertkesseln führt diese Tatsache dann – bei niedrigen Heizkreistemperaturen – beispielsweise zu Wirkungsgradangaben von 109%. Aus Marketingsicht eine tolle Schönfärbung, aus physikalischer Sicht natürlich Unfug.
Persönlich würde ich daher immer den Bezug auf den Brennwert bevorzugen. Die zusätzliche Energiemenge ist ja zweifellos im Brennstoff enthalten und kann in passenden Anwendungen auch genutzt werden. Das ist der Grund, warum Erdgasversorger i.d.R. nach dem Brennwert abrechnen. Es gibt aber noch einen weiteren Grund, den ich nachfolgendend noch gern erläutern möchte.
Aber magst du uns zuvor noch ein ähnliches Beispiel nennen?
Bei der Stromerzeugung wird oft nur der elektrische Wirkungsgrad betrachtet, d.h. wie viel Prozent meiner im Brennstoff gebundenen chemischen Energie kann ich im Anschluss als elektrische Energie nutzen. Bei der Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse genau umgekehrt.
Fakt ist jedoch: Bei beiden Prozessen entsteht auch Abwärme. Natürlich kann man diese ungenutzt an die Umwelt abgeben, aber auf die Idee, dass dies der einzig gangbare Weg ist, sollten eigentlich nur absolute Laien kommen. In der Energieversorgung gibt es die Kraft-Wärme-Kopplung schon sehr lange und auch bei Elektrolyseanlagen wird die Abwärme zunehmend genutzt, wann immer dies sinnvoll möglich ist.
Mit diesem Hintergrund: Wie bewertest du die zwei elementarsten Technologien wenn es um Wasserstoff geht, nämlich die Brennstoffzelle und die Elektrolyse?
Das möchte ich konkret am Beispiel Mobilitätssektor erläutern, ganz einfach weil fast jedem dieser Anwendungsfall bekannt ist und viele Aussagen hierzu besonders reißerisch sind.
Fangen wir mit der Brennstoffzelle an, da sie aus meiner Sicht den größeren Knackpunkt darstellt. Bei Brennstoffzellen (wie in der Stromerzeugung ganz allgemein) wird der Wirkungsgrad meist bezogen auf den Heizwert des Brennstoffs angegeben, denn natürlich ergibt diese Vorgehensweise einen höheren und damit erfreulicheren Wert! Moderne Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen, wie sie in Fahrzeugen quasi ausschließlich zum Einsatz kommen, erreichen dann in der Spitze elektrische Stack-Wirkungsgrade von ca. 67%. Dabei wird zunächst nur der reine Brennstoffzellenstapel betrachtet, berücksichtigt man auch Nebenverbraucher wie die Luftversorgung, so sinkt dieser Wert um wenige Prozentpunkte.
Um es klarzustellen, das ist aus technischer Sicht ein enorm guter Wert, v.a. angesichts der Tatsache, dass er schon in der Leistungsklasse von einigen Kilowatt erreicht wird. Die modernsten Gas- und Dampfturbinenkraftwerke, die ähnliche Werte erreichen können, weisen eine Leistung im mindestens mittleren dreistelligen Megawattbereich auf!
Wenn wir das nun auf den Brennwert von Wasserstoff umrechnen, dann ergibt sich – bei richtiger Dimensionierung und im Fahrzeug auch Hybridisierung – ein elektrischer Systemwirkungsgrad von etwa 50%. Vielleicht mag manch einer diese Betrachtungsweise als etwas „unfair“ ansehen, da Brennstoffzellen die zusätzliche Kondensationsenergie schon in der Theorie wahrscheinlich gar nicht für die Stromerzeugung nutzen können. Aber wie gesagt, ich werde noch darauf eingehen, warum ich den Bezug auf den Brennwert für richtig halte.
Ordne uns die 50% doch bitte noch etwas genauer ein. Bedeutet dieser Wert allein – wie so oft kolportiert – schon den Todesstoß für diese Technologie?
Aus meiner Sicht ist das keineswegs der Fall, man ziehe zum Vergleich nur mal übliche Verbrennungsmotoren heran, die schon in der Spitze und erst recht im Durchschnitt wesentlich darunterliegen!
Natürlich sind verschiedene Anwendungsfälle auch mehr oder weniger ideal. Nehmen wir einerseits einen PKW, der bei sommerlichen Temperaturen auf der Autobahn unterwegs ist. Er braucht dann eine beachtliche elektrische Leistung, kann die Abwärme jedoch nicht nutzen und muss sie damit an die Umgebung abgeben.
Betrachten wir andererseits einen Stadtbus, der bei winterlichen Temperaturen genutzt wird. Im langsamen Stadtverkehr braucht er nur eine moderate elektrische Durchschnittsleistung, andererseits aber auch eine signifikante thermische Leistung zur Beheizung des Innenraums.
Man sieht also, dass im zweiten Fall die Brennstoffzelle eine geradezu ideale Energiequelle darstellt! Der erste Fall macht hingegen deutlich, dass die signifikante Wirkungsgradsteigerung von Brennstoffzellen – so schwierig sie aus technischen Gründen auch sein mag – den „heiligen Gral“ darstellt, der die Wirtschaftlichkeit in vielen Anwendungsfeldern entscheidend verbessern kann.
Gut, dann weiter zur Elektrolyse. Liegt etwa hier der Grund, warum du den Bezug auf den Brennwert sinnvoll findest?
Ja, ganz genau! Hier wird der Wirkungsgrad üblicherweise auf den Brennwert bezogen, und diesmal nicht nur um einen schöneren Wert angeben zu können, sondern aus meiner Sicht völlig zurecht. Der Grund ist folgender: Um die Energiebilanz einer Elektrolyse aufzustellen, muss man einerseits ermitteln, wie viel elektrische Energie ins System hineinfließt und andererseits, wie viel Energie in Form von Wasserstoff und Abwärme das System verlässt.
Würde ich dem produzierten Wasserstoff nicht den Brennwert, sondern lediglich den Heizwert zuweisen, dann ginge die Energiebilanz schlichtweg nicht auf! Es würde dann scheinbar über die Systemgrenze mehr Energie hineinfließen als hinaus, was aber wegen dem physikalischen Grundsatz der Energieerhaltung nicht möglich ist.
Nun könnte man einwenden, dass dieses Argument keine Rolle spielt, wenn Wasserstoff z.B. aus Erdgas per Dampfreformierung oder Methanpyrolyse erzeugt wird. Da aber nun mal ein immer größer werdender Teil des weltweit benötigten Wasserstoffs per Elektrolyse erzeugt wird, ist aus meiner Sicht der Bezug auf den Brennwert richtig und nötig.
Interessanter Standpunkt! Wo steht die Elektrolyse in Sachen Wirkungsgrad und wie kann man Ihre Abwärme nutzen?
Hier muss man aus meiner Sicht zwei Fälle unterscheiden: Die Situation heute und jene in naher Zukunft.
Aktuell erreichen marktübliche Techniken wie alkalische oder PEM-Elektrolyse bereits „chemische“ Systemwirkungsgrade von bis zu 75% (bezogen auf den Brennwert des erzeugten Wasserstoffs).
Wie kann man nun die entstehende Abwärme nutzen? Die Einspeisung in Nahwärmenetze wird bereits praktiziert. Den deutlich geringeren Heizwärmebedarf von modernen Gebäuden sehe ich dabei übrigens nicht als Nachteil, denn der gleich gebliebene Warmwasserbedarf muss ebenfalls gedeckt werden – ich kann also mehr moderne Gebäude versorgen und habe im Jahresdurchschnitt einen höheren Deckungsanteil durch die Elektrolyseabwärme (unter der Annahme, dass die Abwärme übers Jahr hinweg relativ gleichmäßig anfällt).
Aber selbst wenn ich wenige Gebäude in der Nähe der Elektrolyse habe und somit ein Wärmenetz keinen Sinn macht, lassen sich dennoch Verwendungsmöglichkeiten finden. Nehmen wir wieder den Fall des Straßenverkehrs und betrachten beispielsweise einen großen Rasthof an einer günstigen Stelle im Straßennetz (nahe eines Autobahnkreuzes/-dreiecks oder einer größeren Stadt). Sofern dort eine Wasserstofftankstelle mit lokaler Elektrolyse entsteht, braucht es nicht viel Fantasie um zu erkennen, dass erheblicher Warmwasserbedarf für die Küchen, Sanitäreinrichtungen von Durchreisenden und übernachtenden LKW-Fahrern oder auch Waschanlagen besteht.
Also ist deiner Meinung nach bereits heute das Thema Energieeffizienz aufseiten der Wasserstofferzeugung kein Stolperstein mehr. Und wie sieht das nun in naher Zukunft aus?
Da wird die Situation sogar noch besser! Diverse Hersteller haben es geschafft, den Wirkungsgrad mittels Optimierungen bekannter Prinzipien (alkalisch und AEM) in den Bereich 80 – 90% zu heben. Sie haben bereits mit der Serienproduktion entsprechender Stacks begonnen oder stehen kurz davor.
Mit klugen Ideen oder auch etwas revolutionäreren Ansätzen haben andere wie Hysata oder H2gen zudem bereits bewiesen, dass Werte von 95% ebenfalls möglich sind, hier sollten in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts Serienprodukte erhältlich sein.
Man sieht also, dass mit solchen Anlagen immer weniger Abwärme zur Verfügung steht, die sinnvoll „eingesammelt“ und verwendet werden müsste!
Und nun zum versprochenen Einblick einer Lebenszyklusanalyse am Beispiel des Straßenverkehrs: Warum ist die Betrachtung des kompletten Produktlebenszyklus denn so wichtig und welche Erkenntnisse gibt es in diesem Punkt?
Ganz einfach da der Energiebedarf im Betrieb eben längst nicht alles ist, auch zur Herstellung eines Produkts werden oftmals erhebliche Energiemengen benötigt. Diese Bedarfe fallen zu unterschiedlichen Zeitpunkten an, es kommen dafür auch verschiedene Energieträger zum Einsatz und diese verursachen dann mehr oder weniger hohe (Treibhausgas)Emissionen.
Diese Zusammenhänge hat 2021 für PKW „The International Council on Clean Transportation” in einer beachtlichen Studie betrachtet. Für jene denen das ICCT kein Begriff ist: Es handelt sich dabei um nicht weniger als jene Organisation, die 2015 den VW-Dieselskandal aufdeckte.
Es werden darin die Lebenszyklusemissionen von PKW (Mittelklassewagen und SUV) mit den verschiedensten Antriebskonzepten betrachtet, die 2021 bzw. 2030 in den wichtigsten globalen Märkten produziert, in den Verkehr gebracht und 14 – 17 Jahre mit jeweils typischen Laufleistungen betrieben werden (globale Durchschnitte werden ebenfalls berechnet). Dabei werden für den jeweiligen Energieträger auch verschiedene Erzeugungsszenarien betrachtet, z.B. für Strom der Netzmix über die Nutzungsdauer oder rein erneuerbar, für Wasserstoff z.B. Herstellung aus Erdgas mit oder ohne CCS (Carbon Capture and Storage) sowie Gewinnung per Elektrolyse mit dem Stromnetzmix oder rein erneuerbar.
Auf den ersten Blick sehen einige Szenarien für Brennstoffzellenfahrzeuge deutlich ungünstiger aus als für batterieelektrische, beispielsweise wenn man über die ganze Nutzungsdauer eine Wasserstofferzeugung aus Erdgas ohne CCS annimmt (nicht, dass ich persönlich CCS für einen Heilsbringer hielte!) und diese mit einer direkten Stromnutzung des Netz-Mixes vergleicht.
Der „ideale Endzustand“ (sowohl Wasserstofferzeugung als auch Betrieb batterieelektrischer PKW mit rein erneuerbarem Strom) zeigt jedoch: Kein großer Unterschied mehr! (Ich werde noch darauf eingehen, warum ich 20 – 35% höhere Werte nicht als „kriegsentscheidend“ ansehe.)
Zumal ja folgendes hinzukommt: Wasserstoff ist stationär, großtechnisch und erst recht saisonal mit erheblich geringerem Aufwand speicherbar (z.B. wie Erdgas in Salzkavernen) als elektrischer Strom. Sofern man es also – wovon ich ausgehe – auch zukünftig nicht ideal schafft, batterieelektrische Fahrzeuge immer dann zu laden, wenn viel erneuerbarer Strom im Netz ist (diese Thematik werde ich im nächsten Teil der Serie aufgreifen), so wird der dafür benötigte Strom im Durchschnitt weniger „grün“ sein als jener, der zur Wasserstoffproduktion verwendet wird. Diese Tatsache begünstigt also den Energieträger Wasserstoff!
Und selbst diese sehr gute Studie enthält weitere Annahmen, die aus meiner Sicht batterieelektrische Fahrzeuge eher etwas zu vorteilhaft dastehen lassen:
• Es wird mit einem Elektrolyse-Wirkungsgrad (es muss der Bezug auf den Brennwert gemeint sein) von durchschnittlich nur 70% gerechnet (keine Anrechnung von Abwärmenutzung) und
• hinsichtlich der Emissionen, die bei der Herstellung des Energiespeichers entstehen, wird beispielsweise für Europa und das Jahr 2021 das 5 kg-Wasserstofftanksystem des Mirai 1 mit einer Batterie von nur 45 kWh Kapazität verglichen! Selbst wenn letzterer Wert für das Jahr 2030 um 20% höher angesetzt wird: Wer Teil 1 dieser Interviewserie gelesen hat, weiß, dass dies immer noch kein adäquater Vergleich ist.
Ok, damit wird wahrscheinlich für die meisten Leser verständlich, warum du viele Aussagen zu den Themen Energieeffizienz bzw. Treibhausgasemissionen als sehr plakativ und zu verkürzt ansiehst.
Aber jetzt zu deiner vorherigen Aussage: Selbst, wenn man nicht so genau hinschauen sollte und für den idealen Endzustand (Nutzung rein erneuerbaren Stroms) 20 – 35% höhere Lebenszyklusemissionen eines Brennstoffzellenfahrzeugs gegenüber einem batterieelektrischen als gegeben ansieht: Warum wäre dieser Unterschied für dich nicht kriegsentscheidend? Als Ingenieur bei NESS versuchst du doch sonst meist noch das letzte Prozent rauszuholen!
Stimmt! Aber hier nehme ich eine etwas weitere Perspektive an.
Zum einen haben wir hier in Europa nur relativ wenig Rohstoffe verfügbar, die es zur Batterieproduktion für Fahrzeuge braucht. Und wir mussten in den letzten Jahren eben leider feststellen, wie schmerzhaft Abhängigkeiten sein können. Alternative Zellchemien können dieses Problem zwar erheblich lindern, haben jedoch stellenweise andere Nachteile.
Und zum anderen gilt wie immer: Jeder ist seines Glückes Schmied! Was ich damit meine: Schon die Wahl der Fahrzeugklasse oder persönliche Verhaltensweisen können einen erheblichen Unterschied machen. Fahre ich beispielsweise ein leer 2,5 Tonnen schweres SUV mit Schrankwand-Aerodynamik oder ein spürbar leichteres und windschnittigeres Mittelklassefahrzeug? Und fahre ich absolut jede Strecke mit dem PKW oder nehme ich auch mal das Rad, den Bus oder die Bahn?
In diesen Punkten hat ja jedermann tatsächlich die volle Wahlfreiheit. Angesichts eines so weiten Spektrums an „Stellschrauben“ dann aber eine Antriebstechnologie auszuschließen zu wollen – zumal eine ziemlich effiziente wie die Wasserstoff-Brennstoffzelle – halte ich persönlich für unangebracht und unnötig. Wer ineffizienten Technologien den Kampf erklären will, sollte meiner Ansicht nach flüssige E-Fuels, die in nicht hybridisierten Verbrennungsmotoren genutzt werden, als Zielscheibe wählen. Die Wasserstoff-Brennstoffzelle hat das sicher nicht verdient!
Alles schön und gut, aber jetzt erklär uns doch mal den Sinn des Ganzen: Warum hast du dich so intensiv mit diesem Thema beschäftigt? NESS hat doch – von Dienstreisen abgesehen – an sich nichts mit dem Straßenverkehr am Hut!
Neben meinem persönlichen Interesse war das im Grunde eine interessante Fingerübung bzw. ein Beispiel, wie wir auch in unserem Kerngeschäft vorgehen: Wir bei NESS plappern keine weitverbreiteten Statements nach, sondern prüfen genau: Wie ist die Situation tatsächlich? Macht regelmäßig propagiertes wirklich immer Sinn? Kann nicht auch ein anderer Weg gute Resultate liefern?
Für unsere Kunden die beste Lösung zu finden, auch wenn es vielleicht etwas ganz anderes ist als sie es sich zunächst vorgestellt haben, dass ist der Anspruch in unserer täglichen Arbeit!
Und selbst die Aussage, dass wir außer Dienstreisen nichts mit dem Straßenverkehr am Hut haben, würde ich so nicht stehen lassen. Der Grund dafür ist die Logistik, die für unser Geschäft elementar wichtig ist: Täglich herrscht bei uns reger Nutzfahrzeugverkehr, da ist alles dabei vom Transporter, der Pakete liefert und abholt bis hin zum Schwerlast-Sattelschlepper, der Zulieferteile für die größten unserer Anlagen liefert bzw. diese im fertigen Zustand zum Kunde transportiert.
Auch hierbei würde ich mir persönlich wünschen, dass zunehmend mehr dieser Transporte umweltfreundlicher abgewickelt werden können!
Jetzt verrate uns bitte nur noch, mit welchen Themen wir uns in der nächsten Folge dieser Serie beschäftigen werden?
Nach einem kurzen Exkurs zur Batterietechnik werde ich auf einige gesamtsystemische Aspekte der Energiespeicherung eingehen und mich dann der Frage widmen, in welchen Sektoren knapper grüner Wasserstoff bevorzugt genutzt werden sollte!
Nun, dann sind wir schon sehr gespannt!
