Batterie vs. Wasserstoff - Vor und Nachteile

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Schön zu lesen, dass zwischen Energieerzeugung und Energiespeicherung differenziert wird. Oft wird nämlich einem „pro Windkraft“ Argument ein „pro Wasserstoff“ Argument entgegnet, als ob die beiden etwas miteinander zu tun hätten.

Wir brauchen neue Energieträger, aber soweit ich weiß, ist Wasserstoff keine gute Wahl. Der Wirkungsgrad der Elektrolyse ist gering (60 % bis 80 %) und in der Speicherung gehen noch mal 20 % verloren.
Man kann die Speichereigenschaften von Wasserstoff wesentlich verbessern, indem man Wasserstoff (H2) noch mehr Energie hinzufügt und daraus direkt industriell nutzbare Gase wie Ammoniak (NH3) oder Methan (CH4) erzeugt und diese direkt in der vorhandenen Infrastruktur speichert.
Hierfür wird es in Zukunft garantiert viele Anwendungsfelder geben und ich vermute, dass viele in den Medien, wenn sie Wasserstoffwirtschaft sagen, eigentlich Methan und Ammoniak meinen.

Bezüglich des Stromspeichers Batterie tut sich gerade sehr viel in der Entwicklung. Man kann sich mal das Video von Teslas Battery Day ansehen. Quintessenz bezüglich dem Umweltaspekt:

  • In Zukunft braucht man keine seltenen Erden in Batterien mehr, nur noch Silikon, Nickel, Mangan, Lithium und Eisen.
  • In Zukunft wollen sie Elektroden trocken beschichten, was viel Wasser einsparen wird.

Ein weiterer interessanter Speicher ist das Pumpspeicherkraftwerk im Fundament einer Windkraftanlage, das protorypisch in Gaildorf realisiert wurde. Dort können ca. 4h Windkraft gespeichert werden.

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Ich möchte gerne nochmal etwas tiefer auf die LKW Antriebsform eingehen, da ist meines Erachtens noch nicht alles gesagt.

Betrachtet man die zurückgelegten Strecken von LKW in der EU, so stellt man fest, dass 90% der Trips unter 300km lang sind. Ferner sind 95% aller Trips unter 400km lang. Das hat die European Federation for Transport and Environment in einer Studie erarbeitet.

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Hier der Link zum ganzen Paper:

Es wird also geredet von Wasserstoff im LKW, weil die Batterien „es nicht schaffen“, übersehen wird dabei aber, dass zumindest 90%-95% der Trips bereits heute batterieelektrisch erfolgen könnten, aufgeladen an den Depots/Speditionen. Ich denke dass oft übersehen wird, dass der Löwenanteil an LKW Fahrten regional stattfindet. Lieferverkehr in der Stadt oder auf dem Land. Beinahe 70% der Strecken sind unter 100km lang.
Es bedarf hier keiner ineffizienteren Technik, die angeblich einige unbestätigte Vorteile haben soll.
Sprechen wir über die Langstrecke: Was bringt mir denn der Vorteil des „Wasserstoff in 5 Minuten Tanken“ (beim LKW eher 20-30 min) bei den Long-Hauls? Richtig, gar nichts. Die LKW müssen eh ihre Pausen machen. Ich tanke also schnell, dass der Fahrer danach 60 min gesetzliche Pause einhält. Warum nicht gleich laden, während der Fahrer Pause macht? Es dauert nicht nur gleich lange, es spart sogar Zeit, weil man nicht aktive Fahrzeit für das Tanken aufgeben muss.

Reden wir über Packaging/Features:
Batterieelektrischen Trucks können gänzlich anders konzipiert werden. Es bedarf keiner aufwändigen Kühlung mit großen Lufteinlässen, keine sperrigen Brennstoffzellen-Stacks und keine großen, zylindrischen H2 -Tanks. Die Batterien können frei in der Plattform verteilt werden.
Diesen Vorteil nutzt z.B. das Startup Volta Trucks. Sie entwickeln einen Niederflur-LKW, bei dem der Fahrer auf Augenhöhe mit den Passanten ist und somit nicht durch hohes Sitzen vom Geschehen um den Truck entkoppelt ist. Dieser ist explizit für den Urbanen Lieferverkehr auf ca. 200km Reichweite konzipiert.

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Die Übersichtlichkeit steigt dramatisch an. Zusätzlich kann der Fahrer einfach auf beiden Seiten aussteigen und muss nicht von oben in den laufenden Verkehr hinab steigen.

Thema Kosten:
Wasserstoff bietet nicht mal einen Kostenvorteil gegenüber Batterien, eher im Gegenteil.
Hier muss ich eine Annäherung vornehmen, da es einfach noch keine realistischen Verbräuche für H2 Trucks gibt.
Der elektrische Schwertransporter von Designwerk verbraucht ca. 150kWh Strom auf 100km. Ein Sparsames Elektroauto liegt bei etwa 15kWh/100km. Ich verwende daher nachfolgend den Faktor 10.
Ein aktuelles Brennstoffzellen-Auto benötigt ca. 1kg H2/100km. Da H2 Trucks ebenfalls Elektrisch fahren kann 15kg/100km im LKW angenommen werden.

150kWh kosten bei 33ct (das zahlt ein Logistiker niemals, aber wir rechnen es mal) ca. 50€/100km.
15kg H2 kosten aktuell subventioniert und steuerbefreit 142,5€. On top kommen Wartung und Dichtigkeitsprüfung für das FC-Stack, Leitungen und Tanks, Tausch der Luftfilter, Erneuerung der Stack-Kühlflüssigkeit. Beim Toyota Mirai (PKW) fällt diese Wartung alle 10-20.000km an (je nach Fahrprofil). Die HV-Batterie und E-Maschinen im Wasserstoff-Truck ist dabei Wartungsfrei.
Gleiches gilt für den Batterietruck. Dieser wird nahezu wartungsfrei fahren können.

Ich sehe ehrlich gesagt keinen einzigen Punkt, bei dem Wasserstoff in der Logistik auf dem Land (Land im Sinne von Land, Wasser, Luft) noch irgendwie überlegen ist.

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Ja, da habe ich mich wohl zu einseitig, bzw. nicht ausreichend informiert. Vielen Dank für die Links. Ich werde mich mal jetzt zu dem Thema aufschlauen. :books: :man_student: :slight_smile:

Mein Anliegen war zu beleuchten, ob denn Wasserstoff auch für die private Mobilität in Frage kommt.

Ausgehend von der Wasserstoffstrategie werden wir am Wasserstoff als Energieträger wohl nicht vorbei kommen. Aktuell wird Wasserstoff auf Basis von Süßwasser erzeugt, die Forschung ist aber dabei, Membranen für Salzwasser zu erforschen. Insgesamt scheint mir da viel Bewegung in dem ganzen Thema Wasserstoff zu sein. Und wenn mal die Distribution etabliert ist, nahm ich an, dass es auch für die private Mobilität eine Alternative sein könnte.

Mich freut es sehr, dass hier so viele konstruktive Posts mit so vielen Links und Informationen zu diesem Themenkomplex eingebracht wurden. Ich habe also viel Lesestoff erhalten. :slight_smile:

Von mir aus kann dieser Post gerne so weiter gehen.

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s. auch

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Aus meiner Sicht liegt hier ein grundlegender Verständnisfehler vor. Es geht aus meiner Sicht gar nicht darum, ob Batterie oder Wasserstoff besser ist. Wir werden beides benötigen, denn die beiden Energiespeicher haben völlig unterschiedliche Verwendungszwecke.
In Batterien speichert man kleine bis mittlere Energiemengen kurz bis mittelfristig. Als Wasserstoff speichert man große Mengen langfristig. Heißt konkret eine Taschenlampe wird man ehr nicht mit Wasserstoff betreiben während man eine nationale Gasreserve nicht in Batterien auslagern wird.

Bei Autos ist die Batterie momentan aus meiner Sicht deutlich im Vorteil und ich sehe nicht, dass sich dort Wasserstoff durchsetzen wird, falls nicht noch ein wissenschaftlicher Durchbruch gelingen sollte.

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Ein kleiner Beitrag zu eurer Diskussion. Ihr seid sicherlich die Fachleute und versteht technisch viel mehr von dem Thema.Ich betrachte das aus der Perspektive meiner eigenen Werte und Glaubenssätze.

Konzerne wie Shell & Co. gehören zu den Fürsprechern von Wasserstoff. Sie greifen heute einen großen Teil unserer Einkünfte ab und wollen das gerne auch in Zukunft machen. Wasserstoff mit der ganzen Logistik und den technischen Anforderungen kommen da gerade recht. Und das ist überflüssig. Auch die Infrastruktur wird völlig überbewertet. Das Auto steht 96 Prozent seiner Zeit, da ist es leicht, es immer wieder elektrisch aufzuladen. Mir ist schon klar, warum BP, Shell, Gazprom und Co versuchen unsere Diskussion zu beeinflussen, ich habe fertig mit denen. Wasserstoff - nein danke.

Strom ist aus einem technischen Grund so teuer wie aktuell. Am Markt gilt der Preis des teuersten Kraftwerks, das aktuell zuzuschalten ist. Das ist Gas und das ist teuer. Mit einem zunehmenden Anteil regenerativer Energie wird Strom zur Comodity, deutlich preiswerter für den Endkunden und in viel größerer Menge verfügbar als heute. Gleichzeitig werden Akkus receylbar, effizienter und die Ladezyklen werden kürzer, wenn man mal wirklich - was die Ausnahme ist - einen Schnellader braucht.

Ja, in den Städten besteht ein großer Nachholbedarf an Ladeinfrastruktur. Auf dem Land ist das Thema zunehmend durch. Solar in Verbindung mit einer kleinen Wallbox - Das Tankstellensterben hat schon begonnen. Die sind genauso überflüssig wie die Kohleindustrie.

Lasst uns das Stromnetz belastbar auslegen und Lademöglichkeiten auch für den Laternenparker schaffen. Dazu Car Share Angebote. Die Städter brauchen keinen Schnellader und keinen Wasserstoff und auf dem Land ist das Thema durch.

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Bleibt halt das Thema jahreszeitliche Speicherung, und dafür scheint chemische Speicherung nötig zu sein, also Wasserstoff, eFuels o. ä.

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Nicht zwingend, bzw. höchstwahrscheinlich nicht in den Mengen die den Kritikern heute so vorschweben.

Allerdings hat die Speicherfrage einen oder sogar schon mehrere eigene Threads hier.

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…, oder die E-Mobilität werden als Speicher in einem intelligenten Grid verwendet. Die durch E-Mobilität entstehenden Speicherkapazitäten bieten mE erhebliche Potenziale.

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Das ist ein wichtiger Faktor, allerdings nicht für die saisonale Speicherung. Es sei denn du brauchst dein Auto den Winter über nicht :slightly_smiling_face:

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Bei den Speichern kommen die Vor- und Nachteile von beiden Dingen gut zum Vorschein. Der Umfang, in dem beides benötigt wird hängt aber letztlich stark von der Ausgestaltung des zukünftigen Energiesystems ab.

Wenn auf Batteriespeicher in Autos zurückgegriffen werden kann, dann müssen vermutlich weniger stationäre Batteriespeicher installiert werden. Die sind vor allem für den kurzfristigen Ausgleich notwendig z.B. zur Glättung der PV Produktion über den Tag. Je mehr Batterien existieren, desto eher können sie auch in etwas längeren Bereichen eine Rolle spielen (einfach weil mehr Kapazität mehr Speichervolumen bereitstellt, was dann länger genutzt werden kann). Das wird aber ab einem gewissen Punkt zu einer Kostenfrage. Hier spielt z.B. auch der EE-Energiemix im Stromsektor eine Rolle. Je mehr PV im Vergleich zu Wind ausgebaut wird, desto mehr Batteriespeicher dürften notwendig werden.

Hier kommen dann chemische Energieträger ins Spiel. Kurzfristig hat Wasserstoff gegenüber Batterien keinen Vorteil bzw. dadurch das große Mengen z.B. in Kavernenspeichern (heutige Methanspeicher) „eingelagert“ werden können bietet er sich für den längerfristigen Ausgleich an. Hat aber gleichzeitig das Problem, dass er auch Energieträger für Prozesse in anderen Sektoren sein wird. Je mehr Wasserstoff in anderen Sektoren direkt eingesetzt wird, desto teurer wird es sehr wahrscheinlich.

Je flexibler wir aber das System insgesamt auch auf der Nachfrageseite ausgestalten, desto weniger Wasserstoff wird sehr wahrscheinlich auch für die langfristige Speicherung benötigt. Dazu kommt, dass der Umfang auch davon abhängig ist, wie stark das Stromsystem in Zukunft innerhalb Europas vernetzt ist. Vereinfacht lässt sich sagen, dass eine bessere Vernetzung zu weniger notwendigen Langfristspeichern führt, da „lokale“ EE-Erzeugung leichter aus anderen Regionen ausgeglichen werden kann.

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Wenn auch schon etwas älter finde ich, dass die Abbildung die Speicherarten gut gegenüberstellt (Die wichtigsten Energiespeicher-Technologien im Überblick dort entnommen aus Sterner und Stadler (20214): Energiespeicher-Bedarf, Technologien, Integration, Springer-Vieweg)

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Stimmt, besonders diese Diskussion hier, fand ich sehr konstruktiv:

Energiewende: “Dunkle Flaute” / emissionsfreie Speicherung und Wiederverstromung

Die müssen aber erst mal zugänglich werden. Und ob die Besitzer teurer E-Autos bereit sind, den Batterie-Speicher, als quasi das teuerste Bauteil ihres Autos dem Stromnetz zur Verfügung zustellen ist mMn fraglich, selbst mit finanziellen Anreizen.
Dazu kommt, das hatte ich in dem Thread oben mal „überschlagen“, dass man für einen vollen saisonalen Stromausgleich in Deutschland Speicher in der Größenordnung 20 - 30 TWh benötigt.

Selbst WENN wir 40 Millionen E-Autos mit durchschnittlich 100 kWh in D hätten, wären das lediglich 4 TWh Batteriespeicher. Und, wie @MarkusS sagt, deren Speicherkapazität stünde dann natürlich nicht mehr für das Autofahren zur Verfügung, da quasi PV-Strom aus dem Sommer für den Winter gespeichert würde.

Wir brauchen daher in großem Maße stationäre Speicherlösungen und da sehe ich aktuell nur Power-to-Gas, zumal Gas-Speicherung in großem Maßstab seit Jahrzehnten funktioniert und die restlichen Technologien auch vorhanden sind und lediglich hoch skaliert werden müssten.

Wie die gespeicherte saisonale Leistung übers Jahr für 2021 hätte aussehen können, wenn wir 100 EE hätten, hatte ich in diesem Beitrag mal geschätzt:

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Danke, wusste nicht mehr wie der Thread heißt und könnte ihn deswegen nicht verlinken.

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Ich würde mal versuchen das Thema etwas weiter zu drehen:

Wir wissen, dass wir mit Batteriespeichern nicht über das Jahr kommen (zumindest noch nicht, was in der Entwicklung möglich ist wird die Zeit zeigen).
Wir benötigen also ein anderes Speichermedium. Im Raum stehen hier meist generell Power2Gas Verfahren, zu denen auch Wasserstoff (wenn grün erzeugt) gehört.

Ich schicke direkt vorweg, dass ich mich gerade bei dem Thema nicht perfekt auskenne, bin daher vor allem auf Input gespannt.

Welcher dieser Gasenergieträger wäre denn hier die beste Option unter verschiedenen Gesichtspunkten?

Z.B.:

  • Effizienz (Wirkungsgrad bei Umwandlung)
  • Komplexität (Art der Kraftwerke, Chemische Prozesse)
  • Nebenprodukte (COx, NOx)

Liegt Wasserstoff hier auch vorne?

Nach meinem Verständnis ja, da die H2-Brennstoffzelle zumindest in Großanlagen schon recht effizient (50-60% Wirkungsgrad) betrieben werden kann, nach meinen Infos ist das bei Methan deutlich weniger effizient, zumal es dort ja Kohlenstoff braucht.
Ja, ich weiß, in den Annahmen wird immer gesetzt, dass man das einfach aus der Luft nimmt und später wieder freisetzt (Definition Klimaneutral), aber auch das braucht ja Strom ohne Ende. Warum dann nicht gleich H2 verwenden und den Kohlenstoff ganz rauslassen?

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Der Vollständigkeit sei gesagt, dass Pumpspeicherkraftwerke die wohl aktuell beste Langzeitspeichertechnologie darstellen. Während das Potential für die klassischen Süßwasser-Pumpspeicherkraftwerke inzwischen größtenteils ausgenutzt wird, werden nun weitere Standorte bzw. Anwendungsfälle gesucht. Beispielsweise basierend auf dem hydrostatischen Druck von Wasser (im Ozean oder Bodensee oder direkt im Windrad – siehe den obigen Beitrag von @Schorschie), auf Luftkompression oder auf dem lithostatischen Druck.

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Aus meiner Sicht kommen z.B. Wasserstoff und Methan in Frage. Hintergrund ist hier auch, dass die Brennstoffzelle zwar einen guten Wirkungsgrad hat – wenn man aber Sektorkopplung (gleichzeitiger Wärme- und Strombedarf), Investitionskosten und Technologiereife mit berücksichtigt, wird man zu dem Schluss kommen, dass es sinnvoller ist, Gastubinen- und GuD-Kraftwerke zu nutzen.

Nutzt man Methan, so muss man an der aktuellen Infrastruktur wenig ändern, hat aber das erhebliche Problem, das CO2 wieder aus dem Rauchgas zu holen. Bei saisonaler Speicherung gibt es also die Alternativen, riesige Mengen Rauchgas über den Winter anzusammeln und im Sommer per Power-to-Gas in Methan zu wandeln, oder das Rauchgas in die Luft zu blasen und per ineffizienter direct-air-capture später wieder raus zu holen. Bei der Verbrennung entsteht natürlich auch Nox, Feinstaub etc.

Bei Wasserstoff muss zunächst die Infrastruktur her, die Gasturbinen müssen noch darauf optimiert werden und die Speicherung ist nicht ganz so trivial. Auch wenn man bei der Verbrennung ebenfalls mit NoX zu kämpfen hat, dürfte der Vorteil, dass man das Verbrennungsprodukt Wasser nicht mehr aufwändig auffangen muss, das überkompensieren. Insgesamt ist mein Eindruck, dass die meisten Experten (z.B. Claudia Kemfert, Volker Quaschning) das auch so sehen.

Wasserstoff scheint mir hier also ein sinnvoller Weg. Jetzt muss man hier vielleicht etwas pragmatisch denken. Wasserstoff halte ich z.B. auch in der Luftfahrt langfristig für unverzichtbar. Als Ingenieur halte ich Technologieoffenheit grundsätzlich für sinnvoll, aber ich fürchte in der Klimakrise muss die Regierung jetzt schnell Fakten schaffen und für einen groben Kurs die Weichen stellen. Damit rechtzeitig die Infrastruktur da ist, kann es also sinnvoll sein, jetzt massiv den Wasserstoff-Weg zu fördern – auch wenn es an der ein- oder anderen Stelle theoretisch bessere Alternativen geben könnte.

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Das würde ich mittel-/langfristig für grünen Wasserstoff eher als Vorteil denn als Problem sehen, da es ja keine zu geringe Beschränkung gibt, wieviel produziert werden kann (Wasser gibt es mehr als genug. Die Primärenergieproduktion soll sowieso langfristig auf erneuerbar umgestellt werden). Dann lohnt es sich mehr, in Produktionskapazität zu investieren, was auf die Dauer eher zu günstigeren Kosten führt.

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Ich würde Methan aus dem Grund nicht unterschätzen, weil dafür die ganze Infrastruktur bereits existiert.