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Vergleich
In welchem Maße all die bis jetzt beschriebenen Punkte überhaupt als positiv oder negativ angesehen werden können, läßt sich z.T. intuitiv entscheiden. Einige Aspekte lassen sich jedoch erst richtig einordnen, wenn man einen Vergleich anstellt. Am besten läßt sich Neues mit dem bisher Bekannten vergleichen.

Bei den Kraftstoffen lassen sich z.B. die Vorteile von Wasserstoff und Mineralöl gegenüberstellen (s. Tab. 10).
 

Tab. 10: Gegenüberstellung von Kraftstoffen

Wasserstoff als Treibstoff / Mineralöl (Benzin/Diesel)
fast vollständige Vermeidung von Emissionen / leichte Handhabung von Benzin und Diesel
Reaktion bei der Verbrennung nur zu Wasser / hohe Energiedichte
Gewinnung aus normalem Wasser / wirtschaftlich günstig
keine Abhängigkeit von endlichen, fossilen Energieträgern / bekannte, bewährte Technik
schafft neue Arbeitsplätze / umfassendes Tankstellennetz
 

Fahrzeugsysteme im Vergleich
Das elektrochemische Funktionsprinzip der Brennstoffzelle unterliegt im Vergleich zum Verbrennungsmotor nicht dem Carnot-Wirkungsgrad, weshalb bereits heute bei nicht zu hohen spezifischen Leistungen Wirkungsgrade bis ca. 60% (mit Wasserstoff) erreicht werden. Elektroantriebe haben den Vorteil, daß ihre Wirkungsgrade bei tiefen Lasten hoch bleiben. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle nimmt bei Teillast sogar zu. Im neuen europäischen Fahrzyklus kann mit einem Gesamtwirkungsgrad (inklusive Elektromotor und Getriebe) von rund 45% (Elektroantrieb) gerechnet werden. Ein Verbrennungsmotor erreicht im Falle sehr fortschrittlicher Technik ca. 25% (direkt einspritzender Dieselmotor mit Common-Rail-Einspritzung, inklusive Getriebe) bei einem maximalen Wirkungsgrad des Motors von über 40%. Die erwähnten 45% bzw. 25% sind jeweils ab Zapfsäule gemessen. Werden die vorgelagerten Prozesse (z.B. Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas inklusive Kompression, Produktion von Dieselöl aus Rohöl) mit berücksichtigt, so sinken die Wirkungsgrade der gesamten Kette auf rund 30% respektive 20%. [PSI, 1998]

Anderen Angaben zufolge kann man von einem Systemwirkungsgrad bei flüssigem Wasserstoff inklusive der Reformierung von ca. 40% ausgehen, wobei die Brennstoffzellen selbst bei 75% bis 80% liegen.

Für den Vergleich verschiedener Treibstoffe sind auch deren Gewicht und Volumen relevant, da sie die Ausmaße der Treibstofftanks bestimmen. Um das Äquivalent des Brennwertes von 30 kg (40 l) Benzin mit zu führen, muß der Fahrer 60 kg (70 l) Methanol, 24 kg (ca. 110 l) Erdgas oder 10 kg (etwa 370 l) Wasserstoff tanken, wobei sich die zwei letztgenannten Werte auf komprimierte Gase bei 300 bar Druck beziehen.
[PSI, 1998]

Ballard ist es in den letzten Jahren gelungen, die Leistungskonzentration der mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle zu erhöhen (1 kW/kg bzw. 2 kW/l ohne zugehörige Systeme; 0,15 kW/kg im Stapel für Fahrzeuge). (s. Tab. 11)

Tab. 11: Vergleich verschiedener Autofabrikanten
BSZ Hersteller Fahrzeug Datum Kraftstoff Dichte Leistung
Ballard Daimler NECAR I 1994 Wg 180 W/l 50 kW
Ballard Daimler NECAR II 1996 Wg 1000 W/l 50 kW
Ballard Daimler NECAR III 1997 Mf 1000 W/l 50 kW
Toyota Toyota FCEV 1996 Wg 167 W/l 20 kW
Toyota Toyota FCEV 1997 Mf 193 W/l 25 kW
De Nora Renault FEVER 1997 Wf 130 W/l 30 kW
Quelle: Hoppe, A., Nesbitt Burns, High Tech Research, (1997), S. 10
Wg: Wasserstoff, gasförmig Wf: Wasserstoff, flüssig Mf: Methanol, flüssig
 

Antriebe im Vergleich
Daimler-Benz-Forscher haben versucht, verschiedene Antriebe miteinander zu vergleichen, indem sie verschiedene Daten während des Fahrbetriebes und der Kraftstoffherstellung auf ein fiktives Fahrzeug bezogen. Ein direkter Vergleich fällt wegen der verschiedenen Fahrzeugtypen bei den unterschiedlichen Antriebssystemen schwer.
Bei dem fiktiven Fahrzeug handelt es sich um ein Auto mit einem Gesamtgewicht von 880 kg plus etwaigen Zusatztankgewichten. Die mechanische Fahrleistung von 15 kW entspricht einem Ottomotor mit 28 kW bei 600 cm3.
Der Versuchsablauf ist auf den neuen Europäischen Fahrzyklus Teil I und II ausgerichtet. Die Berechnung berücksichtigt den Fahrbetrieb sowie den Energiebedarf für die Kraftstoffherstellung (vom Primärenergieträger über Raffinerie oder Kraftwerk bis zum Tank bzw. Energiespeicher).
 

Abb. 19: Antriebe im Vergleich
Quelle: Daimler-Benz Pressemeldung, Mai 1997, Antriebe im Vergleich
 

Es zeigt sich, daß der Verbrennungsmotor beim Fahrbetrieb vergleichsweise schlecht abschneidet. Da der Wasserstoffmotor ein umgebauter Hubkolbenmotor ist, benötigt er ebensoviel Energie für den Fahrbetrieb wie der Ottomotor. Der Dieselmotor braucht zwar etwas weniger, jedoch nicht wesentlich. Der Wirkungsgrad einer ICE (Internal Combustion Engine = Verbrennungskraftmaschine) liegt - wie bereits oben erwähnt - nicht sehr hoch. Die Brennstoffzelle mit Wasserstoff hat noch nicht einmal die Hälfte des Energiebedarfs und auch die Brennstoffzelle mit Methanol steht um einiges besser da. Noch besser schneidet lediglich der Elektromotor ab. Bezüglich der Kraftstoffherstellung sieht es fast genau andersherum aus. Am schlechtesten schneidet der Elektromotor ab mit mehr als doppelt so hohem Energiebedarf, als wie er für den Fahrbetrieb benötigt. Am zweitaufwendigsten ist die Gewinnung von Wasserstoff für die Verbrennungskraftmaschine. Hier liegt der Gesamtenergiebedarf bei 68 kWh/100km. Allerdings muß man berücksichtigen, daß der Wasserstoff mit Dampfreforming aus Erdgas erzeugt wurde. Da bei dieser Herstellungsart relativ hohe Temperaturen benötigt werden, ist der Energiebedarf dementsprechend hoch. Durch neu oder verbesserte Verfahren (autothermer Reformer) wäre sicherlich eine Energieeinsparung möglich. Gerade mal halb so aufwendig ist die Erzeugung von Methanol (13 kWh/100km) oder Wasserstoff (12 kWh/100km) für Brennstoffzellen. Noch besser schneiden die konventionellen Verbrennungskraftmaschinen ab. Überhaupt kein Anteil fällt bei der regenerativen Herstellung von Wasserstoff an. Dies ist etwas zu idealistisch. Selbst bei der Energiegewinnung durch Solaranlagen wird vorerst Energie für die Herstellung der Anlagen benötigt. Außerdem fallen immer Verluste an (Transport), so daß es nie gelingen wird, bei der Betrachtung der gesamten Energieumwandlungskette bei Null zu bleiben.
Insgesamt ergibt sich ein Bild, bei dem die Brennstoffzelle mit regenerativer Wasserstoffherstellung am wenigsten Energie benötigt. Im Vergleich dazu brauchen konventionelle Antriebsarten etwa 250% für die Kraftstoffherstellung und den Fahrbetrieb. Bei einem batteriebetriebenem Fahrzeug wäre der Bedarf etwa 300% im Vergleich. Selbst wenn die Brennstoffzelle mit Wasserstoff (Dampfreformierung) oder Methanol angetrieben würde, läge sie immer noch um 7-13 kWh/100km niedriger als der "sparsame" Dieselmotor.
 

Abb. 20: Tankvolumina im Vergleich
Quelle: Daimler-Benz Pressemeldung, Mai 1997, Antriebe im Vergleich
 

In obiger Abbildung ist dargestellt, wie groß in Litern das Volumen an Kraftstoff sein muß, damit der Antrieb 750 km zurücklegen kann.
Den größten Platzbedarf weist der Elektromotor mit 1030 l auf. Gut die Hälfte (570 l) davon benötigt der Wasserstoffmotor - egal wie der Wasserstoff erzeugt wurde, schließlich geht es nur um die Speicherung und nicht um die Herstellung.
Wiederum die Hälfte davon nimmt der Wasserstoff für die Brennstoffzelle ein (230 l) - ebenfalls gleich bei Dampfreformierung und regenerativer Herstellung. Fast schon in den Bereich von konventionellen Kraftstoffen kommt das Methanol mit 44 l. Diesel (38 l) und Benzin (29 l) haben in dieser Hinsicht die besten Voraussetzungen, da sie mit erheblichem Abstand zu Wasserstoff und der Batterie am wenigsten Raum einnehmen.
Derartige Größenunterschiede lassen sich über das schlechte Kraft-zu-Volumen-Verhältnis erklären. Es muß 15mal soviel Wasserstoff im Vergleich zu Benzin in die Brennkammer geleitet werden, um eine ähnlich gutes Verbrennungsgemisch realisieren zu können. Berücksichtigt man diesen Faktor, kommt man schnell von 570 l auf 38 l. Außerdem besitzen die Kraftstoffe unterschiedliche Brennwerte. Methanol z.B. besitzt einen geringeren Energieinhalt als Benzin oder Diesel. Der Methanol-Heizwert ist halb so hoch wie der von Benzin, weshalb der Platzbedarf an Methanol für die Brennstoffzelle höher liegt. Teilweise wird dieser Aspekt durch den höheren Wirkungsgrad von Brennstoffzellen kompensiert.
Für eine derartige Reichweite ist der Elektromotor gänzlich ungeeignet. Neben dem immensen benötigten Volumen wäre eine Batterie übermäßig schwer, so daß diese Alternative außen vor steht.
 

Abb. 21
Quelle: Daimler-Benz Pressemeldung, Mai 1997, Antriebe im Vergleich
 

Wird der Energie- und Platzbedarf für die Kraftstoffe analysiert, muß auch die Schadstoffemission betrachtet werden (s. Abb. 21).

Auf den ersten Blick fällt sofort ins Auge, daß beim Otto- und Dieselmotor extrem hohe Werte auftreten im Vergleich zu allen anderen Antriebsarten. Da Kraftstoffe aus Mineralöl Kohlenstoffverbindungen mit diversen Additiven sind, die zusammen mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft verbrennen, treten vielerlei Schadstoffe auf. Dazu gehört Kohlenmonoxid, das in hohem Maße anfällt, aber auch Kohlendioxid, das zwar in gleichem Maße wie beim Elektro- und dem Wasserstoffmotor entsteht, was aber eindeutig zu viel ist, da CO2 zu den Gasen gehört, die den Treibhauseffekt vorantreiben. Nach diesen Angaben liegen die CO2-Werte für Brennstoffzellen um 20 - 40% niedriger als bei konventionellen Antrieben.

Das Kohlendioxid ist der einzige Wert, der bei Brennstoffzellen in relevanter Größenordnung produziert wird - egal ob beim Antrieb mit Methanol oder Wasserstoff. Kohlenwasserstoffe fallen lediglich bei der Herstellung dieser Wasserstoff an. Beim Fahrbetrieb kann davon kein Anteil hinzukommen, da kein Kohlenstoff an der Verbrennung teilnimmt. Beim Methanol liegt dieser Wert nur unwesentlich höher. Stickoxide werden ausgestoßen, weil Stickstoff zu 78% in der Umgebungsluft enthalten ist und somit an der Reaktion beteiligt ist. Dieser Wert liegt jedoch um Längen niedriger als beim Otto- oder Dieselmotor und auch um mehr als die Hälfte niedriger als beim Elektromotor. Dies ist dementsprechend auch der einzige Schadstoff, der beim Wasserstoffmotor (regenerativ) emittiert wird.

Daß bei den regenerativen Herstellungsverfahren von Wasserstoff (bei der Brennstoffzelle und bei der Verbrennungskraftmaschine) Emissionswerte von Null angegeben werden, ist (wie bereits im Bezug auf obiges Diagramm erwähnt) nicht ganz korrekt, macht aber deutlich, daß diese Werte zu vernachlässigen sind - insbesondere im Vergleich mit Zahlen in der Größenordnung von 540 bzw. 846 mg/km.

Energiebilanz
Die Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt hat im April 1997 eine Studie veröffentlicht [Carpetis, 1997], die sich mit der "Bewertung von Brennstoffzellen-Antrieben in Fahrzeugen im Hinblick auf Energie- und Schadstoffbilanz" befaßt. Hier soll eine kurze, aber trotzdem ausreichend informative Wiedergabe der Inhalte und Ergebnisse dieses Vergleichs zwischen einem herkömmlichen Ottomotor und einer Brennstoffzelle dargestellt werden.
 

Abb. 22: typischer mittlerer Kraftfahrzeugverbrauch (Stadtzyklus - EPA)
[Carpetis, 1997]
 

Der Wirkungsgrad am Kurbelwellenende beim Ottomotor (s. Pfeil) beträgt 20%, bei der Brennstoffzelle (elektrischer Ausgang, s. Pfeil) 48%. Der Ottomotor liefert an den Wellenausgang die Energie, die praktisch auch genutzt werden kann. Der größte Teil der Verluste ist bereits intern berücksichtigt worden , bis auf die Getriebeverluste. Die elektrische Ausgangsenergie der Brennstoffzelle verringert sich hingegen noch, da elektrische Umwandlungsverluste anfallen. Außerdem muß ein Teil der Energie für den Kompressor abgezweigt werden, so daß die Ausgangsenergie nicht als Endleistung angesehen werden kann. In diesem hier betrachteten Fall wurde die Kompressorleistung zu 100% durch die Brennstoffzelle gedeckt. Durch eine Energierückgewinnung aus der Bremsvorgang ließe sich bis zu 50% Kompressorleistung decken, so daß der Wirkungsgrad um ca. 0,5% steigt.
Der Verbrauch im ersten Fall liegt bei 7,31 l/100km, im zweiten Fall bei 4,63 l/100km.
 

Abb. 23: höheres Verbrauchsverhältnis (stop-and-go - ECE-1)
h Otto = 10,5%
h BSZ = 43,8%
[Carpetis, 1997]
 

Abbildung 23 verdeutlicht, daß "Stop and go" sich extrem ungünstig auf den Verbrennungsmotor auswirkt. Dieser steigt in diesem Fall um 26% auf ca. 3000 kJ/km. Der Verbrauch des Brennstoffzellenfahrzeugs steigt nur halb so stark, um 13%.
 

Abb. 24: hohes Verbrauchsverhältnis (Autobahn) [Carpetis, 1997]
[Carpetis, 1997]
 

Die gesamte Antriebsenergie, d.h. die Summe aus den Energieanteilen in Abbildung 24 zur Überwindung des Roll- und Luftwiderstandes und der Bremsenergie, ist viel höher, wobei der Luftwiderstand stark zugenommen, die Bremsenergie hingegen abgenommen hat.
Der Kraftstoffverbrauch liegt dennoch niedriger, da der Mittellastbereich für beide Antriebsarten günstiger ist.
Mit zunehmender Last steigt der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors stärker als der von der Brennstoffzelle (h Otto = 30,3% - h BSZ = 59,8%). Der Verbrauch liegt beim Ottomotor bei 6,72 l/100km und bei der Brennstoffzelle bei 4,5 l/100km.
Aus den gezeigten Resultaten ergibt sich, daß der Energiefluß von der Fahrsituation (bzw. vom Fahrzyklus) abhängen und deswegen konkrete Vergleiche der Antriebsarten ausschließlich innerhalb nur eines Fahrzyklus nicht zulässig sind.
In folgender Graphik (s. Abb. 24) geht es um den spezifischen Fahrzeugenergiebedarf E für alle relevanten Fahrzyklen und für drei Antriebskonzepte.

Die Antriebsarten:
· Konventioneller Antrieb mit Ottomotor (Benzin)
· Brennstoffzellenantrieb mit Wasserstoff aus Druckbehältern (250 bar) als Kraftstoff
· Brennstoffzellenantrieb mit Methanol als Kraftstoff und mit Konverter an Bord

In allen Fällen ist der Verbrauch des konventionellen Ottomotor-Antriebs höher als der des Brennstoffzellenantriebs mit Wasserstoff als Kraftstoff. Die Brennstoffzelle mit Methanol nimmt eine mittlere Stellung zwischen diesen beiden ein, wobei bei Vollast sein Verbrauch sogar höher als der des konventionellen Antriebskonzeptes wird.
Die Vorteile des Brennstoffzellenantriebs bezüglich Kraftstoffverbrauch sind am größten beim Stadtverkehr nach der ECE-Norm. Der Quotient aus Benzinverbrauch durch Wasserstoff- bzw. Methanolverbrauch ist sehr groß. Etwas geringer werden diese Vorteile, je schneller gefahren wird. Bei Vollast ist die Differenz zum Ottomotor nicht mehr so relevant (beim Wasserstoffantrieb).
 

Abb. 25
[Carpetis, 1997]
 

Abbildung 26 entspricht der obigen Graphik mit dem Unterschied, daß die gesamte Energieumwandlungskette berücksichtigt wurde. Der angegebene spezifische Energieverbrauch PE beinhaltet zusätzlich zum Fahrzeugenergiebedarf E auch den Bedarf für die Bereitstellung, Transport und Verteilung des Kraftstoffes.
Es wurde angenommen, daß die Sekundärenergieträger Wasserstoff und Methanol aus dem Primärenergieträger Erdgas gewonnen wurden.
 

Abb. 26
[Carpetis, 1997]
 

Bei dieser Betrachtung zeigt sich, daß die Unterschiede zusammenschrumpfen. Bei größerer Last (Autobahn und Vollast) steigt der Methanolbedarf sogar weit über den Bedarf von herkömmlichen Kraftstoffen. Auch Wasserstoff liegt lediglich im unteren Lastbereich (Stadtverkehr) etwas unter dem Benzinbedarf.
Insgesamt gesehen zeigen diese Resultate, daß der Primärenergiebedarf der Brennstoffzellenantriebe nicht als primärer Vorteil gegenüber den konventionellen Antrieben betrachtet werden kann. Es ist vielmehr das Potential der Brennstoffzelle zur Vermeidung der Emissionen bei der Fahrzeugnutzung (lokale Emissionsfreiheit), dem bei der Bewertung große Bedeutung zukommt.
 
 

Energieumwandlungsketten
In diesem Abschnitt geht es um eine Bewertung von Antrieben und Energieträgern für den Straßenverkehr mit Hilfe der Energieumwandlungsketten (EUK) vom Primärenergieträger bis zum Pkw im jeweiligen Fahrzyklus. Es sollen die Energie- und Emissionsbilanzen verglichen werden.
Als einheitliche Definitionsgrundlage existiert von der Europäischen Union (EU) ein Fahrzyklus, der durchfahren werden muß und wobei die freigesetzten Schadstoffe gemessen werden. Mittlerweile gibt es als Emissionsstandard für Kraftfahrzeuge in Europa die EURO II, die seit dem 1.1.1997 gültig ist. Die EURO III soll ab 2000 gelten.

Tab. 12: Pkw-Emissionsstandards nach dem Fahrzyklus der EU für Fahrzeuge über 3,5 t
Jahr Kategorie CO (g/km) NOx (g/km) HC (g/km) Partikel (g/km)
1996/97 2. Stufe Otto 2,2 0,51) 0,51)
1996/97 2. Stufe Otto* 2,7 0,25 0,34
1996/97 2. Stufe Diesel 1,0 0,71) 0,71) 0,08
1996/97 2. Stufe Diesel* 1,1 0,63 0,711) 0,08
2000 3. Stufe Otto2) 2,3 0,15 0,2
2000 3. Stufe Diesel2) 0,6 0,5 0,561) 0,05
20053) 4. Stufe Otto2) 1,0 0,08 0,1
20053) 4. Stufe Diesel2) 0,5 0,25 0,31) 0,025
*: ohne Aufwärmzeit von 40 sec
1): Kohlenwasserstoffe und Stickoxide als Summe
2): EU-Vorschlag
3): Zielwerte werden 1998 noch einmal geprüft.
 

Tabelle 12 zeigt die Emissionsstandards, wie sie ab dem Jahre 2000 in der Europäischen Union vorgesehen werden könnten.
Vorgesehen ist ein Energieverbrauch im europäischen Fahrzyklus beim CO2-Kriterium von max. 120 gCO2/km oder etwa 5 lBenzin/100km. Es existiert jedoch keine Diskussion der technischen Lösungsansätze.

Der Brennstoffzellenantrieb mit Methanol als Energieträger konnte nur von seinen Komponenten her bewertet werden, nicht aber vom Gesamtverhalten im Fahrzyklus.
Die Werte der Tabelle 13 in Zeile 1 (EURO 2000) und 3 (EURO 2005) sind gesetzt entsprechend dem EU-Vorschlag mit Emissionen von 120 gCO2/km bzw. mit dem Energiebedarf von 5 l/100km. Die Werte in der EUK-Spalte sind jeweils die Summe der Pkw- und KK-Werte, da sich die gesamte Energieumwandlungskette zusammensetzt aus der Kraftstoffkette (zur Erzeugung des Treibstoffes) und der Verwendung im Pkw.
 

Tab. 13: Energieverbrauch und Emissionen verschiedener Kraftstoffketten
Kraftstoffkette Standard Emission Energie in MJ/100km Emissionen in g/100km
CO2 | CO
  EUK Pkw KK EUK Pkw KK EUK Pkw KK
Rohöl/Benzin1) EURO-2000 172 161 11 12900 12000 900 231 230 1
Rohöl/Benzin1) Feldversuch 273 256 17 19800 18400 1400 629 627 2
Rohöl/Benzin1) EURO-2005 172 161 11 12900 12000 900 101 100 1
Erdgas/Methan Reformer BSZ2) Technikums-Ergebnisse4) 145 94 513) 8250 6640 1610 1 <1 1
 

Kraftstoffkette Standard Emission Emissionen in g/100km HC | NOx
  EUK Pkw KK EUK Pkw KK
Rohöl/Benzin1) EURO-2000 31 205) 1 18 15 3
Rohöl/Benzin1) Feldversuch 125 815) 2 64 59 5
Rohöl/Benzin1) EURO-2005 11 105) 1 11 8 3
Erdgas/Methan Reformer BSZ2) Technikums-Ergebnisse4) <1 <1 <1 4 <<1 4
Quelle: Höhnlein, B., Biedermann, P., VDI Bericht Nr. 1307, S. 285-300, 1996, , Jülich
EUK: Energieumwandlungskette
Pkw: Personenkraftwagen
KK: Kraftstoffkette
HC: alle Kohlenwasserstoffe und organische Verbindungen ohne Methan
1): Verbrennungskraftmaschine, Abgasnachbehandlung
2): Methanolreformer zur Wasserstoffherstellung und Niedertemperatur-Brennstoffzelle
3): im wesentlichen Methanol-Herstellung aus Erdgas
4): Errechnet auf Basis von 1000 kg Pkw-Gewicht mit Kennfeld-Durchschnittswerten.
5): einschließlich Methan
Vereinbarung: "<1" meint: 0,1-1
"<<1" meint <0,1
 

Energiebedarf:
Die Studie zeigt, daß momentan die Realität noch etwas an der Theorie vorbeigeht. Beim Feldversuch ist der Energiebedarf um fast 60% höher gegenüber dem Referenzfall (die Grenzwerte für 2000 bzw. 2005). Den ausschlaggebenden Anteil übernimmt der Pkw-Anteil, der um fast 100 MJ/100km höher liegt als geplant.
Beim Brennstoffzellenauto liegt der Energiebedarf der EUK um 40% niedriger als der Grenzwert. Für die Kraftstoffkette ist der Grenzwert beinahe um den Faktor fünf überschritten. Dies liegt daran, daß die Methanolherstellung aus Erdgas noch sehr energieaufwendig ist. Dieser hohe Wert wird jedoch durch den niedrigen Energieverbrauch im Pkw kompensiert.
In Bezug auf die Abgase läßt sich sagen, daß die Werte aus dem Feldversuch allesamt über den Grenzwerten liegen. Bei der Kraftstoffkette liegen die Emissionen rund 50% über Soll.

Kohlendioxid-Bilanz:
Die Emissionen in der Praxis von Benzinautos weisen eine Größenordnung um 150% des Sollwertes auf, bei der Brennstoffzelle um knapp über 50%. Dafür treten in der KK der Brennstoffzelle fast doppelt so große Werte wie erlaubt auf. Diese sind deswegen so hoch, weil Methanol aus Erdgas bei einem energetischen Wirkungsgrad von 66% hergestellt werden muß. Insgesamt liegt die Brennstoffzellen-EUK gerade einmal bei 65% von EURO-2005.
Kohlenmonoxid-Bilanz:
Für die CO-Emissionen der Pkws liegen zwischen Fall 2 und Fall 4 drei Größenordnungen, wobei festzuhalten ist, daß mit Benzin betriebene Pkws heute schon unter bestimmten Voraussetzungen den CO-Standard EURO-2005 einhalten und unterbieten können.
Die Werte in der letzten Spalte 1 gCO/100km kommen durch dieselbetriebene Tanklastwagen zustande. In den ersten drei Fällen ist dieser Wert relativ unbedeutend. Im Fall 4, bei gleichem absoluten Niveau, ist dieser Wert entscheidend und entsteht durch den Methanoltransport.

Kohlenwasserstoff-Bilanz:
In der EUK-Spalte steht immer die Summe aus der Pkw- und KK-Spalte, nur bei den Kohlenwasserstoffen nicht. Dies kommt daher, daß hier die Verdunstungsemissionen eine große Rolle spielen. In den ersten beiden Fällen sind dies etwa 50% der gesamten HC-Emissionen bei Pkws im Fahrzyklus. Für alle weiteren Fälle wurde diese schwierig zu definierende Emissionsquelle zu Null gesetzt.
Der tatsächliche Schadstoffausstoß ist rund viermal so hoch, wie EURO-2000 es erlaubt, wobei im Fall der Pkw-Emissionen der Methan-Anteil zu den HC-Daten dazugezählt wird.
Im Vergleich zu den Standards und dem Feldversuch sind die Technikums-Ergebnisse der Brennstoffzelle zu vernachlässigen, da sie nur einige Zehntel Gramm auf 100 Kilometern betragen.

Stickoxid-Bilanz:
Die Relationen sehen ähnlich aus wie bei der CO-Bilanz.
Auch hier wird der überragende Anteil der Emissionen innerhalb der EUK durch die Pkw im Fahrzyklus verursacht. Im Fall 4 werden Emissionen in Höhe von fast 3 gNOx/100km allein durch den Transport von Methanol in dieselbetriebenen Tankwagen verursacht.
Im Gegensatz dazu treten auch hier drei- bis viermal so hohe Emissionen auf wie gestattet.

Alles in allem läßt sich sagen, die EUK mit Brennstoffzellen-Pkw zeigt deutliche Vorteile gegenüber dem Referenzfall (Benzin-Pkw) und auch gegenüber hier nicht betrachteten Erdgas-Pkws. Bei den Emissionen zeigt der Vergleich die deutliche Überlegenheit des Brennstoffzellenantriebs, insbesondere bei den CO- und NOx-Emissionen, aber auch bei den HC-Emissionen.
 

Energiedichte
Unterschiedliche Kraftstoffe benötigen unterschiedlich viel Raum und Gewicht pro Energieeinheit, sie besitzen folglich verschiedene Energiedichten.
Erdgas besteht im wesentlichen aus Methan (CH4) und verfügt über ähnliche Stoffeigenschaften wie Wasserstoff. Beide Stoffe sind bei Umgebungsbedingungen gasförmige Energieträger, die bei der Verwendung als Fahrzeugkraftstoffe unter hohem Druck oder flüssig bei tiefen Temperaturen gespeichert werden müssen. Die entsprechenden Tanksysteme weisen im Vergleich zu konventionellen Kraftstofftanks generell niedrigere Energiedichten auf (s. Abb. 27). [Strobl, 1995]
Da bei Benzin- oder Dieseltanks Kunststoffe oder relativ dünne Metallkonstruktionen eingesetzt werden können, die zudem in Bezug auf die Formgebung eher ungebunden sind, liegt die Energiedichte pro Gewichtseinheit am höchsten. Je niedriger die Temperaturen oder je höher die Drücke liegen, desto mehr Material muß eingesetzt werden, wodurch die gewichtsbezogene Energiedichte sinkt. Die volumenbezogene Dichte liegt bei Wasserstoff am niedrigsten und bei Benzin am höchsten (s. Tab. 4, Kap. 5.1). Dafür sind je nach Antriebsart (z.B. bei Brennstoffzellen) höhere Wirkungsgrade möglich.
 

Abb. 27
Quelle: Strobl, W., E. Heck, E., VDI Bericht Nr. 1201, S. 173-185, 1995, München

Emissionen
Im Laufe der Betrachtungen wurde bereits mehrmals auf die Emissionen, die im Verkehr entstehen, eingegangen.
Ein Vergleich zwischen der Brennstoffzelle und der Verbrennungskraftmaschine ist müßig, weil sich allein durch die Funktionsweise der Brennstoffzelle (s. Kap. 7) ein bemerkenswerter Schadstoffausstoß ausschließt. Als Endprodukt nach der Reaktion in der Zelle entsteht nur Wasser. Ein Vergleich würde darauf hinauslaufen, (fast) ein "Nichts" mit den Schadstoffen eines Benzin- oder Dieselmotors zu vergleichen, was ein sehr einseitiges Unterfangen wäre und deswegen unterlassen werden soll.
Bei einem Verbrennungsmotor, der mit Wasserstoff angetrieben wird, entsteht als Nebenprodukt etwas Stickoxid durch die Verbrennung von in der Umgebungsluft enthaltenem Stickstoff. Der Ausstoß an Stickoxiden entspricht maximal dem eines Benzinmotors mit geregeltem Katalysator. Im Vergleich zum Grenzwert des EURO II für herkömmlichen Hubkolbenmotoren (NOx = 7,0 g/kWh) liegt der Wert für wasserstoffbetriebene Motoren bei 10%.
Spuren von HC und CO unter jeweils 1% treten durch Schmieröl und Reaktionspartner in der Luft auf. Ein Vergleich wäre also wenig sinnvoll.

Zu berücksichtigen bleibt, daß die gesamte Energieumwandlungskette in Betracht gezogen werden muß. Wie jedoch bereits erwähnt, gibt es unterschiedliche Wasserstoffherstellungsverfahren. Zu einem Teil fällt Wasserstoff als Nebenprodukt in der Industrie an. Zu einem anderen Teil wird Wasserstoff alternativ erzeugt. Und die bestehenden Herstellungsmethoden verändern sich im Laufe der momentan verstärkten Wasserstofftechnologie-Entwicklung. Da es zur Zeit noch nicht absehbar ist, auf welchem Wege die Wasserstoffproduktion am günstigsten geschehen wird, ist ein Vergleich zum jetzigen Zeitpunkt schwierig.
Statt dessen soll zum Thema Emissionen folgende Graphik deutlich machen, in welcher Größenordnung ein Vergleich - in diesem Fall für stationäre Generatoren - ausfallen würde.

Bei diesem hier veröffentlichten Text handelt es sich um eine gekürzte Zusammenfassung der Studienarbeit von Dipl.-Ing. Sven Geitmann über Wasserstoff und Brennstoffzellen aus dem Jahr 1998, allerdings ohne die dazugehörigen Abbildungen. Weiterführende, aktuellere Daten (inklusive der Abbildungen) finden Sie im Buch sowie auf der CD-Rom von Sven Geitmann.