Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

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Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

Beitragvon Sunny » Mi 11. Jul 2018, 01:18

Hallo zusammen,

ich bin auf der Sucher nach einem wenigstens halbwegs aktuellen Vergleich Power-to-wheel von Brennstoffzellenantrieb und Elektroantrieb. Finde im Netz nicht wirklich aktuelle und neutrale Vergleiche.
Würde mich freuen, wenn mir jemand weiterhelfen könnte.

Vielen Dank
Sunny
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Re: Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

Beitragvon Elektrivirus » Mi 11. Jul 2018, 10:17

Hallo Sunny,

eine wirklich interessante Frage. So einfach, wie sie sich anhört, ist sie leider nicht zu beantworten. (ich gehe mal davon aus, dass du mit Elektroantrieb BEVs meinst).
Ohne Anspruch auf Vollständigkeit gebe ich dir mal ein paar Szenarien:

Primärenergie: (Erd-)Gas:
Den Anteil grauer Energie für die Gasgewinnung habe ich leider nicht gefunden, sollte aber mindestens bei etwa 25% liegen (Bohrung, Förderung, Trocknung, Reinigung, Kompression, Transport) ... bleiben 75%
BEV:
Verstromung im Kraftwerk, Wirkungsgrad bis zu 60% ... bleiben noch 45% 100x,075x0,6 sind auch 45
Transport im Stromnetz, [url=https://de.wikipedia.org/wiki/Übertragungsverlust]Verlust etwa 5,7%[/url] .... bleiben noch aufgerundet 42,5% 100x0,75x0,6x0,947 sind exakt 42,435 ... steht aber da...aufgerundet
Ladeverlust ins BEV, werden hier im Forum mit bis zu 20% angegeben...bleiben 34% über, die im Akku landen 100x0,75x0,6x0,8 macht genau 33,948 .... das sind bei mir immernoch rund 34%
Wirkungsgrad E - Antrieb, über 97% ... auf der Straße kommen aufgerundet 33% der "Rohenergie" an noch mal 0,97 ... exakt 32,92956

FCEV (Elektrolyse):
Verstromung im Kraftwerk, Wirkungsgrad bis zu 60% ... bleiben noch 45% unstrittig, s.o.
Transport im Stromnetz, [url=https://de.wikipedia.org/wiki/Übertragungsverlust]Verlust etwa 5,7%[/url] .... bleiben noch aufgerundet 42,5% unstrittig, s.o.
Elektrolyse, Wirkungsgrad rund 80% (hätte ich schlechter geschätzt) .... bleiben 34 % 42,5x0,8 mmacht 34
Brennstoffzelle, Wirkungsgrad rund 60% (Wikipedia), bleiben 20,4 % mal 0,6 macht 20,4
Wirkungsgrad E - Antrieb, über 97% ... auf der Straße kommen aufgerundet 19,8% an mal0,97 macht 19,788

FCEV (Gasreformation):
Dampfreformer ... über 80% ...bleiben 60%
Brennstoffzelle, Wirkungsgrad rund 60% (Wikipedia), bleiben 36%
Wirkungsgrad E - Antrieb, über 97% ... auf der Straße kommen aufgerundet 35% an.

Sonderfall: volatile Energie (wie Wind und Sonne) soll genutzt werden:

BEV:
Transport im Stromnetz, [url=https://de.wikipedia.org/wiki/Übertragungsverlust]Verlust etwa 5,7%[/url] .... bleiben noch 94,3 %
Ladeverlust ins BEV, werden hier im Forum mit bis zu 20% angegeben...bleiben 75,5% über, die im Akku landen
Wirkungsgrad E - Antrieb, über 97% ... auf der Straße kommen aufgerundet 73,3% der "Rohenergie" an

FCEV:

Elektrolyse, Wirkungsgrad rund 80% (hätte ich schlechter geschätzt) .... bleiben 80 %
Brennstoffzelle, Wirkungsgrad rund 60% (Wikipedia), bleiben 48 %
Wirkungsgrad E - Antrieb, über 97% ... auf der Straße kommen aufgerundet 46,6% an.

Soweit die Betrachtung, wenn das erneuerbare Kraftwerk "voll" ausgelastet ist.
könnte es mehr Strom produzieren, als aktuell abgenommen wird, ergibt sich folgende Situation:

BEV: Wirkungsgrad bleibt gleich, Kraftwerk muss gedrosselt werden, der "Verlust" gestaltet sich als nicht produzierter Strom
FCEV: Wirkungsgrad bleibt auch gleich, aber Kraftwerk kann weiterhin auf Maximum laufen, und der Überschuss wird zu H2 (natürlich mit über 55% Verlust, aber beim BEV wäre hier der Verlust 100%)

Sehr verknappt, und sehr vereinfacht. Aber eine genauere Antwort ist schwer möglich.

Wenn du davon ausgehst, dass du mal gerade so den aktuellen Energiebedarf decken kannst, dann ist das BEV vom Wirkungsgrad deutlich vorteilhafter.
Gehst du davon aus, dass du Überkapazitäten hast, die du zeitweise runterregeln müsstest, dann kann H2 von Vorteil sein, frei nach dem Motto "Sonne und Wind sind da, egal, ob wir sie nutzen oder nicht, dann ist es schon besser, sie zu nutzen, selbst, wenn dabei die Hälfte verschwendet wird"
Edit in rot nach Hinweis von @E-Imo extra nachgerechnet
Zuletzt geändert von Elektrivirus am Fr 13. Jul 2018, 11:23, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

Beitragvon Sunny » Mi 11. Jul 2018, 19:07

Hallo Elektrivirus.

allerherzlichsten Dank für die ausführliche Antwort. Ich hatte gehofft, dass es irgendwo eine Alles-in-Einem-Vergleichsstudie gibt, aber so geht es natürlich auch :D

zu: "Brennstoffzelle, Wirkungsgrad rund 60% (Wikipedia)" konnte ich entsprechendes für den Straßenbetrieb nicht finden, aber ich werde das nochmal vertiefen.

Mit Deiner Schlussfolgerung hast Du wohl recht - solange wir begrenzte Ressourcen haben und die Annahme treffen können, dass die Energie (irgendwann) vernünftig transportiert werden kann - sind BEV wohl die bessere Alternative und wenn es mal Strom im Überschuss geben sollte, dann haben die Brennstoffzellen Vorteile.

Liebe Grüße und gute Fahrt
Sunny
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Re: Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

Beitragvon E-lmo » Mi 11. Jul 2018, 19:26

Elektrolyse, Wirkungsgrad rund 80% (hätte ich schlechter geschätzt) .... bleiben 80 %

Bei der Brennstoffzelle fehlt meiner Meinung nach noch der Transport. Dafür muss der Wasserstoff mehrfach komprimiert werden. Auf die 700Bar für das FCEV bzw zwischendurch auf ein für den Transport geeigneten Druck.
Das kostet auch wieder Energie.
Zuletzt geändert von E-lmo am Mi 11. Jul 2018, 19:53, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

Beitragvon Elektrivirus » Mi 11. Jul 2018, 19:44

Stimmt, die Kompression hab ich vergessen, wobei sich die Grundaussage dadurch nicht ändert.
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Re: Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

Beitragvon Wiese » Mi 11. Jul 2018, 19:53

Ich möchte dazu noch etwas anmerken.
Grundsätzlich ist es natürlich sinnvoll überschüssigen Strom in Gas umzuwandeln. Wasserstoff ist aber meiner bescheidenen Meinung nach nicht optimal geeignet. Bei der Lagerung und dem Transport von Wasserstoff geht sehr viel verloren. Ich weiß nicht ob es dazu genauere Berechnungen gibt. Es gibt aber bereits die ersten kritischen Stimmen zur Wirkung von Wasserstoff in der Athmosphäre. Wenn man Wasserstoff im großen Stil verwendet, kann Niemand sagen welche Wirkung das auf unsere Umwelt hat, weil eben einige % davon entweichen. Wasserstoff wird in der Industrie gebraucht, und er wird dort wo viel gebraucht wird vor Ort produziert. Weil es am billigsten ist, wird er aus Erdgas reformiert. Niemand macht freiwillig Wasserstoff aus Strom, weil es sehr teuer ist. Niemand sollte sich der Illusion hingeben, dass in Zukunft Wasserstoff für PKWs aus Sonnen- und Windstrom hergestellt wird. Und wenn der Staat die Industrie dazu zwingen sollte, wird er sehr sehr teuer werden.
Wasserstoffautos sind also auch wieder ein Risikofaktor über den man noch nicht viel weiß. BEV dagegen emittieren definitiv nichts, und die immer wieder kritisierten Akkus werden recykelt, weil die Rohstoffe immer teurer werden. Kobalt und Lithium sind bestimmt auch nicht für immer die notwendigen Rohstoffe. Sollte man diese Rohstoffe wirklich eines Tages nicht mehr brauchen und wegwerfen, hätte das für die Athmosphäre keine Nachteile. Kobalt ist ungiftig, Lithium ist etwas brisanter, weil es sich leicht entzündet, man wird es also nicht in den Müll werfen.
Intelligenter und viel sinnvoller wäre es Überschussstrom in Erdgas umzuwandeln. Dabei sinkt zwar der Wirkungsgrad nochmal ein paar Prozent, aber Erdgas lässt sich gut speichern, es gibt rieseige Erdgasspeicher in De, und Erdgas wird überall gebraucht. Erdgas aus Power to gas Anlagen würde fosiles Erdgas ersetzen, und so zur CO2 Reduktion beitragen.

Ich sehe es als großen Fehler, dass man immer nur an den Verkehr denkt, wenn es darum geht Überschussstrom irgendo unterzubringen.
Umweltrelevantes: ab 2007 5,76 kWp PV, ab 2008 Naturstromkunde, ab 2009 20m² Thermie, ab Mai 2006 Honda Civic Hybrid
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Re: Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

Beitragvon E-lmo » Mi 11. Jul 2018, 20:04

@Elektrovirus: Wie ich Deinen Beitrag lese, addierst Du einfach die Verlusst-Prozentpunkte zusammen.
Richtigerweise müsste man die einzelnen Wirkungsgrade als Faktoren multiplizieren. So ergibt 90% und 70% nicht 10+30=60, sondern 0,9×0,7=0,63 bzw. 63%.

Edit: Ich hatte mir leider nicht die Mühe gemacht, die umfangreiche Rechnung nachzurechnen und deshalb auch keinen konkreten Fehler benannt. Ich wollte Dich nicht angreifen, sondern nur darauf hinweisen, dass sich bei der Addition der Verlusste ein Fehler ergeben würde.
Entschuldige bitte meine leichtfertige Annahme, Dir würde dieser -oft gemachte - Fehler unterlaufen. :?
Zuletzt geändert von E-lmo am Fr 13. Jul 2018, 23:02, insgesamt 2-mal geändert.
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Re: Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

Beitragvon Elektrivirus » Fr 13. Jul 2018, 11:27

Ja, war müde ...
Allerdings hab ich nicht addiert, sonder schrittweise gerechnet, sprich, für jeden einzelnen Punkt hab ich die vorherige Prozentzahl als Grundwert angenommen ... natürlich kommts zu Rundungsdifferenzen, das hatte ich geschrieben, aber egal.

Hab extra wegen deinem Kommentar nochmal nachgerechnet, und in rot dahinter geschrieben, und, was soll ich dir sagen ... ich finde keinen Fehler. Wenn du schon Leute öffentlich angreifst, solltest du dir sicher sein, dass du tatsächlich einen Fehler gefunden hast, findest du nicht?

Also, meine "Hausgebrauchsprozentrechnung" hat den Praxistest bestanden.

Oder beweis mir das Gegenteil, anstatt nur blind zu brabbeln.
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Re: Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

Beitragvon tango » Fr 13. Jul 2018, 17:07

Die Abschätzung ist, mit Ausnahme der Berücksichtigung von Speicher-, Transport-, und Umfüllverlusten beim Wasserstoff aus meiner Sicht schon sehr brauchbar. Danke für die schöne Rechnung, @Elektrovirus.

Es gibt ja nun schon einige Mrd-km Erfahrungen mit den Elektroautos, so dass man diese Rechnung mit den Erfahrungen aus der Praxis weitgehend bestätigen kann, ein paar Prozent Wirkungsgrad beim Batterieladen und beim Motorenverlust rauf oder runter.

Es gibt aber nicht so viele "öffentliche" Erfahrungen mit den "Wasserstoffautos" und den darin enthaltenen Brennstoffzellen-Stromgeneratoren. Bei einem normalen "Elektrofahrzeug" kann man von einer "Lastvarianz" von grob -50 bis +100 kw ausgehen. die Batterie gibt also beim Beschleunigen bis zu 100 kW Leistung ab (ja, Tesla macht viel mehr, ich weiß) und nimmt bei der Rekuperation beim Bremsen bis zu 50 kW Leistung auf. Und das innerhalb weniger Sekunden. Praktisch bewiesen.

Mir ist nun leider nicht bekannt, welche Lastdynamik eine Brennstoffzelle darstellen kann. Als Verfahrenstechnik-Ingenieur unterstelle ich mal, dass man sie vielleicht auch auf eine Bandbreite von 0 bis 100 kW bekommen kann, was aber schon ein ziemliches Wort ist und bei einem mittleren Leistungsbedarf von 15-20 kW bei einem PKW) auch reichlich überdimensioniert ist. Eine negative Leistungsaufnahme ist wohl technisch bedingt nicht möglich (es kommt also beim Bremsen kein Wasserstoff aus der Brennstoffzelle heraus). Und ob die positive Lastvarianz innerhalb von Sekunden dargestellt werden kann, halte ich für mehr als fraglich.

Folglich braucht man also einen recht stattlichen Akku und die Brennstoffzelle rückt eher in den Bereich eines Range-Extenders, der den mittleren Leistungsbedarf abdecken kann und ansonsten die Batterie auflädt. So wäre dann auch eine Rekuperation darstellbar.

Solche Szenarien halte ich bei Anwendungen mit geringerer Lastvarianz und langen Abschnitten von konstanter Last für realistisch. Bei LKW, Lokomotiven oder Schiffen beispielsweise. Bei PKW erscheint mir das eher unrealistisch.

Langer Rede kurzer Sinn: die well-to-Wheel-Betrachtung ist deshalb nicht im Internet mit einer einfachen, klaren Studie zu finden, weil sie erstens ziemlich problematisch ist und von sehr vielen Randbedingungen, nicht zuletzt dem Einsatz-Szenario, abhängt.

Und zweitens, da bin ich dann schon im Bereich der Hochspekulation, fällt sie möglicherweise nicht ganz so positiv für die Brennstoffzelle (zumindest im PKW) aus. Und das stört alle, die sich heute mit ihrem Einsatz im PKW abmühen und für die die Brennstoffzelle immer noch den absolut leuchtenden Silberstreif am Horizont darstellt.
Gruß

tango

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Re: Well-to-wheel Brennstoffzelle - Vollelektro

Beitragvon Elektrivirus » Fr 13. Jul 2018, 19:46

Nun, ich kann dir nur beschreiben, wie ich 2012 den Mirai erlebt habe:

Im Stand hörst du nichts, wenn du langsam losfährst, benimmt er sich wie ein Prius, der nur mit seinem Akku beschleunigt, wenn du dich anstrengst, kannst ganz leise das Gebläse der BSZ erahnen, gibst du mehr Gas, vernimmst du deutlich das Gebläse der BSZ, das dauert keine Sekunde. Trittst "voll drauf", dann hörst die BSZ deutlich schnorcheln, lauter als Windgeräusche bei 100.
Gehst vom Gas, um die Geschwindigkeit zu halten, pegelt sich die BSZ auf ein niedriges Niveau ein, und verhält sich wie der Verbrenner im Prius.
Der begleiter von Toyota erklärte es auch so, dass die BSZ nicht die vollen 150 PS des Mirai stemmen kann, sondern sich hier wie der HSD verhält, u d zum Boosten den Akku nutzt, ebenso wie zum Rekuperieren. Ebenso wird der Akku bevorzugt bei 6/8 Ladestand gehalten, wie im HSD, auch die maximale Rekuperation fühlte sich ähnlich stark an, wie im HSD der 3. Generation (136 PS).
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