Wirkungsgrad von Verbrennungsmotor, Brennstoffzelle und Batterieantrieb: Was die Thermodynamik wirklich erlaubt
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Oder warum die Physik bei Antrieben mitredet.
Wer den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen und Batterieantrieben verstehen will, stößt schnell auf widersprüchliche Behauptungen zur Zukunft des Autos. Die einen versprechen „Wunderverbrenner“ mit fast magischem Wirkungsgrad, die anderen sehen Wasserstoff grundsätzlich als überlegen, wieder andere halten Batterieautos für alternativlos.
Damit diese Debatte mehr Licht als Hitze erzeugt, lohnt sich ein nüchterner Blick auf das, was die Physik tatsächlich erlaubt. Im Folgenden beleuchten wir Schritt für Schritt, welche Grenzen die Thermodynamik Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen und elektrischen Antrieben setzt, räumen typische Missverständnisse aus und zeigen, warum manche Versprechen zwangsläufig an der Realität scheitern müssen.
Im Kern geht es darum, wie viel der im Kraftstoff oder im Strom gespeicherten Energie ein Antrieb maximal in Vortrieb verwandeln kann. Dafür braucht es einen Blick auf die physikalischen Grundregeln, die für alle Antriebe gelten – also für Verbrennungsmotor, Brennstoffzelle und Batterieantrieb. Erst wenn klar ist, was die Thermodynamik erlaubt und was nicht, lassen sich Wirkungsgrade sinnvoll einordnen.
Was die Thermodynamik wirklich sagt
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist der Energieerhaltungssatz in technischer Form. Er besagt, dass Energie in einem abgeschlossenen System weder erzeugt noch vernichtet werden kann, sondern nur zwischen verschiedenen Formen wie innerer Energie, Wärme und mechanischer Arbeit umgewandelt wird. Für Antriebe heißt das, dass die chemische Energie des Kraftstoffs oder die elektrische Energie aus dem Akku in der Bilanz vollständig als Bewegung, als Wärme im Motorblock oder im Abgas, als elektrische Energie in der Brennstoffzelle oder in anderen Energieformen wieder auftaucht.
Der zweite Hauptsatz macht deutlich, dass diese Umwandlungen nie perfekt ablaufen. Bei jedem realen Prozess steigt die Entropie, und damit wächst der Anteil der Energie, der nicht mehr vollständig in geordnete Arbeit zurückverwandelt werden kann. Ein Teil der Energie liegt am Ende als Wärme vor, die zwar noch messbar ist, sich aber nur begrenzt in mechanische Bewegung oder Strom zurückführen lässt.
Der Carnot-Prozess: Leitplanke, kein realer Motor
Die beiden Hauptsätze der Thermodynamik legen also fest, dass Energie in technischen Systemen nur umgewandelt werden kann und dass jede reale Umwandlung mit Verlusten verbunden ist.
Auf dieser Grundlage lässt sich der Carnot-Wirkungsgrad als theoretische Obergrenze idealer Wärmekraftmaschinen herleiten. Er hängt allein vom Verhältnis der Temperaturen des heißen und des kalten Reservoirs ab und beschreibt, welcher Anteil der zugeführten Wärme im bestmöglichen Fall in mechanische Arbeit umgesetzt werden könnte.
Für alle Wärmekraftmaschinen, also auch für Verbrennungsmotoren, ist dieser Wert eine wichtige physikalische Leitplanke, denn höher als der Carnot-Wirkungsgrad kann der thermische Wirkungsgrad grundsätzlich nicht liegen.
Gleichzeitig bleibt der Carnot-Prozess ein idealisierter Kreisprozess und damit ein Gedankenexperiment. Er setzt zwei klar definierte Temperaturreservoire sowie einen reversiblen, verlustfreien Ablauf ohne Reibung, endliche Wärmeübertragung und weitere Irreversibilitäten voraus. Kein realer Motor erfüllt diese Bedingungen.
Verbrennungsmotor im Überblick
Beim Verbrennungsmotor gibt es kein festes heißes Reservoir im Sinne des Carnot-Modells, sondern einen zeitlich und räumlich stark veränderlichen Verbrennungsprozess im Zylinder. Wenn in der Carnot-Formel als 𝑇heiß einfach die maximale Verbrennungstemperatur und als
𝑇kalt eine relativ niedrige Abgastemperatur eingesetzt werden, ergeben sich rechnerisch scheinbar beeindruckende Grenzwerte von 80 bis 90 Prozent Wirkungsgrad.
Formal ist eine solche Rechnung nicht verboten, praktisch ist sie jedoch nur begrenzt aussagekräftig. Denn sie blendet die nur kurz und lokal anliegende Spitzentemperatur, Material- und Emissionsgrenzen, endliche Verbrennungsdauer, unvollständige Wärmeübertragung, Reibung und Ladungswechselverluste aus. Also fast alles, was reale Motoren begrenzt.
Für die Frage, wie gut ein Verbrennungsmotor thermodynamisch tatsächlich sein kann, sind daher nicht Carnot-Werte aus Verbrennungsspitzen der geeignete Maßstab, sondern Idealmodelle aus der technischen Thermodynamik, also Otto- und Diesel-Kreisprozess.
Lehrbuch-Ideal: Otto- und Diesel-Zyklus
Im Motordesign arbeitet man mit sogenannten Luftstandardzyklen. Der Otto-Zyklus ist das Idealmodell für fremdgezündete Benzinmotoren. Das Gasgemisch wird dabei komprimiert, bei nahezu konstantem Volumen erhitzt, expandiert und wieder gekühlt.
Der Diesel-Zyklus modelliert selbstzündende Motoren. Hier findet ein Teil der Wärmezufuhr bei annähernd konstantem Druck statt, bevor das Arbeitsgas expandiert.
Für typische Verdichtungsverhältnisse im Auto kommen diese Modelle auf:
· idealer Otto-Zyklus: grob 50 bis 56 Prozent Wirkungsgrad.
· idealer Diesel-Zyklus: je nach Parametern etwa 60 bis 70 Prozent.
Diese Zahlen liegen schon unterhalb des Carnot-Limits und sind die sachgerechteren „Bestwerte im Lehrbuch“ für Verbrennungsmotoren.
Praxiswerte: deutlich darunter
Im realen Straßenbetrieb bleiben Verbrennungsmotoren davon weit entfernt. Moderne Pkw-Motoren erreichen:
· Benzin-Otto-Motor: etwa 30 bis 35 Prozent im optimalen Lastpunkt.
· Diesel-Pkw: etwa 35 bis 40 Prozent im Bestpunkt.
Im Stadtverkehr oder bei häufigen Lastwechseln sinken die Werte deutlich, weil der Motor selten im optimalen Bereich arbeitet.
Die Verluste haben viele Ursachen. Dazu zählen Abgaswärme, Kühlverluste, Reibung im Motor, das Auf und Zu der Drosselklappe bei Teillast, der Aufwand für Einspritzung, Pumpen und andere Nebenaggregate. Dazu kommt, dass man nicht beliebig hohe Temperaturen fahren kann, weil Material, Öl und Emissionen Grenzen setzen.
Wer dies versteht, erkennt, dass Aussagen wie „fast 100 Prozent“ oder „80 Prozent Wirkungsgrad“ für Verbrenner die Diskussion in den Bereich idealisierter Gedankenmodelle verschieben, die mit einem Auto in der realen Nutzung nur sehr begrenzt etwas zu tun haben.
Brennstoffzellen anders eingeordnet
Eine Brennstoffzelle arbeitet nach einem anderen Prinzip. Sie verbrennt den Kraftstoff nicht, sondern lässt ihn an Elektroden reagieren. Dabei wandert Ladung durch einen externen Stromkreis, aus chemischer Energie wird direkt elektrische Energie. Wärme entsteht zwar auch, sie ist aber nicht der Hauptweg der Energieumwandlung.
Die theoretische Obergrenze ergibt sich aus der Chemie der Reaktion. Bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion ist relevant, wie viel der Reaktionsenergie als freie Energie zur Verfügung steht. Formal ist das das Verhältnis ΔG/ΔH. Unter typischen Bedingungen liegt dieser Wert bei rund 0,83, also 83 Prozent.
Was das im Vergleich zum Motor bedeutet
Damit stehen sich grob gegenüber:
· Brennstoffzelle (H₂/O₂): theoretisches Limit etwa 83 Prozent.
· idealer Otto-Zyklus: etwa 50 bis 56 Prozent.
· idealer Diesel-Zyklus: etwa 60 bis 70 Prozent.
Schon hier wird sichtbar, dass die physikalische „Decke“ der Brennstoffzelle deutlich höher liegt als die des Verbrennungsmotors.
Wichtig bleibt aber: Das sind theoretische Grenzwerte, keine Praxisversprechen.
Praxiswerte der Brennstoffzelle
Reale Brennstoffzellen haben Verluste durch Aktivierungsenergie an den Elektroden, elektrische Widerstände in Membranen und Kontakten, Stofftransportbegrenzungen in den Poren sowie Nebenaggregate wie Kompressor, Pumpen, Kühlung und Elektronik.
Diese beiden Verlustgruppen wirken auf unterschiedlichen Ebenen, und genau das erklärt die Lücke zwischen den beiden Prozentzahlen, die im Zusammenhang mit Brennstoffzellen kursieren. Die erste Gruppe – Aktivierung, Widerstand, Stofftransport – bestimmt die Zellspannung. Unter Last liefert eine einzelne Brennstoffzelle nicht die theoretische Spannung von rund 1,23 Volt, sondern eher 0,6 bis 0,7 Volt. Das Verhältnis dieser beiden Werte ergibt den Zellwirkungsgrad, und der liegt unter günstigen, stationären Bedingungen tatsächlich bei 50 bis 60 Prozent.
Die zweite Gruppe setzt danach an. Ein Fahrzeug braucht nicht nur eine Zelle, sondern ein komplettes System mit Luftkompressor, Kühlkreislauf, Befeuchtung und Leistungselektronik. Diese Komponenten verbrauchen selbst Strom, den die Zelle vorher erzeugt hat. Bei hoher Last kann allein der Kompressor einen zweistelligen Prozentanteil der Bruttoleistung beanspruchen. Das drückt den Systemwirkungsgrad noch einmal unter den reinen Zellwirkungsgrad, und über einen wechselhaften Fahrzyklus mit vielen Lastwechseln kommt man eher auf die 40 bis 55 Prozent, die für das Gesamtfahrzeug realistisch sind.
Das heißt, die Zelle allein rechnet man wie eine Batterie, also Spannung geteilt durch theoretische Spannung. Das Fahrzeug rechnet man wie ein Kraftwerk, also Nettoleistung am Rad geteilt durch Energieinhalt des Wasserstoffs. Beide Zahlen sind richtig, sie beantworten nur unterschiedliche Fragen.
Damit ist die Brennstoffzelle im Auto klar effizienter als ein typischer Verbrennungsmotor. Aber sie ist kein Wunderapparat ohne Verluste. Ihre Stärke liegt darin, dass sie von einem höheren strukturellen Limit ausgeht und diesen Vorteil unter realen Bedingungen zu einem guten Teil nutzen kann.
Vergleich mit Batterieantrieb
Damit ein Vergleich zwischen Verbrenner und Brennstoffzelle nicht durcheinandergerät, ist es hilfreich, zwei Fragen getrennt zu betrachten.
Ebene 1: Tank-zu-Rad
Tank-zu-Rad bedeutet, dass man sich nur anschaut, was im Fahrzeug selbst passiert. Aus einer gegebenen Menge Energie im Tank oder im Akku wird Bewegung.
Auf dieser Ebene lassen sich Verbrennungsmotor, Brennstoffzelle und Batterieantrieb direkt vergleichen. Der Verbrenner ist wie oben bereits ausgeführt als Wärmekraftmaschine an niedrigere Idealgrenzen gebunden und erreicht real meist mittlere Wirkungsgrade. Die Brennstoffzelle arbeitet auf Basis eines höheren thermodynamischen Limits und liegt im Fahrzeug oft darüber. Das Batterieauto nutzt elektrische Energie besonders direkt und ist auf TTW-Ebene deshalb in der Regel am effizientesten.
Ebene 2: Von der Quelle zum Rad
Hier wird die gesamte Kette, von Windrad, Solaranlage, Gasfeld oder Raffinerie, über alle Umwandler, Leitungen und Speicher bis zum Rad betrachtet.
Beim Wasserstoffpfad sieht die Kette so aus:
· Strom zur Wasserstofferzeugung
· Elektrolyse
· Verdichtung und Speicherung
· Transport
· Brennstoffzelle im Fahrzeug.
Jede Stufe hat Verluste.
Beim batterieelektrischen Auto ist der Weg kürzer:
· Stromerzeugung.
· Speicherung im Akku.
· Elektromotor im Fahrzeug.
Beim klassischen Verbrenner kommt eine Kette aus Förderung, Transport, Raffination, Distribution und Verbrennung im Motor hinzu, mit hohen Verlusten in jedem Schritt.
Viele Studien kommen zu dem Ergebnis, dass batterieelektrische Pfade auf der Ebene „Quelle zum Rad“ in der Regel die beste Gesamtbilanz haben.
Wasserstoff-Brennstoffzellen liegen dahinter, aber meist besser als fossile Verbrennerpfade.
Der thermodynamische Vorteil der Brennstoffzelle gegenüber dem Verbrenner bleibt also bestehen, wird aber durch die zusätzlichen Verluste in der Wasserstoffkette teilweise aufgezehrt. Gegenüber Strom im Akku hat die Brennstoffzelle auf Systemebene einen Effizienznachteil, gegenüber fossilen Verbrennerpfaden meist einen Vorteil.
Typische Mythen
Mythos: „Genug Innovation macht Verbrenner fast verlustfrei“
Die Physik sagt:
Ein Verbrennungsmotor bleibt eine Wärmekraftmaschine. Er unterliegt immer einem Limit, das mit dem Temperaturunterschied im Prozess zusammenhängt, und realen Verlusten durch Abgaswärme, Kühlung und Reibung. Selbst extrem optimierte Motoren kommen unter Praxisbedingungen nicht in die Nähe von 80 oder 90 Prozent.
Praktisch bedeutet das, dass man Verbrenner verbessern, aber nicht in eine verlustfreie Maschine verwandeln kann. „Hocheffizient" heißt bei Pkw ein Wirkungsgrad im hohen 30er- oder niedrigen 40er-Prozentbereich, nicht ein Motor, der fast die gesamte Energie in Vortrieb umsetzt.
Mythos: „Wasserstoff ist im Auto immer effizienter als Strom im Akku“
Die Physik sagt:
Der Batterieantrieb nutzt elektrische Energie direkt und vermeidet damit mehrere Umwandlungsschritte. Beim Wasserstoffpfad muss die Energie dagegen erst zu Wasserstoff gemacht, anschließend gespeichert und transportiert und im Fahrzeug wieder in Strom umgewandelt werden. Genau deshalb ist Wasserstoff im Auto nicht automatisch effizienter als Strom im Akku. Praktisch bedeutet das, dass Brennstoffzellen dort sinnvoll sein können, wo andere Anforderungen zählen, etwa hohe Reichweiten, kurze Tankzeiten oder bestimmte gewerbliche Anwendungen. Sie sind aber nicht automatisch die effizienteste Wahl, wenn es nur um Energieverluste geht. Dafür steht das Batterieauto meist besser da.
Mythos: „Die Physik ist flexibel, man muss sie nur mit genügend Technologie überlisten“
Die Physik sagt:
Die Grundgesetze der Thermodynamik sind nicht verhandelbar. Technologien können sich ihnen annähern, aber nicht ausbrechen. Wo jemand verspricht, ein Wärmekraftsystem über seine Carnot-Grenze hinaus zu treiben oder alle Verluste einfach wegzuoptimieren, lohnt sich kritisches Nachfragen. Praktisch bedeutet das, dass echte Innovation zeigt, wie man innerhalb dieser Grenzen intelligent arbeitet, nicht, wie man sie angeblich ignoriert. Effizienzgewinne sind wichtig, aber sie haben immer ein Dach. Dieses Dach ist für Verbrenner niedriger als für Brennstoffzellen, und für Strompfade im Akku oft höher als für Wasserstoffketten.
Die Physik räumt damit gleich mehrere Mythen auf.
Es gibt keinen Wunderverbrenner, der die Grundgesetze der Thermodynamik aushebelt, und keine Brennstoffzelle, die ohne Verluste auskommt. Es gibt aber klare Unterschiede in den Grenzen, mit denen jedes System leben muss.
Quellen:
Günter Cerbe, Gernot Wilhelms_Technische Thermodynamik
Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald_Institut für Physik
Effizienz im Blick: Der Verbrenner unter dem Physik-Check
Wirkungsgrad & Effizienz – Warum Verbrenner physikalisch verlieren_Harald Lesch & Axel Kleidon