Fakten zum Wasserstoff-Fahrzeug – Elektro Kraftfahrzeuge

Wasserstoffauto. 5 wichtige Fakten dazu

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1.SO FUNKTIONIEREN WASSERSTOFFAUTOS

Wasserstoffautos sind im weitesten Sinn Elektroautos. Allerdings wird der Strom für den Antrieb nicht in Akkus gespeichert, sondern von einer mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle im Fahrzeug selbst erzeugt.

2.SO WIRD WASSERSTOFF GEWONNEN

Wasserstoff ist kein natürlich vorkommender Energieträger. Er wird elektrolytisch aus Wasser hergestellt. Wird für die Elektrolyse nachhaltig produzierter Strom, etwa aus Wind-, Solar- oder Wasserkraft eingesetzt, ist Wasserstoff völlig CO 2 neutral und daher besonders umweltfreundlich.

3.SO WIRD WASSERSTOFF GELAGERT UND TRANSPORTIERT

Wasserstoff ist ein sehr leichtes Gas, das unter hohem Druck gespeichert wird. In den Transport-LKWs mit 200 bar, in den Hochdrucktanks der Tankstellen mit 950 bar, wozu spezielle Kompressoren eingesetzt werden.

4.SO WERDEN WASSERSTOFFFAHRZEUGE BETANKT

Wasserstoffautos werden mit einem Druck zwischen 350 bar und 700 bar betankt. Das Betanken erfolgt durch Überströmen aus dem Hochdrucktank der Tankstellen – schnell, einfach und dank spezieller Tankstutzen absolut sicher. Der Tankvorgang dauert nur wenige Minuten und ist mit dem Betanken eines Fahrzeuges mit Benzin, Diesel oder Erdgas vergleichbar.

5.DAS SIND DIE VOR- UND NACHTEILE VON WASSERSTOFFAUTOS

Neben emissionsfreiem Fahren bieten Wasserstoffautos den Vorteil, dass die Brennstoffzelle in der Herstellung deutlich umweltfreundlicher ist als Akkus. Das Betanken dauert wie bei herkömmlich betriebenen Autos lediglich drei bis fünf Minuten. Zudem ist die Reichweite von Wasserstoffautos deutlich höher als bei mit Akkus ausgerüsteten E-Autos. Mehr als 500 Kilometer Reichweite sind Standard. Grösster Nachteil des Wasserstoffautos ist das (derzeit noch) sehr dünne Tankstellennetz.

Quelle und Bild: Osterwalder

Energie: Brennstoffzelle

Die Idee der Brennstoffzellen ist alt. Schon 1839 beschrieb der britische Physiker William Grove eine "galvanische Gasbatterie". Durch "kalte Verbrennung", also durch Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff, sollte sie elektrischen Strom liefern. Doch Groves Idee verschwand wegen mangelnder Effektivität in der Versenkung und wurde erst über 100 Jahre später ernsthaft in die Tat umgesetzt.

In den 1950er-Jahren wurden Brennstoffzellen zunächst in U-Booten eingesetzt. Mit den Raumfahrtprogrammen in den 1960ern kamen sie auch im All zum Einsatz. In beiden Bereichen – Rüstungsindustrie und Raumfahrt – spielte Geld keine Rolle. Die ersten Modelle der Brennstoffzelle waren extrem teuer.

Erst gegen Ende der 1980er Jahre suchten Ingenieure verstärkt nach neuen Energiequellen, um von Öl und Kohle unabhängig zu werden. Und sie suchten nach saubereren Energien. Diese Anforderungen sollen Brennstoffzellen erfüllen, denn sie arbeiten mit Wasserstoff – einem umweltfreundlichen Energieträger.

Die Brennstoffzelle ist eine Wandlertechnik. Sie wandelt chemische Reaktionsenergie in elektrischen Strom und Wärme. Das Prinzip ist relativ simpel: Zwei Elektroden sind durch eine Trennschicht voneinander getrennt, den so genannten Elektrolyten. Auf der einen Seite strömt Wasserstoff ein, auf der anderen Sauerstoff.

Der Wasserstoff wird in seine Bestandteile aufgeteilt: zwei Elektronen und zwei Protonen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyten auf die Sauerstoffseite. Die Elektronen müssen den Umweg über einen Stromkreis nehmen, um zur Sauerstoffseite zu gelangen, wo ein Elektronenmangel herrscht. Aus Protonen, Elektronen und Sauerstoff entsteht dann Wasser.

Video starten, abbrechen mit Escape Ionen und Elektronen 00:49 Min. . Verfügbar bis 11.07.2023.

Die Spannung im Stromkreis beträgt dabei etwa 1,2 Volt – so viel wie bei einer kleinen Taschenlampenbatterie. Und so wie man Taschenlampenbatterien hintereinander schalten kann, um größere Spannungen zu erzeugen, geht das auch bei Brennstoffzellen.

Weil solche Zellen nur aus drei dünnen Schichten bestehen, ist es sogar recht einfach: Man braucht sie nur aufeinander zu stapeln. So einen Brennstoffzellen-Stapel nennt man "Stack".

Ein Vorteil der Brennstoffzelle liegt zweifellos darin, dass sie elektrischen Strom ohne mechanische Teile erzeugt: kein Lärm, keine Verschleißteile, keine Abgase.

Außer Wasser, das zum Beispiel in den Apollokapseln den Astronauten als Trinkwasser diente, entsteht nichts. Zudem lässt sich der Treibstoff, also vor allem Wasserstoff oder Methan, auch mithilfe erneuerbarer Energien wie etwa Wind- oder Wasserkraft erzeugen.

Ein besonderer Vorteil ist der hohe Stromwirkungsgrad. Das heißt, die Brennstoffzelle produziert vergleichsweise viel Strom und wenig Wärme.

Bei Heizkraftwerken, die klassisch mit einem Verbrennungsmotor arbeiten, ist das Verhältnis genau umgekehrt und damit wesentlich ungünstiger. Theoretisch können über 80 Prozent der erzeugten Energie mittels einer Brennstoffzelle elektrisch sein. Realistischer sind etwa 45 Prozent.

Das Prinzip der Brennstoffzelle im Modell

Im Prinzip ist ein Brennstoffzellenauto ein Elektroauto, das seinen Strom nicht aus einer Batterie zieht, sondern direkt an Bord erzeugt.

Fallen beim Elektroauto lange Ladezeiten an, lässt sich ein Brennstoffzellenauto fast genauso schnell betanken wie ein Benziner – es dauert zwischen drei und fünf Minuten. Und auch das Reichweitenproblem der Elektroautos gibt es nicht. Mit einem gefüllten Wasserstofftank kommt man etwa 500 bis 600 Kilometer weit.

Video starten, abbrechen mit Escape Wasserstoff-Auto Planet Wissen. . 04:06 Min. . UT . Verfügbar bis 16.04.2026. ARD-alpha.

Seit Anfang der 1990er-Jahre arbeiten große Automobilkonzerne wie Daimler Benz und Toyota daran, Autos mit Brennstoffzellen anzutreiben.

Problematisch sind bei Brennstoffzellenautos in erster Linie die hohen Herstellungskosten. Das liegt unter anderem an dem verbauten Platin – einem der teuersten Edelmetalle der Welt.

Aber auch die Versorgung mit Wasserstoff ist noch längst nicht flächendeckend. Idealerweise soll man sein Brennstoffzellenauto an einer ganz normalen Tankstelle auftanken können. Derzeit gibt es in Deutschland jedoch nur etwa 20 Tankstellen, die Wasserstoff anbieten.

Die Brennstoffzellen-Technik im Auto

Bei der Regionalverkehr Köln GmbH ( RVK ) ist man schon einen kleinen Schritt weiter. 2011 wurden die ersten beiden Wasserstoffbusse für die Personenbeförderung eingeführt, 2014 kamen zwei weitere dazu.

Das große Ziel: Bis 2030 will die RVK seine gesamte Flotte durch Busse mit regenerativen Antrieben ersetzen. Besonders günstig ist der Standort Hürth, weil man sich hier die umliegende Chemieindustrie zunutze machen kann. Hauptabfallprodukt ist Wasserstoff. So stehen der RVK täglich rund 20 Tonnen zur Verfügung, mit denen sie ihre Busse betanken kann.

Emissionsfreier Bus, der mit Brennstoffzellen betrieben wird

Im privaten Bereich nutzen einige Menschen Brennstoffzellen derzeit weniger im eigenen Auto als vielmehr im eigenen Haus zur Strom- und Wärmeerzeugung. Die Brennstoffzellen stehen dann als Kleinkraftwerke im Keller und werden mit Erdgas betrieben. Ganz ausgereift ist die Technik allerdings noch nicht.

Von 2008 bis 2015 lief dehalb der Callux-Praxistest für die Brennstoffzelle im Eigenheim, der vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur gefördert wurde. Hausbesitzer testeten, wie gut sich die Brennstoffzellentechnik für den Alltag im Haushalt eignete. Das Projekt lief mit großem Erfolg.

Die Mehrheit der Teilnehmer am Praxistest war durchweg zufrieden. 2016 kamen so viele Geräte verschiedener Hersteller auf den Markt wie noch nie.

Ob sich die Brennstoffzelle in Zunkunft durchsetzen kann, bleibt abzuwarten. Bisherige Technologien – gerade in der Automobilindustrie – sind noch sehr teuer und für den Normalverbraucher kaum bezahlbar.

Auch das Problem der Herstellung und Lagerung von Wasserstoff ist noch nicht abschließend geklärt. Sollte sich die Brennstoffzelle jedoch als alltagstauglich erweisen, wäre ein großer Schritt weg von fossilen Brennstoffen hin zu regenerativen Energien getan.

Interview: "China setzt massiv auf Wasserstoff"

asp im Gespräch mit Volker Blandow, Head of E-Mobility bei TÜV SÜD in Hongkong, über die künftige Entwicklung der unterschiedlichen Antriebsformen.

asp: Herr Blandow, werden sich Elektroautos oder Brennstoffzellen-Pkw durchsetzen?

Volker Blandow: Zuerst einmal ist ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle auch ein Elektroauto, denn dort ist der Antrieb auch elektrisch. Aber um die Frage zu beantworten: Brennstoffzellenfahrzeuge sind für mich ein integraler Bestandteil der Elektromobilität. Wir brauchen sowohl batterieelektrische Fahrzeuge als auch Fahrzeuge mit Brennstoffzelle, um den Verkehr zukünftig zu dekarbonisieren. Mit beiden Technologien könnten wir den Mobilitätsbedarf komplett abdecken, den wir heute auf den Straßen sehen.

asp: Kritiker bemängeln an der Brennstoffzelle ihren geringeren Wirkungsgrad im Vergleich zu batteriebetriebenen E-Autos. Warum sollte man auf den Antrieb setzen?

V. Blandow: Aus reiner Effizienzsicht führt nichts am batterieelektrischen Fahrzeug vorbei. Es ist zwei- bis dreimal effizienter als ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle. Durch Umwandlungsverluste bei der Herstellung des Wasserstoffs verlieren wir 30 Prozent Energie. Im Fahrzeug selbst verlieren wir nochmals 50 Prozent der Energie. Ich glaube dennoch, dass man beide Technologien benötigt. Denn es gibt Bereiche, in denen die Brennstoffzelle die notwendige Ergänzung zu einem vollelektrischen Antrieb sein wird.

asp: Was spricht denn für Fahrzeuge mit Brennstoffzelle?

V. Blandow: Es gibt mehrere Argumente für die Brennstoffzelle: Es gibt viel weniger Materialien, Chemikalien und auch weniger Masse. Ein Brennstoffzellenfahrzeug mit gleichen Fahrleistungen ist 500 bis 600 Kilogramm leichter als ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug. Zudem werden künftig Reichweiten über 800 Kilometer möglich sein, der Tankvorgang dauert aber im Gegensatz zum batteriebetriebenen Elektrofahrzeug nur drei Minuten.

asp: Dennoch wird Wasserstoff in Deutschland hauptsächlich außerhalb des Transportsektors angedacht.

V. Blandow: Meiner Meinung nach kann man eine Technologie wie Wasserstoff nicht von vornherein auf bestimmte Sektoren begrenzen. Wir brauchen Wasserstoff in der Industrie als sauberen Rohstoff und als saisonalen Energiespeicher. Wenn es sinnvoll ist, wird sich Wasserstoff auch im Transportbereich durchsetzen und dann natürlich auch im Pkw. Momentan sehe ich in China mehr Wasserstoff-Neuvorstellungen im Pkw- als im Lkw-Bereich - und zwar palettenweise. Da kommt man ins Nachdenken, gerade wenn die chinesische Regierung hier eine Quote für Wasserstoff-Fahrzeuge einführt.

asp: Warum setzen die chinesischen Hersteller auf Wasserstoff?

V. Blandow: In China ist das Teil des Fünf-Jahres-Plans, den die Regierung aufgestellt hat. Überraschend sind jedoch die regionalen Pläne, die letztens angekündigt worden: Peking hat ein starkes Wasserstoffprogramm angekündigt. Es haben weitere Städte nachgezogen und ähnlich ambitionierte Programme aufgelegt. Das hat das Blatt nochmals viel stärker in Richtung Wasserstoff gewendet.

asp: Halten Sie es für einen Fehler, dass in Deutschland die Autoindustrie nur auf die batterieelektrische Mobilität setzt?

V. Blandow: Die deutsche Industrie wäre gut beraten, die Wasserstoff-Technologie voranzutreiben, um auf Augenhöhe mit China zu bleiben. Wir sind in Deutschland sehr gut, was die Entwicklung von Komponenten für die Brennstoffzelle angeht. Wir verspielen diesen Vorsprung etwas, weil die Chinesen das so intensiv angehen. Sie werden uns irgendwann einholen. Ich hoffe, dass die Industrie das Potenzial vorher erkennt. Vielleicht ist es momentan aber schlichtweg nicht der richtige Zeitpunkt, weil die deutsche Industrie erst mal E-Autos verkaufen möchte.

asp: Tesla verspricht beim neuen Model S Plaid eine Reichweite von fast 850 Kilometern. Braucht man da die Brennstoffzelle noch?

V. Blandow: Wenn man das bei allen Witterungsbedingungen und mit allen Fahrprofilen erreichen will, muss man sich ganz schön anstrengen oder gewaltige Ladeleistungen vorhalten. Es gibt aber auch Situationen, die mit einem batterieelektrischen Fahrzeug schwer zu adressieren sind. Stellen Sie sich einen typischen Ferientag auf der Autobahn vor, wenn Zehntausende Autos in den Urlaub fahren wollen. Wie viele Schnellladestationen müssten wir dafür an den Autobahnraststätten bereithalten und welche Lastspitzen müsste das Netz verkraften? Hier hat der Wasserstoff Vorteile. Gerade wenn wir große und schwere Fahrzeuge bewegen wollen, sehe ich in der Brennstoffzelle eine gute Alternative.

asp: Wäre nicht auch die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen ("E-Fuels") eine sinnvolle Option?

V. Blandow: Ich halte das nicht für sinnvoll, denn wir müssten zuerst eine Industrie und die nötigen Prozesse im großen Stil aufbauen, um einen nennenswerten Effekt zu erzielen. Das hat Vorlaufzeiten von mehreren Jahren. Darüber hinaus bräuchten wir für die saubere Herstellung den massiven Ausbau erneuerbarer Energien. Wer bereits die geringe Effizienz bei der Herstellung von Wasserstoff kritisiert, wird das bei E-Fuels erst recht, denn hier liegt der Wirkungsgrad nur bei 10 bis 15 Prozent. Kurzum: Man würde große Mengen Geld in einen Prozess investieren, der nur eine Brückentechnologie darstellt. Denn die E-Mobilität rückt immer näher. Wenn jetzt noch das Brennstoffzellenfahrzeug hinzukommt, dann brauchen wir keine E-Fuels mehr.

asp: Und woher nehmen wir die Energie für die Herstellung von grünem Wasserstoff?

V. Blandow: Das muss man natürlich global sehen. In Deutschland sind wir mit rund 50 Prozent Anteil an erneuerbaren Energien schon ganz gut. Andere Länder haben da noch Nachholbedarf. Der Wasserstoff wird kommen, weil wir ihn in einem Elektrizitätsnetz, das auf erneuerbaren Energien basiert, als Speichermedium brauchen werden. Und zwar sowohl als Langzeitspeicher als auch als Speicher für große Mengen. Kurzzeitige Lastspitzen kann ich auch in stationären Batterien speichern und abpuffern. Bei einem saisonalen Speicher macht die Batterie aber keinen Sinn, da brauche ich einen chemischen Speicher. So wie es aussieht, wird das Wasserstoff sein. Wasserstoff wird zudem ein elementarer Rohstoff unserer Industrie werden. Daher ist es das Ziel, den Wasserstoff so günstig wie möglich zu bekommen. Daran wird gearbeitet.

asp: Wird die Infrastruktur für Wasserstoff-Tankstellen nicht sehr kostspielig werden?

V. Blandow: Bei der Infrastruktur für Elektrofahrzeuge wissen wir bis heute nicht, wie viele Ladesäulen wir eigentlich brauchen. Wollen die Leute lieber zu Hause laden, an der Laterne oder brauchen wir viele Schnelllader? Und in welchem Verhältnis? Bei den Wasserstofftankstellen wissen wir das hingegen ganz genau. Wir brauchen mindestens 1.000 Tankstellen, um ganz Deutschland mit Wasserstoff zu versorgen. Bei 2.000 Tankstellen wären wir dann in einer komfortablen Situation. Das würde rund 2,2 Milliarden Euro kosten, diese zu errichten.

asp: Ist der Servicebedarf für Wasserstoff-Autos höher als für batteriebetriebene Elektroautos?

V. Blandow: Nur unwesentlich, für Werkstätten sind das sicher keine guten Nachrichten. Sowohl batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge als auch Fahrzeuge mit Brennstoffzellen werden deutlich weniger Wartung benötigen. Ein Elektromotor hält wahrscheinlich eine Million Kilometer, ohne dass er gewartet werden müsste. Selbst Unfallschäden nehmen ab, da höherwertige Assistenzsysteme integriert sind. Das Wasserstoffsystem ist hingegen etwas wartungsintensiver. Es gibt den Gasteil, der überwacht werden muss und einem Verschleiß unterliegt. Ich rechne damit, dass die Überprüfung der Gasanlage fester Bestandteil einer Wartung wird.

Interview: Alexander Junk