[Kurz erklärt] Wie funktioniert ein Brennstoffzellenfahrzeug?

Die Brennstoffzelle erscheint auf den ersten Blick wie der ideale Fahrzeugantrieb: leise, sauber und unabhängig vom Erdöl. In einem Brennstoffzellenfahrzeug wandelt in den meisten Fällen eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle Sauerstoff und Wasserstoff in elektrische Energie mit Wärme und Wasser als Beiprodukten um.

Die Brennstoffzelle an sich nutzt eine chemische Reaktion, um elektrische Energie zu erzeugen. Jede Brennstoffzelle hat zwei Elektroden, eine positive und eine negative, welche als Anode bzw. Kathode bezeichnet werden. An diesen Elektroden finden die chemischen Reaktionen statt. Die Elektroden sind durch eine semipermeable Membran oder einen Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt. In einer PEM-Brennstoffzelle (siehe nächster Abschnitt) wird ein edelmetallhaltiger Katalysator eingesetzt, meistens handelt es sich hierbei um Platin. Bis heute wurden mehrere Typen der Brennstoffzelle entwickelt, die sich vor allem im Elektrolyt, dem Brennstoff (Anode), dem Gas der Kathode und dem mobilen Ion unterscheiden.

Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle wird hier an dem Beispiel der Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC) dargestellt: Der Brennstoff, hier Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch zu Protonen oxidiert, das heißt, ihm werden Elektronen entzogen. Die Protonen gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektrolytmembran ist nur für Protonen durchlässig, die Elektronen müssen einen Umweg über den Stromkreislauf nehmen. Hierbei werden die Elektronen aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen (die vorher dem Wasserstoff entzogen wurden) zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Wasserstoffionen zu dem harmlosen Beiprodukt Wasser reagieren. Damit wird der Stromkreislauf geschlossen. Bei diesem Prozess wird zudem Wärme freigesetzt.

Eine einzelne Brennstoffzelle generiert nur sehr wenig elektrische Energie. Daher werden mehrere einzelne Brennstoffzellen zu einem sogenannten “stack” zusammengefügt. Je nach Energiebedarf des Fahrzeugs (Pkw oder Bus) werden mehrere dieser stacks verbaut. Laut Studie der Unternehmensberatung Roland Berger werden für ein Brennstoffzellen-System im Jahr 2014 etwa 45.000 Euro pro Pkw fällig. Insbesondere das Katalysator-Metall Platin ist ein starker Kostentreiber.

Der Deutsche Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband (DWV) entgegnet, dass der Platinbedarf stetig sinke. So waren laut DWV 2007 noch etwa 80 Gramm des Edelmetalls für den Bau des 100 kW starken Motors HydroGen4 von General Motors vonnöten, 2014 würden entsprechende Systeme theoretisch mit der Hälfte auskommen. Die Kosten pro Auto liegen demnach bei 1 000 Euro bis 1 500 Euro. In den kommenden Jahren soll der Bedarf weiter sinken; auf 15 Gramm bis 2020 und weniger als zehn Gramm für die Kommerzialisierung im großen Maßstab (bis 2025). Gelingt dies und steigt der Platinpreis pro Gramm von derzeit 34 Euro nicht erheblich liegen die Kosten je Pkw bei maximal 300 bis 350 €.

Der DWV gibt außerdem zu bedenken, dass auch Autos mit Verbrennungsmotor künftig wegen strenger werdender Emissionsgrenzwerten mehr Platin für die Katalysatoren benötigen werden. In Dieselmotoren fallen heute schon etwa sieben Gramm Platin bei einem 100 kW-Motor an, was etwa 240 Euro kostet. Bei Benzinern kostet das verwendete Palladium/Rhodium pro Katalysator derzeit knapp 50 Euro. Durch strengere Abgasvorschriften sollen sich die Kosten von Pkw mit konventionellen Antrieben denen mit Brennstoffzellenantrieb schrittweise nähern (bezüglich der Rohstoffbedarfe von Brennstoffzelle, batterieelektrischem Fahrzeug und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und der Nutzung von synthetischen Kraftstoffen (PtX) siehe: Batterieelektrisch vs. Brennstoffzelle (H2) vs. Power-to-X im Straßenverkehr: Energieeffizienz, Wirkung auf das Energiesystem, Infrastruktur, Kosten und Ressourcen).

Die Speicherung des Wasserstoffs

In Brennstoffzellenfahrzeugen wird die in der Brennstoffzelle erzeugte Energie entweder direkt in Elektromotoren in Bewegung umgewandelt oder zeitweise in einer Traktionsbatterie zwischengespeichert. Der notwendige Brennstoff (meistens Wasserstoff) wird in Drucktanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (350–800 bar) mitgeführt. Diese ermöglichen eine Reichweite von 500-800 Kilometer. Das komplette Wasserstoff-Tanksystem eines Pkw mit Druckwasserstoffspeicherung wiegt heutzutage etwa 125 kg. Der Energieaufwand für die Komprimierung auf 700 bar beträgt ca. 12 % des Energieinhaltes des Wasserstoffs. Ein Nachteil der Gasform ist, dass sich der Tankinhalt eines Wasserstoffautos schon nach kurzer Zeit in Luft auflöst. Denn das Wasserstoffatom ist so klein, dass es kaum gelingt, alle Bauteile gegen ein Austreten in Dampfform abzudichten.

Bei hohem Wasserstoffbedarf wird tiefkalter Flüssigwasserstoff (−253 °C, liquid H2) eingesetzt. Dazu wird der Wasserstoff verflüssigt (LH2) und unter Umgebungsdruck bei tiefen Temperaturen (Siedepunkt −252,8 °C, 20,4 K) gelagert. Flüssiger Wasserstoff besitzt im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff bei Umgebungsdruck eine um den Faktor 800 höhere Dichte. Der Energieaufwand für die Verflüssigung beträgt ca. 20 % des Energieinhaltes des Wasserstoffs.

In der Entwicklung befinden sich unter anderem Metall-Hydridspeicher, bei denen der Wasserstoff durch Druck in kalte Metallstrukturen eingelagert und mittels Wärmezufuhr wieder freigegeben wird. In einem Metallhydridspeicher kann fünfmal mehr elektrische Energie gespeichert werden als in einem Bleiakkumulator gleichen Gewichts. Sie erwiesen sich aber als so teuer und schwer, dass sie nur in U-Booten verwendet werden, wo beide Faktoren keine Rolle spielen.

Als Wasserstoffspeicher könnten auch Kohlenstoff-Nanofasern dienen. Diese bestehen aus übereinandergestapelten Graphitebenen, in die Wasserstoff unter Umgebungstemperatur und bei einem Druck von ca. 20 bar eingelagert wird. Unter einem Druck von ca. 40 bar soll der Wasserstoff wieder aus dem Material entweichen. Die Kapazität blieb jedoch weit hinter den Prognosen zurück: Statt zwei Drittel speichern sie nur zwei Prozent ihres Eigengewichts an Wasserstoff.

Energieinhalte von verschiedenen Energieträgern im volumenspezifischen Vergleich in MJ / Liter

Stoff Energiedichte Benzin 34,6 MJ / l Dieselkraftstoff 38,7 MJ / l Wasserstoff gasförmig,

Temperatur: 26° Celsius, Druck p = 1 bar 0,01079 MJ / l Wasserstoff gasförmig,

Temperatur: 26° Celsius, Druck p = 200 bar 2,2 MJ / l Wasserstoff flüssig

Temperatur: -253,15° Celsius, Druck p = 1 bar 8,5 MJ / l

Die Herausforderungen

Bis der Brennstoffzellenantrieb zu einer wirklichen Alternative zum Verbrennungsmotor werden kann, müssen jedoch noch eine Vielzahl von Problemen gelöst und Fragen geklärt werden: Werden Brennstoffzellenfahrzeuge zu einem vom Verbraucher akzeptierten preis hergestellt werden können? Wo beziehen Verbraucher den benötigten Wasserstoff her? Wird eine entsprechende Infrastruktur mit Wasserstoff-Tankstellen errichtet werden? Und die vielleicht wichtigste Frage: Ist Wasserstoff wirklich umweltfreundlich und der Energieträger der Zukunft?

Problem: Die Produktion des Wasserstoffs und deren Energieintensität

Wasserstoff kommt in der freien Natur nicht vor, sondern muss aus Wasser, Biomasse oder fossilen Kohlenwasserstoffen wie Kohle und Erdgas herausgelöst werden. Dieser Prozess ist sehr energieintensiv. Zudem kann nur ein gewisser Teil des freigesetzten Wasserstoffs gespeichert werden.

Die Dampfreformierung ist derzeit die wirtschaftlichste und am weitesten verbreitete (~90 %) Methode, Wasserstoff zu erzeugen. Hierbei wird aus Kohlenwasserstoffen in zwei Prozessschritten Wasserstoff erzeugt. Als Rohstoffe können verwendet werden: Erdgas, Biomasse, aber auch langkettigere Kohlenwasserstoffe aus Erdöl wie etwa die Mittelbenzinfraktion.

Im ersten Schritt werden langkettige Kohlenwasserstoffe in einem Pre-Reformer unter Zugabe von Wasserdampf bei einer Temperatur von etwa 450–500 °C und einem Druck von etwa 25–30 bar zu Methan, Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid sowie Kohlenstoffdioxid aufgespalten. Diese Vorstufe vermeidet eine zu starke Verkokung des Reformerkatalysators. Im zweiten Schritt wird im Reformer das Methan bei einer Temperatur von 800 bis 900 °C und einem Druck von etwa 25-30 bar an einem Nickelkatalysator mit Wasser zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umgesetzt.

Durch die Verwendung fossiler Energieträger wird dabei aber genauso viel des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid CO 2 freigesetzt wie bei deren Verbrennung. Durch Verwendung von Biomasse kann die Klimabilanz verbessert werden, da dann nur das Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird, das zuvor beim Wachstum der Pflanzen aus der Atmosphäre aufgenommen wurde.

Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff ist die Elektrolyse. Mit Hilfe von elektrischem Strom werden in einem Elektrolyseur aus dem Wasser der Energieträger Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Anders als bei der Verwendung von fossilen Energieträgern wird bei der Elektrolyse kein CO 2 freigesetzt. Dies gilt allerdings nur, wenn der verwendete Strom nicht aus fossilen Energieträgern erzeugt wurde. Wissenschaftler des MIT haben einen Katalysator entwickelt, der die Effizienz der Elektrolyse von Wasser auf nahezu 100 % steigern soll.

Die Wasserelektrolyse wird aber bisher technisch nur genutzt, wenn günstige Energie zur Verfügung steht. Die Erzeugung von Wasserstoff ist derzeit ausgehend von Erdöl oder Kohle günstiger. Wenn diese Rohstoffe und Energieträger knapp werden, könnte die Wasserelektrolyse im Rahmen der Wasserstoffwirtschaft, die Wasserstoff als Energieträger nutzt, bedeutsam werden.

Es stellt sich jedoch generell die Frage, ob regenerative Energie für die Elektrolyse von Wasserstoff verwendet werden sollten, wenn diese auch direkt in batterieelektrischen Fahrzeugen verwendet werden könnte. Aus gesamtenergetischer Sicht wäre eine Verwendung im Rahmen von Elektrofahrzeugen mit Akku laut University of California, Irvine, sinnvoller:

Der Energieverbrauch und konkurrenzfähige Preise regenerativer Energieerzeugung entscheiden über den Erfolg der Brennstoffzelle

Aufgrund des hohen Energiebedarfs bei der Herstellung von Wasserstoff ist zweifelhaft, ob dieser Energieträger bei derzeitiger Technologie wirklich ideal ist (für einen detaillierteren Vergleich zwischen Brennstoffzelle, batterieelektrischem Fahrzeug und synthetischen Kraftstoffen (PtX) siehe: Batterieelektrisch vs. Brennstoffzelle (H2) vs. Power-to-X im Straßenverkehr: Energieeffizienz, Wirkung auf das Energiesystem, Infrastruktur, Kosten und Ressourcen)

Der gesamte Energieverbrauch von Diesel und Benzin im Verkehrsbereich entspricht der Energie etwa der gesamten Stromerzeugung Deutschlands. – Dipl.-Ing. Helmut Geipel, Ministerialrat a.D, 1996 – 2007 Referatsleiter „Neue Energieumwandlungstechniken“ im Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI) / BMBF

Eine Konkurrenzfähigkeit des Wasserstoffs wird sich nur ergeben, wenn dieser günstiger in Herstellung, Transport und Verwendung wird als vergleichbare fossile Energieträger. Für einen ökologisch verträglicheren Verkehr muss vor allem die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse und regenerativ erzeugten Energien konkurrenzfähig werden. Es deutet sich ähnlich wie bei Elektrofahrzeugen an, dass dies nur erreicht werden kann, wenn fossile Energieträger und Rohstoffe knapp und entsprechend teuer werden. Letztlich muss damit gerechnet werden, dass Wasserstoff als Betriebsstoff für Fahrzeuge teurer sein wird als Benzin oder Diesel zu heutigen Preisen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass der motorisierte Verkehr in Zukunft gezwungenermaßen teurer sein muss, als er es heute ist.

Hohe Verluste bei der Erzeugung, schwierige Speicherbarkeit, teure Brennstoffzellen – es stellt sich durchaus die Frage, ob der Brennstoffzellenantrieb wirklich der Antrieb der Zukunft wird.

Der Wasserstoffantrieb hat zwei Probleme – und Startups haben die Lösung

Auf dem Papier ist Wasserstoff perfekt, aber in der Realität wurden die Erwartungen bisher nicht erfüllt. Doch das ändert sich gerade, auch dank deutscher Startups.

Toyota und Kenworth haben schon die ersten Wasserstoff-Lkw auf der Straße.

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Für die einen ist die Idee eines Wasserstoffantriebs der größte Reinfall der Forschungsgeschichte. Für andere ist er der Treibstoff, der die Zukunft bewegen wird. Beide Fronten standen sich bisher unversöhnlich gegenüber. Jetzt nähern sich beide wieder mehr aneinander an. Das liegt unter anderem auch an einigen mutigen Gründern, die sich dem Thema verschrieben haben. Denn es gibt etliche Bereiche, in denen sich der Einsatz eines Wasserstoffantriebs lohnen könnte.

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Ein Wasserstoffantrieb emittiert nur Wasser, sonst nichts. Grüner und nachhaltiger geht es nicht, wie es scheint. Doch die Technologie hat zwei grundlegende Probleme: Zum einen ist die Herstellung von Wasserstoff teuer und nicht gerade umweltfreundlich. Der größte Anteil des bisher genutzten Wasserstoffs stammt aus chemischen Fabriken, wo er als sogenannter Beifang anfällt. Diese Fabriken beziehen ihren Strom meist aus Kohle, was die ökologische Rechnung am Ende nicht viel besser aussehen lässt, als die von anderen fossilen Brennstoffen.

Das zweite Problem ist die Komplexität der Brennstoffzelle. Die funktioniert nur unter sehr engen Bedingungen so, dass ihr Wirkungsgrad hoch ist. Hinzu kommt, dass als Katalysator das eher seltene Metall Platin benötigt wird. Davon gibt es weltweit ungefähr so viele Vorkommen wie von Gold. Es ist also ziemlich selten. Auch wenn nur wenige Gramm Platin für den Bau einer Brennstoffzelle benötigt werden, es würde nicht reichen, um alle Autos weltweit mit einem Wasserstoffantrieb auszurüsten.

Wie die Wasserstoff-Probleme angegangen werden

Für das erste Problem gibt es mittlerweile ein paar Lösungen. So hat zum Beispiel das Startup Sunfire schon länger eine Technologie entwickelt, mit der sich grüner Wasserstoff nach industriellen Maßstäben herstellen lässt. Auch das deutsche Startup Enapter hat eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe man Wasserstoff regenerativ erzeugen kann. In den USA, China und Japan wird ebenfalls geforscht. Dementsprechend gelten Wasserstoff-Startups als aussichtsreiches Investitionsziel.

Beim zweiten genannten Problem stellt sich die Frage, wo und für wen der Einsatz von Wasserstoff überhaupt sinnvoll ist. Die Technologie und die Herstellung des Brennstoffs ist zu komplex und zu kompliziert, um damit eine normale Pendlerstrecke im Auto zurückzulegen. Auch wenn einige Autohersteller bereits wasserstoffbetriebene Fahrzeuge im Angebot haben, wird das wohl eher ein Nischenprodukt bleiben.

Größeres Interesse zeigen dagegen die Hersteller von Lastkraftwagen. Daimler hat sich in diesem Jahr mit dem schwedischen Hersteller Volvo zusammengeschlossen, um Lkw mit Wasserstoffantrieb auf die Straße zu bringen. Weiter sind da schon Toyota und das US-Unternehmen Kenworth, die bereits die dritte Generation von Wasserstoff-Fahrzeugen anbieten. Bis zur nächsten Dekade sollen mehr Wasserstoff- als Diesel-Schlepper verkauft werden.

Der Elon-Musk-Effekt der Wasserstoffbranche

Auch das US-Startup Nikola Motor scheint da schon weiter zu sein: Das mit satten 22 Milliarden Euro bewertete Unternehmen will 2023 mit einem Wasserstoff betriebenen Lkw auf dem Markt kommen, der eine Reichweite von bis zu 1.600 Kilometern haben soll. Der Haken an der Sache: Der Lkw ist bisher nur ein Prototyp. Dennoch plant das Unternehmen schon sehr weit. Mit einem Partner will das Unternehmen in den USA bis zu 700 Wasserstofftankstellen, vor allem an den Autobahnen, aufbauen. Offenbar agiert Nikola One Gründer Trevor Milton nach dem Vorbild von Elon Musk und Tesla, der für seine E-Autos ebenfalls eine eigene Ladeinfrastruktur aufgebaut hat.

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Wasserstoff erlebt gerade – mal wieder – eine Renaissance. Die Chancen, dass deutsche Gründer hier profitieren können, ist groß. Immerhin hat die Bundesregierung gerade zwei Milliarden Euro Förderung in dem Bereich investiert.

Don Dahlmann ist seit über 25 Jahren Journalist und seit über zehn Jahren in der Automobilbranche unterwegs. Jeden Montag lest Ihr hier seine Kolumne „Drehmoment“, die einen kritischen Blick auf die Mobility-Branche wirft.

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Bild: Toyota Deutschland

Wasserstoffantrieb – die Lösung für unbegrenzte Mobilität?

Wasserstoffantrieb – die Lösung für unbegrenzte Mobilität?

(Dieser Artikel ist in ähnlicher Form erschienen in Energie & Umwelt 1/2007, dem Magazin der Schweizerischen Energiestiftung. Er ist schon recht alt, jedoch scheint sich in der Zwischenzeit nichts geändert zu haben, was seine Aussagen in Frage stellen könnte.)

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wasserstoff als Energieträger für Autos hat einige faszinierende Eigenschaften. Leider kann aber auch eine Wasserstoff-Strategie auf absehbare Zeit keine Lösung für die Energie- und Umweltproblematik des Individualverkehrs bieten.

Angesichts der Probleme mit Schadstoffen und Energieverbrauch von Benzin- und Dieselantrieben ist die Vorstellung von mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen faszinierend. Die Städte könnten buchstäblich aufatmen, wenn aus den Auspuffrohren nur noch Wasserdampf käme. Für das Klima könnte ein CO 2 -freies Autofahren ein entscheidender Rettungsbeitrag sein, und die Abhängigkeit vom Erdöl aufzuheben, wäre hochwillkommen. Nachdem bereits mehrere Autohersteller mit Wasserstoffantrieben experimentieren, sehen manche bereits eine rosige Energiezukunft anbrechen. Solch weit gehende Erwartungen verdienen allerdings eine eingehendere Prüfung.

Wasserstoff im Auto

Die kostengünstigste Möglichkeit ist die Umstellung heutiger Benzinmotoren auf Wasserstoff. Verbrennungsmotoren haben aber besonders im Teillastbetrieb, der beim Autoantrieb ja überwiegend auftritt, einen unbefriedigenden Wirkungsgrad. Wenn von zukünftig vielleicht möglichen Wirkungsgraden von 50 % gesprochen wird, ist hiermit Volllast-Betrieb gemeint; der effektive Wirkungsgrad im Fahrbetrieb wird sehr viel geringer sein. Eher noch technisch lösbar ist das Problem, dass außer Wasserdampf auch giftige Stickoxide entstehen. Höhere Wirkungsgrade – insbesondere im Teillastbereich – und gleichzeitig einen lautlosen Betrieb ermöglicht eine Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff elektrischen Strom für einen Elektromotor erzeugt. Eine starke Gewichtsreduktion, eine längere Lebensdauer und ein geringerer Preis als für die bisher entwickelten Brennstoffzellen wäre jedoch nötig, und dies setzt weitere Durchbrüche der Forschung und Entwicklung voraus. Das Mitführen einer ausreichenden Menge von Wasserstoff ist die nächste Herausforderung. Hier zeigen sich erhebliche Nachteile im Vergleich zu flüssigen Energieträgern. Während der Wasserstoff selbst recht leicht ist, sind die Speicher schwer und voluminös. Eine Möglichkeit sind dickwandige Druckflaschen für die Speicherung bei sehr hohem Druck. Weniger Druck benötigen die noch schwereren Metallhydridspeicher oder aufwändige Kryospeicher. Was die Sicherheit angeht, kann ein Wasserstofftank einem herkömmlichen Benzintank durchaus überlegen sein, weil eine nach oben gehende Wasserstoff-Stichflamme eher weniger gefährlich ist also z. B. unter dem Auto brennendes ausgelaufenes Benzin. Die Betankungstechnik muss zur Speichertechnologie passen. Der flächendeckende Aufbau der entsprechenden Infrastruktur wäre leider eine sehr teure Aufgabe.

… und woher kommt der Wasserstoff?

Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein sekundärer Träger für Energie aus anderen Quellen. Im Prinzip gibt es sehr vielfältige Optionen: Derzeit wird Wasserstoff meistens durch Reformierung von Erdgas gewonnen. Das ist relativ preisgünstig, aber man bleibt natürlich bei einem fossilen Energieträger. Immerhin liegen die CO 2 -Emissionen eher etwas tiefer als bei einem Erdgasfahrzeug (mit Ottomotor): beispielsweise bei einem Kleinwagen, der mit Elektroantrieb rund 15 kWh pro 100 km verbraucht, bei rund 60 bis 80 g/km. Etwaige klimaschädliche Wirkungen durch Methan-Lecks bei Förderung und Transport das Erdgases sind damit allerdings nicht berücksichtigt. Erheblich besser werden könnte die CO 2 -Bilanz zukünftig durch die Verwendung von CO 2 -Abscheidung und Speicherung bei der Reformierung.

-Emissionen eher etwas tiefer als bei einem Erdgasfahrzeug (mit Ottomotor): beispielsweise bei einem Kleinwagen, der mit Elektroantrieb rund 15 kWh pro 100 km verbraucht, bei rund 60 bis 80 g/km. Etwaige klimaschädliche Wirkungen durch Methan-Lecks bei Förderung und Transport das Erdgases sind damit allerdings nicht berücksichtigt. Erheblich besser werden könnte die CO -Bilanz zukünftig durch die Verwendung von CO -Abscheidung und Speicherung bei der Reformierung. Durch Elektrolyse lässt sich Wasserstoff aus Wasser und elektrischer Energie gewinnen. Letztere sollte dann auf umweltverträgliche Weise (als Ökostrom) zu tragbaren Kosten in ausreichender Menge bereitgestellt werden, um eine klimafreundliche Lösung zu erhalten. Im Prinzip ließen sich auch gezielt zeitweise anfallende Überschüsse von Windstrom nutzen, da sich der erzeugte Wasserstoff gut speichern lässt, also nicht unbedingt zeitgleich mit dem Verbrauch erzeugt werden muss. Gleichzeitig wäre das auch ein Beitrag zur Stabilisierung der Stromnetze. Allerdings ist die Amortisation eines teuren Elektrolyseurs schwierig, wenn dieser nur relativ wenige Stunden pro Jahr erreicht, in denen Stromüberschüsse zur Verfügung stehen. Außerdem verliert man bei der Elektrolyse rund 30 % der Energie – bei Nutzung von Überschüssen tendenziell sogar etwas mehr – und später in der Brennstoffzelle noch wesentlich mehr. Instruktiv ist es, die CO 2 -Reduktion zu betrachten, die der Einsatz von z. B. einer Megawattstunde Windstrom in zwei Szenarien ermöglicht: Im einen Fall erzeugt man mit dem Strom Wasserstoff, fährt damit Wasserstoff-Autos und spart so Benzin ein. Leider gehen deutlich über 50 % der Energie bei der Elektrolyse und in der Brennstoffzelle verloren – bei Verwendung eines Verbrennungsmotors noch viel mehr – und Kompression oder Verflüssigung verschlingen weitere Energie.

Im zweiten Szenario ersetzt der Windstrom einfach die entsprechende Menge Strom aus Kohlekraftwerken, während die Autos nach wie vor mit Benzin fahren. Die so erreichte CO 2 -Reduktion ist meist sogar deutlich größer als mit Wasserstoff-Fahrzeugen. Und dies, ohne das Investitionen in teure Brennstoffzellen und eine Wasserstoff-Infrastruktur nötig sind. Also ist dieser Ansatz zumindest so lange unsinnig, wie noch Kohlekraftwerke laufen. Ernüchternd ist außerdem der Vergleich mit einem batteriebasierten Elektroauto. Hier liegt der Wirkungsgrad, gemessen vom Weg des Windstroms am Kraftwerk bis zum Antriebsmotor des Autos, in der Größenordnung von 75 %. Mit Wasserstoff dagegen dürfte man in der Regel deutlich unterhalb von 30 % liegen. Das bedeutet, dass man für die gleiche Fahrstrecke mehr als die doppelte Menge von Windstrom benötigt. Und dies mit einer teuren Technologie, für die man erst noch eine Infrastruktur schaffen müsste. Auf der anderen Seite erhält man mit der Wasserstoff-Technologie eine bessere Möglichkeit der Energiespeicherung und auch des Transports. Beispielsweise könnte Wasserstoff an sonnengünstigen Standorten in Spanien erzeugt und über Pipelines nach Mitteleuropa befördert werden. Der Nachteil des größeren Stromaufwands würde dann unter Umständen durch die günstigere Stromerzeugung (auf billiger verfügbaren Flächen) mehr als kompliziert, trotz des zusätzlichen Transportaufwands. Wegen der hohen Energieverluste der strombasierten Wasserstofftechnologie sprechen böse Zungen von einer neuen Maschinerie zur Energievernichtung. Immerhin würde aber mit Erdöl ein Rohstoff ersetzt, der knapper ist als Kohle. Jedoch könnte man dafür auch auf verbesserte aufladbare Batterien setzen. Anders kann es für Verkehrsmittel aussehen, für die eine Lösung mit Batterien nicht infrage kommt – etwa für die meisten Schiffe und Flugzeuge. Und die mit Wasserstoff mögliche Energiespeicherung kann natürlich ein wesentlicher Vorteil sein. In einer fernen Zukunft könnte die Lage wiederum anders aussehen, falls wir eine potente, umweltfreundliche und kostengünstige Quelle von Elektrizität finden. Manche träumen hier von neuartigen Kernspaltungs- oder gar Kernfusionsreaktoren, wobei aber die einen an Sicherheitsproblemen (u. a. Endlagerung und Proliferation von atomwaffenfähigem Material) kranken und gleichzeitig immer teurer werden, während die anderen noch viel teurer werden, falls sie überhaupt technisch machbar sind. Andererseits ist es ziemlich ambitiös, mit Windstrom aus großen Offshore-Anlagen erst Kohle und Kernenergie zu ersetzen und dann noch in eine Wasserstoffwirtschaft einzusteigen. Die Lage würde ebenfalls etwas anders aussehen, wenn Verfahren der Biomassevergasung praxistauglicher würden. Wasserstoff könnte dann relativ effizient aus Biomasse (z. B. Holz oder aus diversen Abfällen) hergestellt werden, und die Nachteile durch die Elektrolyse würden vermieden. Allerdings ist das Potenzial für Biomasse wegen der geringen Flächenproduktivität begrenzt – erheblich kleiner jedenfalls als das der Photovoltaik. Denkbar ist ferner, dass wir in 50 Jahren auch ganz neue Technologien haben werden, um Elektrizität zu erzeugen, oder aber direkt Wasserstoff z. B. aus Sonnenenergie, etwa mit Hilfe künstlicher Photosynthese.

Fazit

Es ist nicht auszuschließen, dass Wasserstoff in Zukunft viele Autos auf nachhaltige Weise antreiben wird. Jedoch ist dies momentan sehr unsicher und deswegen jedenfalls kein Ersatz für das Streben nach Energieeffizienz und einer nachhaltigen Mobilität. Diverse Prestigeprojekte von Autoherstellern zielen womöglich weniger auf eine echte Problemlösung innerhalb nützlicher Frist ab, sondern eher auf die Einlullung der Bevölkerung, die sich mit technischen Wunschträumen beschäftigen soll, anstatt echte Problemlösungen heute zu verlangen. Und diese liegen wohl eher in hocheffizienten Fahrzeugen und vor allem einem nicht weiter ausufernden Individualverkehr.

Siehe auch: Wasserstoff, Wasserstoffwirtschaft, Verbrennungsmotor, Elektrolyse, Brennstoffzelle, Akkumulator, Energiespeicher, Elektromobilität