Wasserstoff-Autos: Wasser(dampf) als «Abgas»

Der Wasserstoffantrieb gilt als die Technologie der Zukunft. Doch die Brennstoffzellen-Technologie ist bereits in der Gegenwart angekommen. In der Schweiz sind seit 2020 die ersten Wasserstofftrucks unterwegs. Bis im Jahr 2025 wollen der Förderverein H 2 -Mobilität gemeinsam mit dem koreanischen Hersteller Hyundai eine Flotte von 1600 mit Wasserstoff betriebenen LKW auf die Strasse bringen. Entsprechend ist ein Netz von Wasserstoff-Tankstellen im Aufbau. Die Nutzfahrzeuge spielen dabei eine Pionierrolle, später sollen auch Personenwagen von dieser Infrastruktur profitieren.

Technisch wird zwischen zwei Arten von Wasserstoffantrieben unterschieden:

Ein Nexo an der H 2 -Tankstelle der Empa. Quelle: Hyundai

Die Brennstoffzelle

In der Brennstoffzelle wird elektrischer Strom aus Wasserstoff gewonnen. Das geschieht durch die Umkehrung der Elektrolyse. Die Brennstoffzelle fungiert als eine Art Mini-Wasserstoff-Kraftwerk an Bord des Fahrzeugs. Dort wird Sauerstoff (O 2 ) durch die Brennstoffzellen-Stacks geblasen und trifft auf Wasserstoff (H 2 ), dabei entsteht Strom für den Antrieb. Gleichzeitig stösst der Wagen nur Wasserdampf beziehungsweise Wasser (H 2 O) als Emission aus.

Die Technik des mit Brennstoffzellen angetriebenen Toyota Mirai. Quelle: Toyota

Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor

Im Gegensatz zur Brennstoffzelle, mit der ein elektrischer Motor angetrieben wird, lässt sich Wasserstoff auch direkt als Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor nutzen. Grundlage ist die Knallgasreaktion (zwei Teile Wasserstoff mit einem Teil Sauerstoff). In den 1990er-Jahren forschte BMW am Wasserstoff-Verbrennungsmotor, stellte die Entwicklung aber 2009 ein. Auch Mazda betrieb den Prototyp eines Wankelmotors, der Wasserstoff verbrannte.

In der H 2 -Mobilität scheint die Brennstoffzelle heute alle Trümpfe in der Hand zu haben. Gegenüber dem batterieelektrischen Fahrzeug (BEV) hat die Brennstoffzelle einen gewichtigen Nachteil: Die Erzeugung des Wasserstoffs mit Strom und die erneute Umwandlung in Strom knabbern am Wirkungsgrad. Eine 2019 veröffentlichte Studie des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) stellt fest, dass Batterieautos «die eingesetzte Primärenergie mindestens um etwa den Faktor 2 effizienter nutzen als Brennstoffzellen-Fahrzeuge.»

Dafür punktet die Brennstoffzelle mit der Reichweite, die jener von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor gleichkommt. Zudem lässt sich Wasserstoff ähnlich schnell und unkompliziert tanken wie Benzin, Diesel oder CNG. Der Ladevorgang bei Batterien benötigt deutlich mehr Zeit.

Wasserstoffmobilität der Zukunft entspricht heutigen Standards

Für den Antrieb von Elektrofahrzeugen auf der Straße und im Gelände haben Wasserstoff-Brennstoffzellen entscheidende Vorteile gegenüber Batterien. Um die Sicherheit dieser Fahrzeuge zu gewährleisten, arbeiten Regierungen und Normungsgremien auf der ganzen Welt an der Erstellung und Aktualisierung von Richtlinien, Vorschriften und Regelungen für Wasserstoffmobilität und H 2 -Tankstellen.

Vergleich von batteriebetriebenen mit wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen

Obwohl es heutzutage verschiedene technologische Alternativen zum traditionellen Verbrennungsmotor gibt, sind batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) in der öffentlichen Wahrnehmung oftmals die dominierende Lösung. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um die Betrachtung von Personenkraftwagen handelt. E-Auto-Käufer haben zunehmend größere Auswahl an verfügbaren Modellen und das Netz öffentlicher Ladestationen wächst stetig.

Es gibt jedoch zwei große Nachteile von Batterieantriebssystemen:

Die meisten batteriebetriebenen Fahrzeuge bieten nach wie vor nur eine begrenzte Reichweite pro Ladung

Die Ladezeiten für die Batterien sind, im Vergleich zu einem herkömmlichen Tankvorgang bei Verbrennungsmotoren, deutlich länger

Wasserstoff-Brennstoffzellen: Die Zukunft der Elektromobilität

Die komplexere Alternative sind Elektromotoren, die von Wasserstoff-Brennstoffzellen versorgt werden. Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle) sind Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren in Bezug auf Leistung und Betriebsparameter – diese umfassen Reichweite, Betankungszeit, Kälteresistenz – ebenbürtig, arbeiten aber lokal CO 2 -frei. Aufgrund dieser Eigenschaften erfreuen sie sich derzeit wachsender Beliebtheit, insbesondere bei großen Fahrzeugen wie Kommunalfahrzeugen, Bussen oder Lastwagen. Auch im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen gibt es eine zunehmende Zahl von Entwicklungsprojekten. Tausende von wasserstoffbetriebenen Gabelstaplern sind bereits in Lager- und Produktionshallen im Einsatz. Dabei stoßen sie nur Wasserdampf und kein Kohlenmonoxid oder andere schädliche Emissionen aus. Da wasserstoffbetriebene Fahrzeuge nicht stundenlang aufgetankt werden müssen, können sie effizienter als batteriebetriebene Modelle genutzt werden.

Wasserstoffmobilität weltweit auf dem Vormarsch

Daher setzen im Jahr 2022 einige der größten Volkswirtschaften der Welt auf Wasserstoff-Brennstoffzellen und Wasserstofffahrzeuge, um ihre Kohlenstoffemissionen zu verringern und langfristig vollständig zu vermeiden. Im Folgenden finden Sie deshalb einige Beispiele für aktuelle Dekarbonisierungsinitiativen aus aller Welt:

Japan bemüht sich intensiv um eine wasserstoffbasierte Gesellschaft. Das Land hat seine grundlegende Wasserstoffstrategie bereits im Jahr 2017 entwickelt. So war der Toyota Mirai beispielsweise das erste kommerziell erhältliche FCEV der Welt. Außerdem ist das Netz der Wasserstofftankstellen in Japan, mit mehr als 130 in Betrieb befindlichen Stationen, derzeit das größte weltweit.

Deutschlands nationale Wasserstoffstrategie enthält einen Aktionsplan mit 38 Maßnahmen, die das Land und die Europäische Union bis Ende 2023 ergreifen werden. Die Bundesrepublik verfügt derzeit über mehr als 90 Wasserstofftankstellen, weitere sind in Arbeit. Eine Anfang April 2022 verabschiedete Gesetzesnovelle (“Osterpaket”) rückt Wasserstoff noch weiter in den Fokus.

Südkorea und Hyundai haben eine Vision von 2,9 Millionen FCEVs bis 2040 in ihrem Land. Das dortige HyNet-Konsortium plant den Aufbau eines stetig wachsenden Netzes von Wasserstofftankstellen bis 2030.

Chinas Plan für eine Wasserstoffwirtschaft umfasst mehr als 1 Million FCEVs und 1.000 Wasserstofftankstellen bis 2030.

Frankreich hat seine nationale Wasserstoffstrategie im September 2020 veröffentlicht. Von den 7,2 Milliarden Euro, die bis 2030 investiert werden sollen, entfallen 1,5 Milliarden Euro auf Elektrolyseanlagen und 1 Milliarde Euro auf schwere Lkw.

Die von der EU finanzierte Initiative JIVE (Joint Initiative for hydrogen Vehicles across Europe) zielt darauf ab, wasserstoffbetriebene Busse in allen Mitgliedsstaaten einzusetzen.

Australien hat seine nationale Wasserstoffstrategie Ende 2019 mit dem Ziel vorgestellt, dass das Land bis 2030 ein „wichtiger globaler Akteur im Bereich sauberer Wasserstoff“ ist.

Kanada hat vor kurzem ebenso seine Wasserstoffstrategie kommuniziert. Diese sieht eine saubere Wasserstoffwirtschaft als Teil des nationalen Ziels, die Treibhausgasemissionen bis 2050 auf Netto-Null zu reduzieren, vor.

Für einen tieferen Einblick in das Thema sehen Sie sich auch das folgende On-Demand-Webinar in englischer Sprache an. Hierin wird weiterführend aufgezeigt, wie WIKA Sie bei der Bewältigung von Herausforderungen, die Wasserstoffanwendungen mit sich bringen, unterstützen kann. In dem Vortrag auf der Hannover Messe 2021 wird der Schwerpunkt auf Wasserstoffmobilität, einschließlich Tankstellen, gelegt.

Vorschriften für Wasserstoffsysteme und -Bauteile

Alle Bauteile in einem FCEV müssen eine anwendungsspezifische Sicherheitszulassung haben. In der EU legt die Verordnung EC79/2009 die Anforderungen an Wasserstoffsysteme fest, von Berstprüfungen bis hin zu einer Wasserstoffverträglichkeitsprüfung für metallische Werkstoffe (Unempfindlichkeit gegen Wasserstoff-Versprödung). Diese Verordnung gilt für Fahrzeuge, die auf öffentlichen Straßen eingesetzt werden; sie hat keine direkten Auswirkungen auf beispielsweise Flurförderfahrzeuge, die nur auf dem Betriebsgelände eingesetzt werden. Dennoch schätzen auch deren Hersteller und Anwender nach wie vor Bauteile mit EC79/2009-Zulassung für ihre mobilen Arbeitsmaschinen, da diese Zertifizierung Betriebssicherheit garantiert.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass diese Zulassung im Juli 2022 außer Kraft treten wird. Bestehende EC79-Bescheinigungen bleiben jedoch gültig. Um auf dem Laufenden zu bleiben, finden Sie in unserem Blog ab Juli weitere Informationen über regulatorische Anforderungen und Zulassungen. Besuchen Sie außerdem unsere Webseite, um WIKAs Angebot an Druckgeräten für Wasserstoffanwendungen und Wasserstoffmobilität zu sehen. Weitere Informationen zum Thema Wasserstoff finden Sie ebenfalls auf der WIKA-Webseite.

Bei Fragen steht Ihnen Ihr Ansprechpartner gerne zur Verfügung.

Wasserstoffauto: Potenzial, aber kaum Nachfrage: Warum scheitern die Fahrzeuge?

Ole Spata/dpa

Fachleute schwärmen über die Potenziale von Wasserstoffautos, doch die Realität sieht mickrig aus. Denn die Alternative zum E-Auto kämpft mit zahlreichen Problemen: fehlende Infrastruktur, Sicherheitsbedenken und horrende Fahrzeugpreise.

Vor dem Parkplatz einer schwedischen Möbelhauskette blitzen ein weißes Dach und eine weiße Zapfsäule zwischen der Hecke hervor. Vor ihr aufgereiht steht alles, was der Markt für Wasserstoffautos derzeit zu bieten hat: Ein Toyota, ein Hyundai und ein Mercedes. Auf dem Display der Zapfsäule steht 29,07 Euro. So viel kosten drei Kilogramm Wasserstoff (H2). Das ist etwa die Hälfte, die ein Tank fasst. Der Gasehersteller Air Liquide hat am Dienstag seine zweite Wasserstofftankstelle in Düsseldorf eröffnet. Die Franzosen bewerben Wasserstoffautos wie eine Art Schlaraffenland in Sachen Mobilität: Man sei sauber und ohne Ausstoß von CO2-Emissionen oder Schadstoffen unterwegs - "bei gewohnt hoher Reichweite und einer Betankungszeit von wenigen Minuten". Doch Umweltexperten sind nicht begeistert. Zudem gibt es ein großes Problem: Das Tankstationen-Netz in Deutschland hat große Löcher.

Henning Kaiser/dpa

Dennoch: Unstrittig ist, dass die Brennstoffzelle Potenzial hat - und dies in gewissen Bereichen bereits entfaltet: In U-Booten wird sie beispielsweise schon seit Jahrzehnten eingesetzt. Ihre Umweltbilanz ist laut Air Liquide positiv. Wasserstoff wird in der Reaktion mit Sauerstoff zu Wasserdampf und Strom gewandelt. Doch im Moment kommt dieser Strom aus nicht erneuerbaren Energien. "Man muss fairerweise sagen, dass der Wasserstoff über Erdgasspaltung produziert wird", erklärt Air-Liquide-Deutschland-Chef, Gille Le Van. "Wir müssen ja irgendwann mal anfangen" Ob H2-Autos auf lange Sicht für den Pkw-Massenmarkt taugen, wird bezweifelt. "Wir müssen ja irgendwann mal anfangen", entgegnet Nordrhein-Westfalens Wirtschaftsminister Andreas Pinkwart (FDP). "Wir forschen seit 20 Jahren an den Themen, und jetzt geht es darum, das in Serie zu bringen." Im Vergleich zu konventionellen Elektroautos führen die Brennstoffzellen-Fahrzeuge eher einen Dornröschenschlaf. Gerade einmal 386 Wasserstofffahrzeuge sind in Deutschland laut Kraftfahrt-Bundesamt zugelassen. Bei einem Gesamt-Fahrzeugbestand von 64,8 Millionen ist das ein Anteil von gerade einmal 0,0006 Prozent. Beim Ökokonkurrenten E-Auto sind es immerhin 0,2 Prozent. In dem H2-Nischenmarkt sind vor allem Asiaten präsent. Toyota hat weltweit nach eigenen Angaben knapp 10.000 solcher Fahrzeuge verkauft, davon knapp 200 in Deutschland. Und deutsche Autobauer? Daimler stieg schon in den 1990er Jahren ein und produzierte ab 2009 für einige Jahre rund 200 B-Klassen-Autos als H2-Version. 2018 brachten die Stuttgarter einen Geländewagen als Mischung aus Batterie-Stromer und Brennstoffzelle auf den Markt, auch dies in kleiner Stückzahl. Bei BMW und Audi ist die Brennstoffzelle ebenfalls Thema, sie wird aber nur erprobt - kaufen kann man dort derzeit kein solches Auto. 70.000 bis 80.000 Euro für ein Auto Doch warum ist der Wasserstoff-Anteil am deutschen Verkehrsmix fast unsichtbar? Ferdinand Dudenhöffer von der Universität Duisburg-Essen zeigt auf die Geldbörse: Der Preis für so ein Auto sei "inakzeptabel". Grob gesagt kostet ein Wasserstoff-Pkw in Deutschland 70.000 bis 80.000 Euro, auch Leasingverträge sind nicht billig. Immerhin gibt es staatliche Förderung. Dennoch - das sei viel zu teuer, meint der Professor: "Das reine Wasserstoffauto ist für den Privatkunden derzeit außer Reichweite." Ein Grund für die hohen Preise: Die Entwicklung ist teuer, und die verkauften Stückzahlen sind gering - erst bei hohen Stückzahlen würden die Kosten pro Fahrzeug sinken und der Preis käme etwas herunter. Wenig Begeisterung ruft das Thema in Wolfsburg hervor. Die Brennstoffzelle werde bis Mitte der 2020er Jahre nicht "zu vertretbaren Preisen oder im industriellen Maßstab mit der nötigen Energieeffizienz verfügbar sein", sagte VW-Boss Herbert Diess im Mai auf der Hauptversammlung - Volkswagen setzt stattdessen auf das rein mit Batteriestrom betriebene E-Auto.

Hier Autokredit einfach und schnell beantragen (Anzeige)

Niedriger Wirkungsgrad - hoher Strombedarf Auch Umweltexperten sehen Wasserstoff-Autos skeptisch. Florian Hacker vom Öko-Institut verweist auf den niedrigen Wirkungsgrad: Man brauche Strom, um aus Wasser Wasserstoff herzustellen, der dann in Gastanks gelagert und schließlich nach dem Tanken im Auto in Strom gewandelt wird - bei diesen Schritten verliere man Energie. "Nur 25 Prozent der ursprünglichen Energie führt in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug zu Fortbewegung, der Rest geht verloren - bei batteriebetriebenen Elektroautos liegt der Wert etwa bei 70 Prozent." Entsprechend höher sei der Strombedarf bei Brennstoffzellen-Autos, sagt er. "Man sollte die Brennstoffzelle weiter im Blick behalten, aber im Massenmarkt ist der Einsatz batteriebetriebener E-Autos sinnvoller."

Henning Kaiser/dpa

Ein Henne-Ei-Problem sieht der Autoexperte Stefan Bratzel von der Fachhochschule der Wirtschaft: "Solange es nicht genug Nachfrage gibt, lohnt sich der Aufbau dieser Infrastruktur nicht richtig - und umgekehrt kaufen die Leute kein Brennstoffzellen-Fahrzeug, wenn die Infrastruktur nicht breit verfügbar ist." Eine Frage spielt auch die Sicherheit - spätestens seit einer Explosion in einer Wasserstofftankstelle in Norwegen vor kurzem. Daraufhin hatten Autobauer die Lieferung von Wasserstoffautos ausgesetzt. In Norwegen, aber auch in Deutschland waren Wasserstofftankstellen vorübergehend geschlossen worden. Experte Peter Fuß von der Beratungsgesellschaft EY beruhigt: "Der Sicherheitsstandard ist sehr hoch." Die Industrie arbeite mit Hochdruck daran, noch mehr Sicherheit zu schaffen. Reichweite von bis zu 500 Kilometern Fuß betont, die Brennstoffzelle könnte Zukunft haben im Verkehr: "Um emissionsfrei unterwegs zu sein, ist die Brennstoffzelle eine wichtige Schlüsseltechnologie." Denn sie habe große Vorteile: Anders als klassische Elektroautos haben Brennstoffzellenautos eine Reichweite von bis zu 500 Kilometern. Zudem gehe die Betankung viel schneller als das Laden einer Batterie - es dauere nur wenige Minuten. Voraussetzung fürs schnelle Tanken ist aber, dass man überhaupt eine H2-Station findet. "Ungefähr 1000 H2-Tankstellen bundesweit sind nötig, damit Brennstoffzellenautos richtig interessant werden für den Verbraucher", sagt Fuß. In Nordrhein-Westfalen wurde nun die 16. eröffnet. Damit kann in Deutschland ab jetzt an 71 H2-Tankstellen getankt werden, bis 2020 sollen es 100 sein. Im Video: Fünf Meter Luxus: Der X7 zeigt allen Mini-SUV, wie klein sie wirklich sind

Jetzt mehr über die Zukunft der Mobilität erfahren Auf unserem E-Mobilitäts Portal finden Sie alle auf dem deutschen Markt erhältlichen E-Fahrzeuge & Hybride mit technischen Daten, Preisen, Lieferzeiten und Modellvergleichen. Dazu gibt es laufend Insider-News, Tests aller wichtigen Fahrzeuge, einen Überblick zu Ladestationen und einen Reichweitenrechner. Sie können zudem direkt kostenlos eine Probefahrt für Ihr Wunschauto vereinbaren und so unkompliziert in die E-Mobilität starten.