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Weniger Schadstoffe, weniger Lärm – auf elektrisch betriebene Fahrzeuge richten sich viele Hoffnungen. Ist von Elektromobilität die Rede, denken die meisten an Fahrzeuge, die mit Strom aus der Steckdose gespeist werden und über einen großen Akku verfügen. Dabei gibt es eine weitere Antriebstechnologie, von der sich Verkehrsexperten viel versprechen – zum Beispiel eine Alternative zu langen Ladezeiten.
Gemeint ist der Wasserstoffantrieb, auch Brennstoffzellen-Antrieb genannt. Bevor wir auf die Vor- und Nachteile von Wasserstoffautos zu sprechen kommen sowie auf Kosten und Risiken, hier eine kurze Erklärung zur Funktionsweise.
Wie klingt das?
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6 Fragen zu Wasserstoffautos: der direkte Klick zu den Antworten
1. Wie funktioniert der Wasserstoffantrieb?
2. Die Vor- und Nachteile von Wasserstoffautos für die Nutzer
3. Wie viel kostet ein Wasserstofffahrzeug – und warum?
4. Wie umweltverträglich und nachhaltig ist der Wasserstoffantrieb?
5. Welche Risiken hat der Wasserstoffantrieb?
6. Welche Rolle wird der Wasserstoffantrieb künftig spielen?
Wie funktioniert der Wasserstoffantrieb?
Wasserstoffautos werden von einem Elektromotor angetrieben. Deshalb zählen auch sie zu den E-Autos. Die gängige Abkürzung lautet FCEV für „Fuel Cell Electric Vehicle“ (Fuel Cell = Englisch für Brennstoffzelle) – in Abgrenzung zu batteriebetriebenen Elektroautos, den Battery Electric Vehicles, kurz BEV.
Entscheidender Unterschied zu anderen Elektrofahrzeugen: Wasserstofffahrzeuge produzieren den Strom selbst. Sie beziehen die Energie also nicht aus einer eingebauten Batterie wie etwa bei rein elektrischen Fahrzeugen oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen, die an einer externen Stromquelle aufgeladen werden können (➜ Lesen Sie auch: Die 4 Arten von Elektroautos). Vielmehr haben Wasserstoffautos sozusagen ihr eigenes effizientes Kraftwerk an Bord. Und dieses Kraftwerk ist die Brennstoffzelle.
In der Brennstoffzelle läuft ein Prozess ab, die sogenannte umgekehrte Elektrolyse. Dabei reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff. Der Wasserstoff kommt aus einem oder mehreren Tanks im Auto, der Sauerstoff stammt aus der Umgebungsluft. Das Einzige, was bei dieser Reaktion herauskommt, sind elektrische Energie, Wärme und Wasser, das als Wasserdampf durch den Auspuff austritt. Ein Wasserstoffauto ist also lokal emissionsfrei – dazu gleich mehr.
Der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom nimmt – abhängig vom Bedarf in der konkreten Fahrsituation – zwei Wege: Er fließt zum Elektromotor und treibt direkt das Fahrzeug an. Und/oder er lädt eine Batterie, die als Zwischenspeicher dient, bis die Energie für den Antrieb benötigt wird. Diese sogenannte Leistungspuffer-Batterie fällt deutlich kleiner und somit leichter aus als die Batterie eines vollelektrischen Autos, denn sie wird ja fortwährend aus der Brennstoffzelle nachgespeist.
Wie andere E-Autos auch können Wasserstofffahrzeuge Bremsenergie zurückgewinnen („rekuperieren“). Dabei wandelt der Elektromotor die Bewegungsenergie des Autos in elektrische Energie zurück und speist sie in die Puffer-Batterie.
Die Vor- und Nachteile von Wasserstoffautos für die Nutzer
Die Vor- und Nachteile einer Antriebstechnik lassen sich vor allem aus zwei Blickwinkeln betrachten: aus Sicht des Nutzers und unter dem Aspekt des Umweltschutzes. Soll sich eine Technologie als Alternative zum Verbrennungsmotor durchsetzen, muss sie bedienerfreundlich sein und maßgeblich den Ausstoß von Schadstoffen reduzieren. Zunächst erklären wir Ihnen die wichtigsten Vor- und Nachteile für die Fahrer/Besitzer eines Wasserstoffautos – mit Hilfe von Axel Rücker, Program Manager Hydrogen Fuel Cell bei der BMW Group.
Vorteile für die Nutzer:
- Wasserstoffautos werden rein elektrisch angetrieben. Das Fahrgefühl gleicht also demjenigen der bekannten Elektroautos. Bedeutet: nahezu keine Motorengeräusche und ein impulsiver Antritt, weil Elektromotoren schon bei niedrigen Drehzahlen das volle Drehmoment zur Verfügung stellen.
- Weiterer Vorteil: die kurze Ladezeit. Je nach Ladestation und Batteriekapazität benötigen vollelektrische Fahrzeuge aktuell zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden für eine komplette Ladung. Der Wasserstofftank eines Brennstoffzellenautos hingegen ist in weniger als fünf Minuten wieder voll. Damit liegen Fahrzeugverfügbarkeit und -flexibilität für die Kunden auf dem Niveau eines konventionellen Autos.
- Momentan noch ein Vorteil gegenüber rein elektrischen Autos: Wasserstofffahrzeuge haben eine größere Reichweite. Ein voller Wasserstofftank genügt für etwa 500 Kilometer. Diesen Wert erreichen batteriebetriebene Autos mit sehr großen Batterien – was wiederum zu einem höheren Fahrzeuggewicht und längeren Ladezeiten führt.
- Die Reichweite von Wasserstofffahrzeugen ist unabhängig von der Außentemperatur, sie verschlechtert sich bei kaltem Wetter also nicht.
Aktuelle Nachteile für die Nutzer:
Das derzeit größte Manko von Wasserstoffautos sind die wenigen Möglichkeiten zum Tanken. Wasserstoff wird an speziellen Zapfsäulen getankt, die sich in Zukunft wohl vor allem an regulären Tankstellen finden werden. Aktuell gibt es jedoch noch sehr wenige Wasserstofftankstellen. In Deutschland sind es Ende 2019 rund 80 Tankmöglichkeiten, in den USA gut 40.
„Beim Wasserstoffantrieb haben wir ein Henne-Ei-Problem“, erklärt BMW Experte Rücker. „Solange das Netz von Wasserstofftankstellen derart dünn ist, wird die geringe Nachfrage der Kunden keine rentable Serienproduktion von Brennstoffzellenautos ermöglichen. Und solange kaum Wasserstoffautos auf den Straßen fahren, werden die Betreiber ihr Tanknetz nur zögerlich ausbauen.“ Bisher engagieren sich hier große Energieunternehmen und Kooperationen aus dem Automobilbereich.
Um den Ausbau der Infrastruktur zumindest in Deutschland voranzutreiben, haben sich Fahrzeughersteller wie BMW mit Wasserstofferzeugern und Tankstellenbetreibern in der Initiative Clean Energy Partnership zusammengeschlossen. Diese plant den Ausbau des Tankstellennetzes auf 130 Tankstellen bis zum Jahr 2022. Das würde den Betrieb von etwa 60.000 Wasserstoffautos auf deutschen Straßen ermöglichen. Das nächste Etappenziel sind dann bei entsprechender Zunahme von Autos 400 Tankstellen bis 2025. Auch im Ausland müssen mehr Tankstellen installiert werden, um Auslandsreisen mit Wasserstoffautos zu ermöglichen, ergänzt Rücker.
Wie viel kostet ein Wasserstofffahrzeug – und warum?
Neben dem dünnen Tankstellennetz gibt es einen weiteren Grund für die noch geringe Nachfrage nach Wasserstoffautos: Sie sind in der Anschaffung vergleichsweise teuer. Die wenigen bereits am Markt verfügbaren Modelle mit Brennstoffzellenantrieb kosten um die 70.000 Euro für ein Fahrzeug der Mittelklasse oder oberen Mittelklasse. Damit sind sie fast doppelt so teuer wie vergleichbare rein elektrische Autos oder Hybridfahrzeuge.
Die Gründe für den aktuell noch hohen Preis von Wasserstoffautos sind vielfältig. Neben geringen Stückzahlen und der noch ausstehenden Industrialisierung in der Produktion spielt auch der Bedarf an Platin eine Rolle. Das Edelmetall dient bei der Stromerzeugung als Katalysator. Die Menge an benötigtem Platin für Auto-Brennstoffzellen konnte aber bereits stark reduziert werden. „Generelles Ziel ist es, den Preis von Wasserstoffautos auf ein ähnliches Niveau zu bringen wie das anderer Elektroautos“, sagt Rücker.
Ein weiterer Grund für den hohen Anschaffungspreis: Als Wasserstoffautos kommen eher große Fahrzeuge in Betracht. Denn der oder die Wasserstofftanks nehmen viel Platz ein. Ein rein batterieelektrischer Antrieb hingegen passt auch in einen Kleinwagen. Deswegen gibt es die klassischen Elektroautos in sämtlichen Fahrzeugsegmenten.
Neben den Anschaffungskosten spielen die Betriebskosten eine wichtige Rolle bei der Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz einer Antriebstechnologie. Sie hängen bei einem Wasserstoffauto nicht zuletzt vom Preis des Treibstoffs ab. Aktuell kostet ein Kilogramm Wasserstoff 9,50 Euro in Deutschland (auf diesen Preis haben sich die Partner von H2 Mobility geeinigt) und rund 14 Dollar in den USA. Mit einem Kilogramm Wasserstoff kann ein Brennstoffzellenauto ungefähr 100 Kilometer weit fahren.
Somit sind die Kilometerkosten eines Wasserstoffautos aktuell fast doppelt so hoch wie die eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, wenn zu Hause geladen wird. Rücker erwartet, dass sich diese Betriebskosten angleichen: „Wenn die Nachfrage nach Wasserstoff steigt, kann der Kilogrammpreis bis zum Jahr 2030 auf etwa 5 Euro sinken.“
Wie umweltverträglich und nachhaltig ist der Wasserstoffantrieb?
Ein Auto, das nur mit regenerativen Energien betrieben wird und keine schädlichen Emissionen erzeugt – das wäre aus ökologischer Sicht der Idealfall. Schauen wir, wie nah das Brennstoffzellenauto diesem Ziel im Vergleich zu anderen Antriebsarten kommt:
Alternative Antriebe sollen den Ausstoß von Schadstoffen reduzieren, insbesondere des klimaschädlichen CO2, aber auch von gesundheitsschädlichen Gasen wie den Stickoxiden. Die Abluft eines Wasserstoffautos bestehen aus reinem Wasserdampf. Der Brennstoffzellenantrieb ist also lokal emissionsfrei. So hält er die Luft in Städten sauber. Aber schont er damit zugleich das Klima?
Das hängt davon ab, unter welchen Bedingungen der Wasserstoff produziert wurde. Zur Wasserstoffherstellung benötigt man elektrische Energie. Der Strom zerlegt im Prozess der Elektrolyse Wasser in dessen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Stammt der verwendete Strom aus erneuerbaren Energien, hat die Wasserstoffproduktion eine neutrale Klimabilanz. Werden hingegen fossile Brennstoffe verwendet, schlägt sich das letztlich auch negativ auf die Klimabilanz eines Wasserstoffautos nieder. Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt vom verwendeten Strommix ab. Hier unterscheidet sich das Wasserstoffauto nicht von anderen Elektrofahrzeugen.
- Nachteilig an der Herstellung von Wasserstoff sind jedoch die Verluste bei der Elektrolyse. Der Gesamtwirkungsgrad in der Energiekette „Strom zu Fahrzeugantrieb“ ist deshalb nur halb so hoch wie bei einem BEV.
- Jedoch kann der Wasserstoff zu Zeiten hergestellt werden, in denen ein Überangebot an Strom aus erneuerbaren Energiequellen herrscht, weil die aktuell produzierte Wind- oder Solarenergie nicht anderweitig genutzt wird. Das Potenzial hierfür ist riesig.
Wasserstoff entsteht auch als Nebenprodukt bei zahlreichen industriellen Prozessen – und wird zu oft als Abfall behandelt, also nicht weiter genutzt. Hier bieten Brennstoffzellenantriebe eine Möglichkeit zum Upcycling des Wasserstoffs. Dafür muss dieser jedoch zunächst gereinigt werden.
Zur Energiebilanz von Brennstoffzellenautos gehören auch der Transport und die Lagerung des Wasserstoffs. Je nach verwendeter Transport-Technologie (flüssig vs. gasförmig) entstehen unterschiedliche Aufwände für Kompression, Kühlung, Transport und Speicherung. Aufgrund der besseren Transportierbarkeit und Speicherfähigkeit geht der Trend zum flüssigen Wasserstoff. Dennoch sind der Transport und die Lagerung von Wasserstoff ein gutes Stück aufwendiger und damit energieintensiver als bei Benzin oder Diesel – noch, muss man hinzufügen. Denn im Gegensatz zu fossilen Treibstoffen lässt sich Wasserstoff überall herstellen, wo Strom und Wasser verfügbar sind, theoretisch sogar unmittelbar an Tankstellen. Eine weiter ausgebaute Infrastruktur könnte die Transportwege in Zukunft also deutlich verkürzen.
Fazit: Der Wasserstoffantrieb hat das Potenzial, eine ökologisch nachhaltige Mobilität zu ermöglichen. Voraussetzung dafür sind laut BMW Experte Rücker jedoch insbesondere die Verwendung regenerativer Energien bei der Herstellung des Wasserstoffs sowie ein Ausbau der technischen Infrastruktur, um kürzere Transportwege zu erreichen.
Elektrische Fahrzeuge leisten dann einen echten Beitrag zum Klimaschutz, wenn die gesamte Wertschöpfungskette nachhaltig ist.
Vorstandsvorsitzender der BMW AG
Welche Risiken hat der Wasserstoffantrieb?
Was passiert, wenn Wasserstoff unkontrolliert mit Sauerstoff reagiert? Das wissen viele Menschen aus dem Chemieunterricht. Es kommt zu einer Knallgasreaktion. Wasserstoff ist also entzündbar. Allerdings ist eine unkontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff im Betrieb eines Brennstoffzellenautos so gut wie ausgeschlossen.
Denn der Wasserstoff wird im Fahrzeug gasförmig in dickwandigen Tanks gespeichert, die besonders sicher sind. Wie Rücker betont, haben zahlreiche Crashtests die Sicherheit dieser Konstruktion bestätigt: Weder wurden die Tanks beschädigt, noch trat Wasserstoff aus.
Und nicht zu vergessen: Die Wasserstoff-Technologie ist nicht neu, sondern hat sich in vielen Bereichen längst bewährt. So setzen beispielsweise Raffinerien heute schon große Mengen Wasserstoff als Prozessgas in der Verarbeitung des Rohöls ein. Auch Pipelines und Speicher für Wasserstoff sind seit Jahrzehnten in Betrieb.
Crashtests haben gezeigt, dass die Wasserstofftanks bei einer Kollision nicht beschädigt werden und dass auch kein Wasserstoff austritt.
Program Manager Hydrogen Fuel Cell bei der BMW Group
Welche Rolle wird der Wasserstoffantrieb künftig spielen?
Bei BMW ist man davon überzeugt, dass Wasserstoff einen wichtigen Beitrag zu nachhaltiger Mobilität in der Zukunft als Ergänzung zu Batteriefahrzeugen leisten kann – wenn denn die geeignete Wasserstoff-Infrastruktur mit einem günstigen Wasserstoffpreis zur Verfügung steht und der Fahrzeugpreis sinkt. In diesem Fall können FCEVs die Null-Emissionen-Technologie sein, die den Nutzern erlaubt, ihre flexiblen Fahrgewohnheiten beizubehalten.
Dieser Überzeugung ist auch der Hydrogen Council, eine weltweite Initiative von Mitgliedern aus führenden Energie-, Transport- und Industrieunternehmen. Der Hydrogen Council sieht Wasserstoff in die Zukunft nicht nur als nachhaltigen Antrieb für Fahrzeuge, sondern auch als sauberen Energieträger für Wärme, Strom und die Industrie.
Der Kunde hat die Wahl
Jeder Autofahrer hat unterschiedliche Bedürfnisse und Wünsche für seine Mobilität. Oliver Zipse, Vorsitzender des Vorstands der BMW AG, drückt es so aus: „Für uns steht die Frage im Mittelpunkt: Welche Antriebe und Technologien wollen unsere Kunden in Zukunft? Und wie erreichen wir dabei das beste Ergebnis für den Klimaschutz?“ Deshalb setzt BMW auch in Zukunft auf verschiedene Antriebskonzepte: den klassischen Verbrenner, vollelektrische Fahrzeuge und Plug-in-Hybride sowie eben verstärkt auch auf die Forschung bei Wasserstoffautos.
Illustration: Cyprian Lothringer; Video: Benjamin Roth; Autor: Nils Arnold
