Wasserstoff und Brennstoffzellen gelten als Hoffnungsträger für zukünftigen Antrieb. Es gibt bereits verfügbare Serienautos, die im Gegensatz zu E-Autos bisher aber kaum Kundschaft finden. Warum sind Wasserstoff-PKWs nicht beliebter? Wie funktioniert der emissionsfreie Treibstoff und kann sich der Status in Zukunft noch ändern? EFAHRER.com erklärt Ihnen alles, was Sie dazu wissen müssen.
Wasserstoff als Auto-Treibstoff findet zwar kaum Käufer, aber immer wieder neue Fans. Der bayerische Wirtschaftsminister Hubert Aiwanger trommelt seit dem Bundestagswahlkampf für Wasserstoff im Auto, Unterstützung fand er unter anderem bei Professor Harald Lesch, der in einem Fernsehbeitrag auf die Überlegenheit der Wasserstoff-Technik hingewiesen hatte. Fernseh-Comedians wie Dieter Nuhr oder Mario Barth haben sich das E-Auto als Dauer-Aufreger-Thema ausgesucht und verweisen auf die in Deutschland angeblich sträflich vernachlässigte Alternative Wasserstoff hin. Solche Multiplikatoren haben eine große Wirkung: In Umfragen geben 30 Prozent der Deutschen an, dass sie ein Wasserstoff-Auto den anderen Antriebsarten vorzögen.
Warum ist sprechen die Verheißungen eines Wasserstoff-Antriebs so viele Menschen an? Ist die flächendeckende Versorgung mit dem Gas überhaupt möglich? Und ist sie erstrebenswert? Und warum kauft kaum jemand die verfügbaren Autos? Wir analysieren die Technik und die Unterschiede zum Akku-elektrischen Auto.
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Während Hersteller wie Hyundai oder Toyota Wasserstoff-Brennstoff betriebene Elektroautos seit einigen Jahren in Serie produzieren, bleibt es bei...
Während Hersteller wie Hyundai oder Toyota Wasserstoff-Brennstoff betriebene Elektroautos seit einigen Jahren in Serie produzieren, bleibt es bei den Großen der Autobranche (noch) ruhig. Dass man sich aber mit dem Thema befasst, zeigen...
Ohne Zweifel: Wasserstoff ist ein toller Energieträger. Zur Herstellung von Wasserstoff benötigt man Wasser und elektrischen Strom, bei der Nutzung des Wasserstoffs durch Verbrennung oder in einer Brennstoffzelle entsteht als Abfallprodukt wieder Wasser. Wasserstoff lässt sich beliebig lange in beliebig großen Tanks lagern, und die gravimetrische Speicherdichte ist sehr hoch: Der Brennwert von einem Kilogramm Wasserstoff liegt bei 33 Kilowattstunden, also bei mehr als dem Dreifachen des Energiegehalts von einem Liter Benzin oder Diesel.
Die Wasserstofftechnik steht mit diesen Kriterien für nichts weniger als die Verheißung einer komplett sauberen Speicherung von erneuerbarer Energie aus Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen. Mit fünf Kilogramm Wasserstoff im Autotank sind mehr als 400 Kilometer Reichweite möglich, das Nachtanken dauert mit fünf bis zehn Minuten nicht wesentlich länger als mit Benzin oder Diesel.
China, Korea und Japan werten diese Vorteile so hoch, dass es in diesen Ländern sehr konsequente Förderprogramme gibt: Insbesondere die westlich orientierten Länder Südkorea und Japan setzen stark auf Wasserstoff für Autos und Nutzfahrzeuge, für die Produktion setzen sie mit Gas-Reformierung und Atomstrom allerdings auf nicht wirklich umweltfreundliche Verfahren. Für die Unabhängigkeit von Ölimporten akzeptieren sie dabei hohe Treibstoffpreise. Die seit Jahrzehnten aktive deutsche Forschung zur Brennstoffzelle scheint dagegen auf dem Stand zu treten.
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Kein deutscher Hersteller hat ein Modell in der Pipeline, für das eine echte Massenproduktion geplant wäre. Der Mercedes GLC F-Cell war das einzige Auto, das angeboten wurde – allerdings nicht zum Kauf und nicht für private Endkunden. Der Wasserstoff-Akku-Hybrid mit Ladeanschluss war technisch zwar sehr interessant, trotzdem zog Daimler 2020 die Reißleine und stellte das Angebot und die Weiterentwicklung ein. Toyota dagegen will mit der Neuauflage des Mirai die Brennstoffzelle endlich massentauglich machen und sechsstellige Stückzahlen erreichen – gleichwohl arbeitet Toyota mit Hochdruck an der Alternative Festkörper-Akkus.
Hyundai steckt sich hohe Ziele für 2030: 700.000 Brennstoffzellen sollen dann pro Jahr hergestellt werden: Für Autos, LKWs, andere Nutzfahrzeuge, sowie möglicherweise für erste Flugzeuge und Schiffe. Vom aktuellen Brennstoffzellen-Modell Nexo hat Hyundai in Deutschland bislang allerdings noch keine hundert Stück abgesetzt.
Warum scheint die deutsche Autoindustrie hier nicht richtig mitzuziehen? Warum ist ersten Brennstoffzellen-Prototypen wie dem Mercedes F100, der 1991 auf der IAA gezeigt wurde, oder der Kleinserie Hydrogen 7 mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren von BMW keine Serienfertigung gefolgt? Und warum muss BMW für den geplanten Wasserstoff-X5 auf Technik von Toyota zurückgreifen?
Zunächst einmal ist die Brennstoffzellen-Technik bis heute sehr teuer. Die Brennstoffzellen-Stacks in den neuesten Auto-Modellen kosten in der Herstellung fünfstellige Dollar- oder Eurobeträge, unter anderem deshalb, weil teure Edelmetalle wie Platin dafür nötig sind. Der Prozess in der Brennstoffzelle, bei dem aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom und Wasser entstehen, mag recht einfach sein, die Brennstoffzelle als Industrieprodukt ist es nicht: Soll die Zelle Minusgrade aushalten, müssen Wasserreste aus dem Stack geblasen werden. Damit die Reaktion starten kann, muss die Zelle vorgeheizt werden, in Betrieb ist dafür eine Kühlung nötig, weil die Reaktion Abwärme erzeugt.
Die angesaugte Luft muss sehr aufwendig gefiltert werden: Verschmutzungen wie Staubpartikel würden sich an den Zell-Membranen ablagern und auf Dauer die Leistung reduzieren. Auch mit der gefilterten Luft ist die Lebensdauer der Brennstoffzellen-Membranen eine kritische Größe.
Die Leistungssteuerung einer Brennstoffzelle ist komplex und relativ träge: Vom Druck auf’s Gaspedal bis zur Reaktion des Antriebs würden Sekunden vergehen. Deshalb braucht ein Brennstoffzellen-Fahrzeug einen Akku als Puffer für die elektrische Energie – und als Speicher für das Vorheizen beim Starten des Autos.
Beim Stichwort Akku ist bereits klar: Im Brennstoffzellen-Fahrzeug gibt es alle Komponenten eines reinen E-Autos, wenn der Akku üblicherweise auch recht klein ist (wenige Kilowattstunden). Daimler machte aus der Not eine Tugend: Der GLC F-Cell war ein Plugin-Hybrid, das heißt, der Akku ist so groß, dass er für 50 Kilometer Fahrstrecke reicht. Und er kann direkt an der Steckdose geladen werden. Nur für längere Fahrten wird die Brennstoffzelle dann aktiv.
Der technische Aufwand für den Brennstoffzellen-Antrieb bedingt, dass ein solches Auto kaum billiger werden kann als ein reines E-Auto mit Lithium-Ionen-Akku. Dazu kommt, dass auch die Tanks aufwendig, schwer und teuer sind: Die Wasserstoff-Moleküle sind so klein, dass sie herkömmliche Werkstoffe durchdringen. Normaler Stahl wird durch den Wasserstoff spröde, weil Wasserstoff-Atome sich in das Metall-Gitter einlagern. Die Tanks in den aktuellen Autos sind deshalb speziell wasserstoffdicht beschichtet.
Das ist aber nicht das einzige unkonventionelle an den Tanks. Sie werden mit 700 bar Druck befüllt – nur so passen in die über 100 Liter Gasvolumen, die die Tanks des Toyota Mirai speichern, fünf Kilogramm Wasserstoff. Damit sie dem Druck unter allen Bedingungen standhalten, sind die Tanks dickwandig und aus Verbundwerkstoffen gewickelt – mit anderen Worten: Sie sind teuer und groß.
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Das Druck- und Volumen-Problem mit Wasserstoff beginnt nicht erst im Tank. Dazu ein paar Größen: Bei normalem Umgebungsdruck hat ein Kilogramm Wasserstoff ein Volumen von über elf Kubikmetern (ein Kilogramm Wasserstoff reicht bei einem Hyundai Nexo oder beim Mirai für 80 bis 100 Kilometer). Weil der Wasserstoff nicht durch existierende Gaspipelines gepumpt werden kann (das Gas würde an jedem Ventil entweichen und der Stahl würde geschädigt), muss er auf der Straße zu den Tankstellen transportiert werden. In einen großen Tank-Auflieger mit 36 Kubikmeter Volumen passen 27 Tonnen Benzin. Bei 700 bar Druck wären in diesem Volumen weniger als zwei Tonnen Wasserstoff unterzubringen, aber ein Tank-Auflieger in dieser Größe hält solchen Drücken nicht Stand.
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Der Gas-Spezialist Linde bietet es deshalb an, Wasserstoff in flüssiger Form zu liefern. Was bei Flüssiggas (wie im Feuerzeug) einfach und praktisch geht, ist beim Wasserstoff aber extrem aufwendig: Der Siedepunkt liegt bei -252 Grad, das heißt, die Verflüssigung braucht sehr leistungsstarke Kühlanlagen, die entsprechend viel Energie benötigen. Weil ein Liter flüssiger Wasserstoff mit 70,8 Gramm immer noch extrem leicht ist, passen in den großen LKW-Tank weniger als 2,6 Tonnen davon. Ein Flüssig-Wasserstoff-Tank muss zwar keine Drücke aushalten, dafür muss er aber stark isoliert werden, was einen großen Teil des Volumens kostet, und er muss schnell ans Ziel: Die Verdunstungs-Kälte des siedenden Wasserstoffs kühlt den Tank zwar, der verdunstete Wasserstoff entweicht aber. Ein Flüssigwasserstoff-LKW kommt nie mit vollem Tank an. Konzepte für die Distribution von Flüssigwasserstoff sehen deshalb gleich vor, dass die LKWs direkt mit dem abkochenden Wasserstoff betrieben werden.
Beim Tanken machen die hohen Drücke in den Tankanlagen weitere Probleme: Der sehr stark verdichtete Wasserstoff strömt durch einen Zapfhahn ins Auto. Dabei treten große Druckunterschiede auf, was dazu führt, dass der Zapfhahn abkühlt und je nach Luftfeuchtigkeit vereist. Ältere Zapfsäulen brauchen vor dem nächsten Tankvorgang einige Minuten, um erst wieder Druck aufzubauen. Mehr als sechs Autos pro Stunde können aber auch die neuesten Tankanlagen (die mit rund einer Million Euro pro Installation sehr teuer sind) deshalb nicht abfertigen.
All diese Nachteile von Wasserstoff stehen heute einem wirtschaftlichen Einsatz entgegen. Es gibt aber noch einen weiteren Punkt, der gegen Wasserstoff im Auto spricht. Anlässlich des Expertenforums Elektromobilität zeigte der Emobilitäts-Experte Michael Bucher von EnBW die Wirkungsgrad-Problematik auf: Während ein Elektro-Auto mit Akku-Technik dazu in der Lage ist, über 75 Prozent der elektrischen Energie, die in einer Windkraft- oder Photovoltaik-Anlage erzeugt worden ist, in Vortrieb umzusetzen, bleiben bei der Kette vom Strom über die Wasserstofferzeugung per Elektrolyse, die Kompression (oder Kühlung), den Transport, die Tankanlage, die Brennstoffzelle und den Puffer-Akku im Auto nur gut 25 bis 30 Prozent der Energie übrig. Das bedeutet, dass für Wasserstoffmobilität pro Kilometer mehr als die dreifache Strom-Menge notwendig ist, also auch dreimal so viele Windkraft- oder Solaranlagen gebaut werden müssten. „Der Mann auf der Straße wartet auf Wasserstoff“ resümiert Bucher, die Technik sei aber viel zu ineffizient, um mit Batterie-elektrischen Autos konkurrieren zu können.
Noch schlechter als die Brennstoffzelle schneidet dabei übrigens die Weiterverarbeitung von Wasserstoff zu so genannten eFuels ab: Dazu wird unter großem Energie-Einsatz Kohlendioxid aus der Luft abgeschieden, was einen großen Teil der Primär-Energie auffrisst. Das Kohlendioxid wird mit Wasserstoff zu Methan/Methanol und weiter zu langkettigen Kohlenwasserstoffen verarbeitet, wie sie in Benzin und Diesel vorkommen. Das Nutzen von eFuels in klassischen Verbrennungsmotoren zeigt den gleichen schlechten Wirkungsgrad wie mit Benzin oder Diesel (zwischen 25 und 30 Prozent): Am Ende kommen 13 Prozent der aufgewendeten elektrischen Energie als Antriebs-Energie auf der Straße an. BMWs Versuche mit der direkten Verbrennung von Wasserstoff im Verbrennungsmotor lagen sogar noch etwas schlechter.
Natürlich geht die Entwicklung bei der Brennstoffzelle kontinuierlich weiter. Der Wirkungsgrad der Zellen wird besser werden, die Akku-Pufferung kann vermutlich zurückgefahren werden. Das Transportproblem und die Energieaufwände dafür werden sich aber nicht ändern lassen – und diese Probleme sind den deutschen Herstellern, die (im Fall von Daimler und BMW) seit Jahrzehnten forschen und Prototypen bauen bewusst. Der größte Feind der Brennstoffzelle im Auto ist allerdings die Entwicklung der Akkutechnik, die in den letzten Jahren um Größenordnungen schneller vorangegangen ist als die der Wasserstofftechnik. Ein sehr deutliches Beispiel für die Entwicklung bei der Akkutechnik ist der BMW i3: Von der ersten Generation aus dem Jahr 2013 bis zur 2018 eingeführten Akku-Generation gab es annähernd eine Verdopplung der Akkukapazität, ohne dass sich die Abmessungen oder das Gewicht verändert hätten. Ähnliche Sprünge gibt es bei Tesla, die beim Model 3 nach drei jahren sogar eine komplett veränderte Akku-Chemie (Lithium Eisenphosphat) einsetzen, damit Kobalt als Problemrohstoff umgehen und gleichzeitig die Lebensdauer in den Bereich einer Million Kilometer erhöhen.
Im Gegensatz zu den meisten anderen Autobauern wettet Toyota immer noch auf die Brennstoffzelle. Jetzt haben die Japaner den Mirai neu aufgelegt....
Im Gegensatz zu den meisten anderen Autobauern wettet Toyota immer noch auf die Brennstoffzelle. Jetzt haben die Japaner den Mirai neu aufgelegt. Die neue Version ist schicker denn je. Wie gut der Wasserstoff-Toyota in der Praxis abschneidet, hat...
Wasserstoff kann und muss eine ganz andere Karriere machen: Zum Beispiel kann das Gas, das zu Überproduktionszeiten von erneuerbarem Strom erzeugt worden ist, direkt in der Stahlverhüttung eingesetzt werden und dort Kohle ersetzen. Das CO2-Einsparpotenzial pro eingesetztem Kilogramm Wasserstoff ist viel größer als beim Brennstoffzellenauto, der technische Aufwand dabei relativ gering. Auch für die Zementproduktion werden Prozesse entwickelt, die fossile, CO2-intensive Brennstoffe durch Wasserstoff ersetzen. Am Ende könnte es sogar sinnvoll sein, überschüssigen Strom in stationären Anlagen mit sehr großen Tanks in Wasserstoffproduktion zu stecken und das Gas bei Strom-Unterversorgung in Gasturbinen mit Kraft-Wärme-Kopplung zu verheizen. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen liegt weit über dem eines Brennstoffzellen-Autos – und der damit erzeugte Strom könnte Elektroautos mit Akku aufladen. Und selbst wenn es eine verlässliche und bezahlbare Versorgung der deutschen Tankstellen mit Wasserstoff gäbe: Stationäre Industrie-Brennstoffzellen könnten dort Strom für E-Auto-Ladestationen erzeugen. Der Gesamtwirkungsgrad wäre bei einer solchen Kette höher als mit mobilen Brennstoffzellen in den Autos.
Lithium ist zwar in rauen Mengen verfügbar, deutlich günstiger ist aber die Alternative Natrium, die aus gewöhnlichem Salz gewonnen werden kann. Der Akku-Riese CATL startet in China die Produktion von Auto-tauglichen Natrium-Zellen, die ohne kritische Rohstoffe auskommt und einen Bruchteil der aktuellen Technik kosten wird. Hier lesen Sie alles zum Natrium-Akku.
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