Wasserstoffautos: Das etwas andere E-Auto mit Brennstoffzellenantrieb

Ein Brennstoffzellenauto nutzt Wasserstoff für den Antrieb. Als Abgas entsteht nur Wasserdampf, weswegen die Technologie als Wasserstoffmobilität bezeichnet wird. Sie steht in Deutschland noch ganz am Anfang. Doch wie vielversprechend ist die Entwicklung? Ist sie wirklich umweltschonend? Und welche Autos fahren heute schon mit Wasserdampf?

Wie funktioniert der Brennstoffzellenantrieb? Bietet er eine tatsächliche Alternative zur „klassischen“ Elektromobilität? Und wie steht es um das Tankstellennetz für Wasserstofffahrzeuge? Wir werfen für Sie einen Blick auf das Wasserstoffauto und stellen Ihnen diese besondere Form des E-Autos vor.


Das erwartet Sie hier


Was ist ein Wasserstoffauto?

Für den Antrieb in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen sorgt eine Brennstoffzelle. Ihr „Treibstoff“ ist gasförmiger Wasserstoff. In einem chemischen Prozess reagiert er mit Sauerstoff. Dabei wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie als Strom freigegeben, der dann einen Elektromotor antreibt. Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist daher ein Elektrofahrzeug, das keine schädlichen Emissionen erzeugt. Beim Fahren im Wasserstoffauto setzten Sie als „Abgas“ lediglich etwas Wasserdampf frei. Es gibt bereits leistungsfähige Brennstoffzellenfahrzeuge, die Reichweiten von bis zu 700 Kilometern ermöglichen. Zum Vergleich: Die reichweitenstärksten E-Autos schaffen zwischen 420 und 650 Kilometer.

Warum ist das so? Die Brennstoffzelle ist ein sehr effizienter Antrieb. Ihr elektrischer Wirkungsgrad liegt bei über 60 Prozent. Dieser gibt an, wie effizient die verbrauchte Energie genutzt werden kann. Zum Vergleich: Ein Benzinmotor erreicht nur einen Wirkungsgrad von 25 bis 35 Prozent. Insgesamt liegt der Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellenfahrzeugs heute schon über dem eines herkömmlichen Pkw, trotz des Energieaufwands für die Produktion des Wasserstoffs.

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Wasserstoffpaste: Die "Powerpaste" zur Wasserstoffspeicherung

Für viele Expert*innen ist Wasserstoff der Kraftstoff der Zukunft. Doch die Anwendung im Mobilitätssektor ist aufwendig – nicht zuletzt, weil die in den Fahrzeugen verbauten Wasserstofftanks einem Druck von 700 Bar standhalten müssen. Daher war die Technologie für kleine Fahrzeuge wie E-Roller bislang eher ungeeignet.
Das könnte sich nun ändern: Forscher*innen vom Fraunhofer Institut in Dresden haben eine Methode entwickelt, mithilfe von Magnesium den Wasserstoff unter Normaldruck in einer Paste zu binden. Darüber hinaus bietet die „Powerpaste“ noch weitere Vorteile. Hinter dem nachfolgenden Link sind alle wichtigen Informationen zum Thema Wasserstoffpaste für die Energiewende zusammengefasst.

Wie funktioniert der Brennstoffzellenantrieb?

Das Herz der Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden: der Anode und der Kathode. Sie sind durch einen Elektrolyten voneinander getrennt. Dieser ist für Gase undurchlässig. Jede der Elektroden ist mit einem Katalysator, beispielsweise aus Nickel oder Platin, beschichtet. So funktioniert die Zelle am Beispiel der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle: Der Anode wird Wasserstoff (H₂) zugeführt, der Kathode Sauerstoff (O₂). Da der Wasserstoff von sich aus mit dem Sauerstoff zu Wasser reagieren will, braucht es keine Energie von außen; deshalb sprechen Fachleute von „kalter Verbrennung“. Dabei wird Strom erzeugt und als „Abgas“ bleibt Wasserdampf. Vorteil bei der kalten Verbrennung: Es entstehen keine Stickoxide oder andere unerwünschte Verbrennungsprodukte. Zurzeit kommen fast nur Niedertemperatur-Brennstoffzellen infrage, die typischerweise bei Temperaturen zwischen 0 und 100 Grad Celsius arbeiten. Bei der Fahrt sind Brennstoffzellenfahrzeuge nahezu lautlos. Im Vergleich zur Batterie hat die Brennstoffzelle den Vorzug, dass ein kontinuierlicher Betrieb über sehr lange Zeit ohne zwischenzeitliches elektrisches Aufladen möglich ist. Fahrzeuge mit Brennstoffzelle können große Mengen Wasserstoff mitführen, ohne dass sich ihr Gewicht stark erhöht.

Schaubild Funktionsweise Brennstoffzellenantrieb

Der „Treibstoff“ von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen ist gasförmiger Wasserstoff.

Wie zukunftsfähig sind Wasserstofffahrzeuge?

Gegenwärtig nutzen die Deutschen für ihre Mobilität immer noch fast vollständig fossile Energieträger. So verursacht der Verkehr rund 19 Prozent der Kohlendioxid-Emissionen in Deutschland (Stand: 2019). Immerhin steigt auch der Anteil an Elektroautos. So war zuletzt etwa jede dritte Neuzulassung ein E-Auto. Doch um die gesteckten Klimaziele zu erreichen, baucht es noch mehr. So will die Bundesregierung mit einem millionenschweren Paket die Wasserstoffmobilität voranbringen: Ziel ist, Deutschland zu einem führenden Ausrüster für moderne Wasserstofftechnologien zu machen. Damit können Wasserstofftechnologien als Wirtschaftsfaktor auch helfen, die wirtschaftlichen Folgen der Corona-Pandemie abzumildern. Aus diesem Grund hat die Bundesregierung im Juni 2020 insgesamt neun Millionen Euro zusätzliche Förderung freigegeben.

Darüber hinaus soll durch die das im April 2016 vorgestellte Wasserstoffstrategie Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP II) zwischen 2016 und 2026 die Serienproduktion von Brennstoffzellenautos angekurbelt und das Tankstellennetz bis zum Jahr 2022 auf 400 Säulen erweitert werden. Gleichzeitig gibt es auch viel Kritik an der Brennstoffzellentechnologie, nicht zuletzt da Wasserstoff erst unter hohem Energieaufwand gewonnen werden muss. Das macht die Herstellung teuer und aufwendig. Auch die Umweltfreundlichkeit wird in Frage gestellt.

Solarpark Ingoldingen

Wenn viel Wind- oder Solarenergie zur Verfügung steht, kann mit der Wasserelektrolyse, also der Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, die dazu erforderliche Energie aus dem Stromnetz entnommen und in Form von Wasserstoff gespeichert werden.

Wie umweltfreundlich ist die Wasserstofftechnologie?

Die Wasserstofftechnologie könnte sich als vielversprechend erweisen, da bei der Umwandlung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle im Auto ausschließlich Wasserdampf entsteht. Wasserstoff speichert Energie, kann gelagert und transportiert werden. Mit ihm lassen sich Erzeugung und Verwendung von Energie räumlich und zeitlich trennen. Damit Wasserstoff aber tatsächlich umweltschonend sind, ist der Einsatz erneuerbarer Energien bei der Produktion unerlässlich. Dadurch ergibt sich mithilfe von Wasserstoff die Möglichkeit, per Windkraft oder Photovoltaik erzeugte Energie im Verkehr einzusetzen. Denkbar ist, dass Brennstoffzellenfahrzeuge in Zukunft Elektroautos mit Batterien teilweise ersetzen können, insbesondere wo eine hohe Reichweite der Fahrzeuge gefordert ist.

Wasserstoffmobilität als Stromspeicher

Die H₂-Mobilität bietet interessante Perspektiven für das Speichern von Ökostrom. Weil Stromproduktion und -bedarf durch den Ausbau erneuerbarer Energien zeitlich immer häufiger voneinander abweichen, gewinnen Speichermöglichkeiten an Bedeutung. Wenn viel Wind- oder Solarenergie zur Verfügung steht, kann mit der Wasserelektrolyse, also der Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, die dazu erforderliche Energie aus dem Stromnetz entnommen und in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Diese Art, Wasserstoff als Treibstoff zu nutzen, ist ökologisch sinnvoll und sehr effektiv. Die Elektrolyse erreicht in Pilotprojekten unter Laborbedingungen bereits Wirkungsgrade von 70 bis 80 Prozent. Bisher ist dafür jedoch hoher Druck oder sind sehr niedrige Temperaturen notwendig, um Wasserstoff möglichst kompakt zu speichern. Auch an dieser Hürde arbeiten Wissenschaftler derzeit. Nach aktuellen Berechnungen können in den kommenden Jahren Wirkungsgrade von rund 70 Prozent erreichen. Daneben gibt es auch erste Elektroautos, die das bidirektionale Laden ermöglichen. Somit wird die Verknüpfung von Mobilität und Energieerzeugung immer enger.

Wasserstoffauto Hyundai Nexo

Wie das Elektroauto wird auch das Wasserstoffauto (hier: Hyundai Nexo) von einem Elektromotor angetrieben.

Welche Wasserstoffautos gibt es auf dem Markt?

Die Entwicklung des Wasserstofffahrzeugs ist bei Weitem noch nicht so fortgeschritten, wie die des herkömmlichen Stromers. Ein Grund dafür dürfte die kompliziertere Produktion sein. Wenn Sie sich für ein Wasserstoffauto entscheiden möchten, stehen Ihnen aktuell nur zwei Modelle zur Verfügung: der Hyundai Nexo und der Toyota Mirai. Mercedes hatte zwischenzeitlich den GLC F-Cell auf dem Markt, der inzwischen aber nicht mehr angeboten wird. Auch BMW hat Versuche gestartet, mit einem bivalenten Otto-Motor Benzin- und Wasserstoffantrieb zu kombinieren. Die Entwicklung wurde 2009 allerdings eingestellt.

Gibt es genug Wasserstofftankstellen?

Auch wenn erste Brennstoffzellenfahrzeuge bereits auf dem Markt sind, wird noch viel in die Entwicklung investiert. Vor allem die noch sehr hohen Kosten sind bis heute ein ungelöstes Problem. Für die stärkere Verbreitung der Technologie muss darüber hinaus ein Tankstellennetz aufgebaut werden. Noch sind die Tankmöglichkeiten für Wasserstoff eingeschränkt, rund 100 Tankstellen gibt es in Deutschland. Bis zum Jahr 2025 plant ein Konsortium aus mehreren Industrieunternehmen das Netz auf 400 Tankstellen zu erweitern.

wasserstofftankstelle

Das Betanken eines Wasserstoffautos ist genauso schnell und bequem möglich wie bei einem Verbrenner.

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