Brennstoffzellenautos - Lösung der Zukunft?

Angesichts immer strengerer CO2-Vorgaben und in manchen Städten bereits umgesetzter Diesel-Fahrverbote sind Fahrzeuge, aus deren Auspuff reiner Wasserdampf entweicht, eine verlockende Vorstellung. Und das Schöne ist: Bei Brennstoffzellenautos passiert genau das. Aber was genau sind Brennstoffzellenautos? Was unterscheidet sie vom batterieelektrischen Auto? Und haben sie wirklich das Zukunftspotenzial, das ihnen die – noch wenigen – Anbieter zuschreiben? Wir geben Antworten auf die wichtigsten Fragen rund um das Brennstoffzellenauto.

Inhaltsverzeichnis:

• Brennstoffzellenautos und Wasserstoff-Verbrenner: Wo ist der Unterschied?
• Wie funktioniert ein Brennstoffzellenfahrzeug?
  • Wo und wie kann man Wasserstoff tanken?
  • Wie wird Wasserstoff im Auto gespeichert?
  • Welche zusätzlichen Kosten fallen bei einem Wasserstofffahrzeug an?
  • Wie umweltfreundlich sind Wasserstofffahrzeuge?
  • Umrüstung eines Fahrzeugs auf einen Brennstoffzellen-Antrieb
  • Kaufprämien und Subventionen für Wasserstofffahrzeuge
• Welche Brennstoffzellenautos gibt es derzeit auf dem Markt?
• Was sind die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle – auch im Vergleich zum Elektroantrieb?
• Fazit

Brennstoffzellenautos und Wasserstoff-Verbrenner: Wo ist der Unterschied?

Wenn Brennstoffzellen in Verbindung mit Mobilität gebracht werden, denken viele unweigerlich an ein Wasserstoffauto. Das ist auch in gewisser Weise richtig, doch Wasserstoffauto ist nicht gleich Wasserstoffauto. Zu unterscheiden sind Brennstoffzellenautos und Wasserstoff-Verbrenner. Bei Wasserstoff-Verbrennern wird ein konventioneller Verbrennungsmotor so modifiziert, dass er mit Wasserstoff als Kraftstoff oder wahlweise auch mit Benzin und Wasserstoff betrieben werden kann. Bei Brennstoffzellenautos ist hingegen kein klassischer Verbrennungsmotor integriert, sondern ein rein elektrischer Antrieb.

Wie funktioniert ein Brennstoffzellenfahrzeug?

Brennstoffzellenfahrzeuge sind Elektroautos: Sie tanken Wasserstoff, fahren aber mit einem Elektromotor. Indem in der Brennstoffzelle Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) reagieren, entsteht neben Wärme auch elektrischer Strom. Während der Wasserdampf entweicht, treibt der Strom den Elektromotor an. Damit sind Brennstoffzellenautos lokal emissionsfrei.

Der Haken an der Sache: Der farb- und geruchlose Wasserstoff kommt in der Natur nur in chemischen Verbindungen vor, etwa in Wasser oder Kohlenwasserstoff. Er ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger, der Energie speichert und transportiert. Zur Gewinnung von Wasserstoff gibt es mehrere Methoden:

1. Hauptsächlich wird Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Erdöl oder Kohle gewonnen, teils als Nebenprodukt bei industriellen Prozessen. Bei der sogenannten Dampfreformierung wird Erdgas unter Druck gesetzt, dann erhitzt und mit Wasserdampf vermischt. Dabei wird Wasserstoff freigesetzt.
2. Wasserstoff lässt sich auch durch Wasser-Elektrolyse gewinnen. Hierbei wird das Wasser mit einem Elektrolyt versetzt. Mit Hilfe von (idealerweise regenerativem) Strom wird es anschließend in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt. Weitere Herstellungsarten, etwa die Vergärung von Biomasse, werden derzeit erprobt.

Der Unterschied zu einem herkömmlich batteriebetriebenen Elektrofahrzeug liegt darin, dass der Strom bei einem Wasserstofffahrzeug in einem Generator erzeugt wird. Dieser verwendet Dihydrogen (Wasser – H2O).

Als Treibstoff wird Wasserstoff beispielsweise auch für den Antrieb von Weltraumraketen verwendet. Die Energieleistung von Wasserstoff ist sehr hoch und ein Kilogramm Wasserstoff enthält ungefähr dreimal so viel Energie wie ein Kilogramm Benzin.

Wo und wie kann man Wasserstoff tanken?

Wasserstoff tankt man als stark komprimiertes Gas. Das Tanken selbst dauert etwa genauso lange wie das Tanken von Benzin oder Diesel und geht damit deutlich schneller als das Laden eines Elektroautos. Der Zapfhahn wird einfach wie bei einem Verbrennungsmotor angeschlossen und das Auto mit Wasserstoff beladen.

Allerdings ist das Tankstellennetz noch dünn: Ende 2019 gab es 87 Wasserstofftankstellen in Deutschland, bis Ende 2020 soll die Zahl auf 100 wachsen. Zum Vergleich: Fahrer von Benzinern und Dieseln können an knapp 14.500 Stationen tanken. Die Wasserstofftankstellen werden vom Betreiberkonsortium „H2 Mobility“ gebaut und vom Staat subventioniert. Diese Karte zeigt, wo es Wasserstofftankstellen gibt.

Durchschnittlich liegt der Preis für ein Kilogramm Wasserstoff bei 9,50 Euro. Umgerechnet auf eine Reichweite von 100 km liegen der Kraftstoffverbrauch und die Tankkosten bei ähnlichen Kosten wie durch Verbrennungsmotoren verursacht. Generell ist auch die Reichweite von Wasserstofffahrzeugen vergleichbar zu der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Sparsame Dieselfahrzeuge erzielen sogar eine höhere Reichweite.

Wie wird Wasserstoff im Auto gespeichert?

Bei den verfügbaren Brennstoffzellenautos wird der Wasserstoff – ähnlich wie bei Erdgasautos - in schwere, gut isolierte Tanks mit 350 bar oder 700 bar Druck gefüllt. Er kann auch im flüssigen Zustand bei minus 253 Grad gespeichert werden, dann hat er eine höhere Dichte als im gasförmigen Zustand. Beide Technologien sind etabliert.

Wasserstoff ist leicht entzündlich. Gleichzeitig ist er deutlich leichter als Luft und extrem flüchtig. Deshalb ist die Explosionsgefahr bei Brennstoffzellenautos gering. Um Beschädigungen am Tank, etwa bei einem Unfall, zu vermeiden, werden diese meist an geschützter Stelle im Fahrzeug platziert, außerdem verfügen sie über Sicherheitsventile.

Welche zusätzlichen Kosten fallen bei einem Wasserstofffahrzeug an?

Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor kostet die Wartung von Wasserstofffahrzeugen etwas weniger. Das liegt an der niedrigeren Anzahl beweglicher Teile im Elektromotor. Ebenso ist der Bremsenverschleiß in der Regel geringer, da die Fahrzeuge einen Großteil der Bewegungsenergie durch die Rückgewinnung der Energie und Speicherung im Akku abbauen.
Zu beachten ist allerdings, dass reine Wasserstofffahrzeuge im Vergleich zu Elektrofahrzeugen einen höheren Kühlbedarf haben. Die erhöhte Anzahl an Kühlkreisläufen geht dabei ins Geld, denn das Kühlmittel muss regelmäßig gewechselt werden. Der Austausch kostet ca. 1.000 Euro und sollte alle 60.000 km (je nach Modell anders) erfolgen.

Wie umweltfreundlich sind Wasserstofffahrzeuge?

Bei der Nutzung des Fahrzeugs entstehen abgesehen von kondensiertem Wasser keine Abgaben. Es werden weder Ruß noch Stickoxid oder CO2 ausgestoßen. Aber auch bei Wasserstofffahrzeugen werden Emissionen erzeugt, und zwar bei der Produktion des Kraftstoffes. Für eine Reichweite von 100 km wird durchschnittlich ein Kilogramm Wasserstoff verbraucht. Wasserstoff entsteht heutzutage noch überwiegend aus fossilen Stoffen, der CO2-Ausstoß liegt daher ungefähr bei 121g /km. Umweltfreundlich kann Wasserstoff generiert werden, wenn dieser überwiegend aus regenerativen Energiequellen wie Wind- und Wasserkraft oder Photovoltaik erzeugt wird.

Umrüstung eines Fahrzeugs auf einen Brennstoffzellen-Antrieb

Die Umrüstung eines bestehenden Fahrzeugs auf einen Brennstoffzellen-Antrieb ist derzeit nicht möglich. Denkbar ist allerdings in Zukunft eine Umrüstung bestehender Dieselfahrzeuge auf die Wasserstoffverbrennung. Wasserstoff verursacht dabei geringere Emissionen. Erste Prototypen für diese Umrüstungsart gibt es bereits, diese sind aber noch nicht serienreif. Die Entwicklung wird sicherlich noch einige Jahre dauern.

Kaufprämien und Subventionen für Wasserstofffahrzeuge

Elektrofahrzeuge bzw. der Umstieg auf Elektrofahrzeuge oder Plug-in-Hybride werden in Deutschland gefördert. Die Förderung beinhaltet eine reduzierte Mehrwertsteuer und eine Abwrackprämie.
Auch für Wasserstofffahrzeuge gibt es unterschiedliche Förderungsmöglichkeiten. Diese zu erhalten, ist allerdings schwierig, da sich die Wasserstoffmobilität noch im Ausbau befindet. Die Förderung zum Absatz von Elektrofahrzeugen in Form des Umweltbonus greift auch für Wasserstofffahrzeuge, hier sind allerdings die Zulassungsvoraussetzungen zu erfüllen. Ein Knackpunkt können die Anschaffungskosten sein, denn förderungsfähig sind nur Fahrzeuge bis zu einem Basislistenpreis von maximal 60.000 Euro. Wasserstoffautos liegen in den Anschaffungskosten meist über dieser Grenze.

Welche Brennstoffzellenautos gibt es derzeit auf dem Markt?

Brennstoffzellenfahrzeuge sind derzeit noch ein Nischenprodukt. Das Kraftfahrtbundesamt führt dazu in seinen Statistiken noch nicht einmal eine eigene Kategorie. Bei der Serienproduktion sind asiatische Hersteller führend. So läuft der Toyota Mirai mit einer Reichweite von 500 Kilometern bereits seit 2014 vom Band. Im Jahr 2018 kam das SUV Hyundai Nexo mit einer Reichweite von bis zu 756 Kilometern auf den Markt und löste damit seinen Vorgänger ix35 Fuel Cell ab.

Mercedes stellte ebenfalls 2018 den GLC F-Cell vor, ein Plug-in-Hybrid-Modell, das neben der Brennstoffzelle auch eine aufladbare Lithium-Ionen-Batterie mit sich führt. Es hat eine Reichweite von bis zu 478 Kilometern. Den GLC F-Cell kann man nicht kaufen, sondern ausschließlich leasen.

BMW brachte zur IAA 2019 die Brennstoffzellenstudie I-Hydrogen Next mit. Sie soll einen Ausblick auf eine im Jahr 2022 geplante Kleinserie von Brennstoffzellenfahrzeugen geben, die auf dem aktuellen BMW X5 basieren. Ab 2025 könnte dann der erste BMW mit Brennstoffzelle in den Verkauf gehen.

Welche Brennstoffzellenfahrzeuge es noch gibt, listet das Tankstellen-Betreiberkonsortium „H2 Mobility“ hier auf.

Alle Brennstoffzellenfahrzeuge kosten 70.000 bis 80.000 Euro, auch Leasing oder Miete sind deutlich teurer als bei Verbrennern.

Was sind die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle – auch im Vergleich zum Elektroantrieb?

Brennstoffzellenautos haben viele Vorteile: Wasserstoff lässt sich relativ problemlos speichern und transportieren. Der Tankvorgang ist deutlich schneller als bei einem E-Auto, die Reichweiten betragen 500 Kilometer und mehr. Um diese zu erzielen, sind keine schweren Akkus nötig. Das macht den Wasserstoffantrieb auch interessant für Nutzfahrzeuge und Lkw, die weite Strecken zurücklegen müssen. 

Allerdings müsste die Gewinnung von Wasserstoff optimiert werden. Hierzu benötigt man große Mengen an Strom, der idealerweise CO2-neutral produziert wird. Nach Angaben des Ökoinstitutes besteht der aktuelle Strommix in Deutschland noch etwa zur Hälfte aus fossilen Brennstoffen. Trotz eines steigenden Anteils erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung dauert es damit noch, bis das Brennstofffahrzeug klimaneutral fährt. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass der elektrische Motor lokal emissionsfrei ist. Auch das Antriebsgeräusch ist sehr leise.

Fazit

Derzeit sind Brennstoffzellenfahrzeuge noch nicht massentauglich. Die teure Entwicklung und eine zu geringe Stückzahl an verkauften Autos schrauben die Preise in die Höhe. Auch die Tankstelleninfrastruktur ist noch lückenhaft. Um die Klimabilanz von Wasserstoffautos zu verbessern, muss die Stromproduktion weiter optimiert werden – allerdings gilt das auch für die Klimabilanz von Elektroautos.

Wenn an all diesen Stellschrauben gedreht wird, also mit einer Massenproduktion die Preise sinken und das Tankstellennetz deutlich vergrößert wird, könnte das Brennstoffzellenauto eine Lösung für die Zukunft sein. Es ist attraktiv für Autofahrer, die regelmäßig große Reichweiten zurücklegen müssen und Zugang zu einer Wasserstofftankstelle haben. Auch eignet sich die Brennstoffzelle für große Nutzfahrzeuge.

Im urbanen Bereich mit seinen vielen Kurzstreckenfahrten gewinnt allerdings die Batterie. So liegt etwa die Hälfte aller Wege, die täglich mit einem Auto zurückgelegt werden, etwas unter 40 Kilometern. Hier bieten kleine Batterien in Elektrofahrzeugen genügend Reichweite, um praktikabel für den Alltag zu sein. Brennstoffzellenantriebe sind komplexer im Aufbau und in der Antriebstechnik als rein batterieelektrisch betriebene Autos und deshalb (noch) teurer in der Produktion und der Anschaffung. Dafür erzielen sie größere Reichweiten als Elektroautos.