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Wasserstoff­auto

Ist Wasserstoffantrieb die Zukunft auf den Straßen?

Wie du vielleicht schon gehört hast, wurde dieses Thema häufig diskutiert. Das Konzept setzte sich in Deutschland bislang (noch) nicht durch. Warum das so ist, erfährst du in diesem Ratgeber.

Ein heutiges Brennstoffzellenauto schneidet im Hinblick auf die Reichweite und die Umwelt aber gut ab, denn im Betrieb entsteht nur Wasserdampf. Du bist mit einem Wasserstoffauto damit lokal emissionsfrei unterwegs. Es gibt aber Einschränkungen bei der Modellwahl und den hohen Anschaffungskosten. Durch eine staatliche Prämie lassen sich allerdings die Anschaffungskosten reduzieren.

Inhaltsverzeichnis

  1. Was sind Wasserstoffautos und wie funktionieren sie?
  2. Effizienz und Umweltbilanz des Wasserstofffahrzeugs
  3. Vor- und Nachteile beim Wasserstoffauto
  4. Zukunft und Ausblick: Kann sich der Wasserstoffantrieb behaupten?

Das Wichtigste zusammengefasst

Ein Fahrzeug mit Wasserstoffantrieb ist im Herzen ein Elektroauto. Statt einer Batterie wird aber eine Brennstoffzelle benötigt. Sie sorgt durch eine chemische Reaktion für die Elektroenergie, die das Auto fahren lässt.

Eine größere Reichweite als beim Batterie-PKW spricht für das Wasserstofffahrzeug. Auch im Vergleich zum Verbrennungsmotor punktet es: Die Klimabilanz ist besser, weil kein Schadstoff, sondern nur niedrig temperierter Wasserdampf ausgestoßen wird.

Gegenargumente heben den erhöhten Anschaffungspreis von mindestens 50.000 Euro für einen Neuwagen hervor.

Ein Nachteil ist auch, dass es aktuell (noch) sehr wenige Brennstofftankstellen gibt (Stand: 2020).

Wie groß die Nachteile sind, sieht man auch sehr deutlich an der niedrigen Zahl der Wasserstoffautos in Deutschland.

Die Tabelle aus dem Jahr 2018 zeigt, dass Wasserstoffautos damals so gut wie kein Thema waren. Selbst im Jahr 2020 sind Brennstoffzellenautos kaum marktrelevant. Interessierst du dich trotzdem für das "Umweltmodell"? Kein Wunder, denn das Prinzip fußt auf einer alten und genialen Idee.

Pkw-Bestand in Deutschland
Pkw-Bestand in Deutschland © Deutsche Welle

Was sind Wasserstoffautos und wie funktionieren sie?

Ein Wasserstoffauto beruht auf einer fast 200 Jahre alten Entdeckung. Der Physiker Sir William Grove bemerkte seinerzeit, dass der chemische Prozess der Wasserelektrolyse (um Wasserstoff zu gewinnen, wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt) umkehrbar ist. Dieses Prinzip macht sich ein heutiges Brennstoffzellenauto zunutze. Das Konzept setze sich damals nicht durch, weil die messbare Spannung nur sehr gering war. Aktuell ist es wegen der verbesserten Umstände und erneuerbarer Energie wieder interessanter und könnte eine interessante Option im Bereich Alternative Antriebe werden.

Welche chemische Reaktion steckt hinter dem Wasserstoffantrieb?

Für die Brennstoffzelle wird Wasserstoff benötigt. Wasserstoff ist ein geruch- und farbloses Element, das in gebundener Form in Wasser vorkommt. Wie oben erklärt, wird Wasser während des Prozesses der Wasserelektrolyse zerlegt: In Wasserstoff und Sauerstoff. Das umgekehrte Prinzip sorgt dafür, dass Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff wieder zu Wasser wird. Dabei entstehen Strom und Wärme. Die Funktion des Wasserstoffautos beruht darauf.

Ein Brennstoffzellenauto profitiert doppelt von dem erzielten Effekt:

  • Es wird mit der Energie durch Strom betrieben und durch die Wärme im Winter geheizt.
  • Es greift wie ein "klassisches" Elektroauto auf einen E-Motor zurück, benötigt aber keine schwere Batterie.

Der Wirkungsgrad (bezeichnet meist das Verhältnis von Energie, die nutzbar wird zu Energie, die aufgewendet werden muss) der Brennstoffzelle liegt je nach Betrieb bei maximal 65 Prozent. Im Vergleich ist der Wirkungsgrad damit circa doppelt so hoch wie bei einem Vebrennungsmotor.

Die Brennstoffzelle als Herz des Wasserstoffantriebs

Die Brennstoffzelle ist für das Wasserstoffauto wie die Batterie für das strombetriebene Modell: Sie ist für den Wasserstoffantrieb entscheidend und ist sozusagen das Herzstück. Die Funktionsweise dahinter ist eine sogenannte "kalte Verbrennung". Durch die Reaktion von Wasserstoff auf Sauerstoff, kommt die benötigte Energie für den Wasserstoffantrieb zustande. Die chemische Reaktion findet in der Brennstoffzelle statt.

Die Funktion der Brennstoffzelle ist die Wandlung der Energie. Aus Wasserstoff gewinnt sie elektrischen Strom. Damit spielt die Brennstoffzelle eine aktive Rolle und ist nicht nur für die Speicherung der Energie zuständig. Beim E-Auto ist die Batterie beispielsweise nur für die Speicherung zuständig.

Wie wird der Wasserstoff für Autos hergestellt?

Wasserstoff kommt in der Natur nicht in reiner Form vor. Sie ist für die umgekehrte Wasserelektrolyse aber notwendig. Deswegen ist für die Herstellung von Wasserstoff ein gewisser Aufwand nötig: Kohlenwasserstoff wird gespalten, um Wasserstoff entstehen zu lassen. Die Spaltung braucht viel Energie.

Aber: Auch bei der Produktion von Akkus für E-Autos ist viel Energie notwendig.

Gut zu wissen: Wasserstoff-Lagerung im E-Auto verbessert

Ein häufig erwähntes Problem war der verlustfreie Erhalt des Elements in reinem Zustand. Die Wasserstoff-Lagerung passiert heute gasförmig in speziellen Tanks. Die Tankwände sind mehrschichtig und verfügen extra über spezielle Isolationsmaterialien. Damit wird für eine hohe Dichtigkeit gesorgt, die Verluste minimiert. Deswegen sind moderne Brennstofffahrzeuge zu einer langfristigen Wasserstoff-Lagerung fähig.

Sind Wasserstoffautos gefährlich?

Da in der Brennstoffzelle eine chemische Reaktion stattfindet, fragst du dich vielleicht, ob diese gefährliche "Nebenwirkungen" hat. Vielleicht kennst du die Geschichten um Wasserstoff mit Knallgas: Mit Sauerstoff wird es brennbar, je nach Zusammensetzung und Gehalt sogar explosiv. Der tragische Absturz des Zeppelins Hindenburg im Jahr 1937 beruht beispielsweise auf diesem Effekt. Und genau dieser Prozess wird für das Brennstoffauto herbeigeführt.

Absturz der Hindenburg

Die Hindenburg verunglückte am 6. Mai 1937 auf einer Fahrt nach Lakehurst in New Jersey. Die Fahrt ab Frankfurt am Main verlief bis auf Gegenwind mit Gewittern ohne Schwierigkeiten. Doch während sich der Anflug für die Landung bereits verzögerte, brach ein Wasserstoff-Brand im Heckteil des Schiffes aus. Innerhalb weniger Minuten sank die Hindenburg nun ohne statischen Auftrieb zu Boden. Letztendlich griffen die Flammen auch auf den Dieselkraftstoff über, sodass die letzte Fahrt des Luftschiffs seinen tragischen Abschluss fand.

Warum ist ein Wasserstoffauto trotzdem nicht gefährlich? Wasserstoff ist deutlich leichter als Luft und kann sich dadurch rasch verflüchtigen. In der Praxis ist die Brand- und Explosionsgefahr bei klassischen Verbrennungsmotoren sogar größer, als bei Wasserstoffautos. In Tests wurde eher eine Stichflamme beobachtet, als dass der PKW vollständig Feuer fing. Die in der Brennstoffzelle stattfindende chemische Reaktion ist also eher sicherer, als bei anderen Antrieben.

Effizienz und Umweltbilanz des Wasserstofffahrzeugs

Die Frage nach dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und der Wasserstoffauto-Reichweite lässt sich schnell beantworten: Brennstoffzellen haben einen fast doppelt so hohen Wirkungsgrad, wie Verbrennungsmotoren. Eine Reichweite von 600 Kilometern und mehr ist möglich.

Die Brennstoffzelle als Antrieb reduziert außerdem CO2-Emissionen. Schädliche Abgase wie beim Betrieb eines Benzin- oder Dieselfahrzeugs entstehen nicht. Stattdessen wird innerhalb des Fahrzeugs Wasserdampf produziert, der schließlich über den Auspuff entweicht.

In puncto Klimawandel und Treibhausgase ist Wasserdampf grundsätzlich zu erwähnen. Allerdings sind im PKW mit Wasserantrieb niedrigere Temperaturen vorhanden. Zudem kondensiert der Wasserdampf früher als gewöhnlich. Dies nutzt das Wasserstofffahrzeug und fängt teilweise Wasser wieder auf, das bei dem chemischen Prozess entsteht. Die Zelle kann durch das aufgefangene Wasser wieder befeuchtet werden. Dadurch ist der entstandene Wasserdampf für den Klimawandel grundsätzlich nicht schädlich.

CO2 Bilanz für das Wasserstoffauto

Lokal emissionsfrei bist du sowohl mit dem Elektromotor als auch mit der Brennstoffzelle unterwegs. Doch der aktuelle Strommix lässt E-Autos nur teilweise klimaneutral fahren. Die CO2 Bilanz für das Wasserstoffauto ist aber etwas besser. Auch hier musst du jedoch die Hintergründe bedenken. Für die Herstellung von Wasserstoff ist Energie notwendig. Stammt diese Energie aus Quellen wie Erdgas, ist für die Brennstoffzelle die CO2 Bilanz schlecht. Wenn regenerative Ressourcen genutzt werden, schneidet das Wasserstoffauto besser ab.

Für den Prozess in der Brennstoffzelle ist zudem Platin essentiell. Bei der Produktion der elektrischen Energie bildet Platin eine Art Katalysator. Das teure Material kommt auf der Erde selten vor. Doch auch in den Katalysatoren von klassischen Verbrennungsmotoren mit Benzin spielt Platin eine Rolle. Für Brennstoffzellenautos wird an Methoden geforscht, die mit sehr wenig oder gar keinem Platin auskommen. So könnte das Wasserstofffahrzeug auch in dieser Hinsicht klassischen Antrieben künftig den Rang ablaufen.

Vor- und Nachteile beim Wasserstoffauto

Wie sehen Reichweite, Kosten, Umweltfaktoren, Effizienz und andere Merkmale bei Wasserstoffautos aus? Die Vor- und Nachteile des Wasserstoffautos behandeln diese Themen. Wichtig ist auch der Aspekt der Flexibilität. Gibt es genug geeignete Tankstellen oder stellt ihre geringe Verfügbarkeit einen Nachteil beim Brennstoffzellenauto dar?

Vorteile:

  • Kurze Tankzeiten
  • Reichweite von ca. 700 km maximal
  • Lokal emissionsfrei
  • Keine schädlichen Abgase

Nachteile

  • Hohe Anschaffungskosten
  • Geringe Auswahl an Fahrzeugen
  • Wenig Tankmöglichkeiten in Deutschland
  • Durch geringe Tankverfügbarkeit kaum Flexibilität
  • Nicht überall sinnvoll (wo keine Brennstofftankstelle, dort kein Wasserstoffauto)

Vorteile des Wasserstoffautos

Große Vorteile des Wasserstoffautos sind die kurze Tankzeit und die hohe Reichweite. Während das Laden einer E-Batterie oft vier bis sechs Stunden dauert, ist ein Wasserstoffauto in nur wenigen Minuten wieder fahrbereit. Auch die Reichweite ist ungeschlagen: Ein Wasserstoffauto kommt pro Ladung ca. 600 bis 700 Kilometern weit. Das E-Auto schafft es, je nach Modell, auf rund 200 bis 500 Kilometer. Ein Wasserstoffauto fährt zudem mit lokal emissionsfreiem Antrieb. Der Wasserdampf, der bei der Fahrt entweicht, ist mit seiner niedrigen Temperatur für den Klimawandel eher nicht von Bedeutung.

Nachteile des Brennstoffzellenautos

Dass ein Wasserstoffauto Nachteile hat, hast du dir sicher schon gedacht. Immerhin wird es im Alltag sehr selten gesehen. Ein Nachteil ist der hohe Anschaffungspreis, der die Kosten eines E-Autos mit Batterie übersteigt. Unter 50.000 Euro wirst du eher kein neues Modell erhalten. Zudem hast du in Deutschland kaum Auswahl bezüglich des Herstellers und Autos. Weiterhin hat ein Wasserstofffahrzeug hohe technische Anforderungen und es gibt nur ein dünnes Netz an geeigneten Tankstellen. Im Dezember 2019 waren es rund 80 deutschlandweit. Dadurch bist du in der Wahl deiner Fahrziele leider eingeschränkt. Hier findest Du eine interaktive Karte, mit allen passenden Tankstellen: Wasserstofftankstellen

Zukunft und Ausblick: Kann sich der Wasserstoffantrieb behaupten?

Die Zukunft der Wasserstoffantriebe steht in den Sternen. Die Förderung von Energie durch erneuerbare Quellen wie Photovoltaik oder Wasserkraft kann zu einer besseren CO2 Bilanz der Brennstoffzelle beitragen. Andererseits ist das auch für den Betrieb eines E-Autos der Fall. Derzeit ist es noch so, dass das E-Auto bei den Verbrauchern beliebter ist. Viele Automarken haben deswegen bereits auf E-Autos auf den Markt gebracht, während es kaum Wasserstoffautos gibt. Die wenigen Hersteller, die Wasserstoffautos bzw. Modelle mit Brennstoffzelle anbieten oder auf dem Markt hatten, sind (Stand: 2020):

  • Toyota
  • Honda
  • Hyundai
  • Mercedes

Es gibt nur wenige Brennstofftankstellen. Anfang 2019 waren es etwa 50, im Dezember desselben Jahres rund 80. Im Vergleich dazu: Ladestationen für E-Autos, die mit Strom betrieben werden, sind in fünfstelliger Zahl vorhanden. Der Trend zum Elektroantrieb mit Batterie ist klar erkennbar.

Mögliche Entwicklung in Deutschland

Kann die erfolgreiche Wasserstoff-Zukunft in Deutschland langfristig ausgeschlossen werden? Nicht unbedingt. Ein Wasserstoffauto ist immer wieder Thema. Hast du schon einmal von den mit Brennstoffzellen betriebenen Zügen gehört, die zwischen Buxtehude und Cuxhaven fahren? Oder den Miet-Autos mit Wasserstoffantrieb als Teil von Carsharing?

Sicher, in diesen Fällen handelt es sich um öffentliche Verkehrsmittel oder Autos außerhalb deines Besitzes. Doch solltest du beim Kauf eines Neuwagens die finanzielle Förderung für ein Wasserstoffauto nicht außer Acht lassen! Ein Brennstoffzellenfahrzeug wird ebenso von einer staatlichen Prämie gefördert wie ein batteriebetriebener PKW (Stand Juli 2020). Die Anschaffungskosten können außerdem schnell wieder eingebracht werden. Der niedrige Wartungsaufwand für den Motor, der geringe Verschleiß und der hohe Wirkungsgrad sprechen für ein Auto mit Wasserstoffantrieb.

Warum ist ein Wasserstoffauto eigentlich so teuer?

50.000 Euro und mehr im Vergleich zu den ab 20.000 Euro erhältlichen E-Autos: Dass du für das Wasserstoffauto einen so hohen Preis zahlen musst, liegt daran, dass es (noch) keine Massenproduktion in diesem Bereich gibt. Diese wiederum fehlt, weil es so wenige Brennstofftankstellen gibt, deren Bau sehr teuer ist. Wasserstoffautos stecken somit derzeit noch in einem Teufelskreis. Dieser soll durchbrochen werden, indem beispielsweise standardisierte Bauteile für eine Brennstofftankstelle entwickelt werden. So werden der Aufbau und die Installation einer geeigneten Tankstelle erleichtert.

Für wen lohnt sich ein Wasserstoffauto?

Das Wasserstofffahrzeug ist eine mögliche Alternative zu Elektroautos mit Batterien. Im Vergleich Brennstoffzelle vs. Batterie hat die Zelle oft die Nase vorn: Je nach Modell kannst du mit ihr im Durchschnitt ca. 650 Kilometer weit fahren, während moderne E-Autos mit Akku nur maximal 500 Kilometer schaffen. Ebenso kann die kurze Ladezeit von wenigen Minuten punkten, denn E-Autos laden gleich mehrere Stunden lang. Auch bei großen und schweren Nutzfahrzeugen überzeugt die Brennstoffzelle deswegen.

Wasserstoff vs. Batterie im Überblick

Abgase:

  • Brennstoffauto: lokal emissionsfrei, nur Wasserdampf entsteht
  • Batterie: lokal emissionsfrei

Reichweite:

  • Brennstoffauto: ca. 600-700 Kilometer
  • Batterie: ca. 200-500 Kilometer

Ladezeit:

  • Brennstoffauto: ca. drei Minuten
  • Batterie: ca. vier bis sechs Stunden

Du musst allerdings bedenken, dass es deutlich weniger Brennstofftankstellen als Elektroladestationen gibt. Lebst du in einem Teil von Deutschland, in dem keine Ladestation für dein Wasserstoffauto zur Verfügung steht? Dann kommen zumindest im Jahr 2020 andere Modelle eher in Frage. Es ist wichtig, auch die Wasserstoffauto-Kosten einzukalkulieren, wenn du dir entsprechende PKW anschaust. Das ist schnell erledigt, da es nur wenige Automarken mit verfügbaren Wasserstoffauto-Modellen gibt. Wirf außerdem einen Blick auf die mögliche finanzielle Förderung des Wasserstoffautos durch den Staat.

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