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Wasserstoffauto: Eine Alternative zum Elektroauto?

Das Wasserstoffauto ist ein kontroverses Thema. Das Versprechen einer lokal emissionsfreien Autofahrt klingt zwar verlockend, scheint aktuell jedoch aufgrund des Elektromobilität-Booms immer weiter an den Rand der alternativen Antriebe gedrängt zu werden. Während manche die Brennstoffzelle als Autoantrieb bereits für gescheitert erklären, sehen andere ihren Sinn eher im Bereich der Logistik. Doch es gibt auch Fachstimmen, die dem Wasserstoffantrieb eine goldene Zukunft bescheinigen. Wir erklären euch die Technik der Wasserstoffautos, gehen auf ihre Vor- und Nachteile gegenüber dem Elektroauto ein und lassen diverse Experten mit durchaus gegensätzlichen Meinungen zu Wort kommen. 

Wie funktioniert ein Wasserstoffauto? 

Auch wenn man es gemeinhin nicht so auf dem Schirm hat: Auch ein Wasserstoffauto ist ein Elektroauto. Der Unterschied liegt darin, wie die Energie gespeichert wird. Bei dem klassischen E-Auto ist es der Akku. Bei dem Wasserstoffauto ist der namensgebende Wasserstoff der Energiespeicher.

Der Kern der Technik ist die sogenannte Brennstoffzelle, die elektrische Energie aus dem Energieträger Wasserstoff gewinnt und sie mit dem Elektroantrieb entweder unmittelbar in Bewegung umwandelt oder in einer Antriebsbatterie zwischenspeichert. Damit gleicht das Prinzip dem von hybriden Fahrzeugen. Der Strom wird durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen, der sogenannten Umkehrung der Elektrolyse.

Im Detail: Wasserstoff und Luftsauerstoff werden durch die sogenannte Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) voreinander getrennt. Diese Membran kann nur Wasserstoffionen durchlassen. Diese wandern durch die Membran zur Kathode und werden dort in Verbindung mit Luftsauerstoff zu Wasser. Diese Verbindung wird durch die PEM nicht durchgelassen und muss einen Umweg über eine Leitung bis hin zur Anode nehmen. Eben dieser Umweg erzeugt den elektrischen Strom.

Genau wie in Hybridfahrzeuge wird die kleine Autobatterie von Wasserstoffautos sowohl durch Rekuperation als auch den regulären Betrieb wieder aufgeladen und dient so als "Range Extender", also zur Vergrößerung der elektrischen Reichweite. In diesem Sinne sind Wasserstoffautos den Elektroautos von ihrem Prinzip her deutlich näher als den sogenannten LPG-Autos (Liquid Petroleum Gas).

Zwar kommt aus dem Auspuff eines Wasserstoffautos lokal lediglich Wasserdampf, doch das bedeutet nicht, dass diese Antriebsart wirklich emissionsfrei fährt. Dazu später mehr. 

 

Woher kommt der Wasserstoff für die Wasserstoffautos? 

Aktuell werden weltweit jährlich rund 50 Millionen Tonnen Wasserstoff erzeugt und verbraucht. Dies entspreche laut Springer-Autor Manfred Klell in seinem Buch "Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik" gut einem Prozent des globalen Gesamtenergieverbrauchs. Gut 40 Prozent davon stammen aus Industrieprozessen, bei denen Wasserstoff als Nebenprodukt gewonnen werden kann. Zum Beispiel bei der Herstellung von Chlor. Im Industriepark Frankfurt-Höchst entstehen so beispielsweise jährlich rund 50 Millionen Kubikmeter Wasserstoff.

60 Prozent werden hingegen eigens erzeugt, wobei großtechnisch die Herstellung von Wasserstoff aktuell zu 95 Prozent aus fossilen Kohlenwasserstoffen erfolgt. Lediglich fünf Prozent werden aus Wasser durch das Elektrolyseverfahren gewonnen.

 

Sind Wasserstoffautos eine Alternative zum Elektroauto? 

Die Verkehrswende wird kommen, daran besteht kein Zweifel. Schließlich gibt es internationale Klimaschutzverpflichtungen, auf die sich auch Deutschland eingelassen hat. Und da die Autonation auch in einem Jahrzehnt noch Autos herstellen wird, muss ein Weg aus dem klassischen Verbrennungsmotor her. Sonst wird die Einhaltung der vereinbarten CO2-Ziele nicht zu machen sein.

Aktuell hat das Elektroauto als alternativer Antrieb ganz klar die Nase vorn. Doch manche Expert*innen sehen den elektrischen Antrieb mittel- bis langfristig als Brückentechnologie. Denn obwohl ein elektrisches Auto im Betrieb kaum Emissionen freisetzt, ist der geladene Strom zurzeit nur selten hundertprozentig grün.

"Produktion und Recycling der Batterien verbrauchen viel Energie, viele andere Faktoren spielen über den gesamten Lebenszyklus des Fahrzeuges eine Rolle. Für uns und auch für so manchen Wissenschaftler ist es oftmals schwierig auszumachen, wie grün und nachhaltig eine solche Technologie tatsächlich ist. Wenn sich die Batterietechnik nicht deutlich weiterentwickelt und der Strommix mit einem viel zu hohen Braunkohle-Anteil so bleibt, wird es sich [beim Elektroantrieb] nur um eine Brückentechnologie handeln können", erläutert Gert Schaub, CEO Fleetpool Group.

 

Nach dem heutigen Stand der Technik ist das E-Auto mit einem Akku das effizientere System für die private Mobilität, denn hier wird die Energie aus einer Kilowattstunde Strom am besten in Bewegung umgesetzt.

Aus Wasserstoff kann man auch künstlichen Sprit herstellen, mit dem ein Verbrennungsmotor betrieben werden kann. Allerdings sieht da die Bilanz noch schlechter aus: vier- bis fünfmal mehr Strom als beim E-Auto werden dafür fällig.

Eine andere Sicht auf die Dinge hat Joachim Jungsbluth vom Zentrum für Brennstoffzellentechnik. Er sieht die beiden Antriebsarten nicht in Konkurrenz zueinander. Vielmehr könnten sich beide Technologien ergänzen. „Das ist wie mit Diesel. Der galt ursprünglich auch als Kraftstoff, der nur für große Landmaschinen geeignet ist. Und ein paar Jahre später war Diesel Standard für Autos.“ Sollte eine wirtschaftliche Herstellung von grünem Wasserstoff irgendwann gegeben sein, werde das Brennstoffzellenauto irgendwann gleichwertig neben dem batteriebetriebenen E-Auto auf der Straße zu sehen sein, so Jungsbluth.

 

Batterie oder Brennstoffzelle? 

Die Batterie eines Elektroautos steht meistens im Mittelpunkt der Debatten, wenn es um die ökologische Bilanz dieser Antriebsart geht. Das liegt nicht nur an der Verwendung von Kobalt, Nickel, Grafit oder Lithium und den mit ihrer Gewinnung einhergehenden Arbeitsbedingungen und Folgen für die Umwelt. Rund neun Tonnen Kohlendioxid-Äquivalent (bei Long-Range-Modellen mit einer größeren Batterie auch mal deutlich mehr), werden laut dem Institut für Energie- und Umweltforschung IFEU in Heidelberg fällig, um eine Batterie für das E-Auto herzustellen. Das liegt daran, dass in den Ursprungsländern überwiegend fossile Energien wie Kohle und Öl für die Herstellung der Batterien verbraucht werden.

Das schwedische Umweltministerium rechnet in einer Studie vor: Für die Produktion des Luxusmodells Tesla Model S werden rund 17,5 Tonnen CO2 erzeugt. Das bedeutet, dass das Auto erst nach mehreren Jahren der Nutzung eine im Vergleich zum Verbrenner positive CO2-Bilanz erreicht.

Aktuell passiert auf diesem Feld jedoch viel. Aufgrund der wachsenden Beliebtheit der Elektroautos wird auch viel genauer auf die Herstellungsbedingungen der Einzelteile geschaut. Auch verzeichnet man Fortschritte in Sachen Lebensdauer und Recycling von E-Auto-Batterien.

Greenpeace macht folgende Rechnung auf: Ein aktuelles E-Auto im Golf-Format, Batterie in Nordeuropa produziert und mit Sonnenstrom betrieben, spart über seine Lebenszeit gegenüber einem vergleichbaren Benziner 80 Prozent der CO2-Emissionen ein. Das ist ein Optimalzustand, von dem der Status quo noch weit entfernt ist. Doch schon heute ist das E-Auto im aktuellen Energiemix in Deutschland unter Klimagesichtspunkten die mit Abstand effizienteste Lösung.

Wie schaut es hingegen beim Wasserstoffauto aus? Auch hier fallen rund fünf Tonnen Grundlast an, bevor das Auto auch nur einen Meter gefahren ist. Diese Zahl setzt sich aus der Herstellung der Brennstoffzelle, des Wasserstofftanks und auch der ebenfalls vorhandenen Batterie zusammen, auch wenn diese deutlich kleiner als beim E-Auto ausfällt und dadurch weniger Ressourcen verbraucht.

Es ist jedoch möglich, den Wasserstoff künftig zu Zeiten herzustellen, in denen ein Überangebot an Strom aus erneuerbaren Energiequellen herrscht – die produzierte Wind- oder Solarenergie also nicht anderweitig genutzt wird. Hier gibt es noch gewaltiges Potenzial für die Zukunft.

 

Haben alle Wasserstoffautos eine Brennstoffzelle? 

Nein, denn eine Alternative zur Brennstoffzelle im Wasserstoffauto ist der Wasserstoffmotor. Dieser Verbrennungsmotor nutzt den Wasserstoff unmittelbar als Kraftstoff und umgeht damit die Umwandlung von Wasserstoff zu Strom. Dabei wird mit einer Knallgasreaktion Wasserstoff in einem Hubkolben- oder Rotationskolben-Verbrennungsmotor angezündet. Der Wirkungsgrad liegt hierbei ungefähr zwischen einem konventionellen Benzin- und Dieselverbrenner.

Wegen seines niedrigen Siedepunktes (-253 Grad Celsius) ist die Nutzung vom flüssigen Wasserstoff in einem Fahrzeugmotor relativ aufwendig. Sowohl beim Tanken als auch dem Fahrzeug selbst müssen spezielle Materialien verwendet werden, die diesen Temperaturen standhalten können. Dazu kommt, dass der Wasserstoff sich mit der Zeit erhitzt und ausdehnt, was ein größeres Volumen der Behälter notwendig macht. Um dem entgegenzuwirken, wird Wasserstoff nach und nach an die Umwelt abgegeben werden. Dieses Problem hat sich mit der Einführung von Hochdrucktanks jedoch erledigt.

 

Eine Frage der Effizienz 

Doch die Herstellung selbst ist nicht der einzige wichtige Faktor, wenn es um den Vergleich beider Technologien geht. Auch die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad, mit dem Energie in Bewegung umgewandelt wird, spielt eine große Rolle. Auch hier hat das Elektroauto die Nase mit 80 Prozent vorn. Zieht man Energie, die beim Laden des Akkus und der Bereitstellung des Stroms verbraucht wird ab, bleiben immer noch 64 Prozent.

Der Wasserstoffantrieb ist deutlich weniger effizient und hat einen Wirkungsgrad von lediglich 39 Prozent. Damit schneidet der Antrieb zwar fast doppelt so gut wie ein Benziner ab (rund 20 Prozent), verliert aber trotzdem mehr als die Hälfte der ursprünglichen Energie. Das liegt daran, dass mit dem Strom zunächst Wasserstoff hergestellt werden muss, der danach erneut in Strom umgewandelt wird.

 

Sind Wasserstoffautos sicher? 

Grundsätzlich kann man sagen, dass die Verwendung von Wasserstoff mehr Risiken birgt als der Umgang mit Benzin oder Diesel. So hat er eine größere Bandbreite an Zündfähigkeit, was zu strengeren Sicherheitsauflagen führt. Druck, Dichtigkeit, Berst- und Feuersicherheit der Fahrzeuge müssen gewährleistet werden.

Das bedeutet aber nicht, dass ein Wasserstoffauto gegenüber einem Verbrennerfahrzeug gefährlicher ist. Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall. In einem bestimmten Verhältnis mit Sauerstoff reagiert Wasserstoff zwar explosiv, doch dazu kommt es in der Realität de facto nie. Der Grund hierfür ist die extreme Flüchtigkeit des ultraleichten Stoffes. Das gefährliche Mischungsverhältnis tritt praktisch nie ein. Ein explosives Knallgas-Gemisch (kennt man eventuell noch aus dem Chemieunterricht) wird erst bei einem Anteil ab 18 Prozent gebildet.

In realistischen Bedingungen ist die Brandgefahr bei Benzin- und Dieselautos nach einem Unfall höher als bei einem Wasserstoffauto. Das hat auch ein Forscherteam von der University of Miami bereits 2003 mit einem Experiment demonstriert. Die Wissenschaftler setzten zwei Autos in Brand. Eines mit einem Benzintank und eines mit einem Wasserstoff-Drucktank. In die Treibstoffleitungen hatten die Wissenschaftler zuvor jeweils ein kleines Loch gebohrt. Beide Fahrzeuge fingen Feuer, jedoch mit unterschiedlichen Verläufen: Während der Benziner schon nach 60 Sekunden in Flammen aufging, blieb das Wasserstoffauto vergleichsweise unversehrt, denn der Wasserstoff verbrannte extrem schnell in einer großen Stichflamme, die sich über dem Fahrzeug konzentrierte und dann genauso schnell wieder erlosch. Der Benziner brannte dagegen komplett aus.

 

Was sind die Vorteile von Wasserstoffautos? 

Hohe Reichweite 

In Sachen Reichweite kann das Wasserstoffauto problemlos mit herkömmlichen Verbrennern mithalten. Acht bis zehn Kilo Wasserstoff braucht man für eine Strecke von 1.000 Kilometern. Eine Reichweite, an die zurzeit kaum ein serientaugliches Elektroauto auch nur annähernd herankommt.

Schnelles Laden 

Ein Wasserstoffauto ist nach circa fünf Minuten vollgetankt. Bei einer Reichweite von 1.000 Kilometern hat man hier gegenüber dem langen Ladeprozess von E-Autos einen klaren Vorteil.

Widerstandsfähig gegen Kälte 

Ein weiterer Pluspunkt gegenüber dem Elektroauto bringt das Wasserstofffahrzeug im Winter mit sich. Denn während der E-Auto-Akku bei niedrigen Temperaturen einen beträchtlichen Teil seiner Leistung einbüßt, wird es für Wasserstoffautos erst ab Temperaturen von unter 30 Grad Celsius problematisch. Das gilt aber für die herkömmlichen Verbrenner genauso.

Lokal emissionsfrei 

Auch wenn die gesamte Umweltbilanz von Wasserstoffautos dem Elektroauto bislang unterlegen ist, fährt es lokal ohne den Ausstoß von Emissionen. Damit sind sie eine interessante Alternative für Orte, die mit verkehrsbedingtem Smog zu kämpfen haben.

 

Was sind die Nachteile von Wasserstoffautos? 

Hoher Anschaffungspreis 

Mit einem Anschaffungspreis zwischen 60.000 und 80.000 Euro sind Wasserstoffautos wahrlich keine Schnäppchen und somit kaum eine Option für Geringverdiener*innen.

ABER: Auch hier wird bereits fleißig geforscht. So stellte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) 2021 das sogenannte Safe Light Regional Vehicle (SLRV) vor. Dabei handelt es sich um ein ultraleichtes Wasserstoffauto mit einem Anschaffungspreis von rund 15.000 Euro. Bisher hat es die spezielle Bauweise noch nicht in die Serienfertigung geschafft, dafür müsste bei der Fahrzeugsicherheit nachgebessert werden. Wird daran weiter gefeilt, ist das letzte Wort aber noch nicht gesprochen.

Wenige Modelle 

Es gibt nur eine Handvoll serientauglicher Wasserstoffautos auf dem Markt. Dazu zählen der Hyundai Nexo sowie der Toyota Mirai. Noch im Jahr 2022 will BMW den i Hydrogen Next in einer kleinen Auflage auf den Markt bringen.

Zu wenige Lademöglichkeiten 

Aktuell ist es extrem schwierig, in Deutschland eine Tankstelle für Wasserstoff zu finden. Hierzulande gibt es davon gerade einmal 100 Stationen (Stand 2021). In den Nachbarländern sieht es zurzeit noch deutlich schlechter aus. Eine Urlaubsfahrt ist also auf absehbare Zeit nicht drin. Bis dieses Problem gelöst ist, sieht es für die Alltagstauglichkeit von Wasserstoffautos leider schlecht aus.

 

Was sind die Aussichten für Wasserstoffautos? 

Hierzu gibt es sehr geteilte Meinungen. Während die Skeptiker*innen den Wasserstoffantrieb höchstens in großen Schiffen, Zügen oder Lkw für einsetzbar halten, gibt es auch durchaus Stimmen, die auch dem Personenverkehr mit Wasserstoffantrieb eine rosige Zukunft prophezeien. Dass in Zukunft elektrisch gefahren wird, scheint bereits festzustehen. Ob hierbei das reine Elektroauto seinen aktuellen Vorsprung wird ausbauen können oder mittel- bis langfristig von dem Wasserstoffantrieb eingeholt wird, ist zurzeit noch offen. Dies hängt maßgeblich davon ab, wie viel grünen Wasserstoff wir wirtschaftlich herstellen können und ob eine entsprechende Tanklogistik errichtet wird. Danach sieht es aktuell jedoch nicht aus.

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