Wasserstoffantrieb – die beste Alternative?

Wasserstoffauto? Ja, sprechen wir über Wasserstoff und über alles was man schon jetzt darüber wissen sollte.

In der öffentlichen Diskussion zu alternativen Antrieben findet die Brennstoffzelle kaum Beachtung. Doch Experten sind der Meinung, dass dies zu Unrecht geschieht und Wasserstoffautos in der Wahrnehmung schon bald aufholen werden. Wie diese Technologie funktioniert und welche Vor- und Nachteile sie hat, versucht dieser Artikel zu klären.

Weniger Schadstoffe, weniger Lärm – so die Hoffnungen zu elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Ist von Elektromobilität die Rede, denken die meisten an Fahrzeuge, die mit Strom aus der Steckdose gespeist werden und über einen großen Akku verfügen. Dabei gibt es eine weitere Antriebstechnologie, von der sich Experten viel versprechen – zum Beispiel als eine Alternative zu langen Ladezeiten. Gemeint ist der Wasserstoffantrieb, auch Brennstoffzellen-Antrieb genannt. Dabei gilt es sechs Fragen zum Wasserstoffauto zu betrachten:

1. Wie funktioniert der Wasserstoffantrieb?

2. Die Vor- und Nachteile von Wasserstoffautos.

3. Wie viel kostet ein Wasserstofffahrzeug?

4. Wie umweltverträglich und nachhaltig ist der Wasserstoffantrieb?

5. Welche Risiken hat der Wasserstoffantrieb?

6. Welche Rolle wird der Wasserstoffantrieb künftig spielen?

1. Wie funktioniert der Wasserstoffantrieb?

Auch Wasserstoffautos sind „E“-Autos, da sie auch von einem Elektromotor angetrieben werden. Die gängige Abkürzung lautet FCEV für „Fuel Cell Electric Vehicle“ (Fuel Cell = Englisch für Brennstoffzelle) – im Unterschied zu batteriebetriebenen Elektroautos, den Battery Electric Vehicles, kurz BEV. Der entscheidende Unterschied zu anderen Elektrofahrzeugen ist, dass Wasserstofffahrzeuge den Antriebsstrom selbst produzieren. Zwar kein Papedomobile, aber sie beziehen die Energie aus ihrem eigenen, effizienten Kraftwerk, das mit an Bord ist und als Brennstoffzelle bezeichnet wird. Eine eingebaute herkömmliche Batterie, wie etwa bei rein elektrischen Fahrzeugen oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen, die an einer externen Stromquelle aufgeladen werden müssen, entfällt bei Wasserstoffautos.

In der Brennstoffzelle entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie. Diese Energie wird – je nach Bedarf – in den Elektromotor und/oder die Batterie geleitet. Der Prozess, der dabei in der Brennstoffzelle abläuft ist die sogenannte umgekehrte Elektrolyse. Dabei reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff. Der Wasserstoff kommt aus einem oder mehreren Tanks im Auto, der Sauerstoff stammt aus der Umgebungsluft. Das Einzige, was bei dieser Reaktion herauskommt, sind elektrische Energie, Wärme und Wasser, das als Wasserdampf durch den Auspuff austritt. Ein Wasserstoffauto ist also emissionsfrei! Der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom nimmt – abhängig vom Bedarf in der konkreten Fahrsituation – zwei Wege: Er fließt zum Elektromotor und treibt direkt das Fahrzeug an und/oder er lädt eine Batterie, die als Zwischenspeicher dient, bis die Energie später für den Antrieb benötigt wird. Man spricht dabei von einer Traktionsbatterie, die auch deutlich kleiner und somit leichter ist als herkömmliche E-Auto-Batterien, da sie ja fortwährend aus der Brennstoffzelle geladen wird. Wie schon heute bekannte E-Autos können auch Wasserstofffahrzeuge Bremsenergie zurückgewinnen. Dabei wandelt der Elektromotor die Bewegungsenergie des Autos in elektrische Energie zurück und speist sie in die Puffer-/Traktions-Batterie.

Funktionsschema:

2. Die Vor- und Nachteile von Wasserstoffautos.

Soll sich eine Technologie als Alternative zum Verbrennungsmotor durchsetzen, muss sie bedienerfreundlich sein, maßgeblich den Ausstoß von Schadstoffen reduzieren und den Nutzer durch lange Aufladezeiten (beim Verbrennungsmotor sagte man Tankstopps) nicht einschränken.

Wasserstoffautos werden rein elektrisch angetrieben, das Fahren gleicht also demjenigen der bekannten E-Autos. Also nahezu keine Motorengeräusche und ein dynamischer Antritt, bedingt dadurch, dass Elektromotoren schon bei niedrigen Drehzahlen das volle Drehmoment zur Verfügung stellen.

Ein weiterer Vorteil ist die kurze Ladezeit. Je nach Ladestation und Batteriekapazität benötigen vollelektrische Fahrzeuge aktuell zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden für eine komplette Ladung. Der Wasserstofftank eines Brennstoffzellenautos hingegen ist in weniger als fünf Minuten wieder voll. Damit liegt die Mobilität für den Fahrer auf dem Niveau eines herkömmlichen Autos. Wasserstofffahrzeuge haben auch eine wesentlich größere Reichweite. Ein voller Wasserstofftank genügt für etwa 500 Kilometer. Diesen Wert erreichen batteriebetriebene Autos nur mit sehr großen Batterien – was wiederum zu einem höheren Fahrzeuggewicht und vor allem noch längeren Ladezeiten führt. Auch ist die Reichweite von Wasserstofffahrzeugen unabhängig von der Außentemperatur, sie verschlechtert sich bei kaltem Wetter also nicht, was wiederum noch ein Vorteil gegenüber bekannten, sogenannten Elektrofahrzeugen ist.

Aber jede Technologie hat meist auch Nachteile für den Nutzer. So sind das derzeit bei Wasserstoffautos die z. Zt. nur wenigen Möglichkeiten zum Tanken. Wasserstoff wird an speziellen Zapfsäulen getankt, die sich in Zukunft wohl immer häufiger an regulären Tankstellen zu finden sein werden. Aktuell gibt es jedoch leider nur sehr wenige Wasserstofftankstellen. In Deutschland sind es Ende 2019 rund 80 Tankmöglichkeiten, in den USA gut 40.

Und das ist auch der Grund, dass wir auf den Straßen nahezu keine Wasserstoffautos sehen. Solange das Netz von Wasserstofftankstellen derart dünn ist, wird die geringe Nachfrage auch keine rentable Serienproduktion von Brennstoffzellenautos ermöglichen. Eigentlich haben alle Hersteller von Automobilen diese Technologie fertig konzipiert zumindest in der Schublade liegen. Einzig bei BMW wäre man soweit, dass man auf Nachfrage eine größere Stückzahl Fahrzeuge ausliefern könnte. Doch solange kaum Wasserstoffautos auf den Straßen fahren, werden die Mineralölkonzerne ihre Tanksäulen nur zögerlich erweitern. Es gibt aber Absprachen zwischen den Automobilkonzernen und den Treibstoffanbietern, dass bis Ende 2022 ca. 130 Tankstellen, neben herkömmlichem Benzin und Diesel, auch Wasserstoff anbeten werden. Für eine flächendeckende Versorgung immer noch viel zu wenig, aber zumindest ist man bereit auch in diese Technologie zu investieren. Als weiteres Ziel sind dann 400 anbietende Tankstellen bis Ende 2025 angedacht. Auslandsreisen mit einem Wasserstoffauto sind derzeit nahezu unmöglich, da es in der Regel außerhalb der Bundesrepublik Deutschland kein Wasserstoffangebot bei Tankstellen gibt.

3. Wie viel kostet ein Wasserstofffahrzeug?

Neben dem dünnen Tankstellennetz gibt es einen weiteren Grund für die noch geringe Nachfrage nach Wasserstoffautos: Den Preis! Wasserstoffautos sind in der Anschaffung vergleichsweise teuer. Die wenigen bereits am Markt verfügbaren Modelle mit Brennstoffzellenantrieb kosten um die 80.000 Euro für ein Fahrzeug der Mittelklasse. Also fast doppelt so viel wie für vergleichbare rein elektrisch betriebene Autos oder Hybridfahrzeuge und im Vergleich zu Benzin- und Dieselfahrzeugen nahezu dreimal so teuer. Die Gründe für den aktuell hohen Preis von Wasserstoffautos sind in erster Linie die geringen Stückzahlen, aber auch der noch ausstehenden Industrialisierung in der Produktion von Platin. Das Edelmetall dient bei der Stromerzeugung als Katalysator. Ziel der Fahrzeughersteller ist es, den Preis von Wasserstoffautos auf ein ähnliches Niveau zu bringen, wie das anderer Elektroautos.

Neben den Anschaffungskosten spielen die Betriebskosten eine wichtige Rolle bei der Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz. Sie hängen bei einem Wasserstoffauto nicht zuletzt vom Preis des Treibstoffs ab. Aktuell kostet ein Kilogramm Wasserstoff 9,50 Euro in Deutschland und rund 14 Dollar in den USA. Mit einem Kilogramm Wasserstoff kann ein Brennstoffzellenauto ungefähr 100 Kilometer weit fahren. Somit sind die Kilometerkosten eines Wasserstoffautos aktuell fast doppelt so hoch wie die eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, wenn zu Hause geladen wird. Wenn die Nachfrage nach Wasserstoff steigt, kann der Kilogrammpreis bis zum Jahr 2030 auf etwa 5 Euro sinken, so die Erwartung der Experten.

4. Wie umweltverträglich und nachhaltig ist der Wasserstoffantrieb?

Ein Auto, das nur mit regenerativen Energien betrieben wird und keine schädlichen Emissionen erzeugt – das wäre aus ökologischer Sicht der Idealfall.

Die Abluft eines Wasserstoffautos besteht aus reinem Wasserdampf. Der Brennstoffzellenantrieb ist also lokal emissionsfrei. So hält er die Luft in Städten sauber.

Zur Wasserstoffherstellung benötigt man elektrische Energie. Der Strom zerlegt im Prozess der Elektrolyse Wasser in dessen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Nachteilig an der Herstellung von Wasserstoff sind jedoch die Verluste bei der Elektrolyse.

Wasserstoff entsteht auch als Nebenprodukt bei zahlreichen industriellen Prozessen – und wird zu oft als Abfall behandelt, also nicht weiter genutzt. Hier bieten sich den Brennstoffzellenantriebe Möglichkeiten zur kostengünstigen Gewinnung.

5. Welche Risiken hat der Wasserstoffantrieb?

Was passiert, wenn Wasserstoff unkontrolliert mit Sauerstoff reagiert? Das wissen wir alle noch aus dem Chemieunterricht. Es kommt zu einer Knallgasreaktion. Wasserstoff ist also entzündbar. Allerdings ist eine unkontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff im Betrieb eines Brennstoffzellenautos so gut wie ausgeschlossen, denn der Wasserstoff wird im Fahrzeug gasförmig in dickwandigen Tanks gespeichert, die besonders sicher sind. Zahlreiche Tests haben die Sicherheit dieser Konstruktion bestätigt, so wurden weder die Tanks beschädigt, noch trat Wasserstoff aus.

Übrigens, die Wasserstoff-Technologie ist nicht so neu wie man gemein denkt, sondern hat sich in vielen Bereichen längst bewährt. So setzen beispielsweise Raffinerien heute schon große Mengen Wasserstoff als Prozessgas in der Verarbeitung des Rohöls ein. Auch Pipelines und Speicher für Wasserstoff sind seit Jahrzehnten in Betrieb. Auch hier zeigten sich nie Sicherheitslücken im Betrieb.

6. Welche Rolle wird der Wasserstoffantrieb künftig spielen?

Bei den Automobilherstellern ist man der Meinung, allen voran bei BMW, dass Wasserstoff einen wichtigen Beitrag zu nachhaltiger Mobilität in der Zukunft als Ergänzung zu rein Batteriefahrzeugen leisten kann – wenn denn die geeignete Wasserstoff-Infrastruktur mit einem günstigen Wasserstoffpreis zur Verfügung steht und der Fahrzeugpreis sinkt. In diesem Fall können FCEVs die Null-Emissionen-Technologie sein, die den Nutzern erlaubt, ihre flexiblen Fahrgewohnheiten, die sie durch herkömmliche Benzin- und Dieselfahrzeugen gewohnt sind, beizubehalten.

Fazit:

So haben wir alle, die Automobilnutzer, die Wahl, ganz nach unseren Gewohnheiten und Bedürfnissen beim Kauf eines Automobils zu entscheiden. Wenn derzeit für den Einzelnen der Preis keine allzu große Rolle spielt und man nur innerhalb Deutschlands unterwegs ist, kommt ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug durchaus in die Auswahl. Reist man allerdings auch weltweit mit dem Auto herum, gibt es derzeit keine Alternative zu Benzin- oder Dieselfahrzeugen! Schon deshalb wird es die nächsten Jahrzehnte weiterhin verschiedene Antriebskonzepte geben. Neben den klassischen Verbrenner, vollelektrische Fahrzeuge und Plug-in-Hybride sowie eben verstärkt auch auf die Forschung bei Wasserstoffautos.

Wasserstoff kann als eine Art „Schlüsselrohstoff“ betrachtet werden, um langfristig vom Mineralöl wegzukommen.

Die großen, alten Öl-, Gas- und Kohle-Konzerne halten die Verbreitung von Wasserstoffkraftstoff zurück, wollen diese Technologie gar verhindern. Die Technik existiert, wo Menschen eine Solarzelle und Wasser verwenden können, um ihren eigenen Wasserstoffkraftstoff zu erzeugen. Die einzigen Abgase, die diese Autos produzieren würden, wären Wasserdampf. Echter Umweltschutz! Umweltschutz den nicht einmal die angeblich naturliebenden Grünen fördern! Stattdessen drängen sie auf „grüne“, elektrische Autos. Das Problem ist, dass die meiste Energie, die für den Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet wird, aus der Verbrennung von Kohle stammt, die die Umwelt viel mehr verschmutzt als benzinbetriebene Verbrennungsmotoren. Aber auch die Kohlekraftwerke sind den Grünen Fantasten ein Dorn im Auge. Strom kommt ja aus der Steckdose!

Um die Reichweite derzeitiger Elektrofahrzeuge überhaut attraktiv zu machen, sind die Mineralölkonzerne derzeit dabei, entlang der Fernstrecken Ladesäulen für Elektrofahrzeugen zu installieren. Während man in Japan eher daran interessiert ist, möglichst wenig Ladesäulen zu genehmigen, weil man dort die Bemühungen eher in Richtung auf eine wasserstoffbasierte Wirtschaft ausrichten will und die Interessen der Energie- /Ölkonzerne zurückstehen müssen. (Was wohl auch ein Grund für den Fukushima-Angriff auf Japan am 11. März 2011 gewesen sein wird!)

Doch derzeit stellt sich noch die Frage woher soll der ganze Strom kommen, der nötig ist, um für den flächendeckenden Einsatz, auch in der Bundesrepublik Deutschland, eine signifikante Menge an Wasserstoff herzustellen?

Bereits jetzt kommt es zu Engpässen in der Stromversorgung und große Konzerne die eigene Notstromversorgung haben werden zeitweise von den Netzen getrennt. Durch die stümperhafte Energiepolitik der Bundesregierung, die sich einzig auf Wind- und Sonnenenergie stützt kann hierzulande keine großvolumige Produktion von Wasserstoff anlaufen. Die Hauptmenge des Wasserstoffs, sollten wir diese Technologie tatsächlich forcieren wollen, müsste dann wieder einmal importiert werden. Teuer importiert werden. Dabei wäre zur Durchsetzung und zur Marktetablierung des Wasserstoffantriebes auch eine Wasserstoffproduktion in Deutschland notwendig. Dies schon um zu zeigen, dass Deutschland es kann. Doch für die Einführung einer modernen Technologie brauchen wir fähige Entscheider und keine Bundesregierung!

JKS / Terra-Kurier / 27. 04.2020 / 15. 02. 2021