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Wasserstoffauto

Wasserstoffauto

Wasserstoffautos sind im Grunde genommen Elektrofahrzeuge.

Wasserstoffautos gelten als eine saubere Alternative zu Pkws mit Verbrennungsmotoren. Wasserstoffautos bzw. korrekt, Brennstoffzellen-Autos, sind im Grunde genommen Elektrofahrzeuge. Der Unterschied zum Elektroauto ist eine Brennstoffzelle samt Wasserstofftank, welche den Strom für den Antrieb während der Fahrt sorgt.

Wissenswertes zum Wasserstoffauto

Brennstoffzellenautos mit Wasserstoff sind wie Elektroautos eine saubere Alternative zum Verbrennungsmotor. Lokal fahren sie vollkommen emissionsfrei. Allerdings wird bei der Herstellung des Wasserstoffs viel Strom verbraucht. Wenn dieser aus konventionellen Energiequellen stammt (Kohle, Öl, Gas), ist die Umweltbilanz von Wasserstoffautos nicht besonders gut. Sollte es sich aber um Strom aus regenerativen Quellen handeln (Windkraft, Solarstrom, Biomassestrom), wäre die Umweltbilanz sogar deutlich besser als bei Elektroautos. Bei Letzteren wird nämlich die Umwelt durch die Herstellung der Akkus erheblich belastet. Das ist bei Brennstoffzellenautos nicht der Fall.

Wie funktioniert das Brennstoffzellenauto?

Es handelt sich im Grunde bei Brennstoffzellenautos um Elektrofahrzeuge. Sie fahren also mit einem Elektromotor, nur bezieht dieser seinen Strom nicht aus einem Akku, sondern aus einer Brennstoffzelle, die den Strom aus Wasserstoff per umgekehrter Elektrolyse gewinnt. Das Auto benötigt einen Wasserstofftank und zusätzlich einen kleinen Akku, der als Puffer für Lastspitzen fungiert und seine Energie aus der Brennstoffzelle und zusätzlich aus Rekuperation (aufgenommene Bewegungsenergie beim Bremsen) bezieht.

Wie funktioniert die umgekehrte Elektrolyse?

Bei der normalen Elektrolyse wird durch Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Bei der umgekehrten Elektrolyse geschieht das Gegenteil: Der Wasserstoff reagiert mit Luftsauerstoff zu Wasser und erzeugt dabei Strom für den Elektromotor. Das geschieht in einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM-Zelle). Deren Membran trennt in der Batterie Wasserstoff und Luftsauerstoff. Die beiden Stoffe umspülen eine Anode und eine Kathode.

Die Wasserstoffmoleküle trennen sich an der Anode in Elektronen und Ionen. Letztere diffundieren durch die Membran zur Kathode, wo sie sich mit dem Luftsauerstoff verbinden. Es entsteht Wasser. Übrig bleiben die Wasserstoffelektronen, welche die Membran nicht durchlässt. Sie müssen daher einen Umweg zur Kathode über eine Leitung nehmen, was einen elektrischen Stromfluss erzeugt. Dieser treibt den Elektromotor an oder lädt die Traktionsbatterie (Pufferbatterie).

Derzeit verfügbare Brennstoffzellenautos

Die ersten „serienmäßigen“ Wasserstoffautos, die als wirklich praxistauglich gelten, sind im Juni 2020:

  • Hyundai Nexo (Höchstgeschwindigkeit 177 km/h, ab 69.000 Euro)
  • Toyota Mirai (Höchstgeschwindigkeit 177 km/h, ab 78.600 Euro)
  • Mercedes GLC F-Cell (Höchstgeschwindigkeit 160 km/h, ab 75.000 Euro)

Für diese Fahrzeuge gibt es interessante Leasingangebote, weil sich die Käufer derzeit noch zurückhalten. Das liegt an offenen Fragen zur Technologie, zur Sicherheit und zum Tankstellennetz.

Tanken von Wasserstoff

Eine Wasserstofftankstelle liefert flüssigen oder komprimiert gasförmigen Wasserstoff. Diesen nimmt der Autotank auf. In Deutschland gibt es mit Stand April 2020 rund 90 Wasserstofftankstellen. Sie sollen sehr rasch ausgebaut werden. Ein Kilogramm des Wasserstoffs kostet rund 9,50 bis 10,00 Euro und ermöglicht eine Reichweite um rund 100 km, womit die Kraftstoffkosten mit denen für Benzin vergleichbar sind. Die Fahrzeuge haben Tanks mit fünf bis sechs Litern Volumen. Die Reichweiten liegen bei 500 bis 650 km (Letzteres gilt für die zweite Generation des Toyota Mirai).

Entwicklung der Brennstoffzellen-Pkw

Das physikalische Prinzip der umgekehrten Elektrolyse ist schon sehr lange bekannt. In der Mitte der 1990er Jahre begannen die Autohersteller, intensiv am Brennstoffzellen-Pkw zu forschen. Man stellte fest, dass Elektroautos an der mangelnden Reichweite ihrer Akkus scheitern könnten, ein Problem, das schon seit den 1920er Jahren besteht, jedoch inzwischen als (fast) gelöst gilt. Inzwischen weist man aber dem Wasserstoffantrieb neue Vorteile zu, nämlich die umweltfreundlichere Produktion und auch Wasserstofferzeugung, wenn diese aus regenerativen Energien stammt. Daimler-Benz stellte 1995 den Necar II vor (New Electric Car), der ein Forschungsfahrzeug war. Andere Hersteller zogen nach. Die Schweizer Firma ESORO folgte 2008 mit dem „HyCar“ (ebenfalls ein Konzeptfahrzeug), um 2010 schließlich preschten Toyota und Hyundai vor. Auch Opel, Nissan und Honda entwickeln intensiv Wasserstofffahrzeuge. Darüber hinaus gibt es viele kleine Nischenproduzenten. Aus diesen Bemühungen resultiert das derzeit verfügbare Angebot, das sich rasch vergrößern dürfte. Es gibt aber mit Stand April 2020 immer noch viele Kritiker des Wasserstofffahrzeugs, die ihm keine besonders gute Umweltbilanz bescheinigen. In der Tat sind die Faktoren, mit denen sich diese bewerten ließe, sehr komplex. Der Wasserstoff für den Tank muss zunächst produziert werden, was viel Energie erfordert. Er muss aber auch zu den Tankstellen geschafft und gelagert werden, auch das kostet Energie.

Diese Energie wiederum könnte andererseits aus überschüssiger Wind- und Sonnenenergie stammen, die es bei entsprechenden Wetterlagen immer wieder gibt. Wenn diese Energiesteuerung sehr intelligent erfolgen würde, hätte das Brennstoffzellenauto in der Umweltbilanz tatsächlich die Nase weit vorn – es sei denn, die Batterien von Elektroautos ließen sich ökologischer herstellen und die Elektroautos bezögen ebenfalls ihren Strom nur noch aus regenerativen Energien. Ein pauschales Urteil, welches Auto nun wirklich umweltfreundlicher ist, verbietet sich daher. Vor dem Gesetz jedenfalls sind beide Varianten – Wasserstoff- und Elektroauto – Null-Emissions-Fahrzeuge mit der entsprechenden steuerlichen Begünstigung und Kaufprämien. Letztere fallen für das Brennstoffzellenauto sogar sehr beträchtlich aus, auch wenn das in der Öffentlichkeit wenig bekannt ist. Firmen können für drei Hyundai Nexo (Nettopreis unter 60.000 Euro und damit förderfähig) bis zu 21.000 Euro Kaufprämie erhalten.

Busse mit Brennstoffzelle

Es gibt inzwischen mehrere Brennstoffzellenbusse, so den 530 Citaro BZ und den EvoBus von Mercedes-Benz. Diese Busse haben im Stadtverkehr den Vorteil, dass für sie in der eingesetzten Stadt eine einzige Wasserstofftankstelle genügt. Das nur geringfügig ausgebaute Tankstellennetz für Wasserstoff ist also kein Problem. Schon 2004 führten der damalige DaimlerChrysler-Konzern, Shell und das isländische Umweltministerium solche Busse in Reykjavík ein. Neuere Modelle sind inzwischen FuelCell Hybridbusse von Mercedes-Benz. Auch in Hamburg sind Brennstoffzellenbusse von Mercedes schon seit 2004 im Einsatz. Die moderneren, 2010 eingeführten Varianten haben einen Wirkungsgrad bis zu 60 %, sie speichern den Strom auch durch Rekuperation – die bei Stadtbussen sehr viel bewirkt – in Lithium-Ionen-Batterien. Vier dieser Busse fahren seit 2019 im Industriepark Frankfurt-Höchst. In Köln und Wuppertal werden seit 2019 Wasserstoffbusse des belgischen Herstellers Van Hool eingesetzt. Die Flotte soll im Jahr 2020 deutlich vergrößert werden. Es gibt noch mehr solcher Projekte in anderen deutschen Städten und weltweit.

Brennstoffzellen-Zweiräder

E-Bikes und Motorroller können ebenfalls mit Brennstoffzellen angetrieben werden. Derartige Projekte befinden sich mit Stand Frühjahr 2020 noch in der Entwicklungsphase. Es gibt allerdings schon seit 2011 eine Straßenzulassung für den Burgman Fuell-Cell-Scooter von Suzuki, der seither in Großbritannien getestet wird. Herzstück des Scooters ist eine Brennstoffzelle mit Luftkühlung und ein in den Scooter-Rahmen integrierter Wasserstofftank.

Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellenfahrzeugen

Wasserstoff, auf den keine Mineralölsteuer entfällt, ist als Kraftstoff im Prinzip in etwa so teuer wie Benzin oder Diesel, wenn die Rohölpreise um 80 Dollar pro Barrel betragen. Gegenwärtig (Frühjahr 2020) liegen sie deutlich unter diesem Preis, doch das kann sich wieder ändern. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung hängt allerdings auch davon ab, wie günstig der Strom für den Wasserstoff zu gewinnen ist. Ein weiterer Kostenfaktor ist der für Brennstoffzellen benötigte Katalysator, der rund 60 Gramm Platin enthält. Beim Ottomotor benötigt der Katalysator nur etwa 20 Gramm Platin, was auf der Kostenseite eine erhebliche Rolle spielt. Allerdings arbeitet man an Katalysatoren für Brennstoffzellen, die deutlich weniger Platin benötigen. Dieses technische Detail schlägt sich im Preis der Brennstoffzellenfahrzeuge nieder, der derzeit – siehe oben – noch recht hoch ist.

Wie sicher sind die Wasserstofftanks im Auto und an der Tankstelle?

Es gab in der Vergangenheit sehr vereinzelt Meldungen über explodierte Wasserstofftanks an Tankstellen. Per se sind Wasserstoffautos nicht gefährlicher als Fahrzeuge mit einem konventionellen Kraftstofftank, auch die Tankstellen sind nicht unsicherer. Bei den genannten Vorfällen wurden Sicherheitsvorschriften nicht eingehalten. Diese Sicherheitsvorschriften entwickelt man parallel zu einer neuen Technologie. Hier haben Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und ihre Infrastruktur (Raffinerie, Tankstellennetz, Belieferung der Tankstellen mit Tanklastern oder Pipelines) inzwischen rund 140 Jahre Vorlauf. Carl Benz entwickelte seinen Benzinmotor 1879, ab 1885 fuhren damit Automobile auf den Straßen. Beim Wasserstoff müssen die Risiken noch genau evaluiert werden. Dasselbe Problem gibt es bei Elektroautos und bei autonom fahrenden Autos.

Wasserstoff ist ein flüchtiges Gas, das im Freien praktisch keinen Schaden anrichten kann. In geschlossenen Räumen jedoch muss die ausreichende Belüftung stets gewährleistet sein. Das Wasserstoffgas ist zwischen 4 und 75 Volumenprozent entzündlich, bei Benzingas sind es 0,6 bis 8 Volumenprozent. Ein Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch mit weniger als 10,5 Volumenprozent Wasserstoffanteil ist schwerer als Luft. Es sinkt zu Boden und entmischt sich nicht unmittelbar. Erst wenn die 4-Volumenprozent-Grenze unterschritten wird, ist es nicht mehr zündfähig. Beim Handling von Wasserstoff müssen die betreffenden Sicherheitsvorschriften solche Umstände berücksichtigen.

Entscheidung Elektro- vs. Wasserstoffauto

Von allen derzeit praktizierten Technologien bei serienreifen Kraftfahrzeugen ist die der Brennstoffzelle mit großem Abstand die jüngste. Den Elektromotor gibt es schon länger als den Verbrenner. Um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert gab es mindestens so viele Elektroautos wie Varianten mit einem Verbrennungsmotor. Letzterer machte erst das Rennen, als der elektrische Anlasser um 1900 erfunden wurde und sich dann serienmäßig durchsetzte. Vorher mussten die Autos mit einer Kurbel gestartet werden, was sehr unkomfortabel war. Doch mit dem Verbrennungsmotor konnte man anschließend 100 Jahre lang deutlich weiter fahren als mit einem Elektromotor, daher dominierte er den Straßenverkehr – mit den bekannten schädlichen Folgen für die Umwelt. Dennoch existierten beide Motorvarianten parallel. Gabelstapler etwa fahren seit vielen Jahrzehnten elektrisch, die Post liefert schon sehr lange mit Elektroautos ihre Pakete aus etc. pp. Das bedeutet: Elektromotoren und Akkus sind schon mindestens so lange wie Verbrennungsmotoren im Alltag erprobt, während Brennstoffzellenautos blutjung sind.

Das lässt die Käufer zögern, zumal die Infrastruktur noch längst kein unbeschwertes Fahren mit dem Wasserstoffauto zulässt. Ein weiteres Problem sind die hohen Anschaffungskosten und die fehlende Erfahrung zu den Unterhaltskosten. Wie schnell verschleißen die Brennstoffzellen? Welche Werkstatt wartet und repariert das Auto? Wie kommt es durch die Hauptuntersuchung? Durch diese ungeklärten Fragen gibt es derzeit noch wenige Käufer. Als Leasingfahrzeug hingegen sind Brennstoffzellenautos eine sehr interessante Option. Die Hersteller haben sich darauf eingestellt und forcieren entsprechende Angebote. Interessierte Fahrer können während eines drei- bis vierjährigen Leasings das Brennstoffzellenfahrzeug in Ruhe ausprobieren.