Wasserstoffantrieb für Autos

Mobil mit der Energie der Zukunft

Mobil mit der Energie der Zukunft

Das wichtigste auf einen Blick

  • Wasserstoffantrieb wird in Brennstoffzellenautos genutzt
  • Bisher gibt es nur wenige Fahrzeuge mit Brennstoffzelle
  • Der Wasserstoff wird meist durch Reformierung von Erdgas gewonnen
  • Das Netz an Wasserstofftankstellen ist noch recht dünn

Wasserstoffautos sind eine besondere Form des Elektro­autos. Ursprünglich kommt der Antrieb aus der Raum­fahrt und wird hier als starker Träger von Energie genutzt. Im Fahrzeug-Bereich werden für den Wasser­stoff­antrieb sogenannte Brenn­stoff­zellen im Auto verbaut. Diese erzeugen während der Fahrt Strom und erreichen eine Reich­weite von über 500 Kilometern. Interessant ist die Technologie im Gegensatz zum Verbrennungs­motor somit auch aus ökologischer Sicht. Aktuell wird der Wasser­stoff­antrieb in PKWs verschiedener Hersteller verbaut, um die Energie der Zukunft weitreichend zu testen.

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Produktinformationen

Diese Begriffe sollten Sie kennen
Begriff
Erklä­rung
Wirkungsgrad

Damit wird das Verhältnis zwischen zugeführter Energie (beispielsweise in Form eines Kraftstoffs) und Nutzenergie angegeben. Der Wirkungsgrad eines Ottomotors liegt in der Regel bei 35 bis 40 Prozent.

Elektrolyse

Bei diesem Prozess wird Wasser in seine Bestandteile (Wasserstoff und Sauerstoff) zerlegt. Dazu wird elektrischer Strom über zwei Elektroden durch das Wasser geleitet. An den Elektroden kommt es dabei zur Bildung von Wasser- und Sauerstoff.


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Wie funktioniert ein Wasserstoffantrieb?

Zur Nutzung des Wasserstoffantriebs wird eine Brennstoffzelle im Auto eingesetzt. Diese gewinnt durch eine Umkehrung der Elektrolyse Strom aus Wasserstoff: Die Vermischung von Sauerstoff und Wasserstoff wird zu Wasser und setzt während dem Prozess Wärme und Energie frei. Die gewonnene Energie treibt dann den Elektromotor im Fahrzeug an.

Der Wasserstoff dient also als Brennstoff und der Sauerstoff aus der Luft als Oxidationsmittel. Chemische Energie wird direkt in Strom umgewandelt, eine Batterie ist also nicht erforderlich. Der Wirkungsgrad eines konventionellen Verbrennungsmotors ist im Vergleich zu dem genannten Prozess deutlich niedriger: Die Energie wird dort über den Umweg der Wärmeerzeugung gewonnen, wobei ein Großteil der Wärme ungenutzt verloren geht. Die Lagerung des Wasserstoffs ist hingegen recht energieaufwendig. Das geruchlose Gas (H2) muss in Hochdrucktanks gelagert werden, deren Betrieb im Schnitt 12 % des Energiegehalts des Wasserstoffs verbraucht. Einige Wasserstoffautos werden als Hybridfahrzeuge mit einem zusätzlichen Lithium-Ionen-Akku angefertigt. Auch bei Raum-, Schiff- und Luftfahrt wird der Wasserstoffantrieb mittels der erklärten Funktion zur Nutzung von effizienter Energie eingesetzt.

Wodurch wird der Wasserstoff für Brennstoffzellenautos gewonnen?

Der Wasserstoff an sich ist keine Quelle für Energie, sondern ein Überträger. Meist wird er durch die Reformierung von Erdgas gewonnen. Diese stellt für die Integration des Wasserstoffantriebs im Markt aktuell die preisgünstigste Lösung dar. Im Gegensatz zum Auto mit Erdgasmotor werden hier sogar geringere CO2 Emissionen erzeugt. Verbessern ließe sich die Emissionsbilanz des Wasserstoffantriebs für Autos aber dennoch. Daher soll die Gewinnung des Wasserstoffs aus der Elektrolyse in Zukunft näher fokussiert werden. Die beschriebene Methode hinterlässt keinen großen ökologischen Fußabdruck und kann gerade für die Nutzung von Brennstoffzellenautos problemlos zum Einsatz kommen. Aktuell wird allerdings nur ein minimaler Prozentanteil der Erzeugung von Wasserstoff auf diese Art und Weise durchgeführt. Während der Strom für Brennstoffzellen hier sehr sauber gewonnen werden kann und lediglich Wasserdampf entsteht, stellt die fossile Methode durch Erdgas einen kleineren Kostenaufwand dar. Um eine klimafreundliche Lösung zur Weiterentwicklung des Wasserstoffantriebs für ein Auto zu erhalten, müsste die Elektrolyse deutlich weiter ausgearbeitet werden. Dies könnte neben der sauberen Gewinnung von Wasserstoff auch für mehr Öko-Strom sorgen.

Eine besondere Art des Elektroautos

Wasserstoffautos stellen grundsätzlich eine besondere Form von Elektroautos dar. Entscheidender Unterschied: Der Strom wird nicht aus einer externen Stromquelle in einen Akku oder eine Batterie gespeist. Stattdessen erzeugen die Brennstoffzellen während der Fahrt den Strom. Ein wichtiger Vorteil gegenüber der Akku-Technologie ist die höhere Reichweite. Aktuelle Fahrzeuge können nach einer Füllung des Treibstoffs mittels Wasserstofftankstelle mindestens 500 Kilometer weit fahren. Bei den meisten bisher vorgestellten Elektroautos liegt die Reichweite dagegen deutlich darunter. Obwohl Elektroantrieb und Wasserstoffantrieb nicht mit der gleichen Funktionsweise arbeiten, können zukünftige Fahrzeughalter derartiger Autos diverse Förderungen vom Staat beantragen.

Hinweis

Das staatliche Förderprogramm für Elektroautos gilt auch für Wasserstoffautos. So steht der Hyundai ix35 Fuel Cell auf der Liste der förderungsfähigen Autos des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle. Im Rahmen des Programms können sich Käufer eines Elektrowagens einen Umweltbonus von bis zu 9.000 Euro sichern.


Diese Wasserstoffautos gibt es momentan

Aktuell wird der Wasserstoffantrieb nur von wenigen Herstellern genutzt. Daher sind Autos mit Brennstoffzelle auf der Straße aktuell immer noch eine echte Rarität. Unter deutschen Herstellern war Mercedes-Benz mit dem GLC F-Zell der Vorreiter des Wasserstoffautos. Asiatische Hersteller greifen hingegen schon häufiger auf den Antrieb zurück und haben bereits mehrere Brennstoffzellenfahrzeuge auf den Markt gebracht. BMW und Audi planen, ebenso nachzuziehen und eigene Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb zu entwickeln. Auch wenn Wasserstoffautos zurzeit noch selten sind, werden Sie mit großem öffentlichen Interesse verfolgt. Neben dem Verbau des Wasserstoffantriebs in PKWs sollen daher in der Zukunft sogar Hybrid- und Wasserstoffbusse auf Deutschlands Straßen integriert werden. In den kommenden Jahren wird sich das Netz der Brennstoffautos daher vermutlich noch weit ausdehnen. Aktuell gibt es allerdings nur die folgenden Modelle mit Brennstoffzelle zu kaufen:

  • Toyota Mirai
  • Hyundai Nexo
  • Mercedes-Benz GLC F-Cell

Hauptgrund für das schmale Angebot von Herstellern ist der aktuell noch sehr hohe Preis für ein Wasserstoffauto. Der Hyundai kann zurzeit am günstigsten erworben werden und liegt bei rund 69.000 Euro. Grundsätzlich gilt, dass der Preis deutlich sinken dürfte, sobald die Stückzahl der gefertigten Fahrzeuge steigt. Auch die Chancen auf weitere staatliche Förderungen des Antriebs würden sich damit erhöhen.

Pionier des Wasserstoffantriebs – Toyota Mirai

Das futuristisch gestaltete Fahrzeug des Herstellers Toyota wird als Brennstoffzellen-Pionier bezeichnet und kann ab rund 79.000 Euro erworben werden. Damit ist der Mirai für seine Größe recht teuer. Dennoch sorgt das Auto auf der Straße garantiert für einen hohen Wiedererkennungswert. Im futuristischen Design-Stil wurde das Brennstoffzellenfahrzeug speziell gestaltet, um sich von der Masse abzuheben. Der Toyota Mirai kommt mit recht wenig Treibstoff aus und verbraucht auf 100 Kilometern gerade einmal 0,76 Kilogramm Wasserstoff.

Hyundai Nexo glänzt mit hoher Reichweite

Nicht nur gegenüber üblichen Elektroautos, sondern auch gegenüber seiner Konkurrenz an Wasserstoffautos glänzt der Hyundai Nexo mit einer hohen Reichweite von 540 Kilometern. Der SUV kam als Nachfolger für den Hyundai ix35 auf den Markt und kann ab ca. 69.000 Euro erworben werden. Der Nexo verbraucht auf 100 Kilometern zirka 1,2 Kilogramm an Wasserstoff.

Erstes deutsches Brennstoffzellenauto: Der GLC F-Cell

Der GLC F-Cell wurde vom Hersteller Daimler als erster Versuch der Integration eines Wasserstoffantriebs präsentiert. Das Auto wurde Ende 2018 erstmalig als Kleinserie auf den Markt gebracht und ausschließlich in Form eines Leasings angeboten. Zudem wurde auch der Kundenkreis für das Wasserstoffauto von Mercedes-Benz stark eingeschränkt. Lediglich ausgewählte Kunden- und Behördenkreise hatten die Chance, den neuen Antrieb testen zu können. Aufgrund der recht holprigen Integration des Autos mit Brennstoffzelle hat Daimler diese vorerst pausiert. Der GLC F-Cell war zwar zur Produktion in Serie angedacht, soll aber mangels der Möglichkeiten zur Gewinnung sauberer Wasserstoff-Energie und einem zu kleinen Netz an Wasserstofftankstellen derzeit nicht mehr geliefert werden.

Das Netz der Wasserstofftankstellen

Das Stichwort Wasserstofftankstellen stellt für viele Hersteller nach wie vor ein Problem dar. Hat der Nutzer eines Autos mit Wasserstoffantrieb keine Möglichkeit, die Funktion jederzeit zu nutzen und sein Brennstoffzellenauto überall aufzuladen, werden sowohl Vermarktung als auch der Kauf eines derartigen Fahrzeugs uninteressant. Aktuell ist Deutschland noch weit von einem großen Netz an Wasserstofftankstellen entfernt. Auch europaweit gibt es aktuell lediglich rund 140 Möglichkeiten, Wasserstoff für seinen Antrieb nachzufüllen. Bis Ende 2021 soll diese Zahl deutlich ansteigen – Deutschland möchte als Vorreiter auf zirka 130 Wasserstofftankstellen zurückgreifen und hiermit die Unterstützung eines Antriebs mit derartiger Energie nachhaltig fördern.


Wie umweltfreundlich ist der Wasserstoffantrieb wirklich?

Im Betrieb ist der Wasserstoffantrieb denkbar sauber. Alles, was als Nebenprodukt in der Brennstoffzelle anfällt, ist Wasserdampf. Komplizierter wird die Beurteilung der Ökobilanz, wenn man die Produktion des Wasserstoffs und den Bau der Brennstoffzellen einbezieht. Wasserstoff kommt kaum in ungebundener Form auf der Erde vor. In gebundener Form ist er hingegen sehr verbreitet. Wasser ist die bekannteste wasserstoffhaltige Verbindung. Aus dieser kann der Wasserstoff unkompliziert herausgelöst werden. Einfacher ist es aber, ihn aus einer Biomasse wie Erdgas oder Kohle zu lösen und anschließend mit Sauerstoff zu mischen. Der Nachteil an dem Verfahren der Reformierung ist, dass dabei vor allem fossile Energieträger wie Erdgas eingesetzt werden und der Bedarf an Energie sehr hoch ist. Wirklich ausgeglichen wäre die Ökobilanz eines Wasserstoffantriebs daher tatsächlich nur dann, wenn die Produktion mit Strom aus regenerativen Quellen erfolgen würde.

Soll der Wasserstoffantrieb seine Funktionsweise richtig entfalten, geht dies außerdem nur mit Brennstoffzellen. Diese kommen wiederum nicht ohne Platin aus. Das Edelmetall wird als Katalysator für die chemische Reaktion des Wasserstoffs benötigt. Platin ist seltener und teurer als Gold und eine starke Verbreitung des Wasserstoffantriebs würde einen erheblichen Mehrbedarf bedeuten. Der Abbau würde sehr wahrscheinlich ebenfalls mit Umweltschäden einhergehen. Allerdings ist es den Entwicklern gelungen, den Bedarf an Platin deutlich zu senken. Im Rahmen von Recycling ist es außerdem möglich, in Brennstoffzellen verbautes Platin erneut einzusetzen. Zurzeit wird außerdem diskutiert, ob Kupfer als Ersatz für das Platin eingesetzt werden soll.

Insgesamt sorgt der Wasserstoffantrieb grundsätzlich für emissionsfreies Fahren. Dies sollte allerdings nur als Bestandteil seines Betriebs gesehen werden. Wird der genutzte Wasserstoff mit Erdgas hergestellt, so fällt die Emissionsbilanz insgesamt schlecht aus. Entwickelt man den Antrieb allerdings weiter und sorgt für eine Wasserstoff- und Strom-Gewinnung mittels erneuerbarer Energien, kann ein Auto mit Brennstoffzelle in der Zukunft durchaus wirtschaftlich und ökologisch gefahren werden. Aktuell weist der Wasserstoffantrieb einen elektrischen Wirkungsgrad von über 60 % auf. Betrachtet man dies gegenüber anderen Antrieben, handelt es sich hierbei bereits um eine sehr gute Effizienz. Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren ohne Strom liegt nur bei 25 bis 35 %.


Unser Fazit zum Wasserstoffantrieb

Bis zum großen Durchbruch des Wasserstoffantriebs wird es noch eine Weile dauern. Auch wenn neue Fahrzeuge auf den Markt kommen und immer mehr Hersteller nachziehen, bedeutet dies noch lange nicht, dass die Technologie in Zukunft auch bei der Masse der Autofahrer ankommen wird. Selbst Yoshikazu Tanaka, der Entwicklungschef von Toyota, geht davon aus, dass noch 10 oder sogar 20 Jahre vergehen werden, bis die Brennstoffzelle richtig auf unseren Straßen angekommen ist. Haupthindernisse bleiben derzeit die hohen Kosten für den Antrieb und das kaum vorhandene Netz an Wasserstofftankstellen. Dennoch kann ein Brennstoffzellenauto in der Zukunft, bei nachhaltiger Arbeit mit regenerativen Energien, für einen guten Schritt in die richtige Richtung sorgen.

Derzeit bringt der Wasserstoffantrieb folgende Vor- und Nachteile mit sich:

Vorteile
Nachteile
Lokal emissionsfreies FahrenHohe Anschaffungskosten
Hohe Reichweite

Schlechtes Tankstellen-Netz

Schnelles Betanken möglichOftmals fossile Energien benötigt



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