Alternative Antriebe - Wasserstoff

Wasserstoffantrieb:

Weltraumtechnik auf der Straße

Der Wasserstoffantrieb kommt ursprünglich aus der Raumfahrt, wo er sich bereits bewährt hat. Im Straßenverkehr kommt das Gas bisher noch sehr selten zum Einsatz. Zwar sind in den vergangenen Jahren Modelle mit Brennstoffzelle für private Käufer auf den Markt gekommen, es sind aber noch große Hürden auf dem Weg zur Massentauglichkeit zu überwinden. An erster Stelle steht dabei der hohe Preis. Aussichtslos ist die Sache allerdings nicht. Und interessant ist die Technologie allemal – besonders aus ökologischer Sicht.

Wir erklären, was den Wasserstoffantrieb ausmacht.

Diese Fachbegriffe spielen im Artikel eine Rolle
Begriff
Erklärung
WirkungsgradDamit 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.
WasserelektrolyseBei diesem Prozess wird Wasser (H2O) in seine Bestandteile, Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O), zerlegt. Dazu wird elektrischer Strom über zwei Elektroden durch das Wasser geleitet. An den Elektroden kommt es dabei zur Bildung von Wasser- und Sauerstoff.

Eine besondere Art von Elektroauto

Wasserstoffautos sind zunächst eine besondere Form von Elektroautos. Entscheidender Unterschied: Der Strom wird nicht aus einer externen Stromquelle in einen Akku gespeist und von diesem allmählich an den Motor weitergegeben. Stattdessen erzeugen Brennstoffzellen während der Fahrt den Strom. Ein wichtiger Vorteil gegenüber der Akkutechnologie ist die höhere Reichweite. Aktuelle Fahrzeuge können mit einer Wasserstoffladung 500 Kilometer weit fahren – und oft sogar darüber hinaus. Bei den meisten bisher vorgestellten Elektroautos liegt die Reichweite dagegen zwischen 100 und 200 Kilometern.

Hinweis:

Das im Sommer 2016 initiierte 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 Zuschuss von bis zu 4.000 Euro sichern.

Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

In der Brennstoffzelle wird durch eine chemische Reaktion des Wasserstoffs und der Umgebungsluft Strom erzeugt. Der Wasserstoff dient dabei als Brennstoff und der Sauerstoff aus der Luft als Oxidationsmittel. Der Prozess ist sehr effizient, weil keine Energie durch Wärme verlorengeht. Chemische Energie wird stattdessen direkt in Strom umgewandelt. Der Wirkungsgrad von konventionellen Verbrennungsmotoren ist im Vergleich dazu deutlich niedriger: Die Bewegungsenergie wird dort über den Umweg der Wärmeerzeugung gewonnen, wobei ein Großteil der Wärme ungenutzt verloren geht.

Allerdings ist die Lagerung des Wasserstoffs energieaufwendig. Das geruchlose Gas (H2) muss in Hochdrucktanks gelagert werden, deren Betrieb im Schnitt 12 %1 des Energiegehalts des Wasserstoffs verbraucht. Einige Wasserstoffautos werden als Hybridfahrzeuge mit einem zusätzlichen Lithium-Ionen-Akku angefertigt.

Hier kommen Brennstoffzellen ebenfalls zum Einsatz:
  • Raumfahrt (Apollo-Missionen)
  • Schifffahrt (Klasse 212 A U-Boote)
  • Luftfahrt (Motorsegler DLR-H2)

Diese Wasserstoffautos sind unterwegs

Auf der Straße sind die Autos mit Brennstoffzellen-Antrieb bisher eine echte Rarität. 2015 lag die Zahl der in Deutschland zugelassenen Fahrzeuge dieser Art bei nur rund 100.2 Serienmodelle haben bisher nur Toyota (Mirai) und Hyundai (ix35 FCEV) auf den Markt gebracht, und auch diese sind eher als Versuchsballons anzusehen. Ab 2017 werden Privatkunden zudem den Honda Clairity kaufen können. Auch Daimler hat für 2017 ein Wasserstoffauto angekündigt. Audi und BMW treiben eigene Entwicklungsprogramme voran, allerdings haben sie noch keine näheren Angaben zu einer Markteinführung gemacht.

Diese Wasserstoffautos sind auf dem bzw. kommen auf den Markt

  • Toyota Mirai
  • Hyundai ix35 FCEV
  • Honda Clairity (voraussichtlich 2017)
  • Benz Kompakt-SUV auf Basis des GLC (voraussichtlich 2017)

Hauptgrund für das schmale Angebot an Modellen ist der hohe Preis. Um den Wasserstoffwagen von Toyota sein Eigen nennen zu dürfen, muss man rund 78.000 Euro bezahlen. Das Konkurrenzmodell ix35 ist ab 65.450 Euro erhältlich.

Wenn die hiesigen Branchengrößen den Schritt hin zu einem serienreifen Wasserstoffauto machen, könnte dies Bewegung in den Markt bringen. Grundsätzlich gilt, dass der Preis deutlich sinken dürfte, sobald die Stückzahl der gefertigten Fahrzeuge stiege. Auch die Chancen auf eine staatliche Förderung des Antriebs würden sich damit erhöhen. Ob sich die Technik durchsetzen wird, bleibt allerdings abzuwarten. Bisher sind Autofahrer eher skeptisch, was den Wasserstoffantrieb angeht.

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Quelle: http://de.statista.com/statistik/daten/studie/443109/umfrage/bedeutung-der-antriebsarten-fuer-autos-der-zukunft/

Bereits zu Beginn der 2000er-Jahre galt die Brennstoffzelle als der Antrieb der Zukunft. Die Euphorie war groß, Branchengrößen wie Audi, Daimler und Opel stellten Konzeptautos vor und manch ein Automobilexperte ging von einer baldigen Serienreife aus. Damals wie heute bremsten aber die Entwicklungs- und Baukosten und der daraus resultierende hohe Verkaufspreis den Siegeszug aus. Ein serienreifes Auto mit Wasserstoffantrieb hätte in den 2000er-Jahren mehrere Hunderttausend Euro gekostet. Die Herstellungskosten sind aber in den vergangenen Jahren rasant gefallen.


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.

Wo kommt der Wasserstoff eigentlich her?

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 herausgelöst werden. Einfacher ist es aber, ihn aus Biomasse, Erdgas oder Kohle zu lösen. Dies geschieht zumeist mit der Methode der Dampfreformierung.

Der Nachteil an dem Verfahren ist, dass dabei vor allem fossile Energieträger wie Erdgas eingesetzt werden und der Energiebedarf hoch ist. Eine Alternative ist die Wasserelektrolyse. Diese kommt im Gegensatz zur Dampfreformierung ohne fossile Energieträger aus. Ihr großer Nachteil ist der hohe Energiebedarf. Wirklich ausgeglichen wäre die Ökobilanz eines Wasserstoffantriebs nur, wenn die Produktion mit Strom aus regenerativen Quellen erfolgen würde.

Platin in der Brennstoffzelle

Brennstoffzellen kommen 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 sprunghafte Verbreitung des Wasserstoffantriebs würde einen erheblichen Mehrbedarf bedeuten. Zudem würde der Abbau 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.


Info

Sollte ein Leck im Tank entstehen, verflüchtigt sich das Gas wegen seiner geringen Dichte sehr schnell und mischt sich mit der Umgebungsluft.

Winterbetrieb

Lange galten Brennstoffzellen als nicht wintertauglich. Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt drohten sie, den Dienst zu quittieren. Das haben die Autobauer heute weitgehend in den Griff bekommen. Der Toyota Mirai muss erst ab -31 °C aussetzen – damit sollte er zumindest für den deutschen Winter gewappnet sein.


Fazit: Der Wasserstoffantrieb braucht noch Zeit

Bis zum großen Durchbruch des Wasserstoffantriebs wird es noch dauern. Auch wenn Serienfahrzeuge auf den Markt kommen und immer mehr Hersteller nachziehen, bedeutet dies noch lange nicht, dass die Technologie 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 ihren finalen Durchbruch feiern wird. Haupthindernisse sind die hohen Kosten von Brennstoffsystemen und das kaum vorhandene Tankstellennetz.



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