Der Antrieb von Fahrzeugen mit Wasserstoff ist eine Möglichkeit, um emissionsfrei Auto zu fahren. Die Technik steht bereit und ist ausgereift, dennoch sind nur wenige Fahrzeuge mit dieser Technologie ausgestattet. Viele Hersteller haben überhaupt kein Interesse am Antriebskonzept. Wir beschäftigen uns in diesem Artikel mit den Vor- und Nachteilen der Technik und zeigen, welche Schwierigkeiten es bei der Umsetzung gibt.
Wie funktioniert ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle?
Die Brennstoffzelle nutzt die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff wird der Zelle aus einem Tank zugeführt, der Sauerstoff ist in der Luft enthalten und wird angesaugt. Die chemische Reaktion wird manchmal auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet. Es findet allerdings keine Verbrennung statt, sondern eine Umwandlung. Fahrzeuge mit Brennstoffzelle werden manchmal als FCEV bezeichnet, dies steht für “Fuel Cell Electric Vehicle“.
Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Wasser, Wärme und elektrische Energie. Die Wärme kann zum Heizen genutzt werden und mit der elektrischen Energie wird das Auto versorgt. Der Antrieb des Autos ist also elektrisch, wie auch beim E-Auto. Eine Brennstoffzelle produziert nur eine geringe Spannung, daher werden sehr viele Zellen elektrisch miteinander verschaltet.
Braucht ein Wasserstoffauto eine zusätzliche Batterie?
Ja, wie auch beim Verbrennungsmotor wird eine kleine Batterie benötigt. Sie erfüllt mehrere Funktionen:
- Speichern der Energie
- Aufrechterhaltung der elektrischen Versorgung im Stillstand
- Kompensation von Lastspitzen
- Aufnahme von Regenerationsenergie beim Bremsen
Der große Vorteil ist, dass die Batterie deutlich kleiner ausgelegt werden kann als beim Elektroauto, da das Fahrzeug seinen Strom selbst produziert. Der enorme Preis- und Verschleißfaktor Akkupaket des E-Autos entfällt hier also.
Woher kommt der Wasserstoff für die Brennstoffzelle?
Wasserstoff ist in der Atemluft enthalten, jedoch nur in geringen Mengen. Um größere Mengen an Wasserstoff zu bekommen, muss dieser künstlich erzeugt werden. Dazu nutzt die Industrie entweder Erdgas oderWasser und hat zwei Methoden zur Auswahl:
- Dampfreformierung von Erdgas, auch „blauer Wasserstoff“ genannt
- Elektrolyse von Wasser durch elektrische Energie, auch „grüner Wasserstoff“
Wie umweltfreundlich ist Wasserstoff?
Das kommt auf die Art der Erzeugung an. Einfacher ist die Wasserstofferzeugung aus Erdgas. Hierbei wird das Methan in seine Bestandteile zerlegt. Dabei entsteht allerdings eine große Menge an CO2. Moderne Herstellungsprozesse fangen es zwar auf, aber die anschließende Speicherung im Meeresboden ist aufwändig. Die Umweltbilanz dieses Verfahrens ist nicht gut.
Grüner Wasserstoff, der mithilfe von Strom aus Wasser erzeugt wird, lässt sich sehr umweltfreundlich herstellen. Es gibt keine Freisetzung von CO2 und keine Abfallprodukte. Das Problem dabei ist die Verfügbarkeit von elektrischer Energie, denn gerade diese stellt die Regierungen in den kommenden Jahrzehnten vor Herausforderungen. Es bräuchte hierfür viel größere Mengen an erneuerbaren Energien.
Wie funktioniert das Tanken mit einem Brennstoffzellenauto?
Der Wasserstoff wird in einem Tank vorgehalten. Der Tankvorgang funktioniert ähnlich wie bei einem Verbrennungsmotor. Der Schlauch wird an den dafür vorgesehenen Tankstutzen am Auto befestigt. Eine mechanische Sicherung sorgt dafür, dass der Tankvorgang erst startet, wenn der Schlauch fest verbunden ist. Das „Kleckern“ wie bei Benzin oder Diesel ist somit ausgeschlossen.
Wie gefährlich ist Wasserstoff im Auto?
Wasserstoff und Sauerstoff bilden ein explosionsfähiges Gemisch, wenn sie zusammenfinden. Schülern ist dies häufig unter dem Begriff „Knallgasprobe“ bekannt. Eine große Menge an Wasserstoff, wie sie aus einem Autotank austreten würde, könnte also durchaus explodieren.
Um dies zu verhindern, müssen die Hersteller die Sicherheit ihrer Systeme mit verschiedenen Untersuchungen nachweisen. Dabei werden der Tank und alle anderen Teile eingehenden Belastungstests unterzogen. Die Anforderungen wurden in der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 festgelegt.
Bedenken Sie: Auch die Dämpfe von den Kraftstoffen Benzin und Diesel sind entzündlich. Hier müssen die Hersteller ebenfalls Vorkehrungen treffen, um das Auslaufen und Entzünden zu verhindern. Dieser Sachverhalt ist den Herstellern also nicht neu.
Wie viele Tankstellen mit Wasserstoff gibt es?
Das Tankstellennetz ist leider noch nicht genügend ausgebaut. Ein Vergleich der Zahlen für das Jahr 2023 zeigt das Defizit gegenüber normalen Kraftstoffen und dem E-Auto:
- 91 Wasserstoff-Tankstellen
- 14.452 normale Tankstellen
- über 108.000 Elektro-Ladesäulen, davon über 21.000 Schnellladesäulen
Die Verteilung ist dabei sehr ungleichmäßig. In den Ballungsgebieten vorwiegend im Westen Deutschlands sind mehr Tankstellen verfügbar. Im ländlichen Raum hingegen kommt es vor, dass der nächste Wasserstoff-Zapfpunkt über 50 Kilometer entfernt ist.
In anderen Ländern sieht es teilweise noch schlechter aus. In Österreich, Tschechien, Polen und Dänemark beispielsweise liegen oft über 100 Kilometer zwischen zwei Wasserstoff-Tankstellen. In Frankreich, Spanien und Italien sind die Entfernungen noch größer. Bei der Planung einer Urlaubsfahrt mit dem Brennstoffzellenauto muss das Tankstellennetz unbedingt bedacht werden.
Quelle: Screenshot von https://h2.live
Was kostet das Tanken von Wasserstoff?
Hier muss man für einen Preisvergleich kurz rechnen. Der Tankinhalt des Fahrzeugs wird in Litern angegeben, die Tankstellen rechnen in Kilogramm. Wir nehmen den Toyota Mirai als Beispiel mit einem Tankinhalt von 142 Litern. Hier kommen wir mit der Umrechnung auf etwa 5,6 kg Wasserstoff.
Das Kilogramm Wasserstoff kostet durchschnittlich zwischen 9 und 13 €. Wir rechnen in unserem Beispiel mit dem Mittelwert. Der Toyota Mirai als Beispiel wird angegeben mit einem Verbrauch von 0,79 bis 0,89 kg auf 100 km. Hier rechnen wir mit dem Höchstwert, da der der Realverbrauch erfahrungsgemäß dort liegt. Die Kosten für die Fahrt mit der Brennstoffzelle betragen daher:
- Beispielrechnung: 0,89 kg auf 100 km x 11 € pro kg = 9,79 € auf 100 km
Dieser Wert ist nicht sehr hoch, aber auch nicht außerordentlich niedrig. Ein Dieselmotor mit 6 Litern Verbrauch kommt etwa auf den gleichen Wert. Hier gibt es also keinen nennenswerten Unterschied zu einem sparsamen Verbrennungsmotor.
Welche Autos mit Brennstoffzelle gibt es?
Die Auswahl bei den Wasserstofffahrzeugen ist deutlich kleiner als beispielsweise beim E-Auto. Nur einige Hersteller führten in den letzten Jahren überhaupt Brennstoffzellenautos in ihren Listen, bei vielen davon wurde die Produktion eingestellt. Eine Auswahl haben wir hier aufgelistet. Im ersten Quartal 2024 stehen Ihnen nur zwei Modelle als Neuwagen zur Verfügung.
- Toyota Mirai (Kaufpreis März 2024 ab 65.990,00 €)
- Hyundai Nexo ab (Kaufpreis März 2024 ab 77.490,00 €)
- Kia Sportage
- PEUGEOT e-Expert Hydrogen
- Mercedes GLC F-Cell
- BMW iX5 Hydrogen (Kleinserie)
- Citroën ë-Jumpy Hydrogen
- Honda Clarity Fuel Cell
- Opel Vivaro-e HYDROGEN
- Streetscooter Work (unabhängiges Entwicklungsprojekt, Einsatz z. B. bei der deutschen Post)
Die Vorteile und Nachteile der Brennstoffzelle im Überblick
- Betrieb von Autos ohne Emissionen möglich
- kraftvolle Elektromotoren mit hohem Wirkungsgrad
- große Reichweiten mit einem Tankvorgang
- keine großen und teuren Batteriepakete nötig
- teure und wenig verbreitete Technologie
- keine Ersparnis an der Tankstelle gegenüber einem sparsamen Verbrenner
- Erzeugung von Wasserstoff in ausreichender Menge ist schwierig
- zu wenige Tankstellen verfügbar
- Urlaubsfahrten ins Ausland schwer bis unmöglich
Fazit: Antriebskonzept mit großem Potential, aber noch nicht annährend ausgeschöpft
Die Technologie der Brennstoffzelle hat zweifellos das Potential, langlebige Autos mit hoher Reichweite zu bauen. Die umweltfreundliche Erzeugung des Wasserstoffs in großen Mengen und das schlechte ausgebaute Tankstellennetz sind derzeit die großen Hürden. Die Regierungen setzen in den letzten zehn Jahren überwiegend auf batteriebetriebene Fahrzeuge, da sich Strom leichter transportieren lässt als Wasserstoff. Es bräuchte also einen wissenschaftlichen Durchbruch in der Herstellung von Wasserstoff, um den Antrieb für die breite Masse interessant zu machen.
F. Selleng wurde in Köthen (Anhalt) geboren. Als ausgebildeter Mechatroniker bei der Deutschen Bahn, arbeitete er dort in der Wartung und Instandhaltung von Schienen-Baufahrzeugen.
Nach einer Fortbildung zum Industriemeister Elektrotechnik wechselte er später in die Autoindustrie nach Leipzig. In den folgenden Jahren arbeitete er bei Porsche und BMW.
Seit dem Schuljahr 2016/17 ist er als Fachlehrer für Elektrotechnik an einer Berufsschule tätig. Im gleichen Zeitraum begann er, als freier Autor fachliche Texte und Ratgeber zu verfassen.
