Toyoto Mirai, Exterieur Dino Eisele

9 Mythen zum Wasserstoffauto

Die Wahrheit über die Brennstoffzelle

Zum Wasserstoffantrieb gibt es noch mehr Unklarheiten und Vorurteile als zum Elektroauto. Gleichzeitig sehen manche in ihm den Heilsbringer CO2-neutraler Mobilität. Was stimmt und was nicht.

  1. Brennstoffzellenautos sind gefährlich
  2. Speicherung ist kompliziert
  3. Wasserstoffautos brauchen viel Energie
  4. Wasserstoff-Erzeugung kostet Energie
  5. Die schlechte CO2-Bilanz
  6. Brennstoffzellen brauchen viel Platin
  7. Wasserdampf ist ein Klimagas
  8. Wasserstofftankstellen sind teuer
  9. Brennstoffzellenautos bleiben selten

1. Brennstoffzellenautos sind gefährlich

Dieses Gerücht hält sich hartnäckig, wohl wegen der Demonstration der Knallgasreaktion im Chemieunterricht. Was richtig ist: Wasserstoff (H2) brennt, wenn Sauerstoff in der Nähe ist und bildet mit Sauerstoff in einem weiten Bereich (H2-Anteil von 4 bis 75 Prozent) ein zündfähiges Gemisch. Ein explosives Gemisch (Knallgas) mit Sauerstoff bildet Wasserstoff erst bei einem Anteil ab 18 Prozent. Aber das kommt mit Wasserstoff nicht so leicht zustande – weil Wasserstoff gut 14 mal leichter ist als Luft, verflüchtigt er sich schnell. Problematischer ist es, wenn sich Wasserstoff in nach oben geschlossen Hohlräumen fängt. Allerdings müssten die sehr dicht geschlossen sein, denn Wasserstoff dringt durch kleinste Ritzen.

Tritt er beispielsweise aus dem Drucktank eines Autos aus, steigt er schnell auf und davon, ehe er sich mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft vermischen kann. Das haben Forscher um Michael Swain von der University of Miami bereits 2003 mit einem Test demonstriert. Sie setzten zwei Autos in Brand, eines mit Benzintank, das andere mit Wasserstoff-Drucktank. In die Treibstoffleitungen hatten die Forscher zuvor jeweils ein kleines Loch gebohrt. Was passierte? Beide Fahrzeuge fingen erwartungsgemäß Feuer. Unterschiede ergaben sich aber beim Verlauf: Der Benziner stand nach 60 Sekunden lichterloh in Flammen, das Wasserstoffauto blieb weitgehend unversehrt, denn der Wasserstoff verbrannte sehr schnell in einer gewaltigen Stichflamme, die weit über das Fahrzeug nach oben schoss. Aber in der Folge erlosch sie schnell wieder. Das Auto mit Benzintank brannte hingegen vollständig aus, so wie es auch im realen Verkehrsgeschehen immer wieder vorkommt.

Fazit: Wasserstoff ist in Verbindung mit Sauerstoff brennbar und ab einem bestimmten Verhältnis ist ein Gemisch explosiv. Aber Wasserstoff ist extrem flüchtig, weil er so leicht ist. In der Praxis ist er wohl eher weniger gefährlich als andere Auto-Treibstoffe. Von Brennstoffzellenautos geht keine besondere Explosionsgefahr aus. Die Brandgefahr ist bei Autos mit Benzin- oder Dieseltank größer.

Wasserstoff lässt sich nur verlustreich in Tanks speichern

Beim BMW Hydrogen 7, der Wasserstoff in einem herkömmlichen Hubkolbenmotor verbrannte, war der Wasserstoff in einem thermisch hochisolierten Tank sehr kalt (-250 Grad) verflüssigt gespeichert. Trotz der Isolation wird der Wasserstoff im Tank mit der Zeit wärmer und verdampft. Damit der Druck dadurch nicht zu hoch wird, muss das entstehende Wasserstoffgas aus dem Tank entweichen können. Wenn es nicht genutzt werden kann, entstehen erhebliche Verluste. Der halbvolle Flüssigwasserstofftank des Hydrogen 7 leerte sich bei Nichtbenutzung in 9 Tagen. Für die Umwelt wäre das kein Problem, für den Nutzer schon.

Die aktuellen Brennstoffzellenautos führen den Wasserstoff gasförmig in 700-bar-Drucktanks mit. Mit den Tanks sammelte man nicht zuletzt bei Erdgasautos (Druck bis 200 bar) Erfahrungen. Sie haben mehrlagige Wände aus verschiedenen Materialien, so dass selbst die kleinen Wasserstoffatome nicht durch die Tankwände diffundieren können. Die Verluste durch entweichenden Wasserstoff sind daher inzwischen marginal. Verluste fallen hingegen weiterhin beim Komprimieren an. Die meisten Quellen beziffern sie mit gut 12 Prozent.

Der hohe Druck macht die Tanks aufwendig. Das Tanksystem wiegt derzeit noch etwa 125 Kilogramm und fasst etwa beim Mercedes GLC F-Cell 4,4 Kilogramm. Der Verbrauch pro 100 Kilometer liegt bei etwa einem Kilogramm, so dass der GLC mit der Energie aus der Brennstoffzelle gut 400 Kilometer weit kommen soll. Bei einem Tesla Model S mit ähnlicher Reichweite wiegt der Akku zirka 650 Kilogramm.

Fazit: Erdgasautos haben in den vergangenen Jahren die Technik für Tanks nach vorne gebracht, nennenswerte Verluste durch Entweichung oder Diffusion gibt es nicht mehr.

Wasserstoffautos brauchen viel Energie

Moderne Brennstoffzellen erreichen laut Prof. Dr. Christian Mohrdieck, Geschäftsführer der Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH und verantwortlich für die Brennstoffzellenentwicklung im Daimler-Konzern, einen Wirkungsgrad von 83 Prozent, das Gesamt-Fahrzeug kommt auf gut 50 Prozent. Elektroautos kommen auf 90 Prozent Wirkungsgrad. Verluste entstehen hier vor allem beim Schnellladen – dann kann der Wirkungsgrad auf 75 Prozent sinken.

Aber: Die Brennstoffzelle hat laut Mohrdieck heute schon einen etwa doppelt so hohen Wirkungsgrad wie ein Verbrennungsmotor. Er liegt je nach Betrieb bei bis zu 65 Prozent. Die Gesamtenergiebilanz ist entsprechend deutlich besser. Wichtig: Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um einen Energiewandler – sie wandelt Wasserstoff zu elektrischem Strom. Deshalb kann ein solches System nie genauso effizient sein wie eine Batterie, die ein Energiespeicher ist. Diese Schwäche ist jedoch gleichzeitig auch eine Stärke: Die Abwärme des Brennstoffzellensystems kann zusätzlich für die Beheizung der Fahrzeuge genutzt werden.

Betrachtet man die ganze Kette von der Wasserstofferzeugung bis zur Umwandlung in elektrische bzw. kinetische Energie kommt man tatsächlich auf einen Wirkungsgrad von nur noch 29 bis 32 Prozent. Damit ist das Brennstoffzellenauto nur geringfügig besser als Benziner (22 Prozent) oder Diesel (25 Prozent). Aber auch das Elektroauto ist bei einer Well-to-wheel-Betrachtung (inklusive Stromerzeugung) nur minimal besser als das Brennstoffzellenauto. Und selbst wenn der Wasserstoff aus Erdgas gewonnen wird, ist der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Autos well to wheel um etwa 25% besser als beim Benziner.

Der große Vorteil des Wasserstoffs: Als transportabler Speicher für große Energiemengen ist er unschlagbar – als stationärer Energiespeicher ist er Batterien erst recht überlegen: vielseitiger, flexibler, billiger.

Fazit: Einen Wirkungsgrad-Nachteil des Wasserstoffautos gegenüber Autos mit Verbrennungsmotoren gibt es nicht. Im Gegenteil: Selbst bei der Erzeugung von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern ist der Wirkungsgrad besser als beim Verbrenner. Gegenüber dem Elektroauto ist das Brennstoffzellenauto zwar etwas schlechter, Wasserstoff taugt dafür aber besser als transportabler Energiespeicher. Und im Grunde ist die Wirkungsgrad-Diskussion akademisch. Denn wichtiger ist die CO2-Bilanz. Und da sieht es gut aus fürs Wasserstoffauto. Aber das ist eine eigene Geschichte.

Wasserstoff gibt’s in der Natur nicht, seine Erzeugung kostet Energie

Wasserstoff, so weiß Wikipedia, „ist das häufigste chemische Element im Universum, jedoch nicht in der Erdrinde“. In der Tat ist die Ausbeutung molekularer Wasserstoffvorkommen auf der Erde praktisch nicht möglich. Andererseits ist Wasserstoff vergleichsweise einfach zu gewinnen, grundsätzlich in beliebigen Mengen, da Wasserstoff eben in Wasser enthalten ist. Im Prinzip lässt er sich auch aus fossilen Energieträgern wie Erdgas erzeugen. Potenziell „grün“ ist hingegen die Erzeugung durch Elektrolyse – wenn der dazu benötigte Strom CO2-neutral erzeugt wird. Denn die Elektrolyse funktioniert, vereinfacht gesagt, indem man ein Wasserbecken unter Spannung setzt. Dann steigt an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff auf. Beides zusammengeführt erzeugt via Brennstoffzelle wieder Strom (und Wasser). Im Prinzip ein wunderbarer Kreislauf – wenn der Strom CO2-neutral erzeugt wird. Denn die Elektrolyse hat zwar einen Wirkungsgrad von 60 bis 70 Prozent, aber der Wasserstoff wird ja anschließend wieder in Strom umgewandelt. Die doppelte Umwandlung hat den oben beschriebenen negative Effekt auf den Wirkungsgrad.

Geht man allerdings von CO2-neutraler Stromerzeugung aus, die ohnehin auf der Agenda steht, spielt der Wirkungsgrad freilich nicht mehr die entscheidende Rolle. Dann tritt eher die Speicher- und Transportfähigkeit in den Vordergrund, denn gerade bei alternativer Energiegewinnung muss mit großen Spitzen und Flauten gerechnet werden, darum rechnen Experten damit, das bei Stromerzeugung aus alternativen Quellen 200 bis 300 Terrawattstunden gespeichert werden müssen. Oft entsteht die Energie auch dort, wo sie nicht gebraucht wird. Dazu passt die Wasserstofferzeugung als Zwischenspeicher an sich perfekt, während Strom speichern via Batterie viel zu teuer ist.

Hinzu kommt, dass Wasserstoff auch bei der Erzeugung von Stahl eine wichtige Rolle zur CO2-Reduzierung spielen könnte. Aktuell kommt in Hochöfen Koks (aus Kohle) als Brennstoff und Reduktionsmittel zum Einsatz. Rund 50 Millionen Tonnen CO2 emittieren die Stahlhütten allein in Deutschland pro Jahr (Autoverkehr 2017: 115 Millionen Tonnen). Verwendet man Wasserstoff statt Koks, entsteht bei der Stahlerzeugung selbst kein CO2. Allerdings muss der Stahl dann mit mehr externer Energie erhitzt werden und der Wasserstoff erzeugt werden. Entsteht er, wie die Wärmeenergie, aus regenerativen Quellen, geht das CO2-Einsparungspotenzial gegen 100 Prozent – die Branche will ja auch bis 2050 im Einklang mit dem Pariser Klimaabkommen CO2-neutral werden.

Was das mit Wasserstoffautos zu tun hat? Erstmal bestehen die auch zu großen Teilen aus Stahl und zweitens bräuchte dann eine ganze Industrie viel mehr Wasserstoff, als der Verkehr jemals benötigen dürfte, sprich: Es würde vermutlich viel Wasserstoff erzeugt, so dass die Versorgung von Autos kein Problem wäre. Schon die aktuell in Deutschland erzeugte Menge an Wasserstoff reichte für etwa 750.000 Autos.

Fazit: Ja, Wasserstoff lagert praktisch nicht in unterirdischen Feldern wie Öl zum Beispiel. Aber seine Gewinnung mithilfe regenerativ erzeugter elektrischer Energie und seine Speicherung sind bewährt und technologisch einfach. Daran sollte das Brennstoffzellenauto nicht scheitern.

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Sollen wir in Zukunft alle mit Wasserstoff fahren?
Auf jeden Fall! Die Brennstoffzelle vereint potenziell CO2-freies Fahren sowie Reichweite zum Nachtanken.
Nein! Brennstoffzellenautos sind genausowenig CO2-neutral wie E-Autos und es wird nie genug bezahlbaren Wasserstoff geben.

Die CO2-Bilanz des Wasserstoffautos ist schlecht

Das ist ein Trugschluss. Batterieelektrisch angetriebene Autos sind zwar beim Wirkungsgrad Tank to Wheel (also vom Stromtanken bis zum Fahren) schwer zu schlagen. Aber selbst mit aus Erdgas gewonnenem Wasserstoff ist das Wasserstoffauto bei der Well-to-wheel-Betrachtung schon um etwa 25 Prozent besser als Autos mit Verbrennungsmotor. Und beim aktuellen Strommix ist die CO2-Bilanz des Brennstoffzellenautos über die gesamte Lebensdauer auch etwas besser als die des E-Autos.

Und was die Produktion angeht, spricht nichts dagegen, dass Brennstoffzellenfahrzeuge dieselbe Entwicklung durchlaufen wie Elektroautos. Die verursachen in der Herstellung heute noch 80 Prozent höhere CO2-Emissionen als ein Verbrenner. Sie sparen aber im Fahrbetrieb mit konventionellem Strommix etwa 65 Prozent CO2 gegenüber diesem ein. Dadurch sind ihre Gesamtemissionen an CO2 über den ganzen Lebenszyklus bei gleicher Laufleistung um mindestens 40 Prozent geringer.

Gelingt es, das Batteriefahrzeug nur mit regenerativem Strom zu betreiben, schrumpfen seine CO2-Emissionen über den Lifecycle betrachtet um 70 Prozent gegenüber dem Verbrenner. Auf sehr ähnliche Zahlen kommt der Brennstoffzellenantrieb, der in der Herstellung weniger, im Fahrbetrieb aber etwas mehr Emissionen als das Batteriefahrzeug verursacht und bei dem die Bereitstellung des Wasserstoffs einen großen Einfluss auf den Gesamteffekt hat.

Vor allem wird der Vorsprung von E-Autos in der CO2-Bilanz in Zukunft weiter wachsen. Denn, so heißt es etwa bei Mercedes, „die Optimierung der Batterietechnologie und -produktion bietet ein großes Potenzial für weitere Einsparungen. Schon heutige Batterien verursachen in der Herstellung rund 25 Prozent weniger CO2-Emissionen als Traktionsbatterien der ersten Generation. Für die nächste Generation stellen Experten Einsparungen in derselben Größenordnung in Aussicht: Die künftigen Batterien werden also nur noch halb so hohe CO2-Emissionen in der Herstellung verursachen wie die erste Generation, und ein Drittel weniger als die heutige.

Fazit: Insgesamt ist das Brennstoffzellenauto trotz eigener (vergleichsweise kleinerer) Batterie mindestens so CO2-arm wie das rein batterieelektrische Auto. Aber mit Wasserstoff lässt sich binnen Minuten Reichweite nachtanken ohne große und somit schwere Batterien mitzuführen. Letzteres qualifiziert die Brennstoffzelle auch für Nutzfahrzeuge.

Brennstoffzellen brauchen viel knappes Platin

Wie man beim Elektroauto gern über Kobalt oder Lithium spricht, die eine massenhafte Herstellung unmöglich machen würden, gibt es ähnliche Einwände gegen die Brennstoffzelle. Denn zu deren Herstellung braucht man Platin, ein teures Edelmetall.

Andererseits verwenden wir seit den 1980er-Jahren Platin in den Katalysatoren von Benzinern. Diskussionen darüber hört man hingegen keine. Braucht man für eine Brennstoffzelle so viel mehr Platin als für den Katalysator eines Verbrennungsmotors? Tatsächlich hatte die Mercedes B-Klasse F-Cell noch eine Brennstoffzelle mit hohem Platingehalt. Auch heute wird Platin noch als Katalysator im Stack verwendet. Beim neuen GLC F-CELL konnte Mercedes die Platinmenge gegenüber der Wasserstoff-B-Klasse um 90 Prozent reduzieren und wird im nächsten Schritt, so verspricht Prof. Mohrdieck, “nur noch wenig mehr als beim Kat eines vergleichbaren Benziners betragen (8-10g)„.

Um Platin in der Brennstoffzelle zu ersetzen ist allerdings laut Mohrdieck noch viel Forschungsarbeit nötig. Aber die Recyclingquote beim Platin in Benziner-Kats beträgt bereits 98 Prozent. ähnliche Werte sind bei der Brennstoffzelle laut Mohrdieck auch denkbar.

Fazit: Der Platin-Bedarf massenhaft produzierter Brennstoffzellen-Autos ist nicht höher als der für moderne Benziner.

Brennstoffzellen-Autos erzeugen das Klimagas Wasserdampf

Wasserdampf führt in der Atmosphäre grundsätzlich zu Erwärmung und wird daher auch als Klimagas bezeichnet. Aber beim Betrieb eines Brennstoffzellenautos wird überraschenderweise kaum mehr Wasser emittiert als bei einem Verbrenner, denn Benzin besteht aus Kohlen-Wasserstoffen. Auch bei seiner Verbrennung wird also Wasserdampf frei. Allerdings hat der Wasserdampf beim Brennstoffzellenauto viel niedrigere Temperaturen und kondensiert früher. Darum wird das beim Betrieb anfallende Wasser teilweise aufgefangen und zur Befeuchtung der Brennstoffzelle wiederverwendet. Glatteisgefahr durch Brennstoffzellenautos ist also ebenso nicht zu erwarten.

Bei Flugzeugen mit Brennstoffzellenantrieb wäre die Wasserrückgewinnung lohnend: Man könnte sich die Mitnahme von rund 90 Prozent des Wassers für die Toiletten sparen – eine spannende Möglichkeit auch für Wohnmobile.

Fazit: Dass beim Betrieb von Brennstoffzellen-Autos Wasser entsteht, ist weder für Umwelt noch für den Verkehr ein Problem.

Brennstofftankstellen kann sich niemand leisten

Die meisten Experten taxieren die Kosten für den Bau einer Wasserstofftankstelle derzeit auf etwa 1.000.000 Euro. Gleichzeitig werden für ein flächendeckendes Netzt in Deutschland etwa 1.000 Tankstellen veranschlagt. Die Infrastruktur für Brennstoffzellenautos käme also auf etwa eine Milliarde Euro. Klingt viel, ist es aber nicht. Zum Vergleich: Der Dieselskandal hat den Volkswagenkonzern bis heute zirka 28 Milliarden Euro gekostet.

Wie die Autos auch, könnten Wasserstofftankstellen durch Skaleneffekte bei einer Art Massenherstellung zudem erheblich günstiger werden (ca. 400.000 Euro statt ca. 1.000.000 Euro jetzt).

Fazit: An der Infrastruktur müsste die massenhafte Verbreitung von Brennstoffzellen-Autos nicht scheitern. Höchstens scheitert der Aufbau von mehr Wasserstofftankstellen an der aktuell noch nicht massenhaften Verbreitung von Brennstoffzellen-Autos – ein klassisches Henne-Ei-Problem.

Brennstoffzellenautos bleiben ein Nischenprodukt

Angesichts der unbestreitbaren Vorteile stellt sich gerade in klimaschutzbewegten Zeiten die Frage: Warum kommt das Wasserstoffauto (noch) nicht? Die massenhafte Verbreitung von Brennstoffzellenautos scheitert aktuell noch an der zu teuren Produktion der Autos und an der ebenfalls teuren Infrastruktur. Beides sind nach Einschätzung von Professor Mohrdieck durch Skalierung lösbare Herausforderungen. Bei sechsstelligen Stückzahlen oder mehr ist die Produktion eines Brennstoffzellenfahrzeugs zu ähnlichen Kosten möglich wie die eines batterielektrischen Autos, ist sich Mohrdieck sicher. Ein Schritt zur Vergünstigung ist die Produktion der Brennstoffzelle von Rolle zu Rolle der MEA (Membrane Electrode Assembly), also der Kernkomponente der Zelle. Aktuell entsteht die noch einzeln.

Insgesamt schätzt Mohrdieck die Zukunft des Brennstoffzellen-Autos folgendermaßen ein: “Der Brennstoffzellenantrieb ist vor allem für Kunden interessant, die eine hohe tägliche Reichweite benötigen und Zugriff auf Wasserstofftankstellen haben. Für Fahrzeuge im städtischen Umfeld hingegen ist heute ein rein batterieelektrischer Antrieb eine sehr gute Lösung. Der Mercedes GLC F-CELL (als Hybrid aus beiden Antriebsarten) ist ein wichtiger Schritt für uns, auch wenn wir heute noch keine großen Fahrzeugvolumina darstellen. Wir sind sehr gespannt auf die Rückmeldungen unserer Kunden. Batterie und Brennstoffzelle bilden eine Symbiose. Die beiden Technologien ergänzen sich sehr gut: Die Leistung und Dynamik der Batterie unterstützen die reichweitenstarke und schnell betankbare Brennstoffzelle, die ihren idealen Betriebszustand eher im Teillastbereich hat.

Vorstellbar wäre in Zukunft eine Kombination skalierbarer Batterie- bzw. Brennstoffzellenmodule – je nach Mobilitätsszenario und Fahrzeugtyp. Wir sind erst am Anfang. Ich denke, Mitte der nächsten Dekade – aber sicherlich nach 2025 – wird die Relevanz der Brennstoffzelle generell und für den Transportsektor signifikant steigen. Dabei werden auch moderate Volumina helfen, Standards zu schaffen, die insbesondere für die Kostenreduktion essenziell sind„.

Abschließend meint Mohrdieck: “Damit eine Technologie den Durchbruch schafft, muss sie für beide Seiten – den Kunden und den Hersteller – attraktiv sein„.

Fazit: Die Haupthindernisse für die massenhafte Verbreitung von Brennstoffzellenauto sind ihre teure Produktion und die fehlende Infrastruktur. Beides ist ließe sich ausgerechnet durch Massenproduktion vergünstigen. Brennstoffzellenautos sind nicht prinzipiell, sondern nur aktuell noch teuer und müssen keine Nischenprodukte bleiben.

Wasserstoff-Antrieb: Die Technik von Brennstoffzellen-Autos

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Fazit

Der Brennstoffzellenantrieb bietet potenziell CO2-neutrale Mobilität, Wasserstoff bietet dank seiner guten Speicherfähigkeit für schwere Fahrzeuge oder Langstrecken Vorteile auch gegenüber dem batterielektrischen Antrieb. Solange sich CO2-Einsparung für niemanden als finanzieller Vorteil auszahlt, ist die Technik aber in Relation teuer. Sie durchzusetzen braucht politischen Willen. Würde sie erstmal massenhaft produziert, würde der Preis auf ein erträgliches Niveau sinken.

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