Diese Rolle spielen Wasserstoffautos in der Zukunft

Die deutschen Klimaziele sind äußerst ambitioniert und nur zu erreichen, wenn sich auch die individuelle Mobilität anpasst. Neben Elektromobilität und alternativen Kraftstoffen können auch Wasserstoffautos eine klimafreundliche Alternative sein. Wir erklären, wie Wasserstofftankstellen und Brennstoffzellenautos funktionieren und welches Potenzial in dieser Technologie steckt.

Um Wasserstoff-Mobilität einmal live zu erleben, macht die Tour de Futur diesmal Station an der Berliner  Wasserstoff-Tankstelle am Sachsendamm. Die Anlage wurde ursprünglich für Busse mit Brennstoffzelle der Berliner Verkehrsgesellschaft gebaut. Heute bietet sie auch privaten Nutzern die Möglichkeit, ihren Pkw mit Wasserstoff zu befüllen.

Wasserstoffautos sind Elektroautos mit Brennstoffzelle

Wasserstoff zu nutzen, um damit Elektromotoren anzutreiben, ist eine Idee, die in der Diskussion um die Mobilität der Zukunft immer wieder genannt wird. Wie jede Technologie hat auch die Nutzung von Wasserstoff für unsere Mobilität Vor- und Nachteile und wird daher kontrovers diskutiert. Wasserstoff ist ein exzellenter Energiespeicher, etwa für Strom aus erneuerbaren Energiequellen, und braucht nur wenig Tankvolumen im Auto selbst. Der momentan größte Nachteil ist jedoch, dass eine komplett neue Infrastruktur – eben Wasserstofftankstellen – aufgebaut werden müsste, bevor wir in Deutschland flächendeckend mit Wasserstoff fahren könnten. Die Kosten dafür könnten durch sogenannte Skalierungseffekte bei einem Aufbau vieler Tankstellen allerdings weiter sinken. Das gleiche gilt natürlich für die Brennstoffzellenautos selbst. Die sind zwar heute noch vergleichsweise teuer, würden aber ebenso bei zunehmender Verbreitung im Preis fallen.

Wasserstoffautos können klimaneutral fahren

Das Prinzip eines Wasserstoffautos ist einfach: Die Brennstoffzelle produziert aus dem Wasserstoff und dem Sauerstoff der Umgebungsluft Strom, Wasser und Wärme. Mit dem Strom wird dann der Elektromotor des Autos angetrieben, denn auch ein Wasserstoffauto ist im Prinzip ein Elektroauto. Die Wärme kann zum Beispiel dafür genutzt werden um das Auto im Winter zu heizen. Dadurch kann – anders als bei reinen E-Autos – auf schwere Batterien – und damit auch auf lange Ladezeiten – verzichten werden. 

 In Deutschland gibt es bisher rund 90 Wasserstofftankstellen. Der Aufbau eines flächendeckenden Netztes ist in Arbeit.
©malp – stock.adobe.com

Der Tankvorgang selbst ist so einfach und schnell wie bei Benzin oder Diesel. Das Ganze ist deshalb so umweltfreundlich, weil beim Umwandeln von Wasserstoff in Strom nur Wärme und Wasserdampf entstehen. Das Wasser schließlich, das hinten aus dem „Auspuff“ kommt, ist völlig problemlos. Das Auto produziert keine schädlichen Abfallprodukte – wir fahren also wirklich schadstofffrei – und klimaneutral, sofern es sich bei dem Treibstoff um „grünen“ Wasserstoff handelt. Daher gelten Wasserstoffautos auch als Nullemissionsfahrzeuge.

Die Diskussionen um die Klimafreundlichkeit von Wasserstoff und Brennstoffzelle im Auto ist etwas komplizierter und daher wohl auch von vielen Fehlinformationen begleitet. Zwar haben Wasserstoffautos in der Gesamtkette von der Herstellung des Wasserstoffs bis zur Energieerzeugung in der Brennstoffzelle im Auto – der sogenannten “Well-to-Wheel”-Betrachtung – tatsächlich einen vergleichsweise niedrigeren Wirkungsgrad als ein reines Elektroauto. Sie liegen aber immer noch vor Autos mit Benzin- oder Dieselmotor.

Grüner Wasserstoff als Schlüssel zum klimaneutralen Brennstoffzellenauto

Vor dem Hintergrund unserer Bemühungen, das Klima zu schützen, ist der Wirkungsgrad selbst allerdings nicht unbedingt besonders aussagekräftig. Denn worum es Politik und Herstellern ja eigentlich geht, ist die Verringerung von CO₂-Emissionen. Und da kann ein Brennstoffzellenauto deutlich punkten: Grüner Wasserstoff ist ein hervorragender Speicher für erneuerbar erzeugten Strom. Das ist wichtig, weil Stromgewinnung aus Wind und Sonne naturgemäß immer von Flauten betroffen ist. Außerdem gibt es zahlreiche Standorte auf der Welt, wo erneuerbare Energien im Überfluss vorhanden sind, die daraus gewonnenen Strommengen aber gar nicht benötigt werden. „Speichert“ man diesen Strom per Elektrolyse jedoch in Wasserstoff-Molekülen, entsteht ein klimaneutraler Energieträger, der sich gut über weite Strecken transportieren lässt.

Wie das funktioniert? Wasserstoff entsteht durch die Aufspaltung von Wasser (H₂O) in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂). Wird dafür elektrischer Strom eingesetzt, spricht man von Elektrolyse. Kommt der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Energien wie Wind oder Sonne, handelt es sich um „grünen“ Wasserstoff – bei seiner Herstellung entstehen keine Treibhausgase. Das Verfahren wird auch als Power-to-Gas bezeichnet. Der Vorteil: der in Wasserstoff umgewandelte klimafreundliche Strom kann relativ einfach gelagert und bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden – zum Beispiel im Auto selbst.

So funktioniert Wasserstoff-Elektrolyse

Grafik: IWO

Die Kombination von Brennstoffzelle und „grünem“ Wasserstoff ist also ein vielversprechender Ansatz, umweltfreundlich erzeugten Strom aus sonnen- und windreichen Standorten auf der ganzen Welt zu speichern und für den mobilen Einsatz auf unseren Straßennutzbar zu machen. So können Wasserstoffantriebe einen wichtigen Beitrag leisten, um die Lücke in der Versorgung mit erneuerbarer Energie in verkehrsreichen und energieintensiven Industrienationen wie Deutschland zu schließen – letztendlich um die Klimaziele zu erreichen.

Wasserstofftankstellen sind clever und sicher

Wir sprechen mit Karsten Griese, dem Anlagentechnikleiter von H2-Mobility für den Bereich Nordost, und Björn Wierskalla, einem bekannten Wasserstoff-Experten über den Stand der Wasserstoffentwicklung in Deutschland. Wichtige Stichworte sind hier natürlich Kosten, Sicherheit und Praktikabilität.

Die H2 MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG, zu deren Gesellschafter neben namhaften Autoherstellern auch die Energieunternehmen OMV, Shell und TOTAL gehören, arbeitet mit öffentlicher Förderung am flächendeckenden Aufbau eines Wasserstoff-Tankstellennetzes in Deutschland. Erstes Ziel ist der Betrieb von 100 Stationen in sieben ausgewählten Ballungszentren sowie entlang der verbindenden Fernstraßen und Autobahnen, vorzugsweise integriert in bestehenden Tankstellen.

Björn Wierskalla stellt klar: „Wasserstoff ist ein hervorragender Energiespeicher. Wenn ich mit Hilfe erneuerbarer Energien erst einmal Wasserstoff gewonnen habe, habe ich anschließend die Möglichkeit, ihn sozusagen wieder ‚rückzuverstromen‘ – also als Strom zu nutzen, in Wärme umzuwandeln oder eben als Kraftstoff für die Mobilität einzusetzen.“

Männer wie Karsten Griese sorgen dafür, dass der Betrieb der Wasserstofftankstellen in Deutschland immer gewährleistet ist: „Mittlerweile haben wir in Deutschland rund 90 Wasserstofftankstellen, mit denen wir im Schnitt 30.000 Pkw betanken könnten, wenn es denn erst einmal so viele Fahrzeuge geben würde. Derzeit sind erst ungefähr 1.000 Wasserstoffautos in Deutschland unterwegs.“ Der Anlagentechnikleiter erklärt, dass die Idee, Wasserstoff für die Mobilität zu nutzen, gar nicht so neu ist: „Die erste Tankstelle wurde meines Wissen 1999 in Hamburg gebaut, weitere folgten bald. Das waren zunächst Projekte ohne öffentlichen Zugang, aber seit gut 20 Jahren gibt es nun auch Wasserstofftankstellen für Jedermann in Deutschland.“

Griese kümmert sich um die technische Seite der Wasserstofftankstellen und ist darüber hinaus Fachmann für das Thema Sicherheit: „Die Anlagen sind sehr sicher und besitzen zum Beispiel Gas-Sensoren, Rauchmelder, Drucküberwachungen und Leckagen-Überwachungssysteme. Der Tankvorgang selbst läuft über eine Infrarot-Schnittstelle, mit deren Hilfe die Wasserstoffanlage quasi mit dem Auto kommuniziert und selbstständig zum Beispiel einen Leckage-Test durchführt. Wenn gewisse Parameter nicht eingehalten werden, schaltet die Anlage einfach automatisch ab. Falls eine Wasserstofftankstelle einmal ein technisches Problem hat, ist es meine Aufgabe, dieses schnellstmöglich zu beheben.“

Beim praktischen Tanktest sieht man schnell, wie leicht es in der Realität geht, den Zapfhahn einzuführen. Mit dem Hebel, mit dem man sonst das Benzin fließen lässt, wird der Hahn am Auto verriegelt und schon kann der Wasserstoff fließen. Der Preis für ein Kilo Wasserstoff ist bundesweit gleich und liegt zurzeit bei 9,50 €. Mit einem solchen Kilo können dann ungefähr 100 Kilometer gefahren werden – das entspricht im Vergleich ungefähr einem Verbrauch von drei Litern Diesel oder vier Litern Benzin auf 100 Kilometer.

Wie beurteilt Wierskalla die momentane Lage von Wasserstofftankstellen und -autos in Deutschland? „Wasserstoff ist im Verkehr sicher noch eine Randerscheinung, weil ich natürlich erst einmal eine Infrastruktur dafür brauche. Für Verbrenner haben wir ja bereits genug Tankstellen und ein Elektrofahrzeug im privaten Gebrauch kann ich bei längeren Standzeiten auch am normalen Stromnetz laden. Wasserstoff hat aber eben den großen Vorteil, dass ich ihn schnell tanken kann, beim Pkw in etwa 3-5 Minuten. Außerdem sind damit sehr große Reichweiten realisierbar – also im Prinzip genauso wie beim Fahren mit Benzin oder Diesel.“  Insbesondere asiatische Autohersteller wie Toyota oder Hyundai arbeiten daran, neue und bezahlbare Brennstoffzellen-PKW-Modelle auf den Markt zu bringen.

Wasserstoffautos kämpfen noch mit Vorurteilen

Wierskalla ist mit einem Wasserstoffauto, dem Nexo von Hyundai, zur Tankstelle gekommen, einem von drei Wassserstoffautomodellen, die in Deutschland momentan angeboten werden. Der Nexo kann rund sechs Kilogramm Wasserstoff aufnehmen. Unter der Haube findet sich bei diesem Modell ein Block aus 440 Brennstoffzellen, der benötigte Wasserstoff wird aus dem Kunststofftank über Edelstahlleitungen nach vorne transportiert. Der Luftfilter, der benötigt wird um die Umgebungsluft zu säubern, kann rund 99,9 Prozent der Feinstaubteilchen herausfiltern – das heißt, die Luft in den Städten wird durch ein solches Fahrzeug nebenbei auch noch gereinigt .

Jeder neuen Technik wird zunächst mit Misstrauen begegnet, das ist auch beim Auto mit Brennstoffzelle nicht anders. Viele Menschen fragen sich zum Beispiel, wie sicher Brennstoffzellenautos wirklich sind, immerhin wird bei dieser Technologie mit vergleichsweise hohen Drücken gearbeitet und die Erzeugung des Wasserstoffs selbst ist stromintensiv.

Der Experte Wirskalla weist auf die vielen Sicherheitsvorkehrungen hin, die ein solches modernes Fahrzeug besitzt: „Dieser Wagen zum Beispiel hat viele strenge Sicherheitssysteme. Bei einer Überhitzung – etwa bei einem Brand – wird kontrolliert Wasserstoff abgeblasen, der dann zwar vielleicht verbrennt, aber eben nicht zu einer Explosion führen kann. Es gibt sogar „Beschusstests“, bei denen auf den Tank eines solchen Wasserstoffautos tatsächlich geschossen wird. Auch ein Heckaufprall ist ebenso wenig ein Problem wie etwa ein Abriss einer Leitung. Bei einem Unfall werden bestimmte Ventile geschlossen, genauso wie beim Parken. Ebenso gibt es eine Lebensdauer-Lastwechselprüfung, bei der der Tank sehr oft abwechselnd aufgeladen und wieder entleert wird. Also sehr hohe Sicherheitsstandards, so dass der relativ hohe Druck von 700 bar im Alltag trotzdem nicht zu einem Problem werden kann.“

Mit dem Wasserstoff-Lkw auf die Langstrecke

Aber der Straßenverkehr besteht ja nicht nur aus Pkw. Eine wichtige Rolle spielt der Transport von Gütern. Nutzfahrzeughersteller haben ab 2025 erstmals CO₂-Normen für ihre in der EU neu zugelassenen LKW und Busse zu erfüllen. Danach muss der durchschnittliche CO₂-Ausstoß neuer Schwerlastwagen von dem Jahr an um 15 Prozent niedriger sein als 2019 und ab 2030 um 30 Prozent. Schaffen die Hersteller das nicht, drohen ihnen hohe Strafen. Diese neuen Vorgaben für Straßenfahrzeuge sollen den Mitgliedstaaten helfen, ihre nationalen CO₂-Minderungsziele für 2030 zu erreichen. LKW und Busse sind derzeit für sechs Prozent aller CO₂-Emissionen in der EU verantwortlich, und für 27 Prozent aller CO₂-Emissionen im Straßenverkehr.

Deshalb sehen viele Experten sowie Nutzfahrzeughersteller wie Daimler oder Volvo den Schwerpunkt der Wasserstoffanwendung im Fernverkehr mit großen Lkw. Denn die vollständige direkte Elektrifizierung erscheint hier aus heutiger Sicht eher unrealistisch.

Wierskalla bestätigt das Potenzial bei dem für die Klimaziele wichtigen Thema Schwerlastverkehr: „Laster mit Brennstoffzelle kommen auf eine deutlich höhere Reichweite als batteriegetriebene Fahrzeuge und lassen sich schneller auftanken. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass Wasserstoff sehr leicht ist – das heißt im Vergleich mit der Elektromobilität, dass ich etwa 8 Tonnen Batterien, aber nur 80 Kilo Wasserstoff bei einem einem Fern-Lkw brauchen würde. Einziger Nachteil ist der geringere Wirkungsgrad. Würde ich die Mobilität jedoch über Batterien lösen wollen, hätte ich ein echtes Problem, weil ich viel weniger in den Lkw laden könnte und auch sehr große Strommengen zur Verfügung stehen müssten. Strommengen, die ich ebenfalls nur über eine eigene Infrastruktur bereitstellen könnte.“

Eine Prognose vom Experten

Welche Zukunftsprognose hat Björn Wierskalla? Bleibt Wasserstoff eine Randerscheinung oder hat er deutlich mehr Potenzial? „Ich glaube, im Pkw-Bereich werden wir alle drei Technologien in Zukunft einsetzen. Wir werden noch sehr lange Verbrenner fahren, dann auch mit E-Fuels, wir werden viele E-Autos haben, weil die meisten Menschen gar keine großen Reichweiten brauchen, und wir werden auch Wasserstoffautos mit Brennstoffzellen für große Reichweiten nutzen ebenso wie für bevorzugte Einsatzgebiete im Schwerlast- und Schienenverkehr.“