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Wasserstoffautos – die Lösung für emissionsfreie Mobilität?
8. Juni 2021
Autoteile & Technik

Wasserstoffautos – die Lösung für emissionsfreie Mobilität?

Eines ist gewiss: Konventionelle Antriebe auf Basis von fossilen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel werden über kurz oder lang alternativen Antriebstechnologien weichen müssen.

Erdöl und Erdgas sind endliche Ressourcen und im Hinblick auf die Klimaerwärmung und die Notwendigkeit den CO2-Ausstoß zu verringern, nehmen alternative Antriebe auf Basis erneuerbarer Energien einen hohen Stellenwert in der Debatte ein. Sie können maßgeblich zur Erreichung der Ziele des Pariser Klimaschutzabkommens beitragen.

Neben den mittlerweile schon sehr verbreiteten Elektroautos hat sich eine weitere Antriebsart hervorgetan – der Wasserstoffantrieb. Wie genau ein Wasserstoffauto funktioniert, welche Vorteile der Antrieb bietet und welche Fahrzeuge bereits auf dem Markt sind, erfährst du in diesem Beitrag.

Wie funktioniert ein Wasserstoffauto?

Das Antriebssystem eines Wasserstoffautos besteht aus einer Brennstoffzelle, einem Wasserstofftank, einer Batterie und einem Elektromotor. Damit ist das Antriebskonzept dem eines extern aufladbaren Elektroautos sehr ähnlich.

Auch in einem Wasserstoffauto erfolgt der Vortrieb über einen Elektromotor, der elektrische Energie benötigt. Der große Unterschied zum Elektrofahrzeug: Während dieses per Kabel über Steckdose oder Ladestation aufgeladen, versorgt die Brennstoffzelle das Wasserstoffautos mit Energie – die Brennstoffzelle ist quasi ein Energiewandler, der aus Wasserstoff Strom macht.

Brennstoffzellen ermöglichen die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, wobei Energie in Form von elektrischem Strom freigesetzt wird. An dieser Stelle müssen wir etwas detaillierter werden: Anhand einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle möchten wir dir die Funktionsweise skizzieren:

Grundlegend besteht diese Brennstoffzelle aus zwei Elektroden: einer Anode und einer Kathode, dazwischen befindet sich die Elektrolyt-Membran, die für Gase undurchlässig ist. Der Anode wird Wasserstoff, der Kathode Sauerstoff zugeführt. Der Wasserstoff auf der Seite der Anode oxidiert zu Protonen und gibt dabei Elektronen ab. Die Elektronen können jedoch nicht die Elektrolyt-Membran durchdringen, um zur Kathode zu gelangen, sondern können nur über den elektrischen Leiter zur Kathode fließen – es fließt also elektrischer Strom.

Die Protonen dagegen diffundieren durch die Membran zur Kathode. Dort wird unterdessen Sauerstoff zugefügt, das als Oxidationsmittel wirkt. Durch das Zusammenkommen von Elektronen, Wasserstoff-Protonen und Sauerstoff entsteht an der Kathode Wasser unter einer gewissen Wärmeentwicklung.

Der entstandene Strom wird genutzt, um den Elektromotor des Fahrzeugs anzutreiben. Die Batterie in Wasserstofffahrzeugen ist deutlich kleiner als in reinen E-Autos, weil sie nur als Puffer und Zwischenspeicher dient, der bei Unterlast Energie aufnehmen und bei Überlast Energie abgeben kann. Sie kommt bei Spitzenlasten wie beim Beschleunigen zum Einsatz, oder beim Speichern von Energie, die durch Bremsrekuperation entsteht, während die Brennstoffzelle konstant Strom erzeugt.

Der dazu notwendige Wasserstoff kann dabei ähnlich wie fossiler Treibstoff im Tank aufbewahrt werden. Auch der Tankvorgang ähnelt dem eines konventionell angetriebenen Fahrzeugs. Der Wasserstoff gelangt über einen Schlauch in den Wasserstofftank. Zwar ist die Handhabung der Tankpistole etwas anders, doch das ist mit etwas Übung leicht zu meistern.

Der Toyota Mirai ist als reines Wasserstoffauto ein Einhorn unter den Autos. (Bild: Toyota)

Welche Vor- und Nachteile haben Wasserstoffautos?

Wie bei jeder Antriebstechnologie gibt es sowohl Vor- als auch Nachteile. Wir haben die prägnantesten Aspekte des Wasserstoffantriebs rausgesucht.

Vorteile des Wasserstoffantriebs

Der bedeutendste Vorteil ist, dass durch den Einsatz einer Brennstoffzelle der elektrische Strom ohne jegliche Emission von Schadstoffen erzeugt wird. Durch die Reaktion von Wasserstoff-Protonen, Elektronen und Sauerstoff entsteht neben einem elektrischen Strom und etwas Wärme lediglich ein weiteres, vollkommen ungefährliches Produkt: Wasser.

Somit verhält sich ein Wasserstoffauto ebenso wie ein Elektrofahrzeug während seiner Fahrtzeit vollkommen CO2-neutral. Ein flächendeckender Einsatz von Wasserstofffahrzeugen kann vor allem in Innenstädten die Schadstoffbelastung deutlich reduzieren. Dabei erreicht ein Brennstoffzellenauto einen Wirkungsgrad von bis zu 65 Prozent, der etwa doppelt so hoch ausfällt wie der eines Autos mit Verbrennungsmotor.

Darüber hinaus ist das Fahrgefühl nahezu identisch mit dem eines reinen Elektroautos. Der Tankvorgang jedoch gleicht eher dem eines Fahrzeugs mit Diesel- oder Benzinmotor. Während ein Elektroauto noch über mehrere Stunden an einer Ladesäule geladen werden muss, kann ein Wasserstofffahrzeug innerhalb weniger Minuten betankt werden.

Die Transportmöglichkeit des Wasserstoffs ist ebenfalls mit fossilen Kraftstoffen vergleichbar. Wasserstoff kann in geeigneten Tanks per LKW geliefert und an den Tankstellen unterirdisch gelagert werden, wie auch Benzin und Diesel.

Nachteile von Wasserstoffautos

Zwar sind Wasserstoffautos in ihrem Betrieb emissionsfrei und effizient unterwegs, die Herstellung von Wasserstoff hingegen ist nicht unkompliziert. Wasserstoff liegt in der Natur nicht in reiner Form vor, sondern muss durch aufwendige Verfahren hergestellt werden. Im gesamten Prozess der Wasserstofferzeugung bis hin zur Umwandlung in elektrische Energie, ergibt sich ein Wirkungsgrad von nur 29 bis 32 Prozent. Damit ist das Wasserstoffauto nur geringfügig effizienter als ein Verbrenner.

Darüber hinaus ist das Netz an Wasserstofftankstellen noch sehr überschaubar, in Deutschland gibt es derzeit lediglich 91 Wasserstofftankstellen. Zum Vergleich: Im Jahr 2021 wurden 14.459 Tankstellen für fossile Treibstoffe gezählt. Ein Großteil der Wasserstofftankstellen befindet sich in der näheren Umgebung größerer Städte im Westen Deutschlands, vor allem im Nordosten sind bislang kaum Wasserstofftankstellen eröffnet.

Die Kosten für den Bau einer Wasserstofftankstelle wird derzeit auf etwa eine Million Euro geschätzt – für potentielle Betreiber nicht gerade attraktiv. Durch Skaleneffekte könnten Kosten zwar auf etwa 400.000 Euro pro Tankstelle gesenkt werden, es liegt allerdings ein typisches Henne-Ei-Problem vor: Ohne Wasserstofftankstellen keine Fahrer mit Wasserstoffautos, ohne Autos keine Notwendigkeit für diese Tankstellen. Hinzu kommt, dass der Markt an Wasserstofffahrzeugen klein ist und die Autos ziemlich hochpreisig sind.

Außerdem wird Wasserstoff entweder in flüssiger Form bei etwa -253 Grad Celsius oder im gasförmigen Zustand unter sehr hohem Druck (zwischen 350 und 700 bar) gelagert. Demnach müssen die Tanks entweder extrem druckfest oder sehr gut isolierend konstruiert sein, um Verluste zu verhindern.

Ein weiterer Nachteil ist, dass Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff in bestimmten Mischungsverhältnissen ein hochentzündliches Knallgas bildet. Bei Entzündung führt das zu einer gefährlichen Situation für die nähere Umgebung. Im Falle eines Unfalls oder durch Funken während des Tankvorgangs kann eine solche Entzündung beispielsweise entstehen. Allerdings: Wasserstoff ist auch extrem flüchtig und eine explosive Zündung generell ziemlich unwahrscheinlich. Dennoch müssen Tankstellen und Tanks entsprechend gesichert sein.

Das Tanken von Brennstoffzellen-Autos geht ähnlich schnell und unkompliziert wie bei herkömmlichen Verbrennern. (Bild: Hyundai)

Wie umweltverträglich sind Wasserstoffautos?

Anders als Erdöl lässt sich Wasserstoff nicht einfach als vorliegender Rohstoff fördern, sondern muss aus anderen chemischen Verbindungen gewonnen werden. Eine Möglichkeit hierfür ist die chemische Produktion von Wasserstoff mithilfe von kleinen Reformern, Dampfreformierung oder partieller Oxidation.

Es gibt jedoch auch andere Verfahren der Wasserstoffherstellung, darunter die Herstellung mittels Elektrolyse oder aus Biomasse. Doch unabhängig vom verwendeten Verfahren gilt: Es ist ein hoher Energieeinsatz notwendig, um Wasserstoff in seiner Reinform zu gewinnen.

Im schlimmsten Fall können allein bei der Herstellung von Wasserstoff Verluste von bis 50 Prozent vorliegen. In der Gesamtbetrachtung kann die CO2-Bilanz eines Wasserstoffantriebs um den Faktor zehn schlechter sein als die eines reinen Elektroantriebs. Wichtig ist, mit welcher Energie Wasserstoff hergestellt wird. Nutzt man dazu Erdgas, ist die Bilanz schlecht. Wird der Wasserstoff aber mit erneuerbaren Energiequellen hergestellt, ist die Bilanz hingegen nur unwesentlich schlechter als bei der Energiebereitstellung vollelektrischer Fahrzeuge.

Welche Modelle gibt es?

Ein Wasserstoffauto klingt nach einer guten Alternative zum reinen Elektroauto. Eins haben die wenigen verfügbaren Modelle allerdings gemeinsam: Sie sind deutlich teurer als Elektroautos. Zwar würde auch für Brennstoffzellenautos die BAFA-Förderung greifen, allerdings sind die Fahrzeuge so teuer, dass sie über der Obergrenze der Förderung liegen. Ende 2020 waren in Deutschland aber gerade einmal knapp über 500 Brennstoffzellenfahrzeuge zugelassen – eine verschwindet geringe Anzahl. Diese Fahrzeuge gibt es gerade am Markt:

Hyundai Nexo

Der Hyundai Nexo wirkt auf den ersten Blick wie ein normaler SUV und macht nicht sonderlich darauf aufmerksam, dass eine Brennstoffzelle in ihm steckt. Der Tank des im Jahr 2018 vorgestellten Kompakt-SUVs fasst bis zu 6,33 Kilogramm Wasserstoff, was ihm eine Reichweite von bis zu 750 Kilometern ermöglicht. Der Elektromotor leistet 120 Kilowatt (163 PS) und sorgt damit für flotten Vortrieb. Ende 2020 waren etwa 350 Exemplare in Deutschland zugelassen. Günstig ist das Wasserstoff-SUV allerdings nicht, sein Grundpreis liegt bei etwa 77.000 Euro.

Kompakt-SUV mit Brennstoffzelle und hohem Anschaffungspreis: Hyundai Nexo (Bild: Hyundai)

Toyota Mirai

Der Toyota Mirai ist der Vorreiter der für Privatkunden erhältlichen Serienfahrzeuge mit Wasserstoffantrieb. Weltweit hat der japanische Hersteller bereits etwa 12.000 Exemplare verkauft und ist damit absoluter Spitzenreiter. Im Jahr 2015 wurde der Mirai auch in Deutschland vorgestellt. Im Gegensatz zum Hyundai Nexo hebt sich der 134 Kilowatt (182 PS) starke Mirai auch optisch deutlich von anderen Fahrzeugen ab und sticht mit einem futuristischen Design aus der Masse hervor.

Seit 2021 gibt es die Limousine in der zweiten Generation zu einem Preis ab etwa 64.000 Euro zu kaufen. Damit liegt er knapp unter der Obergrenze für die BAFA-Förderung und Käufer könnten beim Kauf ca. 7.500 Euro sparen. Der Tank bietet Raum für bis zu 5,6 Kilogramm Wasserstoff, was in einer maximalen Reichweite von etwa 650 Kilometern resultiert.

Mercedes GLC F-Cell

Mit dem GLC F-Cell hatte auch der deutsche Premiumhersteller Daimler bis April 2020 ein Wasserstofffahrzeug im Sortiment. Den GLC F-Cell gab es allerdings nicht zu kaufen, sondern lediglich für knapp 800 Euro zu mieten. Dieses Angebot war jedoch nur Politikern und Wirtschaftspartnern vorbehalten. Im Gegensatz zu den beiden Wettbewerbern lässt sich der GLC F-Cell auch über ein externes Kabel aufladen. Genau genommen ist das Auto eigentlich ein Wasserstoff-Plug-In-Hybrid-SUV. Mit maximal 4,4 Kilogramm Wasserstoff im Tank gelangt er auf eine Reichweite von etwa 430 Kilometern.

Weitere Projekte

Wer aktuell ein Wasserstoffauto kaufen möchte, der hat nur die Wahl zwischen dem Toyota Mirai und dem Hyundai Nexo. Doch auch andere Marken forschen weiter an Brennstoffzellenantrieben und planen in den nächsten Jahren Markteinführungen entsprechender Modelle.

Ein Beispiel hierfür ist die Wasserstoff-X5-Variante von BMW. Unter dem Namen „BMW i Hydrogen Next“ hatte BMW das Projekt bereits im Jahr 2019 angekündigt, ab 2022 soll das Fahrzeug in Kleinserie vom Band laufen. Auch Audi arbeitet intensiv an der Wasserstofftechnologie und treibt die Entwicklungen unter der Bezeichnung „h-tron“ voran.

Der Audi A7 Sportback h-tron quattro ist eine Wasserstoff-Technikstudie der Ingolstädter. (Bild: Audi)

Was kostet ein Wasserstoffauto?

Die hohen Entwicklungskosten der Wagen und die niedrigen Stückzahlen führen zu höheren Anschaffungskosten von Wasserstofffahrzeugen. Die beiden in Deutschland käuflichen Modelle liegen zudem in Preisbereichen, die sich teilweise über der Förderungsobergrenze befinden. Zusätzlich ist der Wasserstoffpreis noch vergleichsweise hoch, sodass die Energiekosten um etwa 40 Prozent höher sind als bei einem Benziner.

Einen Vorteil liegt dagegen bei der KFZ-Steuer, denn Wasserstoffautos sind nach Erwerb für zehn Jahre von der KFZ-Steuer befreit. Darüber hinaus profitieren gewerbliche Kunden von attraktiven Förderprogrammen, die den Umstieg auf ein Wasserstoffauto finanziell etwas erleichtern.

Wasserstoffantrieb – Wasser(stoff) marsch für emissionsfreie Mobilität?

Auf den ersten Blick scheint der Wasserstoffantrieb eine sehr attraktive Lösung für eine emissionsfreie Mobilität zu sein. Er verbindet die Vorzüge des schnellen und unkomplizierten Tankvorgangs eines Verbrenners und das Fahrgefühl eines Elektroautos. Der Ausstoß reduziert sich dabei lediglich auf harmloses Wasser.

Allerdings ist die Herstellung von Wasserstoff derzeit noch sehr energieintensiv, sodass das Wasserstoffauto je nach Energiequelle bei seiner CO2-Bilanz hinter einem reinen Elektroauto liegt. Außerdem sind Tankstellennetz und Modellangebot zum aktuellen Zeitpunkt kaum vorhanden. Das wird sich auch in den nächsten Jahren nicht signifikant ändern, spannend bleibt die Entwicklung aber dennoch.

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