Wie funktioniert der Brennstoffzellenantrieb? Bietet er eine tatsächliche Alternative zur „klassischen“ Elektromobilität? Und wie steht es um das Tankstellennetz für Wasserstofffahrzeuge? Wir werfen für Sie einen Blick auf das Wasserstoffauto und stellen Ihnen diese besondere Form des E-Autos vor.
Was ist ein Wasserstoffauto?
Für den Antrieb in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen sorgt eine Brennstoffzelle. Ihr „Treibstoff“ ist gasförmiger Wasserstoff. In einem chemischen Prozess reagiert er mit Sauerstoff. Dabei wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie als Strom freigegeben, der dann einen Elektromotor antreibt. Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist daher ein Elektrofahrzeug, das keine schädlichen Emissionen erzeugt. Beim Fahren im Wasserstoffauto setzen Sie als „Abgas“ lediglich etwas Wasserdampf frei.
Reichweite und Wirkungsgrad von Wasserstoffautos
Es gibt bereits leistungsfähige Brennstoffzellenfahrzeuge, die Reichweiten von bis zu 700 Kilometern ermöglichen. Zum Vergleich: Die reichweitenstärksten E-Autos schaffen zwischen 420 und 650 Kilometer. Warum ist das so? Die Brennstoffzelle ist ein sehr effizienter Antrieb. Ihr elektrischer Wirkungsgrad liegt als Einzelkomponente bei etwa 83 Prozent. Dieser gibt an, wie effizient die verbrauchte Energie genutzt werden kann. Bei einem Wasserstoffauto liegt der Wirkungsgrad bei etwa 50 Prozent.
Zum Vergleich: Ein Verbrennungsmotor erreicht nur einen Wirkungsgrad von 25 bis 35 Prozent. Der Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellenfahrzeugs liegt heute schon über dem eines herkömmlichen Pkw – trotz des Energieaufwands für die Produktion des Wasserstoffs.
Gut zu wissen: Verbrauch und Tankvolumen werden bei Wasserstoffautos in Kilogramm angegeben – und nicht wie bei Verbrennern üblich in Litern.
Wasserstoffpaste: Die „Powerpaste“ zur Wasserstoffspeicherung
Für viele Mobilitäts-Expert*innen ist Wasserstoff der Kraftstoff der Zukunft. Doch die Anwendung im Mobilitätssektor ist aufwendig – nicht zuletzt, weil die in den Fahrzeugen verbauten Wasserstofftanks einem Druck von 700 Bar standhalten müssen. Daher war die Technologie für kleine Fahrzeuge wie E-Roller bislang eher ungeeignet.
Das könnte sich nun ändern: Forscher*innen vom Fraunhofer-Institut in Dresden haben eine Methode entwickelt, um Wasserstoff unter Normaldruck mithilfe von Magnesium in einer Paste zu binden. Darüber hinaus bietet die „Powerpaste“, bzw. Wasserstoffpaste, noch weitere Vorteile. Dazu zählt zum Beispiel, dass die Paste lange haltbar ist und über eine sehr hohe Energiedichte verfügt.
Wie funktioniert der Brennstoffzellenantrieb?
Das Herz der Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden: der Anode und der Kathode. Sie sind durch einen Elektrolyten voneinander getrennt. Dieser ist für Gase undurchlässig. Beide Elektroden sind mit einem Katalysator, beispielsweise aus Nickel oder Platin, beschichtet.
So funktioniert die Zelle am Beispiel der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle: Der Anode wird Wasserstoff (H₂) zugeführt, der Kathode Sauerstoff (O₂). Da der Wasserstoff von sich aus mit dem Sauerstoff zu Wasser reagieren will, braucht es keine Energie von außen. Deshalb sprechen Fachleute von „kalter Verbrennung“. Dabei wird Strom erzeugt und als „Abgas“ bleibt Wasserdampf.
Ein Vorteil bei der kalten Verbrennung: Es entstehen keine Stickoxide oder andere unerwünschte Verbrennungsprodukte. Zurzeit kommen fast ausschließlich Niedertemperatur-Brennstoffzellen infrage, die typischerweise bei Temperaturen zwischen 0 und 100 Grad Celsius arbeiten.
Bei der Fahrt sind Brennstoffzellenfahrzeuge nahezu lautlos. Im Unterschied zur Batterie bietet die Brennstoffzelle den Vorteil eines kontinuierlichen Betriebs über einen langen Zeitraum ohne zwischenzeitliches elektrisches Aufladen. Fahrzeuge mit Brennstoffzelle können große Mengen Wasserstoff mitführen, ohne dass sich ihr Gewicht signifikant erhöht.
Der „Treibstoff“ von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen ist gasförmiger Wasserstoff.
Wie zukunftsfähig sind Wasserstofffahrzeuge?
Aktuell setzen die Deutschen bei ihrer Mobilität noch zu großen Teilen auf fossile Energieträger. So verursacht der Verkehr rund 24,1 Prozent der Kohlendioxid-Emissionen in Deutschland (Stand 2023). Immerhin: Der Anteil an Elektroautos steigt. So war zuletzt etwa jede dritte Neuzulassung ein E-Auto. Doch um die gesteckten Klimaziele zu erreichen, ist das nicht genug.
Die Bundesregierung will mit einem millionenschweren Paket die Wasserstoffmobilität voranbringen. Ziel ist es, Deutschland zu einem führenden Ausrüster für moderne Wasserstofftechnologien zu machen. Mit der Entwicklung einer Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) hat die Bundesregierung darüber hinaus einen Handlungsrahmen für die Produktion, den Transport sowie die Nutzung von Wasserstoff geschaffen. Im Jahr 2023 wurde die Wasserstoffstrategie aktualisiert, um die Wasserstoffkapazität im Land bis 2030 auf 10 Gigawatt zu erhöhen und ein entsprechendes Leitungsnetz zu entwickeln.
Zusätzlich soll durch das im April 2016 vorgestellte Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP II) die Serienproduktion von Brennstoffzellenautos angekurbelt und das Tankstellennetz erweitert werden. Seit 2016 wurden im Rahmen von NIP II zahlreiche Projekte gefördert, die die Entwicklung marktreifer Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien vorantreiben.
Ein wichtiger Teil der aktuellen Maßnahmen ist das „HyLand“-Programm, das 2019 ins Leben gerufen wurde. Es zielt darauf ab, regionale Wasserstoffkonzepte in Deutschland zu unterstützen. Bis 2021 wurden zahlreiche spezifische Förderaufrufe gestartet, zum Beispiel für Wasserstofftankstellen, Brennstoffzellenfahrzeugen im öffentlichen Verkehr und Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffproduktion. Sie trugen zu einem deutlichen Ausbau der Infrastruktur und der Verbreitung von Wasserstofftechnologien bei. 2021 wurde der Maßnahmenkatalog angepasst, um Projekte in den Bereichen „Verkehr“, „Wasserstoffproduktion“, „Stationäre Energieversorgung“ und „Querschnittsaufgaben (Synergien mehrerer Märkte)“ weiter voranzutreiben.
Gleichzeitig gibt es viel Kritik an der Brennstoffzellentechnologie – nicht zuletzt, da Wasserstoff erst unter hohem Energieaufwand gewonnen werden muss. Das macht die Herstellung teuer und aufwendig. Auch die Umweltfreundlichkeit wird in Frage gestellt.
Wenn viel Wind- oder Solarenergie zur Verfügung steht, kann mit der Wasserelektrolyse, also der Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, die dazu erforderliche Energie aus dem Stromnetz entnommen und in Form von Wasserstoff gespeichert werden.
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Wie sicher sind Wasserstoffautos?
Wasserstoffautos bieten grundsätzlich dieselben Sicherheitsstandards wie benzin-, erdgas-, diesel- und batteriebetriebene Fahrzeuge. Nichtsdestotrotz erfordert das Element Wasserstoff besondere Sicherheitsvorkehrungen, da es unsichtbar und flüchtig ist. Außerdem unterscheidet sich die Zündfähigkeit im Vergleich zu Benzin: Wasserstoff ist zwar hochentzündlich, aber ohne konkreten Auslöser und einer Zündquelle kommt es nicht zur Explosion.
Die Verordnung (EG) Nr. 79/2009 regelt die Typgenehmigung von Fahrzeugen mit Wasserstofftechnologie. Sie umfasst strenge Sicherheitsanforderungen und verschiedene Prüfungen wie Druck-, Dichtigkeits-, Berst- und Feuersicherheitsprüfungen. Die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff kann unkontrolliert und entflammbar sein. Die sogenannte Knallgasreaktion tritt allerdings erst auf, wenn ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff mit einem Sauerstoffanteil von mindestens 4 Prozent vorliegt. Um das zu vermeiden, wird der Wasserstoff in speziell gesicherten, robusten Tanks gelagert.
Übrigens: Die europäischen Sicherheitsnormen für Crashtests sind auch für Wasserstofffahrzeuge gültig. Der Wasserstoff wird gasförmig in druckfesten Tanks gespeichert. So werden unkontrollierte Reaktionen mit Sauerstoff vermieden. Die Sicherheit wurde in Crashtests bestätigt: Nur ein Totalschaden führt zur Beschädigung des Wasserstofftanks und zur Freisetzung von Wasserstoff.
Mit anderen Worten: Wasserstoff-Brennstoffzellenautos sind weitestgehend sicher und erfüllen strenge Sicherheitsstandards. Die bewährte Technologie und spezielle Sicherheitsvorkehrungen wie die Verwendung von robusten Tanks gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb. Ob in Raffinerien oder Pipelines – Wasserstofftechnologie kommt daher bereits in vielen verschiedenen Bereichen zum Einsatz.
Wie umweltfreundlich ist die Wasserstofftechnologie?
Die Wasserstofftechnologie könnte sich als vielversprechend erweisen, da bei der Umwandlung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle im Auto ausschließlich Wasserdampf entsteht. Wasserstoff speichert Energie, kann gelagert und transportiert werden. Mit ihm lassen sich die Erzeugung und die Verwendung von Energie räumlich und zeitlich trennen. Damit der Rohstoff aber tatsächlich umweltschonend ist, kommt es auf den Einsatz erneuerbarer Energien bei der Herstellung von Wasserstoff an.
Durch grünen Wasserstoff eröffnet sich die Möglichkeit, per Windkraft oder Photovoltaik erzeugte Energie im Verkehr einzusetzen. Bei grauem Wasserstoff hingegen entsteht bei der Produktion CO2, was den Treibhauseffekt weiter verstärkt. Der Großteil des grünen Wasserstoffs wird aus dem Ausland (beispielsweise Afrika und Nahost) kommen, da in Deutschland die Anlagen fehlen, um Elektrolyseverfahren im großen Stil durchzuführen.
Damit Wasserstoffautos wirklich umweltfreundlich sind, müssen zudem auch die in den Brennstoffzellen verbauten Materialien wie Metalle und Kunststoffe recycelt werden.
Denkbar ist, dass Brennstoffzellenfahrzeuge in Zukunft Elektroautos teilweise ersetzen können, insbesondere an Orten, an denen eine hohe Reichweite der Fahrzeuge gefordert ist.
Wasserstoffmobilität als Stromspeicher
Die H₂-Mobilität bietet interessante Perspektiven für das Speichern von Ökostrom. Weil Stromproduktion und -bedarf durch den Ausbau erneuerbarer Energien zeitlich immer häufiger voneinander abweichen, gewinnen Speichermöglichkeiten an Bedeutung. Wenn viel Wind- oder Solarenergie zur Verfügung steht, kann mit der Wasserelektrolyse, also der Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, die dazu erforderliche Energie aus dem Stromnetz entnommen und in Form von Wasserstoff gespeichert werden.
Diese Art, Wasserstoff als Treibstoff zu nutzen, ist ökologisch sinnvoll und sehr effektiv. Die Elektrolyse erreicht in Pilotprojekten unter Laborbedingungen bereits Wirkungsgrade von 70 bis 80 Prozent. Bisher sind jedoch ein hoher Druck oder sehr niedrige Temperaturen notwendig, um Wasserstoff möglichst kompakt zu speichern. An dieser Hürde arbeiten Wissenschaftler derzeit. Nach aktuellen Berechnungen können in den kommenden Jahren Wirkungsgrade von rund 70 Prozent erreicht werden. Daneben gibt es auch erste Elektroautos, die das bidirektionale Laden ermöglichen. Somit wird die Verknüpfung von Mobilität und Energieerzeugung immer enger.
Wie das Elektroauto wird auch das Wasserstoffauto (hier: Hyundai Nexo) von einem Elektromotor angetrieben.
Welche Wasserstoffautos gibt es auf dem Markt und wie viel kosten sie?
Die Entwicklung des Wasserstofffahrzeugs ist bei Weitem noch nicht so fortgeschritten, wie die des herkömmlichen Stromers. Ein Grund dafür dürfte die kompliziertere Produktion sein. Wenn Sie sich für ein Wasserstoffauto entscheiden möchten, stehen Ihnen aktuell nur zwei Modelle zur Verfügung: der Hyundai Nexo und der Toyota Mirai II. Mercedes führte zwischenzeitlich den GLC F-Cell, der inzwischen jedoch nicht mehr angeboten wird.
Die Kosten für Wasserstoffautos bewegen sich auf einem konstant hohen Niveau. Ein wesentlicher Grund ist die Technik, die äußerst komplex und nicht vollends ausgereift ist. Die Basisversion des Toyota Mirai liegt beispielsweise bei 65.990 Euro. Der Hyundai Nexo ist als Neuwagen ab 77.490 Euro erhältlich.
Gibt es genug Wasserstofftankstellen?
Auch wenn erste Brennstoffzellenfahrzeuge bereits auf dem Markt sind, wird noch viel in die Entwicklung investiert. Vor allem die noch sehr hohen Kosten erschweren vielerorts die Umstellung. Für die stärkere Verbreitung der Technologie muss darüber hinaus ein Tankstellennetz aufgebaut werden. Noch sind die Tankmöglichkeiten für Wasserstoff eingeschränkt, rund 90 Tankstellen gibt es in Deutschland. Laut H2stations.org gibt es weltweit derzeit über 900 Wasserstofftankstellen
Das Betanken eines Wasserstoffautos ist genauso schnell und bequem möglich wie bei einem Verbrenner.
Wie kann ich Wasserstofftankstellen finden?
Die meisten Wasserstofftankstellen befinden sich in der Nähe von Großstädten sowie entlang der Hauptverkehrsrouten. Auf h2.live finden Sie eine Übersichtskarte aller Wasserstofftankstellen in Deutschland und Europa. Die Karte zeigt nicht nur bereits eröffnete Tankstellen, sondern auch Standorte, die derzeit in Planung sind.
Wie kann ich Wasserstoff tanken?
Zunächst benötigen Sie eine Tankkarte, die Sie bei H2 MOBILITY erhalten. Um das Fahrzeug richtig zu betanken, muss außerdem eine dichte Verbindung zwischen der Tankkupplung und dem Fahrzeug hergestellt werden. Die Tankstelle überprüft zunächst die ordnungsgemäße Positionierung der Zapfpistole sowie die Dichtheit der Verbindungsleitung. Falls Probleme auftreten, wird die Betankung nicht gestartet.
Übrigens: Der Wasserstoff wird in flüssiger Form zur Tankstelle transportiert und dort verdichtet. Beim Tanken hat der Kraftstoff eine Temperatur von etwa minus 40 Grad Celsius.
Die Tankstelle regelt den Betankungsvorgang so, dass das Fahrzeug vollständig betankt wird. Eine Überfüllung wird ausgeschlossen. Im Fahrzeugtank sind zudem Sicherheitsventile eingebaut. Sie begrenzen den Druck zuverlässig und gewährleisten so zusätzliche Sicherheit. Die Wasserstoffzapfsäule kommuniziert mit dem Fahrzeug über eine Infrarotschnittstelle, die sich direkt neben dem Tankstutzen befindet. Die Schnittstelle übermittelt der Tankstelle Informationen über den Druck und die Temperatur im Tank. Die Tankstelle überprüft die empfangenen Daten durch einen Vergleich mit ihren eigenen Messungen. Bei signifikanten Abweichungen wird die Betankung unterbrochen oder beendet, um die Ursache der Abweichung zu untersuchen.
Gut zu wissen: Auch das Fahrzeug kann den Betankungsvorgang stoppen. Diese zusätzliche Sicherheitsmaßnahme existiert bei Fahrzeugen mit anderen Kraftstoffen nicht. Nach dem Tankvorgang werden Zapfpistole und Tankschlauch entlastet, wodurch der überschüssige Wasserstoff zurück zur Station geleitet wird. An der Zapfpistole verbleibt nur eine sehr geringe und ungefährliche Restmenge an Wasserstoff. Das Betanken dauert insgesamt ungefähr 3 bis 5 Minuten.
Wie teuer ist Wasserstoff zum Tanken?
An Tankstellen, die grünen Wasserstoff anbieten, ist der Preis niedriger als bei konventionellem Wasserstoff. Jedoch sind solche Tankstellen eher selten. Laut H2 Mobility beträgt der Standardpreis 15,25 Euro pro Kilogramm. Gemäß den Angaben des Tankstellenbetreibers H2 Live gelten folgende Preise an den Tankstellen:
| Druck | Grüner Wasserstoff | Konventioneller Wasserstoff | Hyundai Nexo (Tankinhalt: 6,33 kg) | Toyota Mirai II (Tankinhalt: 5,6 kg) |
| 350 bar | 9 Euro/kg | 12,85 – 13,75 Euro/kg | – | – |
| 700 bar | 11 Euro/kg | 13,85 – 15,25 Euro/kg | Grüner Wasserstoff: 69,63 Euro für Vollbetankung
Konventioneller Wasserstoff: 87,67 – 96,53 Euro für Vollbetankung |
Grüner Wasserstoff: 61,60 Euro für Vollbetankung
Konventioneller Wasserstoff: 77,56 – 85,40 Euro für Vollbetankung |
Sind Wasserstoffautos eine echte Alternative?
Die Wasserstofftechnologie hat das Potenzial, sich zu einer wichtigen Ergänzung zur Elektromobilität zu entwickeln. Autos mit Brennstoffzelle erzeugen mit grünem Wasserstoff keine schädlichen Emissionen, sind nahezu lautlos und weisen beeindruckende Reichweiten vor. Allerdings ist die Herstellung von Wasserstoff energieaufwendig und teuer. Und: Um umweltfreundlich zu sein, muss das Element aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. Zudem ist die Infrastruktur für Wasserstofftankstellen noch ausbaufähig. Sie entwickelt sich zwar weiter, ist aber noch begrenzt.
Langfristig könnte die Wasserstoffmobilität eine wichtige Rolle im Verkehr einnehmen, besonders bei hohen Reichweitenanforderungen. Um sie zu einer massentauglichen und wirtschaftlich wettbewerbsfähigen Option zu entwickeln, sind jedoch noch weitere Investitionen in Forschung, Infrastruktur und Produktion nötig.