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Weniger Schadstoffe, weniger Lärm, dynamische Fahrweise – elektrisch betriebene Fahrzeuge bieten viele Vorteile für Kunde und Umwelt. Ist von Elektromobilität (➜ Lesen Sie auch: E-Auto-Mythen) die Rede, denken die meisten an Fahrzeuge, die mit Strom aus der Steckdose gespeist werden und über einen großen Akku verfügen. Dabei gibt es eine weitere spannende Antriebstechnologie, von der sich Verkehrsexperten viel versprechen, eine emissionsfreie Alternative ohne lange Ladezeiten. Gemeint ist der wasserstoffelektrische Antrieb, auch Brennstoffzellenantrieb genannt.
7 Fragen und Fakten zu Wasserstoffautos
1. Wie funktioniert der Wasserstoffantrieb?
2. Die Vorteile und Potenziale von Wasserstoffautos
3. Wie viel kostet ein Wasserstofffahrzeug – und warum?
4. Wie umweltverträglich und nachhaltig ist der Wasserstoffantrieb?
5. Gibt es Risiken beim Wasserstoffantrieb?
6. Welche Rolle wird der Wasserstoffantrieb künftig spielen?
Wie funktioniert der Wasserstoffantrieb?
Wasserstoffautos werden von einem Elektromotor angetrieben. Deshalb zählen auch sie zu den E-Autos. Die gängige Abkürzung lautet FCEV für „Fuel Cell Electric Vehicle“ (Fuel Cell = Englisch für Brennstoffzelle) – in Abgrenzung zu batteriebetriebenen Elektroautos, den Battery Electric Vehicles, kurz BEV.
Entscheidender Unterschied zu anderen Elektrofahrzeugen: Wasserstofffahrzeuge produzieren den Strom selbst. Sie beziehen die Energie also nicht aus einer eingebauten Batterie wie etwa bei rein elektrischen Fahrzeugen oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen, die an einer externen Stromquelle aufgeladen werden können (➜ Lesen Sie auch: Alle Arten von Elektroautos). Vielmehr haben Wasserstoffautos sozusagen ihr eigenes effizientes Kraftwerk an Bord, das den getankten Wasserstoff in Strom umwandelt. Und dieses Kraftwerk ist die Brennstoffzelle.
In der Brennstoffzelle läuft ein Prozess ab, die sogenannte umgekehrte Elektrolyse. Dabei reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff. Der Wasserstoff kommt aus einem oder mehreren Tanks im Auto, der Sauerstoff stammt aus der Umgebungsluft. Das Einzige, was bei dieser Reaktion herauskommt, sind elektrische Energie, Wärme und Wasser, das als Wasserdampf durch den Auspuff austritt – ganz ohne Emissionen.
Der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom nimmt – abhängig vom Bedarf in der konkreten Fahrsituation – zwei Wege: Er fließt zum Elektromotor und treibt direkt das Fahrzeug an. Und/Oder er lädt eine Batterie, die als Zwischenspeicher dient, bis die Energie für den Antrieb benötigt wird. Diese sogenannte Leistungspuffer-Batterie fällt deutlich kleiner und somit leichter aus als die Batterie eines vollelektrischen Autos, denn sie wird fortwährend aus der Brennstoffzelle nachgespeist.
Wie andere E-Autos (➜ Lesen Sie auch: Alles über das Aufladen von E-Autos) auch können Wasserstofffahrzeuge Bremsenergie zurückgewinnen („rekuperieren“). Dabei wandelt der Elektromotor die Bewegungsenergie des Autos in elektrische Energie um und speist sie in die Puffer-Batterie.
Die Vorteile und Potenziale von Wasserstoffautos
Wasserstoffautos werden rein elektrisch angetrieben und fahren lokal emissionsfrei. Das Fahrgefühl gleicht also dem der Elektroautos. Bedeutet: eine dynamische, nahezu geräuschlose Beschleunigung, da Elektromotoren schon bei niedrigen Drehzahlen das volle Drehmoment (➜ Lesen Sie auch: Alles zum Drehmoment) zur Verfügung stellen.
Der Hauptvorteil – und größte Wettbewerbsvorteil – ist die kurze Tankdauer. Anders als bei der modell- und infrastrukturabhängigen Ladezeit von E-Autos ist der Wasserstofftank eines BMW iX5 Hydrogen (Pilotflotte) in lediglich drei bis vier Minuten wieder vollgetankt. Damit haben die Fahrzeuge die gleiche Verfügbarkeit und Flexibilität wie konventionelle Autos.
Wasserstofffahrzeuge haben eine ähnlich große Reichweite wie E-Autos mit sehr großen Batteriespeichern. Eine Wasserstoffbetankung im BMW iX5 Hydrogen genügt für 504 Kilometer (nach WLTP (➜ Lesen sie auch: Das bedeutet WLTP)). Die Reichweite von Wasserstofffahrzeugen ist unabhängig von der Außentemperatur, sie verschlechtert sich bei kaltem Wetter also nicht.
Um der zunehmenden Nachfrage nach elektrischen Ladestationen für alle BEVs gerecht zu werden, können Wasserstoffantriebe dabei helfen, die Infrastruktur auf eine breitere Basis zu stellen. Zudem ist Wasserstoff eine der effizientesten Möglichkeiten, erneuerbare Energien zu speichern und zu transportieren, und spielt damit eine wichtige Rolle für die zukünftige Energieversorgung.
FCEVs nutzen den gleichen elektrischen Antriebsstrang wie BEVs, sie unterscheiden sich jedoch in der Art der Energiespeicherung. Durch die Vermarktung von Wasserstoffautos profitieren damit sowohl Brennstoffzellen- als auch Batterietechnologien gleichermaßen – was langfristig Kosten senkt.
Potenziale: Wasserstoff wird an speziellen Zapfsäulen getankt. Diese Infrastruktur wird stetig weiter ausgebaut – weltweit. Studien für Deutschland zeigen, dass eine Infrastruktur mit Elektrolade- und Wasserstofftankstellen insgesamt günstiger ist als eine reine Elektroladeinfrastruktur. Um den Ausbau der Infrastruktur voranzutreiben, haben sich Fahrzeughersteller wie BMW mit Wasserstofferzeugern und Tankstellenbetreibern in der Initiative Clean Energy Partnership zusammengeschlossen. Die Planung und der Betrieb von Wasserstofftankstellen in Deutschland läuft über H2 MOBILITY.
Wie viel kostet ein Wasserstofffahrzeug – und warum?
Die wenigen bereits am Markt verfügbaren Modelle mit Brennstoffzellenantrieb kosten – noch – mehr als vergleichbare E-Autos mit Batterie oder Verbrenner.
Die Gründe für den aktuell noch höheren Preis von Wasserstoffautos sind vielfältig. Neben der noch ausstehenden Industrialisierung in der Produktion spielt auch der Bedarf an Platin eine Rolle. Das Edelmetall dient bei der Stromerzeugung als Katalysator. Die Menge an benötigtem Platin für Auto-Brennstoffzellen konnte aber bereits stark reduziert werden; zudem kommt Platin auch vermehrt durch das Recycling von Katalysatoren zurück in den Materialkreislauf. Auch die geringen Stückzahlen sind ein Grund, jedoch ein temporärer. Denn da der Einsatz der Wasserstofftechnologie für viele Anwendungen sehr ähnlich ist – zum Beispiel bei Nutzfahrzeugen, Zügen, Flugzeugen oder auch stationären Lösungen –, kann von Stückzahleneffekten ausgegangen werden. Auch weil es eine geringere Rohmaterialabhängigkeit gibt als bei BEVs.
Neben den Anschaffungskosten spielen die Betriebskosten eine wichtige Rolle bei der Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz einer Antriebstechnologie. Sie hängen bei einem Wasserstoffauto nicht zuletzt vom Preis des Treibstoffs ab. Aktuell kostet ein Kilogramm Wasserstoff rund 14 Euro. Mit einem Kilogramm Wasserstoff kann ein Brennstoffzellenauto ungefähr 100 Kilometer weit fahren. Somit sind die Kilometerkosten eines Wasserstoffautos aktuell ungefähr so hoch wie bei Verbrennerfahrzeugen. Wenn die Produktion von Wasserstoff wie derzeit absehbar weltweit steigt, könnte der Kilogrammpreis in Deutschland bis zum Jahr 2030 durchaus auf etwa 4 bis 6 Euro sinken.
Wie umweltverträglich und nachhaltig ist der Wasserstoffantrieb?
Ein Auto, das nur mit regenerativen Energien betrieben wird und keine schädlichen Emissionen erzeugt – das wäre aus ökologischer Sicht der Idealfall. Wie nah kommt das Brennstoffzellenauto diesem Ziel im Vergleich zu anderen Antriebsarten?
Alternative Antriebe sollen gesetzlich den Ausstoß von Schadstoffen reduzieren, insbesondere des klimaschädlichen CO2, aber auch von gesundheitsschädlichen Gasen wie den Stickoxiden. Die Abluft eines Wasserstoffautos besteht aus reinem Wasserdampf. Der Brennstoffzellenantrieb ist also lokal emissionsfrei. So hält er die Luft in den Städten sauber. Aber schont er damit zugleich das Klima?
Das hängt davon ab, unter welchen Bedingungen der Wasserstoff produziert wurde. Zur Wasserstoffherstellung benötigt man elektrische Energie. Der Strom zerlegt im Prozess der Elektrolyse Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Stammt der verwendete Strom aus erneuerbaren Energien, hat die Wasserstoffproduktion eine neutrale Klimabilanz. Werden hingegen fossile Brennstoffe verwendet, schlägt sich das letztlich auch negativ auf die Klimabilanz eines Wasserstoffautos nieder. Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt vom verwendeten Strommix ab. Hier unterscheidet sich das Wasserstoffauto nicht von anderen Elektrofahrzeugen.
Nachteilig an der Herstellung von Wasserstoff sind die Verluste bei der Elektrolyse. Der Wirkungsgrad der gesamten Energiekette – von der Herstellung des Stroms bis zum Betreiben des Fahrzeuges – ist momentan noch nur halb so hoch wie bei einem BEV. Betrachtet man den gesamten Lebenszyklus von FCEVs und BEVs, liegen sie jedoch nah beieinander.
- Jedoch kann der Wasserstoff zu Zeiten hergestellt werden, in denen ein Überangebot an Strom aus erneuerbaren Energiequellen herrscht, weil die aktuell produzierte Wind- oder Solarenergie nicht anderweitig genutzt wird. Das Potenzial hierfür ist riesig. Wasserstoff entsteht auch als Nebenprodukt bei zahlreichen industriellen Prozessen – und wird zu oft als Abfall behandelt, also nicht weiter genutzt. Hier bieten Brennstoffzellenantriebe eine Möglichkeit zum Upcycling des Wasserstoffs. Bei der Wasserstoffherstellung aus fossilen Brennstoffen gibt es zudem noch die Möglichkeit, das entstehende CO2 zu speichern („Carbon Capture and Storage“) oder sogar zu nutzen („Carbon Capture and Utilization“) – dieser Wasserstoff wird als „blauer“ Wasserstoff bezeichnet.
- Zur Energiebilanz von Brennstoffzellenautos gehören auch der Transport und die Lagerung des Wasserstoffs. Je nach verwendeter Transporttechnologie (flüssig vs. gasförmig) entstehen unterschiedliche Aufwände für Kompression, Kühlung, Transport und Speicherung. Dennoch sind der Transport und die Lagerung von Wasserstoff ein gutes Stück aufwendiger und damit energieintensiver als bei Benzin oder Diesel. Im Gegensatz zu fossilen Treibstoffen lässt sich Wasserstoff aber überall herstellen, wo Strom und Wasser verfügbar sind, sogar unmittelbar an Tankstellen, wie Beispiele in Antwerpen (Belgien) und Fürholzen (Deutschland) zeigen. Eine weiter ausgebaute Infrastruktur könnte die Transportwege in Zukunft also deutlich verkürzen.
Fazit: Der Wasserstoffantrieb hat das Potenzial, eine ökologisch nachhaltige Mobilität zu ermöglichen. Voraussetzung dafür sind jedoch insbesondere die Verwendung regenerativer Energien bei der Herstellung des Wasserstoffs sowie ein Ausbau der technischen Infrastruktur, um kürzere Transportwege zu erreichen.
Gibt es Risiken beim Wasserstoffantrieb?
Was passiert, wenn Wasserstoff unkontrolliert mit Sauerstoff reagiert? Das wissen viele aus dem Chemieunterricht: Es kommt zu einer Knallgasreaktion. Wasserstoff ist also entzündbar. Um eine unkontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff im Betrieb eines Brennstoffzellenautos zu verhindern, wird der Wasserstoff im Fahrzeug gasförmig in dickwandigen Tanks gespeichert, die besonders sicher sind. Zahlreiche Crashtests haben die Sicherheit dieser Konstruktion bestätigt: Weder wurden die Tanks beschädigt, noch trat Wasserstoff aus.
Und nicht zu vergessen: Die Wasserstofftechnologie ist nicht neu, sondern hat sich in vielen Bereichen längst bewährt. So setzen beispielsweise Raffinerien heute schon große Mengen Wasserstoff als Prozessgas in der Verarbeitung des Rohöls ein. Auch Pipelines und Speicher für Wasserstoff sind seit Jahrzehnten in Betrieb. Es gilt wie immer bei BMW: Sicherheit steht an erster Stelle. Wasserstofffahrzeuge erfüllen die gleichen hohen Sicherheitsstandards wie alle anderen Fahrzeuge des Konzerns.
Welche Rolle wird der Wasserstoffantrieb künftig spielen?
BMW ist davon überzeugt, dass Wasserstoff einen zunehmend wichtigeren Beitrag zu nachhaltiger Mobilität als Ergänzung zu Batteriefahrzeugen leisten kann – wenn die geeignete Wasserstoffinfrastruktur mit einem günstigen Wasserstoffpreis zur Verfügung steht und der Fahrzeugpreis sinkt. In diesem Fall können FCEVs die Null-Emissionen-Technologie sein, die den Nutzern erlaubt, ihre flexiblen Fahrgewohnheiten beizubehalten. Wichtig ist: BMW sieht FCEVs als Ergänzung zu den batteriebetriebenen E-Autos, nicht als Konkurrenz. Und: Für Autofahrer, die viel unterwegs sind und hohe Anforderungen an die Flexibilität haben, wird ein FCEV eine passende Antwort sein. BMW prüft zudem den Einsatz der Wasserstofftechnologie bei der Produktion und in der Logistik.
Dieser Überzeugung ist auch der Hydrogen Council, eine weltweite Initiative von Mitgliedern aus führenden Energie-, Transport- und Industrieunternehmen. Der Hydrogen Council sieht Wasserstoff in der Zukunft nicht nur als nachhaltigen Antrieb für Fahrzeuge, sondern auch als sauberen Energieträger für Wärme, Strom und die Industrie.
Laut einem Bericht der IEA (International Energy Agency) besitzt Wasserstoff ein großes Potenzial als Energieträger der Zukunft im Rahmen der weltweiten Aktivitäten zur Energiewende. Durch seine Speicher- und Transportfähigkeit lässt sich Wasserstoff in unterschiedlichsten Anwendungen einsetzen.
Ausblick: Der Kunde hat die Wahl
Jeder Autofahrer hat unterschiedliche Bedürfnisse und Wünsche für seine Mobilität. Oliver Zipse, Vorstandsvorsitzender der BMW AG, drückt es so aus: „Für uns steht die Frage im Mittelpunkt: Welche Antriebe und Technologien wollen unsere Kunden in Zukunft? Und wie erreichen wir dabei das beste Ergebnis für den Klimaschutz?“
Die Antwort von BMW ist die Technologie-Offenheit gegenüber den verschiedenen Antriebskonzepten und Wasserstoff wird dabei als vielseitige Energiequelle eine Schlüsselrolle bei der Energiewende spielen. „Wir sollten das Potenzial des Wasserstoffs nutzen, um auch die Transformation des Mobilitätssektors zu beschleunigen. Wasserstoff ist das fehlende Puzzleteil für emissionsfreie Mobilität, denn eine einzige Technologie wird nicht ausreichen, um klimaneutrale Mobilität weltweit zu ermöglichen“, sagt Zipse.
Autor: Nils Arnold; Art: Lucas Lemuth; Illustrationen: Cyprian Lothringer; Fotos: BMW
