Brennstoffzelle

Noch ist nicht entschieden, welcher Kraftstoff die Fahrzeuge der Zukunft antreiben wird. Während fossile Brennstoffe zunehmend aus dem Verkehr gezogen werden sollen, forschen und entwickeln Institute wie Automobilhersteller gleichermaßen am Treibstoff von morgen.

Neben dem batteriebetriebenen Elektroauto (BEV, battery energy vehicle) stellt die auf Wasserstoff basierende Brennstoffzelle (FCEV, fuel cell electric vehicle) eine mögliche Energiewende in Aussicht, um die Elektromobilität flächendeckend zu etablieren.

Wasserstoff als Treibstoff

Anderes als zum Beispiel für die Elektromobilität zentrale Elemente wie Kobalt kommt Wasserstoff nahezu unbegrenzt auf der Erde vor, allerdings nur in gebundener Form – etwa als Wasser in Kombination mit Sauerstoff.

Weil Wasserstoff in reiner Form nicht natürlich vorhanden ist, muss das Gas deshalb zunächst gewonnen werden. Die in Europa am häufigsten genutzte Methode zur Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse – ein Prozess, bei dem Strom durch Wasser geleitet wird, wodurch Wasserstoff als Gas freigesetzt wird.

Ein offener Tankdeckel am Mirai: der Anschluss für den Wasserstoff.
Sieht auf den ersten Blick aus wie ein normaler Tankdeckel: Hier wird der Wasserstoff mit bis zu 700 Bar in den Tank gepresst. Foto: aio

Als Gas ist Wasserstoff farb-, geruch- und geschmacklos. Außerdem ist er ungiftig und 14 Mal leichter als Luft.

Um den gasförmigen Wasserstoff wiederum in Strom zu wandeln, benötigt das Auto eine Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle ist kein Akkumulator, sondern ein Wandler, der einen Brennstoff bzw. dessen chemische Energie in elektrische umwandelt. Bei einem Brennstoffzellenauto handelt es sich dabei in der Regel um Wasserstoff als Energieträger. Die gewonnene Energie treibt den Elektroantrieb an oder wird in einer Traktionsbatterie zwischengespeichert.

Eine Brennstoffzelle erzeugt Energie durch die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält dabei ungefähr dreimal so viel Energie wie ein Kilogramm Erdöl. Bei der Energiefreisetzung bleiben lediglich Wasserdampf bzw. Wasser übrig, das aus dem Auspuff tropft.

Und was hat das mit Autos zu tun?

Im Automobilsektor ist die Brennstoffzelle weiterhin eine Randerscheinung. Bis auf wenige Hersteller wie Toyota oder Hyundai investieren die meisten stattdessen in die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Akkus bzw. möglichen Nachfolgern.

Das erste, überhaupt in Großserie produzierte Auto mit Brennstoffzelle ist der Mirai, den Toyota seit 2014 herstellt. Mit einem Grundpreis von knapp 80.000 Euro ist die Mittelklasse-Limousine allerdings wesentlich teurer als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennermotor.

Alternative Antriebe in Deutschland

Das Balkendiagramm zeigt die Verteilung von Elektroautos im Vergleich zu Fahrzeugen mit Erd- und Autogas.
Obwohl die Elektromobilität als Antriebstechnologie der Zukunft gewertet wird, ist der Anteil zugelassener Fahrzeuge (BEV und FCEV kombiniert) in Deutschland vergleichsweise niedrig. Foto: aio

Die Vorteile einer Brennstoffzelle

Elektroautos, die per Brennstoffzelle Wasserstoff in Energie umwandeln, sind in einigen Punkten eher mit Verbrenner-Fahrzeugen zu vergleichen, überflügeln diese aber wiederum in anderen Bereichen.

Kurze Tankzeiten

So dauert der Tankvorgang bei einem Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug nur rund drei bis fünf Minuten – die Ladezeit eines Elektroautos kann bis zu mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Dabei wird der gasförmige Wasserstoff mit bis zu 700 Bar in den Tank gedrückt. Wasserstoff wird beim Tanken deshalb nicht in Litern, sondern in Kilogramm abgerechnet – umrechnen lässt sich hier ungefähr 1:1, wobei die Dichte von der Außentemperatur abhängig ist. Auch hier variiert der Preis, derzeit liegt er bei knapp unter zehn Euro pro Kilo.

Eine komplette Tankfüllung reicht beim Toyota Mirai mit 5-Liter-Tank durchschnittlich für 400 bis 500 Kilometer, je nach Fahrweise. Forscher haben bereits höhere Reichweiten mit Brennstoffzelle erreicht, allerdings nur im experimentellen Rahmen. So schaffte es der Toyota FCHV-adv mit einer 6-Liter-Füllung auf 800 Kilometer, allerdings ist der Prototyp nie in Serie gegangen.

Volles Drehmoment

Wie batteriebetriebene E-Autos profitiert auch das Brennstoffzellenauto von der sofortigen Höchstleistung des Motors, der ohne Verzögerung das volle Drehmoment bei der Beschleunigung nutzen kann.

Darüber hinaus erzielt die Kombination aus Brennstoffzelle und Elektromotor einen höheren Wirkungsgrad als Otto- bzw. Dieselmotoren, weil nahezu kein Wärme- oder Kraftverlust bei der Umwandlung von Wasserstoff in Energie einhergeht.

Energierückgewinnung durch Rekuperation

Dank der Traktionsbatterie kann ein Brennstoffzellenauto überschüssige Energie zwischenspeichern. Diese entsteht zum Beispiel durch Rekuperation, ein bei E-Autos gängiges Verfahren der Energierückgewinnung beim Bremsen. Auch E-Autos auf Wasserstoffbasis beherrschen diese Technik.

Anzahl verfügbarer Tankstellen und Ladestationen

Balkendiagramm zur Verteilung der Tankstellen und Ladestationen in Deutschland. Aktuell gibt es nicht einmal 50 H2-Tankstellen.
Nicht einmal 50 H2-Tankstellen gibt es bislang in Deutschland. Weil Brennstoffzellenautos allerdings 400 Kilometer und mehr schaffen, ist die fehlende Ladeinfrastruktur nicht das größte Hemmnis.  Foto: aio

Die Nachteile einer Brennstoffzelle

Dass sich die Brennstoffzelle als Antriebsart bislang nicht durchsetzen konnte, hat mehrere Gründe. Schuld sind unter anderem der hohe Anschaffungspreis der Fahrzeuge, die geringe Auswahl und die überschaubare Anzahl an Tankstellen.

Hoher Preis

Schon bei Elektroautos mit Batterie ist für viele Interessenten der Anschaffungspreis ein Kaufhindernis. So kostet der Hyundai Ioniq (BEV) in der Grundausstattung bereits 33.300 Euro. Der Toyota Mirai (FCEV), ebenfalls ein Mittelklassefahrzeug, liegt mit einem Mindestpreis von 78.600 Euro bei mehr als dem Doppelten.

Dadurch entfällt auch die Förderung durch die Umweltprämie, die lediglich E-Fahrzeuge berücksichtigt, deren Listenpreis 60.000 Euro nicht überschreitet.

Geringe Modellauswahl

Die Auswahl an Wasserstoffautos ist sehr überschaubar. So gibt es in Deutschland lediglich drei Modelle zur Auswahl. Immerhin sind weitere Autos mit Brennstoffzelle bereits angekündigt. Hyundai will mit dem Nexo einen wasserstoffbetriebenen SUV auf den Markt bringen. Der ist mit 69.000 Euro nicht nur günstiger ist als der Mirai, sondern soll auch mit einer Reichweite von über 600 Kilometern überzeugen.

Nicht ganz so weit schafft es wohl der GLC F-Cell von Mercedes. Nach knapp 450 Kilometern muss der SUV wieder für ein paar Minuten an die H2-Tankstelle, um die 4,4 Liter Wasserstoff nachzutanken. Zu welchem Preis Mercedes sein Brennstoffzellenauto in den Handel bringt, steht noch nicht fest.

Alternative Antriebe im Vergleich

  • Modell
  • Antrieb
  • Fahrzeugklasse
  • Leistung in kW/ PS
  • V-Max
  • Verbrauch*
  • CO₂‑Emission*
  • Beschleunigung 0‑100 km/h
  • Reichweite*
  • Leergewicht (EU)
  • Tankinhalt/ Batteriekapazität
  • Innengeräusch*
  • Grundpreis
  • Toyota Mirai
  • Brennstoffzelle (FCEV)
  • Obere Mittelklasse
  • 113 kW/ 152 PS
  • 178 km/h
  • 1,033 l/ 100 km
  • 121 g/km
  • 9,6 Sekunden
  • 480 km
  • 1860 kg
  • 5,0 Liter
  • 67 dB(A)
  • 78.600 €
  • Hyundai Ioniq
  • Batterie (BEV)
  • Mittelklasse
  • 88 kW/ 120 PS
  • 165 km/h
  • 14,7 kWh/ 100 km
  • 85 g/km
  • 9,9 Sekunden
  • 211 km
  • 1470 kg
  • 28 kWh
  • 69 dB(A)
  • 33.300 €
  • Ford C-Max 1.6 LPG
  • Autogas (LPG)
  • Mittelklasse
  • 86 kW/ 117 PS
  • 185 km/h
  • 6,6 Liter/ 100 km
  • 127 g/km
  • 15,9 Sekunden
  • 450 km
  • 1374 kg
  • 40 Liter
  • -
  • 25.400 €
  • Opel Astra 1.4 ECOTEC CNG
  • Erdgas (CNG)
  • Kompaktklasse
  • 81 kW/ 110 PS
  • 200 km/h
  • 4,2 kg/ 100 km
  • 124 g/km
  • 10,9 Sekunden
  • 445 km
  • 1330 kg
  • 18,8 Liter
  • 69 dB(A)
  • 27.025 €

Elektrofahrzeuge (Batterie und Brennstoffzelle) vs. Verbrenner (Erdgas und Autogas)
* (laut ADAC)

Niedrige Ladeinfrastruktur

Die Reichweitenangst, vor allem bei E-Autos ein häufiger Kritikpunkt, spielt bei Brennstoffzellenautos eine untergeordnete Rolle: 400 Kilometer und mehr sind mit einer Tankfüllung zu schaffen.

Allerdings ist die Ladeinfrastruktur in Deutschland vergleichsweise überschaubar. Lediglich 44 H2-Tankstellen (nur in Japan stehen mehr) registriert das Joint Venture H2 Mobility auf seiner Übersichtskarte in Echtzeit – und nicht alle davon sind dauerhaft in Betrieb.

Allerdings engagiert sich H2 Mobility im Ausbau des Netzes, so soll die Anzahl verfügbarer H2-Tankstellen bis 2023 auf 400 allein in Deutschland steigen. Die Kosten für eine Wasserstofftankstelle belaufen sich dabei auf 1 bis 1,5 Millionen Euro.

Eine Wasserstofftankstelle in Hamburg. Der Sprit wird in Kilogramm berechnet.
Wasserstoff wird in Kilogramm getankt und stets, bis der Tank voll ist. Ein Kilo reicht ungefähr für 100 Kilometer. Foto: aio

Mit dem Ziel "die Wasserstoffmobilität in den nächsten Jahren zur Marktreife zu bringen" subventioniert die Bundesregierung den Ausbau mit fast 250 Millionen Euro, die allerdings nicht ausschließlich für H2-Tankstellen genutzt werden sollen, sondern auch der Fortentwicklung der Technologie zugutekommen sollen.

Eine Übersicht aller H2-Tankstellen bieten unter anderem H2.live, betrieben von H2 Mobility, und H2Stations.org, betrieben vom TÜV Süd. Beide Übersichtskarten berücksichtigen sowohl geplante Tankstellen als auch derzeit deaktivierte. H2.live gibt es zudem als App fürs Smartphone.

Gehört der Brennstoffzelle die Zukunft?

Ursprünglich als Antrieb für die Raumfahrt entwickelt, findet die Brennstoffzelle sukzessive immer mehr Beachtung im Automobilbereich. Der Fahrdienstleister CleverShuttle aus Berlin etwa bestückte einen Großteil seiner Flotte mit Wasserstoffautos.

Ob sich die Technologie gegenüber der Batterie durchsetzen kann, ist aktuell noch nicht abzusehen – da beide Antriebsarten noch in den Anfängen stecken. Denkbar wäre auch eine komplementäre Koexistenz, wie es Diesel und Benzin bereits mit den fossilen Brennstoffen vorgemacht haben.

Vor allem in Hinblick auf die Diesel-Fahrverbote und die Umweltverträglichkeit sind E-Autos langfristig die nachhaltigere Alternative – auch um die Klimaziele der Bundesregierung zu erreichen. Allerdings muss bei der CO2-Emission von Batterie und Brennstoffzelle immer auch die Produktion von Strom bzw. Wasserstoff berücksichtigt werden. Erst wenn diese vollständig auf regenerativer Erzeugung basiert, sind E-Autos so grün, wie von den Herstellern versprochen.

Übrigens tragen nicht nur Pkw und Lkw mit Brennstoffzelle zu einem klimafreundlicheren Verkehr bei. Inzwischen gibt es sogar erste E-Bikes oder Züge mit Brennstoffzelle.

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