Elektromobilität

Wasserstoff: Herstellung, Nutzung, Vorteile und Nachteile

von Dirk Kunde

Hohe Reichweite, schnelles Auftanken und keine Emissionen bei der Herstellung von Wasserstoff: An sich spricht alles für die Brennstoffzelle. Woran hakt es?

Warum ist Wasserstoff noch nicht richtig im Fluss?
Der Anfang von allem: Aus Wasser wird bei der Spaltung Sauerstoff und gasförmiger Wasserstoff. Foto: CC0: Unsplash/Samuel Scrimshaw

Das erfahren Sie gleich:

  • Was Wasserstoff ist und wie es bisher gewonnen wird
  • Wie Forscher es mithilfe von Sonnenlicht herstellen
  • Warum sich Wasserstoff noch nicht durchgesetzt hat
  • Wie große Unternehmensallianzen der Brennstoffzelle zum Durchbruch verhelfen wollen
  • Warum nicht nur die Automobilindustrie von der Brennstoffzelle profitieren könnte

Auf den ersten Blick erinnert der hohe Turm in der Mitte an einen Wachturm. Aber wir sind hier nicht etwa auf einem Militärgelände, sondern in einer Forschungsanlage für Wasserstoff. Und rings um das hohe Metallgerüst stehen auch keine Baracken, sondern Spiegel. Sie alle sind auf dieses eine Gerüst ausgerichtet – und zwar genau auf einen bestimmten Punkt daran. Wie in einem Brennglas bündeln sie die Sonnenstrahlen auf diesen Punkt.

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Aus diesem Auspuff kommt nur Wasser

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audi.de/DAT-Hinweis

Willkommen im Hydrosol Plant Almeria im Süden Spaniens. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) betreibt die Anlage zusammen mit griechischen, niederländischen und spanischen Partnern. Seit Ende November 2017 wird hier Wasserstoff erzeugt – und zwar direkt mit Hilfe der von den Spiegeln gebündelten Sonnenenergie.

Bei 1400 Grad Celsius im Reaktor werden Sauerstoffmoleküle freigesetzt. Im zweiten Schritt passiert zwischen 800 und 1000 Grad die eigentliche Wasserspaltung. Aus H2O wird Sauerstoff (O) und gasförmiger Wasserstoff (H2). Dieser Wasserstoff könnte zum Beispiel dafür genutzt werden, Fahrzeuge mit Brennstoffzelle anzutreiben.

30 Tonnen Wasserstoff pro Tag für die USA

Brennstoffzellen könnten in den USA in den kommenden Jahren an Bedeutung gewinnen. Einen großen Anteil daran hat wohl die Nutzfahrzeugbranche. Toyota fährt in den Vereinigten Staaten bereits seinen zweiten Wasserstoff-Truck Probe. Auch das Start-up Nikola Motor will mit gleich zwei Lastern auf die Straßen.

Damit das auch wirklich funktioniert, braucht es die passende Infrastruktur. Die will der Tankstellenbetreiber FirstElement Fuel liefern. Bisher gibt es aber nur 15 fertige und 4 sich im Bau befindliche Standorte des Unternehmens. Im Jahr 2019 soll sich das mit Hilfe von Air Liquide ändern. Dafür unterzeichneten die Firmen einen langfristigen Vertrag.

30 Tonnen Flüssigwasserstoff will Air Liquide in Zukunft fertigen – pro Tag. Des wäre genug für rund 35.000 Fahrzeuge mit Brennstoffzelle. Ermöglichen soll das ein neues Werk für Flüssigwasserstoff, dessen Bau Anfang 2019 beginnt.

Wasserstoff-Erzeugung mit Elektrolyse

Wasserstoff (chemisches Symbol H) ist praktisch überall und unbegrenzt verfügbar: Kein anderes Element kommt im Universum häufiger vor – auf der Erde allerdings nur in gebundener Form. Ein Beispiel dafür ist Wasser, das aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht.

In großtechnischen Anlagen wird bislang die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt: Elektrischer Strom spaltet Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. In der Brennstoffzelle im Auto läuft diese atomare Reaktion rückwärts ab. Wasserstoff kommt mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft in Verbindung.

Jetzt wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Elektrizität umgewandelt, die den Elektromotor antreibt. Eine Lithium-Ionen-Batterie speichert Bremsenergie (Rekuperation) und unterstützt damit den Motor in Beschleunigungsphasen. Aus dem Auspuff von Brennstoffzellen-Autos entweicht lediglich Wasser in Form von Wasserdampf.

Gerade im Verkehrssektor können Wasserstoffantriebe erheblich zum Klimaschutz beitragen.

Prof. Karsten Lemmer, DLR-Vorstand für Energie und Verkehr

Mit der Anlage in Spanien wollen die Forscher beweisen, dass Wasserstoff die Energiequelle der Zukunft ist, unter anderem für den Betrieb von Elektroautos – aber beispielsweise auch für Züge mit Wasserstoff-Brennstoffzelle.

Aber: Die Technologie befindet sich noch in der Entwicklung, pro Woche entstehen im Testbetrieb bisher erst rund drei Kilogramm Wasserstoff – das reicht nicht mal für eine komplette Tankfüllung eines modernen Autos mit Brennstoffzelle, wie zum Beispiel den in Serie produzierten Toyota Mirai. Bis zu einer industriellen Produktion mit Sonnenlicht in großen Mengen dürften noch zehn Jahre vergehen.

Klärschlamm zur Herstellung von Wasserstoff

Der Ortsteil Adlershof in Berlin könnte einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von Wasserstoff als Treibstoff leisten. Im Technologiepark vor Ort sitzt das Unternehmen Graforce. Das hat sich auf die Erzeugung von Wasserstoff spezialisiert. Das Ziel der Firma ist es, den Energieträger ressourcenschonend und mit hohem Wirkungsgrad herzustellen.

Als Grundstoff dient dafür Klärschlamm. Den presst Graforce zusammen und lässt das austretende Wasser durch ein hochfrequentes Plasmafeld aus Wind- sowie Sonnenenergie laufen. Dort trennen sich Wasser und Stickstoffverbindungen und sortieren sich neu. Am Ende kommt dabei gereinigtes Wasser und Wasserstoff heraus.

Aus dem Faulturm kommt Schlamm. Der wird zusammengepresst, und im Presswasser ist sehr viel Ammonium drin. Das ist für uns eine chemische Energie, die wir nehmen, um noch mehr Wasserstoff zu produzieren.

Dr Jens Hanke, Gründer von Graforce, gegenüber rbb

Der Wasserstoff ließe sich etwa zum Betanken von Elektroautos nutzen, doch Graforce vermischt ihn lieber mit Biogas und lässt somit E-Gas entstehen. Das versorgt Erdgasfahrzeuge und die Industrie mit einem grüneren Brennstoff.

Speicherung von Wasserstoff in Aktivkohle?

Was aktuell noch kein großes Problem sein mag, kann sich schnell zu einem entwickeln: Die Speicherung von Wasserstoff. Die Lagerung in Druckbehältern geht immer mit einem gewissen Risiko einher. Bei einer Flüssiggasspeicherung ist hingegen der Energieaufwand sehr hoch.

Forscherinnen der Universität Hohenheim in Stuttgart kamen auf die Idee, für die Lagerung von Wasserstoff Aktivkohle aus Bambus zu nutzen. Die Speicherung erfolgt darin in Gasform. Statt 300 bar Druck, wie in einer Gasflasche üblich, braucht es dafür nur rund ein bar. Das macht Aktivkohle weniger gefährlich.

Ein weiterer Vorteil: 20 Gramm Aktivkohle speichern satte 60 Gramm Wasserstoff – also das dreifache ihres Eigengewichts. Damit das funktioniert, sind allerdings Umgebungstemperaturen von mindestens minus 196 Grad notwendig. Genau dieser Punkt ist aktuell noch das große Problem.

Bereit für den großflächigen Einsatz als Wasserstoff-Speicher ist die Aktivkohle aber ohnehin noch nicht. Noch immer steckt die Universität Hohenheim mitten in der Forschung. In Zukunft sollen weitere Materialien als Basis für die Erzeugung von Aktivkohle dienen. Vielleicht gelingt den Wissenschaftlerinnen damit der Durchbruch für eine optimierte Lagerung von Wasserstoff.

Vorteile und Nachteile von Wasserstoff

Die Vorteile von Wasserstoff

Neben Umweltaspekten spricht auch der Zeitaufwand beim Tanken für die Brennstoffzelle. Anders als bei batterieelektrischen Fahrzeugen dauert das Befüllen des Tanks nur wenige Minuten. Die Behälter sind auf Reichweiten bis zu 500 Kilometer ausgelegt. Viele der Bedenken, die Autobesitzer bei der Elektromobilität haben, könnte die Brennstoffzelle ausräumen.

Es stimmt einfach alles, doch bislang ist das Angebot an Brennstoffzellenautos gering, die Auswahl beschränkt sich auf lediglich drei Modelle in Deutschland. Somit spricht die Zulassungsstatistik des Kraftfahrtbundesamt eine eindeutige Sprache: Zum Jahresbeginn 2017 waren etwas mehr als 300 Wasserstoff-Autos mit Brennstoffzellen-Antrieb in Deutschland zugelassen. Bei Elektroautos sind es 34.000 Zulassungen.

Auch der Umweltbonus, den die Bundesregierung für den Neuerwerb eines E-Fahrzeugs vergibt, lässt Rückschlüsse auf die Akzeptanz von Autos mit Brennstoffzelle zu: Zum 31. August 2018 gab es über den gesamten Förderungszeitraum hinweg bislang nur 18 Anträge für Brennstoffzellenfahrzeuge.

Die Nachteile von Wasserstoff

Die aktuelle Generation der Brennstoffzelle nutzt Platin in der Katalysatorenschicht. Das Edelmetall regt die chemische Reaktion an. Platin ist teuer, darum forscht man an Alternativen. Hinzu kommt der Energieaufwand bei der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse.

Während von 100 Kilowattstunden Strom rund 70 Prozent in einem batterieelektrischen Auto genutzt werden können, sind es im Brennstoffzellen-Auto, je nach Untersuchung, lediglich 20 bis 25 Prozent. Der gasförmige Wasserstoff wird für den Transport entweder unter Druck gesetzt (200 bis 700 bar) oder verflüssigt. Flüssiger Wasserstoff hat 99,9 Prozent weniger Volumen als das Gas.

Entscheidender Nachteil: Flüssig wird Wasserstoff erst bei minus 253 Grad Celsius. Die Tiefkühlung benötigt viel Energie, deutlich mehr als die Kompression. Solang es keine Pipelines zu den Tankstellen gibt, erfolgt der Transport von den Produktionsstätten mit klassischen Diesel-Lkw.

Windräder auf Feld
Hier fängt sauberer Strom an: Windenergie muss nicht sofort direkt verwendet werden, sondern lässt sich auch zur Wasserstoffproduktion nutzen. Foto: CC0: Unsplash/ Daria Nepriakhina

Den Nachteil in der Energiebilanz könnten Wasserstoff-Hersteller durch den Einsatz von Strom aus regenerativen Quellen ausgleichen. Statt überschüssigen Wind- und Sonnenstrom ans Ausland abzugeben, könnte damit Wasserstoff produziert werden. Das Gas lässt sich in Tanks als auch im Erdgasnetz für die spätere Nutzung speichern. Die Technik ist als Power-to-Gas bekannt.

Noch zu schwache Infrastruktur

Ein weiteres Problem, das die Wasserstoff-Lobby noch zu lösen hat: die noch sehr überschaubare Ladeinfrastruktur von Wasserstofftankstellen in Deutschland. Wie sich der Übersichtskarte von H2 Mobility entnehmen lässt, gibt es derzeit lediglich knapp 50 Wasserstofftankstellen in ganz Deutschland. Weitere 48 sind demnach zwar in Planung, aber eben noch nicht in Betrieb. Vor allem im Osten ist die Abdeckung, abgesehen von Berlin, de facto nicht vorhanden.

Für ganz Europa liegt die Anzahl bei aktuell 67 Ladestationen, allerdings sind darin auch die 42 H2-Tankstellen in Deutschland enthalten. Wer mit seinem Wasserstoffauto in den Urlaub fahren will, sollte sich also vorher sehr genau überlegen, wohin – und ob es dort und auf dem Weg dorthin überhaupt die Möglichkeit gibt zu tanken.

Laut H2stations.org sind in Deutschland 45 öffentliche Wasserstofftankstellen in Betrieb, von denen allein 2017 24 eröffnet worden sind. Auf der Website, betrieben von der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST) und TÜV SÜD, heißt es weiter, dass Deutschland nach Japan das zweitgrößte Ladenetz weltweit aufweist.

Zu geringe Modellauswahl

Nicht nur reine Elektroautos kämpfen aktuell noch mit einer aus Verbrauchersicht zu geringen Auswahl an verschiedenen Modellen. Im Bereich der Brennstoffautos wird die Auswahl noch übersichtlicher: Lediglich drei Modelle stehen derzeit in Deutschland zur Verfügung. Immerhin sind für 2018 zwei weitere Wasserstoffautos angekündigt.

Allianzen für Wasserstoff

Dennoch hat Wasserstoff einflussreiche Fürsprecher: Zuletzt schlossen sich die wichtigsten Unternehmen aus der japanischen Autoindustrie und Energiewirtschaft zur Japan H2 Mobility (JHyM) zusammen. Hier sind mit Toyota, Nissan und Honda nicht nur die drei größten Autohersteller Japans vertreten, sondern auch Ölfirmen, Gasunternehmen, ein Handelshaus und eine Bank.

Das Ziel der Japan H2 Mobility: Das Wasserstoffnetz in Japan massiv ausbauen. Bisher gibt es dort 101 Wasserstofftankstellen, bis 2022 will die Allianz 80 weitere bauen – und bis 2025 soll es insgesamt 320 Wasserstofftankstellen geben.

Auch anderswo entstehen Wasserstoff-Bündnisse: Beim Weltwirtschaftsforum 2017 in Davos schlossen sich 18 Unternehmen zur Hydrogen Council zusammen. Dazu gehören unter anderem Autohersteller wie Audi, BMW und Daimler, Gasproduzenten wie Air Liquide und Linde sowie Kraftstofflieferanten wie Shell, Statoil und Total.

Seit der Gründung der Vereinigung hat sich die Zahl der teilnehmenden Unternehmen vervierfacht: Inzwischen zählt das Hydrogen Council 53 Mitglieder. Zu den jüngsten gehören unter anderem Airbus, Air Products, Cummins, EDF, Johnson Matthey, Kogas, Sinopec und Thyssenkrupp.

Bereits seit 2002 fördern 13 Industrieunternehmen in der Clean Energy Partnership (CEP) unter Federführung des Bundesverkehrsministeriums den Einsatz von Wasserstoff.

Mit dem Fahrdienst-Service CleverShuttle hat sich in Deutschland ein Unternehmen ausschließlich der Elektromobilität verschrieben. Ein Großteil der Flotte des Berliner Dienstleisters besteht aus Toyota Mirais, die mit ihrer Brennstoffzelle als Antrieb und Wasserstoff als Treibstoff bis zu 400 Kilometer und mehr mit einer Tankfüllung schaffen. Die Gründer des taxi-ähnlichen Chauffeur-Services wollen mit ihrem Angebot die Energiewende in der Mobilität der Zukunft voranbringen.

Fehlende Brennstoffzellen-Fahrzeuge mögen die eine Seite der Medaille sein, fehlende Tankstellen sind die andere. Doch diese Herausforderung geht seit 2015 das Joint-Venture H2 Mobility an. Die Zahl soll von aktuell knapp 50 auf 100 Wasserstoff-Tankstellen bis Ende 2018 allein in Deutschland steigen. Fünf Jahre später sollen es bundesweit 300 Tankstellen sein, so der Plan von Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell und Total.

Wasserstoff kommt im Lkw an

Nach Flugzeugen sind Lkw in der Summe die schlimmste Quelle von Schadstoffen. 104 Gramm pro Tonnenkilometer Treibhausgase stießen die Fahrzeuge im Jahr 2016 laut Umweltbundesamt durchschnittlich aus. Auch beim Kohlenmonoxid (0,091 g/tkm) und den flüchtigen Kohlenwasserstoffen (0,035 g/tkm) sind die Brummis Spitzenreiter.

Nur bei Stickoxiden und dem Feinstaub ist die Binnenschifffahrt mit 0,430 g/tkm beziehungsweise 0,010 g/tkm schlimmer. Das Interesse der Länder, aber auch der Speditionen, an alternativen Antrieben ist deshalb groß. Erste vollelektrische Lkw sind bereits auf den Straßen unterwegs.

Künftig sollen ihnen auch Brennstoffzellen-Laster folgen. Toyota testet die Technologie bereits in zweiter Generation. 2017 rollte der Alpha-Truck erstmals über die Straßen der USA. Kürzlich startete sein Nachfolger – der Beta-Truck. Er schafft 482 Kilometer pro Tankfüllung und läuft mit von Toyota selbst produziertem Wasserstoff.

Zusammen mit Bosch arbeitet das US-Unternehmen Nikola an dem Brennstoffzellen-Lkw One. Per Wasserstoff planen die Firmen sechs Elektromotoren an den Rädern mit Strom zu versorgen. Zusammen sollen sie satte 735 kW leisten und erst nach 1600 Kilometern zum Stehen kommen. Ob das auch wirklich klappt, bleibt abzuwarten.

Etwas weiter ist offenbar Hyundai. Das koreanische Unternehmen will ab 2019 eine 1000 Fahrzeuge starke Brennstoffzellen-Flotte aufbauen. Der Fuel Cell Electric Truck soll 400 Kilometer schaffen und bis zu 18 Tonnen wiegen. Das zu Iveco gehörende Unternehmen FPT Industrial stellte auf der IAA Nutzfahrzeuge 2018 ein Brennstoffzellen-Chassis für kommende Lkw vor. Wann es erstmals zum Einsatz kommt, steht nicht fest.

Wasserstoff-Antrieb in Bus und Bahn

Der Personennah- und fernverkehr kann ebenfalls von einem Antrieb mit Wasserstoff profitieren. Erste Busse mit Brennstoffzellen rollen testweise bereits durch deutsche Städte wie Köln, Wuppertal und Hamburg.

In Japan sollen bis 2025 sogar 200.000 und bis 2030 satte 800.000 Wasserstoff-Busse durch das Land stromern. Damit bestätigt das Land seinen Status als Vorreiter für die noch junge Technologie. Auch hier ist wieder Toyota die treibende Kraft.

Auf Schienen geht es ebenfalls langsam voran. In Norddeutschland verbindet der Coradia iLint der französischen Firma Alstom als erster Wasserstoff-Zug der Welt die Städte Bremervörde, Cuxhaven, Bremerhaven und Buxtehude. Die zwei je 90 Kilogramm fassenden Wasserstofftanks sollen für bis zu 1000 Kilometer pro Füllung reichen.

DLR entwickelt Wasserstoffmodul für Lastenräder

Auch das DLR engagiert sich verstärkt in der Wasserstoffforschung. Denn das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt baut nicht nur Wasserstoffanlagen in Spanien, sondern forscht auch darüber hinaus an einem neuen Brennstoffzellenmodul.

Das sogenannte Fuel Cell Power Pack (FCPP) ist speziell für den Einsatz in elektrischen Lastenrädern gedacht und soll dort vor allem die kommerzielle Nutzung unterstützen. Das neu entwickelte Brennstoffzellenmodul soll laut Pressemitteilung des DLR für mehr Reichweite und eine doppelte Lebensdauer sorgen verglichen mit rein batteriebetriebenen Systemen, wie sie heute üblich sind.

Ziel dieses Forschungsprojekts soll ein neuartiges Logistikkonzept werden, das schneller und flexibler als PKW oder Transporter ist sowie emissionsfrei und leise.

Das Konzept basiert auf einem hybridisierten Antriebssystem: Das Fuel Cell Power Pack kombiniert eine Brennstoffzelle mit einer Lithium-Ionen-Batterie. Die Brennstoffzelle erreicht eine Dauerleistung von 300 bis 500 Watt und soll die Batterie, die bei Spitzenlasten wie zum Beispiel Beschleunigungsvorgängen zugeschaltet wird, während der Fahrt und in Pausen wieder aufladen.

Das schnelle Befüllen des Wasserstofftanks ermöglicht einen ganztägigen Betrieb in mehreren Schichten, weil zeitaufwändige Ladezeiten und Batteriewechsel entfallen. Ein ebenfalls am DLR entwickeltes Kaltstartmodul soll auch im Winter für zuverlässigen Betrieb sorgen. Das Modul heizt das Brennstoffzellensystem vor, ohne ihm Energie zu entziehen und damit die Reichweite zu verringern.

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Fazit: Es gibt derzeit noch viele Hürden für die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger im Auto, die sich jedoch langfristig alle lösen lassen. So forscht zum Beispiel Universität Glasgow an einem flüssigen Akku als neuen Energiespeicher, der auch für Wasserstoff in Frage käme.

In der Zwischenzeit sollten wir die Vorteile von batterieelektrischen Autos zu nutzen – denn es wird vermutlich noch viele Jahre dauern, bis aus dem Auspuff der meisten Autos lediglich Wasser entweicht.

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