Autos der Zukunft: Wasserstoff, Antrieb, E-Autos, Umfrage

Die theoretischen Vorteile von Wasserstoff im Verkehrssektor sind die mögliche große Reichweite, das schnelle Betanken und (unter bestimmten Umständen) seine Umweltfreundlichkeit. Anders als Diesel oder Benziner stoßen Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnik im Betrieb weder Feinstaub, Stickoxide noch CO₂ aus, als Abfallprodukt entsteht lediglich Wasser(dampf). Wasserstoff ist ein guter Energieträger, der Brennwert von einem Kilogramm ist mit 33 Kilowattstunden dreimal so hoch wie der Energiegehalt eines Liters Diesel oder Benzin. Zudem kann Wasserstoff beliebig lange gelagert werden, seine Ressourcen sind im Grunde unendlich.

Da Wasserstoff nicht ungebunden vorkommt, muss er erst unter Energieaufwand gewonnen werden. Daher ist er teuer und problematisch in der Herstellung und im Transport; richtig umweltfreundlich ist er nur bei einer Produktion mit regenerativer Energie. Der Brennstoffzellen-Wasserstoffantrieb im Verkehr entwickelt sich, ist aber noch lange nicht so weit. Wasserstoff ist nur an sehr wenigen Tankstellen erhältlich, entsprechend sind kaum Modelle mit Brennstoffzelle auf dem Markt. Es ist ein wenig wie mit der Henne und dem Ei: Die Volumenhersteller zieren sich, weil die Infrastruktur fehlt – und umgekehrt.

Laut der Info-Seite H2live gab es im August 2022 in Deutschland gerade mal 96 H2-Tankstellen. Neun weitere waren in der Planungs-, Genehmigungs- oder Ausführungsphase. Zum Vergleich: Das Tankstellennetz für Benzin und Diesel hat rund 14.000 Stationen. Nichtsdestotrotz ist Deutschland damit bei den Wasserstoff-Tankstellen mit Abstand Spitzenreiter in Europa.

Ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist ein E-Auto, bei dem die elektrische Energie nicht in großen, schweren Batterien gespeichert, sondern während der Fahrt erzeugt wird. Dafür sind ein Wasserstofftank und eine Brennstoffzelle an Bord. Vereinfacht gesagt, reagieren der Wasserstoff (chemisches Symbol H) und Luftsauerstoff (O) wie bei einer umgekehrten Elektrolyse miteinander. Es entstehen Wärme und vor allem Energie, mit der der Elektromotor betrieben wird, sowie Wasser (H₂O) als unschädliches Abfallprodukt. Man nennt dies auch "kalte Verbrennung".

Die Brennstoffzelle in Fahrzeugen ist meist eine Polymer-Elektrolyth-Membran-Brennstoffzelleneinheit (PEM), in die der in Hochdrucktanks gasförmig gespeicherte Wasserstoff geleitet wird. Eine einzelne Zelle besteht aus zwei Bereichen, die durch einen Separator voneinander getrennt sind. An der Anode teilt sich der Wasserstoff, vereinfacht gesagt, in Ionen und Elektronen auf. Die Ionen wandern durch den Separator auf die Seite der Kathode, wo sie sich mit dem Sauerstoff zu Wasser verbinden. Die Elektronen möchten ebenfalls auf die andere Seite zur Kathode, können aber nicht durch den Separator. Daher müssen sie den Umweg über die Stromleitung zum E-Motor nehmen. Auf der anderen Seite angekommen, ist der Stromkreis geschlossen.

Wasserstoff gilt vielen als Hoffnungsträger für eine klimaneutrale Energieerzeugung. Doch so einfach ist es nicht. Denn er ist immer nur so sauber wie seine Produktion. Die Arten der Gewinnung werden nach Farben unterteilt. Derzeit wird für die weltweite industrielle Nutzung zu 99 Prozent grauer Wasserstoff produziert. Dabei wird Erdgas unter Hitze – meist aus Gas oder Kohle – aufgespalten, es entstehen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (CO₂). Umstritten ist auch blauer Wasserstoff, bei dem das entstandene CO₂ aufgefangen und in geologischen Lagerstätten gespeichert wird (Carbon Capture and Storage, CCS). Auch türkiser Wasserstoff, bei dem statt CO₂ fester Kohlenstoff als Nebenprodukt entsteht, weist viele Nachteile auf.

Einzig komplett treibhausgasfrei ist grüner Wasserstoff, bei dessen Herstellung vom Elektrolyseur Strom aus erneuerbaren Energien (Wind, Wasser, Sonne) verwendet wird. Schon jetzt ist klar, dass grüner Wasserstoff nur zu einem kleinen Teil in Deutschland hergestellt werden kann und der Rest aus Regionen wie Australien, Chile oder Nordafrika importiert werden muss. Hier sind Gründe, warum das Wasserstoffauto so bald nicht kommt.

Derzeit verbraucht Deutschland jährlich rund 1,65 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Jahr, allerdings überwiegend in der chemischen und der Stahl-Industrie oder als Kühlmittel. Der Bedarf wird sich bis zur fürs Jahr 2045 angepeilten Klimaneutralität noch steigern.

Derzeit wird Wasserstoff bislang überwiegend aus Methan gewonnen, also dem Hauptbestandteil von fossilem Erdgas. Bis 2030 will Deutschland neun Milliarden Euro investieren, um eine Produktionskapazität für grünen Wasserstoff von fünf Gigawatt aufzubauen. Das entspricht der Leistung von drei bis vier mittelgroßen Atomkraftwerken.

Doch wird der Großteil an grünem Wasserstoff importiert werden müssen. Die Bundesregierung setzt dafür unter anderem auf internationale Kooperationen – etwa mit Australien und Ländern in Afrika, also Regionen mit reichlich Sonnenschein. Für Westafrika wurde bereits ein sogenannter Potenzialatlas zusammengestellt. Auch aus Kanada soll ab 2025 eine relevante Menge an Wasserstoff geliefert werden. Dazu schloss die Bundesregierung mit dem nordamerikanischen Land ein Abkommen zur Förderung, Forschung und Entwicklung – laut Wirtschaftsminister Robert Habeck (Grüne) ein "Meilenstein".

Wasserstoff ist unbesteuert, ein Kilo kostet seit Juni 2022 an Tankstellen von H2 Mobility 12,85 Euro. Zuvor waren es 9,50 Euro. Damit ist der Preis immer noch vergleichbar mit dem für Benzin und Diesel, denn ein Kilo reicht für ca. 100 Kilometer. Angesichts der Preisentwicklung für fossile Treibstoffe könnte sich das Verhältnis noch zugunsten von Wasserstoff verschieben, allerdings ist sein Preis in gewisser Weise an den für Gas und Öl gekoppelt.

Entscheidend für die Klimaneutralität sind jedoch die Produktionskosten für grünen Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser herstellt wird. Laut einer Studie von Aurora Energy Research kann dieser frühestens 2030 in einzelnen europäischen Ländern für rund 3 Euro pro Kilogramm hergestellt werden und damit Kostenparität mit blauem Wasserstoff (aus Erdgas mit Speicherung des freigesetzten Kohlendioxids) erreichen. Die vielfach für die Wettbewerbsfähigkeit mit grauem Wasserstoff propagierte Grenze von 2 Euro werde in Europa dagegen erst um das Jahr 2050 erreicht.

Vorreiter bei der Wasserstofftechnik ist Toyota – der japanische Hersteller hat zuletzt die Baureihe Mirai neu aufgelegt. Der Tank der fünftürigen Oberklasse-Limousine hat ein Volumen von 5,6 Kilogramm, das soll für 650 Kilometer am Stück reichen. Der Basis-Mirai kostet 63.900 Euro. Außerdem gibt es den Hyundai Nexo (zum Alltagstest), Nachfolger des iX35. Hyundai verspricht offiziell bis zu 756 Kilometer Reichweite und fünf Minuten Tankdauer. Der Basispreis beträgt stattliche 79.200 Euro – kein Wunder, dass sich das Interesse in Grenzen hält. 2020 wurden ganze 1000 Exemplare in ganz Europa verkauft. BMW hat für 2022 einen Wasserstoff-X5 in Kleinserie angekündigt. Der ebenfalls in niedriger Stückzahl produzierte Mercedes GLC F-Cell ist inzwischen wieder vom Markt verschwunden.

Im Lkw-Bereich testet Daimler derzeit seinen 2020 vorgestellten Truck Mercedes GenH2. Ziel: 1000 Kilometer am Stück. An Kunden geliefert werden soll er spätestens 2027. MAN baut ebenfalls einen Prototyp, mit 800 Kilometer Reichweite. Auch Wasserstoff-Verbrennungsmotoren werden von der VW-Tochter getestet.

Das ist ein Mythos. Zwar ist Wasserstoff mit Sauerstoff bei einem H₂-Anteil von 4 bis 75 Prozent zündfähig. Explosiv ist das Gemisch jedoch erst ab einem Anteil von 18 Prozent als Knallgas. Und da Wasserstoff 14-mal leichter ist als Luft, verflüchtigt er sich extrem schnell. Daher ist ein Fahrzeug mit Wasserstofftank und Brennstoffzelle keinesfalls explosionsgefährdeter als eines mit Flüssigtank.

In einem Wasserstoffmotor wird H₂ nicht per Brennstoffzelle in Energie umgewandelt, sondern direkt als Kraftstoff verwendet. BMW baute bereits 1979 den ersten Wasserstoff-Vierzylinder, stellte die Entwicklung jedoch 2012 mit dem Hydrogen 7 (E68) ein.

Der Motorenhersteller Deutz stellte im August 2021 einen Wasserstoff-Sechszylinder für den sogenannten Off-Highway-Bereich vor, der nach eigenen Angaben sehr leise und emissionsarm ist und mit 200 kW Leistung aufwartet. Allerdings soll er vorerst bei Generatoren und im Schienenverkehr eingesetzt werden; später ist eine Verwendung in Nutzfahrzeugen, Landwirtschafts- und Baumaschinen geplant.