Das Wasserstoffauto – Technologie mit Zukunft

Klimaschutz mit Wasserstoff

Wasserstoff als interdisziplinäre Schlüsseltechnologie ermöglicht die Integration der derzeit gesellschaftspolitisch diskutierten, sich teils komplementär ergänzenden Antriebspfade für den Mobilitätssektor. Im Sinne einer zunehmenden Defossilisierung des Verkehrswesens bietet ein Dreiklang – bestehend aus Elektroautos mit Batterie und Brennstoffzelle sowie mit regenerativen Kraftstoffen betriebenen Verbrennungsmotoren – ein ressourcenschonenden Gesamtszenario. Mit diesem dezentralen Ansatz lassen sich somit effizient die fahrzeugspezifischen Besonderheiten klimapolitisch umsetzen und Redundanzen zielgerichtet integrieren.

Wasserstoff kommt dabei sowohl in der Primärenergiebereitstellung zur „grünen“ Stromgewinnung (Elektrolyse), als Wasserstoffgas für die direkte Nutzung sowie als Ausgangsedukt der Kohlenwasserstoffsynthese für sogenannte E-Fuels zum Einsatz, was den besonderen Stellenwert dieses Elements als Schlüsselkomponente unterstreicht. Voraussetzung hierfür ist eine optimale Versorgungsinfrastruktur samt Lagerung und Distribution.

So funktioniert ein Wasserstoffauto

Wie bei allen Elektrofahrzeugen üblich, erfolgt auch beim Auto mit Brennstoffzelle der Antrieb durch Elektromotoren. Wichtige Informationen rund um das Elektroauto, erhalten Sie hier.

Die für den Antrieb erforderliche Energie wird jedoch nicht durch das externe Laden eines im Fahrzeug verbauten Großakkumulators bereitgestellt. Vielmehr entsteht der benötigte Antriebsstrom in der Brennstoffzelle selbst, genauer gesagt in der sogenannten Bipolarplatte. Und davon gibt es in der Brennstoffzelle einige: Für die Leistungsbereitstellung arbeiten bis zu mehreren hundert Bipolarplatten gleichzeitig im Stack.

Strom für die Antriebsmotoren

In der sogenannten Niedertemperaturbrennstoffzelle werden für mobile Anwendungszwecke sogenannte Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) verwendet. Begünstigt durch die Applikation spezieller Katalysatoren, stellen diese das zentrale Element der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff (Energielieferant) und Sauerstoff (Oxidationsmittel) dar. Aufgabe der PEM ist die selektive Ionenleitung, die an der anodischen Bipolarplattenseite als elektrochemische Oxidation von molekularem Wasserstoffgas freigesetzt werden. Besonderes Merkmal dieses Feststoffelektrolyten ist die elektrochemische Eigenschaft, lediglich Ionen transportieren zu können; die freigesetzten Elektronen verbleiben im Metallgitter der Bipolarplatte und werden im metallischen Elektronengas geleitet.

Die örtliche Trennung von Anode und Kathode ermöglicht dabei die technische Nutzung des Elektronenflusses als elektrischen Strom für den Fahrzeugantrieb. Die Reduktion erfolgt nach Durchgang durch den Verbraucher an der kathodischen Plattenseite, jeweils anteilig mit dem lufteigenen Sauerstoffpartialdruck und den selektiv gewanderten Wasserstoffionen. Neben der Freisetzung von Wärme (exotherme Reaktionsenthalpie) kommt es zur Bildung von Wasser(dampf). Interessant in diesem Zusammenhang: Die technisch nutzbare Zellspannung hängt unter anderem sensitiv von der Temperatur der Bipolarplatte ab. Im Sinne einer kontinuierlichen Leistungsabgabe muss deshalb die Brennstoffzelle trotz der vergleichsweise geringen Wärmestromdichten fortlaufend gekühlt werden.

Zur Verbesserung der Fahrdynamik und lastunabhängigen Energiebereitstellung sowohl im Teillastbetrieb als auch bei Lastspitzen wird der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom meist in einer kleinen Pufferbatterie zwischengespeichert. Auch die Aufnahme von Bewegungsenergie beim Bremsen (Rekuperation) ist durch die Batterie gegeben.

Der Wasserstoff selbst wird an besonderen Tankstellen entnommen und in fahrzeugimmanenten Druckbehältern gespeichert. Je nach Ausführung erfolgt eine gasförmige Speicherung bei bis zu 700 bar beziehungsweise eine Flüssigspeicherung bei bis zu Minus 253 Grad Celsius. Solche Flüssiggasspeicher ermöglichen eine außerordentlich hohe Energiedichte, wobei auch die technischen Anforderungen an den Tank hinsichtlich Isolation und Stabilität ebenfalls besonders groß sind. Solche Tanks sind deshalb eher in stationären Tankstellen zu finden als im mobilen Bereich.

Insgesamt bleibt festzuhalten, dass sowohl die Betankung selbst als auch die Wasserstoffspeicherung als sicher anzusehen ist, zumindest wenn die strengen Normvorgaben eingehalten werden. Sicherlich ein weiterer Bonus – insbesondere mit Blick auf die Verbraucherakzeptanz von Gasfahrzeugen.

Das können Autos mit Brennstoffzelle

Wasserstoffautos bieten vielfältige Vorteile. Neben einer Reichweite die durchaus mit konventionell kraftstoffbetriebenen Verbrennungsfahrzeugen vergleichbar ist, ermöglicht die Brennstoffzelle eine kontinuierliche Leistungsabgabe im Fahrbetrieb. Beispielsweise bietet der Toyota Mirai Reichweiten von bis zu 600 Kilometern bei einer Leistung von 134 Kilowatt. Ein leises, komfortables Reisen ermöglicht diese elegante Limousine ebenso wie ein sportlich anmutendes Fahrerlebnis, bedingt durch sein kraftvolles Drehmoment bis zu 300 Newtonmetern. Auf Fahrzeugebene betrachtet entstehen weder Treibhausgase noch gesundheitlich bedenkliche Schadstoffe. Lediglich Wasserdampf wird bei der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Luftsauerstoff freigesetzt.

Je nach Rohstoff und Effizienz bei der Wasserelektrolyse ist mit dem Wasserstoffauto grundsätzlich ein klimaneutraler Betrieb möglich. Als nachteilig anzuführen ist die derzeit äußerst dünne Tankstelleninfrastruktur sowie der vergleichsweise hohe Anschaffungspreis zu nennen. Kosten im mittleren bis obere fünfstelligen Eurobereich sind keine Seltenheit. Staatliche Förderungen von bis zu 7.500 Euro des Kaufpreises sind möglich. Informieren Sie sich hierzu unter anderem bei den Fachexperten und Branchenvertretern der Gelben Seiten.

Aktuelle Marktsituation und Tankstelleninfrastruktur

Wasserstoffautos stellen heute (noch) ein absolutes Nischenprodukt dar. Und dies trotz mehrfacher Entwicklungsanläufe seitens der Automobilindustrie. Dabei hat Wasserstoff – als Schlüsseltechnologie der sogenannten Mobilitätswende – ein großes Potenzial als Treibstoff für die Brennstoffzelle. Die Gründe für die im Vergleich zum Batterie-basierten Elektroantrieb zurückhaltende Etablierung der Brennstoffzelle im mobilen Sektor sind vielfältig. Hierzu zählen unter anderem der moderate Wirkungsgrad, die Herausforderungen bei der Wasserstoffspeicherung sowie die marginale Tankstelleninfrastruktur.

Wasserstoff tanken - Besondere Herausforderung für Verbraucher

Derzeit sind deutschlandweit circa 100 Tankstellen gelistet, die Wasserstoff zum Tanken anbieten. Von flächendeckender Versorgung kann also nicht die Rede sein, auch wenn circa 400 weitere, teils staatlich geförderte Tankstellen bis zum Jahr 2023 hinzukommen sollen. Zum Vergleich: Benzin und Dieselkraftstoffe sind an mehr als 14.000 Tankstellen verfügbar. Aus Verbrauchersicht ein Fiasko: Die Fahrt mit dem Brennstoffzellenfahrzeug will akribisch geplant sein.

Dabei ist der Tankvorgang selbst sicher, einfach und schnell. Sofern die Tankstelle über eine robuste Wasserstoffzapfstelle verfügt, ähnelt der Tankvorgang der Befüllung eines Erdgasfahrzeugs. Ein Volltanken ist binnen weniger Minuten möglich.

E-Auto mit Brennstoffzelle: Richtig heikel wird’s beim Autokauf

Derzeit gibt es nur zwei auf dem Markt erhältlicher Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb. Dabei handelt es sich um den bereits skizzierten „Mirai“ des japanischen Automobilherstellers Toyota sowie den Mittelklasse-SUV „Nexo“ der südkoreanischen Hyundai Motor Company. Im Vergleich zum ostasiatischen Raum setzen europäische Automobilhersteller weitestgehend auf eine batteriebetriebene Elektromobilität. Seriell hybride Antriebe mit Brennstoffzelle werden – zumindest für Personenkraftwagen – nicht weiter favorisiert. Namhafte OEM argumentieren vor allem mit den vergleichsweisen hohen Kosten für Wasserstoff: Auf die Reichweite bezogen liegen diese in ähnlicher Größenordnung wie das Äquivalent für einen fossilen Flüssigkraftstoff – und dies trotz indirekter Subventionierung von Wasserstoff, beispielsweise durch Steuervergünstigungen.

Auch der Fahrzeugbetrieb kann sich schwierig gestalten

Nachteilig wirkt sich ferner das bereits angesprochene dünne Tankstellennetz für Wasserstoff aus. Die zum Ausbau erforderlichen öffentlichen und privatwirtschaftlichen Investitionen werden aller Voraussicht nach und zumindest in absehbarer Zeit nicht getätigt. Vor allem auch mit Blick auf Märke in anderen Ländern erweist sich dieser Aspekt als weiteres Argument gegen die Forcierung von Brennstoffzellenantrieben.

Wenngleich die grundlegende Technologie seit Jahrzehnten bekannt, entstehend infolge des einsatzspezifischen Beanspruchungskollektivs konkrete technische Herausforderungen, wie beispielsweise die mechanische Integrität des Stacks insgesamt, die Fahrzeugsicherheit sowie die Anbindung integrierender Thermomanagementsysteme. Ganz abgesehen von heterogenen Einflüssen auf den Wirkungsgrad im Einsatz des ganzjährigen Klimaspektrums. Hinzu kommen psychologische Faktoren der Verbraucher.

Eine Menge an Aufklärungsarbeit ist in diesem Zusammenhang erforderlich: Wichtig ist ein nachhaltiges Vertrauen in die Betriebssicherheit auf gesamtgesellschaftlicher. Das Beispiel von Erdgas zeigt einen bis heute nur niedrigen Marktanteil – trotz langfristiger Kostenvorteile und einem nur moderatem Umrüstaufwand für Ottomotoren. 

Keine marktreife Konkurrenz aus Europa zu erwarten

Bis heute handeln deutsche Automobilhersteller nur zögerlich, wie unter anderem das Beispiel Daimler AG zeigt: Trotz langjähriger Bestrebungen und Entwicklungsarbeiten brachte Daimler erst im Jahr 2018 den Mercedes Benz GLC F-Cell auf den Markt – zu einer Zeit als sich die Konkurrenten aus Asien bereits längst etabliert hatten. Und selbst der Markteintritt bezog sich auf eine Kleinserie mit Leasingkauf. Bereits nach zwei Jahren nahm Daimler das Modell wieder aus der Produktion. Hintergrund waren unter anderem unklare gesellschaftspolitische Bestrebungen sowie die unzureichende Verfügbarkeit von Wasserstofftankstellen. Beides Faktoren für geringe Marktchancen einer Großserie.

Dabei brauchte sich der GLC F-Cell keineswegs verstecken: Technologisch überzeugte er in allen Belangen, was unter anderem auch ein umfassender Test des ADAC [1] bestätigt. Leise Fahrgeräusche, sportliche Fahrdynamik und minimierter Verbrauch unter anderem durch die geregelte Rekuperation lassen dieses Fahrzeug als durchaus attraktiv erscheinen, wenngleich die Reichweiten mit circa 300 Kilometern nicht ganz mit den Fahrzeugen von Toyota und Hyundai mithalten können.

Fazit: Das Wasserstofffahrzeug im Überblick

• Wasserstoff als Zukunftstechnologie: Als Schlüsselelement für die Herstellung von regenerativem Strom und flüssigen Energieträgern bietet Wasserstoff ein großes Zukunftspotenzial – und ermöglicht darüber hinaus die Umsetzung der klimapolitischen Ziele.
• Brennstoffzelle für den mobilen Einsatz: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in der Brennstoffzelle zu Wasser und generieren eine technisch nutzbare Spannungsdifferenz für den Elektromotor. Aufwendige und gewichtsintensive Batterien können weitgehend verzichtet werden. Auch das Tanken gestaltet sich anwenderfreundlicher als das zeitaufwendige Laden der Batterie – problematisch ist immer noch das äußerst begrenzte Tankstellennetz. 
• Verfügbarkeit und Kauf: Eine weitere Herausforderung für den interessierten Verbraucher stellt die Verfügbarkeit von Brennstoffzellenautos insgesamt dar. Bis auf derzeit zwei ostasiatische Modelle sind Wasserstoffautos zumindest im europäischen Raum so gut wie nicht zu beziehen. Namhafte Hersteller investieren derzeit vorzugsweise in den Ausbau der batterieelektrischen Antriebe.     

Quellenverzeichnis

[1] Rudschies, Wolfgang: Mercedes GLC F-Cell: So kam das Aus für die Wasserstoff-Brennstoffzelle, Allgemeiner Deutscher Automobil-Club e.V. (ADAC), Bericht vom 25.08.2021,

Internet: ADAC.de: Mercedes GLC F-Cell