Der Wasserstoff­antrieb für's Auto

Untertitel: So funktionieren Wasserstoffautos und Vor- und Nachteile des Antriebs

Über das Elektroauto wird immer viel diskutiert. Heute möchte ich aber die Aufmerksamkeit auf eine weniger bekannte Alternative lenken: Den Wasserstoffantrieb. Dieser könnte eine Alternative zu Elektrofahrzeugen darstellen oder mit diesen kombiniert werden, um die Verkehrswende vielseitiger zu gestalten.

Ich schaue mir an, wie ein Wasserstoffauto funktioniert, was die Hürden sind und wie umweltfreundlich der Antrieb wirklich ist. Außerdem steht die Frage nach der Umsetzbarkeit im Mittelpunkt.

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Im Nachhaltigkeits 101 habe ich die wichtigsten Tipps zusammen gefasst mit denen jeder starten kann.

Was ist ein Wasserstoffantrieb und wie funktioniert er?

Theoretisch gibt es zwei unterschiedliche Antriebe für Autos, die mit Wasserstoff funktionieren: Den Wasserstoffverbrennungsantrieb und die mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle.

Der Wasserstoffverbrennungsmotor funktioniert ähhnlich wie ein normaler Otto- oder Dieselmotor, nutzt also einen Brennstoff, der entweder direkt entzündet oder durch hohen Druck dazu gebracht wird.

Bei Brennstoffzellenfahrzeugen handelt es sich eher um eine Art Hybrid. Hier wird der Wasserstoff in der Brennstoffzelle des Autos oxidiert und so Strom erzeugt, der den Elektromotor des Autos antreibt.

Im Folgenden vergleiche ich verschiedene Antriebe für Autos miteinander hinsichtlich:

1. (Tank-to-Wheel) Wirkungsgrad: Wie viel des Brennstoffs genutzt werden kann (Effizienz der Energieumwandlung). Tank-to-Wheel bedeutet, wir gucken uns den Wirkungsgrad des Autos an, ohne dabei beispielsweise die Herstellung des Kraftstoffes in Betracht zu ziehen.
2. Umweltfreundlichkeit: Abgase, Lärm
3. Kosten: In der Anschaffung und Wartung sowie Kosten des Treibstoffes, Preise sind Durchschnittspreise des letzten Jahres

Ottomotor (Benzin)

1. Wirkungsgrad: 20 - 35 %
2. Umweltfreundlichkeit: Abgase wie Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide, Lärmemissionen durch Motor sowie Feinstaub durch Reifenabrieb oder Bremsen.
3. Kosten: Benziner brauchen im Durchschnitt 8 Liter für 100 km, wobei 1 Liter um die 1,41 € kostet. Damit kommt man auf 11,28 €.

Dieselmotor

1. Wirkungsgrad: um die 40 %
2. Umweltfreundlichkeit: Ebenfalls Abgase wie Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Feinstaub, Lärmemissionen und zusätzlicher Feinstaub durch Abrieb. Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe werden weniger als beim Benziner ausgestoßen, Stickoxide und Feinstaub dafür mehr.
3. Kosten: In der Anschaffung etwas teurer als ein Benziner, ebenso höhere Steuern und Versicherung. Dieselfahrzeuge brauchen 7 Liter pro 100 km im Durchschnitt. 1 Liter Diesel kostet weniger als Benzin, ca. um die 1,26 €, womit man auf 8,82 € kommt.

Wenn du mehr zu Diesel und Benziner wissen willst und wie es sich mit den Abgasse verhält, empfehle ich dir den Beitrag Ist der Diesel wirklich so schlecht wie alle immer sagen? zu lesen.

Elektromotor

1. Wirkungsgrad: 65 - 90 %, dazu gibt es viele verschiedene Angaben
2. Umweltfreundlichkeit: Erzeugt keine Abgase. Lärmemissionen sind ebenfalls gering, da Elektromotoren sehr leise sind. Reifenabrieb und Bremsvorgänge erzeugen auch bei diesem Antrieb natürlich Feinstaub. Die Lithium-Ionen-Akkus sind hinsichtlich der Umweltfreundlichkeit umstritten.
3. Kosten: Geringere Kosten in der Wartung, da weniger mechanische Teile wie Keilriemen, Auspuff oder Zündkerzen. Ein Ölwechsel ist ebenfalls nicht notwendig. Auch die Abgasuntersuchung entfällt. Steuern sind ebenfalls günstiger. Dafür höhere Kosten in der Anschaffung, aber Miete des Akku möglich. Der Verbrauch liegt durchschnittlich bei 20 kWh pro 100 km, der Preis liegt durchschnittlich bei 0,25 € pro 1 kWh, also bei 5,00 €. An der heimischen Steckdose verringert sich dieser Preis aber immens.

Brennstoffzelle

1. Wirkungsgrad: circa 40 - 50 %
2. Umweltfreundlichkeit: Abgase entstehen keine oder nur in sehr geringen Mengen, ebenfalls entsteht Feinstaub durch Bremsvorgänge und Reifenabrieb. Lärmemissionen sind geriner als bei Verbrennungsmotoren, aber durch Lüfter und Pumpen entstehen zusätzliche Geräusche, was diese Autos lauter als Elektroautos macht. Zusäzlich zur Brennstoffzelle wird wie bei vielen Hybriden eine Batterie verwendet. Dabei kann es sich durchaus um einen Lithium-Ionen-Akku handeln, welcher problematisch ist. Genaue Informationen konnte ich dazu leider nicht finden.
3. Kosten: In der Anschaffung scheinbar sehr teuer, teurer noch als Elektroautos, da die Brennstoffzellen spezielle Rohstoffe wie Platin benötigen. Wartungskosten ähnlich wie beim Elektroauto, da auch hier ein Elektromotor genutzt wird. Durch den höheren Bedarf an Kühlung, muss die Kühlflüssigkeit regelmäßig getauscht werden, Kosten ca. 1000 € pro 60.000 km. Auf 100 km Verbraucht ein Brennstoffzellenfahrzeug 1 kg Wasserstoff. Dieser kostet ca. 9 €. Die Kosten für Sprit liegen also ähnlich wie bei einem Benziner oder Diesel.

Wasserstoffverbrennungsmotor

Wird momentan nicht wirklich eingesetzt, deshalb nur wenig Daten.

1. Wirkungsgrad: 35 - 38 %
2. Umweltfreundlichkeit: Geringe Mengen von Abgasen, die zum Beispiel durch das Öl, das zum Schmieren des Motors verwendet wird, verursacht werden. Lärmemissionen ähnlich wie bei anderen Verbrennern.
3. Kosten: Keine Informationen zu den Anschaffungskosten. In der Wartung würde ich vermuten, dass die Kosten ähnlich sind wie bei Benziner und Diesel. Verbrauch von 3,6 kg Wasserstoff pro 100 km (Daten des BMW Hydrogen 7). Bei einem Preis von 9 € pro Kilogramm, wären das 32,4 €. Damit wäre dies der teuerste Antrieb, zumindest beim Tanken.

Bei diesem Vergleich wird relativ deutlich, dass Wasserstofffahrzeuge bisher wenig Vorteile haben. Der Wasserstoffverbrennungsmotor ist eine Technologie, die wenig genutzt wird, weil sie viel und teuren Treibstoff mit einer schlecht ausgebauten Infrastruktur und allen Nachteilen von üblichen Verbrennungsmotoren vereint.

Brennstoffzellenfahrzeuge hingegen sind vielversprechender. Sie bieten die Vorteile eines Elektroautos kombiniert mit Wasserstoff als primärer Treibstoff. Wir werden uns im Folgenden daher ansehen wie Wasserstoff gefördert wird und ob dieser wirklich so umweltfreundlich ist.

Wie wird Wasserstoff gefördert?

Da besonders die Förderung von Lithium für die Akkus von Elektroautos immer viel Kritik erntet, hat mich dieser Punkt sehr interessiert. Ist Wasserstoff umweltfreundlich in der Herstellung?

Wasserstoff in seiner Reinform (H2) ist in der Natur praktisch nicht zu finden und muss “erzeugt” werden. Bis 2012 wurde er hauptsächlich aus fossilen Energieträgern gewonnen, überweigend Erdgas. Das ist natürlich nicht besonders umweltfreundlich. Deshalb gibt es inzwischen auch umweltfreundliche Alternativen, um Wasserstoff zu gewinnen. Er kann beispielsweise aus Wasser gewonnen werden, mittels Elektrolyse durch Ökostrom. Leider werden aber immer noch 90% des Wasserstoffs aus fossilen Energieträgern hergestellt.

Und hier wären wir beim gleichen Problem, das viele mit Elektroautos haben (und was auch wirklich ein Problem ist). Wir brauche eine riesige Menge an Strom. Diesen können wir entweder direkt mit wenig Verlust für Elektromobilität verwenden oder wir wandeln diesen erst mit Verlust in Wasserstoff um, um Brennstoffzellenfahrzeuge zu nutzen (die den Wasserstoff dann wieder in strom umwandeln). Das hört sich für mich nicht besonders sinnvoll an.

Zur Verdeutlichung hier ein Auszug aus Wikipedia:

“[…] Brennstoffzellenfahrzeuge besitzen einen geringeren Gesamtwirkungsgrad als reine Elektrofahrzeuge. Diese benötigen zum Beispiel zusätzlich einen Wasserstoffspeicher. Die Gewinnung des Wasserstoffes und die Speicherung […] ist sehr energieaufwendig. Wird der Wasserstoff aus regenerativen Energien durch Elektrolyse erzeugt, betragen die addierten Verluste aus Elektrolyse und Kompression auf 700 bar 35 %. Zusammen mit dem Stromerzeugungswirkungsgrad der Brennstoffzelle von etwa 60 % ergeben sich Verluste von etwa 61 % auf dem Weg vom Stromerzeuger bis zum Antriebsmotor im Fahrzeug. Für denselben Weg betragen die Lade- und Entladeverluste eines Lithium-Ionen-Akkumulators nur 10 bis 20 %.[87] Die Energieverluste eines Brennstoffzellenfahrzeugs sind deshalb höher als die eines rein batteriebetriebenen Elektroautos.”

Wasserstoff als Treibstoff für Autos zu nutzen, scheint also nicht so richtig sinnvoll zu sein. Wofür er aber sehr sinnvoll eingesetzt werden könnte, ist als Energiespeichermedium für Strom. Die Problematik von starken Stromspitzen in der Erzeugung von Erneuerbaren Energien und der Nachfrage des Stroms daraus, könnte damit gelöst werden.

Welche Infrastruktur brauchen wir für Wasserstoffautos?

Ich will mir trotz der bereits recht ernüchternen Erkenntnisse noch mal angucken, welche Infrastruktur für Wasserstoffautos wir bereits haben oder wie diese ausgebaut werden könnte. Mich interessiert auch hier der Vergleich zu beispielsweise Stromtankstellen.

Wasserstofftankstellen gibt es in Deutschland bisher nicht besonders viele, bisher 83 Stück. Aber es sollen in Zukunft weitere errichtet werden. In anderen Ländern geschieht dies entlang sogenannter Hidrogen Highways, damit die Hauptverkehrswege mit Tankstellen abgedeckt sind. Hier in Deutschland liegt der Fokus auf Ballungsräumen wie dem Ruhr-Gebiet.

Um die Infrastruktur weiter auszubauen, braucht man Geld und die passenden Technologien. Denn zur Lagerung und dem Transport benötigt man für Wasserstoff Hochdrucktanks, die diesen komprimieren. Wasserstoff kann auch direkt vor Ort mittels Elekrolyse erzeugt werden. Die Tanksäule kann sich also quasi selbst versorgen. Allerdings ist diese Herstellung von Wasserstoff lange nicht so effizient wie im größeren Maßstab. Hinzu kommt, dass eine perfekte Isolation der Tanks unmöglich ist, somit verflüchtigt sich der Wasserstoff mit der Zeit. Das ist für den Transport, für die Lagerung vor Ort und auch für bereits betankte Autos ein großes Problem.

Vorteil gegenüber eines Elektrofahrzeugs ist, dass Wasserstoff an einer solchen Tankstelle so schnell wie Benzin oder Diesel getankt werden kann.

Eine Übersicht über das Tankstellennetz findest du unter H2.LIVE.

Fazit

Mein Fazit fällt relativ ernüchternd aus. Ich hatte mich vorher nicht wirklich mit dem Wasserstoffauto beschäftigt, wusste nur dass es immer mal wieder als Alternative im Gespräch war. Ich sehe allerdings wenig Vorteile gegenüber einem Elektroauto. Sicherlich können Wasserstoffautos aber in einigen Bereichen sinnvoll eingesetzt werden. Wir müssen von dem Gedanken wegkommen, dass es DIE eine Technologie gibt, die es richten wird. Es wird einen Blumenstrauß an Lösungen brauchen, um die Klimakrise zu lösen.

Die Nachteile von Wasserstoffautos:

• geringerer Gesamtwirkungsgrad als ein Elektroauto
• Wasserstoff wird aus fossilen Energieträgern gewonnen, Elektroautos werden schon viel häufiger mit Ökostrom betrieben
• komplizierte Lagerung und Transport des Wasserstoffs
• schlecht ausgebaute Infrastruktur
• Wasserstoff verflüchtigt sich schnell (Tank kann sich entleeren)
• Spritpreis liegt zwischen Benzin und Diesel, höher als beim Strom
• Verwendung eines Akkus, bei dem es sich durchaus um einen Lithium-Ionen-Akku handeln kann

Die Vorteile von Wasserstoffautos:

• alle Vorteile eines Elektroautos (wenig mechanische Teile, geringe Wartungskosten)
• gleiche bis höher Reichweite als Elektrofahrzeuge
• Wärmeerzeugung durch Brennstoffzelle, dafür muss im Winter kein Strom “aus dem Tank” verwendet werden

Beide Antrieben haben natürlich den Vorteil, dass sie bei der Nutzung sehr sehr geringe bis keine Emissionen ausstoßen.

Mir hat das Schreiben dieses Beitrags sehr viel Spaß gemacht und ich habe viel gelernt, ich hoffe dir geht es auch so. Vielleicht hast du ja noch mehr Informationen, die du gerne ergänzt sehen würdest. Dann hinterlasse gerne einen Kommentar oder schreib mir einfach.

Bis zum nächsten Mal,

- Sarah