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Wasserstoff Autos

Wasserstoff Autos

TÜV NORD Ratgeber zu Wasserstoff Autos - Einfach erklärt

Wasserstoff ist nicht nur das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Die Verabeitung von Wasserstoff wird auch als eine der Schlüsseltechnologien für die Zukunft gehandelt und findet bereits Einsatz in unterschiedlichen Wirtschaftszweigen. So auch in der Mobilität. Obwohl Wasserstoff Autos eher rar auf den deutschen Straßen sind, läuft bei namhaften Herstellern die Entwicklung solcher Modelle. 

Wir stellen Ihnen den alternativen Antriebskraftstoff näher vor: Wie funktioniert ein Wasserstoffauto und wie sicher ist es? Was sind die Vor- und Nachteile von einem Wasserstoff-Brennstoffzellen Auto im Vergleich zu anderen Antriebskraftstoffen? Wo liegt die Wasserstoff-Auto-Zukunft? 

 

Wie funktionieren Wasserstoff Autos?

  • Ein Wasserstoffauto ist im Grunde ein Elektroauto mit einer Brennstoffzelle
  • Der Wasserstoff wird in aktuellen Serienfahrzeugen gasförmig gespeichert und in Brennstoffzellen-Fahrzeugen zum Antrieb verwendet
  • Innerhalb der Wasserstoff-Brennstoffzelle erfolgt eine Elektrolyse, die die im Wasserstoff gespeicherte Energie als Strom freisetzt und damit den Elektromotor antreibt

Was bedeutet Wirkungsgrad bei Wasserstoff Autos und wie hoch ist der Wirkungsgrad?

  • Der Wirkungsgrad beschreibt den Anteil der gespeicherten Energie, die tatsächlich für den Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird
  • Als Einzelkomponente kommt die Wasserstoff-Brennstoffzelle unter Standardbedingungen auf einen maximalen Wirkungsgrad von 83 %
  • In einem Fahrzeug wird von einem Wirkungsgrad von 50 % ausgegangen, da die Brennstoffzelle Energie für die Umwandlung von Wasserstoff in Strom benötigt
  • Betrachtet man den vollständigen Ablauf von der Wasserstoff-Herstellung bis hin zur Transformation in Bewegungsenergie, bleibt lediglich ein Wirkungsgrad von circa 30 %


Mehr zum Wirkungsgrad alternativer Antriebsarten find Sie unter Wirkungsgrade von Elektroautos.



 

Brennstoffzelle und ihre Wirkung Brennstoffzelle und ihre Wirkung Brennstoffzelle und ihre Wirkung Brennstoffzelle und ihre Wirkung

Wie gefährlich sind Wasserstoff Autos?

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Wasserstoff ist zwar hochentzündlich, explodiert aber niemals, ohne einen Auslöser und eine Zündquelle. Zudem vermischt er sich schnell mit der Umgebungsluft.

Bei Wasserstoff-Brennstoffzellen-Autos besteht somit kein Grund zur Beunruhigung.

Durch die Speicherung in separaten, druckfesten Tanks kommen sich Wasserstoff und Sauerstoff nicht in die Quere.

Zahlreiche Crashtests haben gezeigt, dass ein Totalschaden erforderlich ist, um den Wasserstofftank zu beschädigen und Wasserstoff freizusetzen.

Wie hoch ist die Wasserstoff-Auto Reichweite?

Die Reichweite von Wasserstoff Autos hängt vor allem von der Tankkapazität ab. Der Verbrauch und das Tankvolumen werden - im Gegensatz zu Verbrennerfahrzeugen - nicht in Litern, sondern in Kilogramm angegeben.

Manche Modelle schaffen eine Reichweite von über 600 Kilometern und sind in diesem Bereich vergleichbar mit Benziner- oder Dieselfahrzeugen. Batteriebetriebene Elektro-Fahrzeuge müssen hier schon einen großen Batteriespeicher vorweisen, um ähnliche Distanzen zu bewältigen.

Wie weit kann ich mit 1 kg Wasserstoff fahren Wie weit kann ich mit 1 kg Wasserstoff fahren Wie weit kann ich mit 1 kg Wasserstoff fahren Wie weit kann ich mit 1 kg Wasserstoff fahren

Wie viele Wasserstoff Tankstellen gibt es?

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Derzeit ist das Tankstellennetz für Wasserstoff noch lückenhaft, aber es gibt sie – die H2-Tankstellen und mobilen Stationen. Aktuell stehen deutschlandweit knapp über 100 öffentliche Wasserstoff-Tankstellen zur Verfügung (Stand: April 2022).

  • Diese Wasserstoff Tankstellen speichern gasförmigen Wasserstoff in Druckbehältern
  • Die meisten Wasserstoff Auto-Modelle, die heutzutage im Einsatz sind, verfügen über einen 700 bar starken Wasserstofftank, der an Wasserstoff-Tankstellen innerhalb von drei Minuten befüllt werden kann
  • Die Betankung ist schnell, unkompliziert und vergleichbar mit der Betankung mit fossilen Kraftstoffen

TÜV NORD-Tipp

Wer mit einem Wasserstoff Auto in das umliegende Ausland fahren möchte, muss die Route entsprechend der europäischen H2-Tankstellen planen.

Eine Übersicht bereits geöffneter sowie künftig geplanten Standorte von Wasserstoff-Tankstellen in Europa bietet die Karte des Unternehmens H2 Mobility, das für den flächendeckenden Aufbau und Betrieb einer Wasserstoff-Infrastruktur zur Versorgung von Autos mit Brennstoffzellenantrieb verantwortlich ist.

Wie viel kostet Wasserstoff an der Tankstelle?

  • Der Preis für ein Kilogramm Wasserstoff beträgt an allen öffentlichen H2 MOBILITY H2-Tankstellen in Deutschland 9,50 € (brutto); Stand April 2022
  • Auf 100 km verbraucht ein Brennstoffzellen Auto ca. ein Kilogramm Wasserstoff
  • Die Kosten beim Tanken von Wasserstoff sind vergleichbar mit denen für Benzin
  • Bezahlt wird in Deutschland mithilfe der H2-Live-Tankkarte per Rechnung, postalisch oder per Mail. Wer nicht jedes Mal den Rechnungsbetrag überweisen will, kann beim Kartenantrag SEPA-Mandat wählen
Wie viel kostet Wasserstoff an der Tankstelle Wie viel kostet Wasserstoff an der Tankstelle Wie viel kostet Wasserstoff an der Tankstelle Wie viel kostet Wasserstoff an der Tankstelle

Vorteile und Nachteile von Wasserstoff Autos

Vorteile von Wasserstoff Autos

Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnik stoßen - im Gegensatz zu Diesel oder Benzinern – im Betrieb weder Feinstaub, Stickoxide noch CO2 aus. Als Abfallprodukt entsteht lediglich Wasser(dampf). Damit sind sie lokal emissionsfrei.

Die Herstellung ist zudem mit jeder Stromquelle möglich, was von Vorteil ist bei der Herstellung von grünem Wasserstoff. Dazu kommt, dass Wasser aber auch Wasserstoff ein möglicher Zwischenspeicher für regenerative Energieerzeuger ist, der mögliche Engpässe in der Stromversorgung mit erneuerbaren Energien ausgleichen kann.

Vorteile von Wasserstoffautos:

  • hohe Reichweite
  • schnelles Betanken
  • widerstandsfähig gegen Kälte (bis -30 Grad Celsius)
  • beliebig lange Lagerung
  • sehr sicher auch bei Unfällen

Nachteile von Wasserstoff Autos

Ein Nachteil ist der hohe Energieverbrauch bei der Herstellung von Wasserstoff.

Dazu kommt die mangelnde Tankstellen-Infrastruktur im In- und Ausland, die eine gute Routenplanung unverzichtbar macht.

Auch die Modellauswahl ist derzeit noch überschaubar und bietet kaum Varianz. Zudem bedeutet die Anschaffung eines Elektro-Fahrzeugs – ob mit Batterie oder mit Wasserstoff betrieben – einen hohen Kostenaufwand.
 

Nachteile von Wasserstoffautos:

  • kein natürliches Vorkommen von Wasserstoff
  • hoher Anteil von fossiler Energie zur Wasserstoffgewinnung erforderlich
  • geringe Tankstellenabdeckung
  • Auswahl an Fahrzeugmodellen ist gering
  • Fahrzeugmodelle sind teuer
  • Technik bietet noch deutliches Potenzial für Weiterentwicklungen

Wer baut Autos mit Wasserstoffantrieb?

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Welche Wasserstoff Autos gibt es? Derzeit ist das Angebot von Wasserstoff Autos sehr begrenzt.

Die ersten „serienmäßigen“ Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf dem europäischen Markt sind:

  • der Hyundai Nexo
  • und der Toyota Mirai

Von Mercedes gab es den GLC F-Cell, der aber inzwischen wieder vom Markt genommen wurde.

 

Werden Wasserstoffautos gefördert?

  • Laut aktueller Liste des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa) wird aktuell nur der Toyota Mirai gefördert
  • Eine Liste der förderfähigen Fahrzeuge hat das Bundesamt für Wirtschaft und  Ausfuhrkontrolle herausgegeben und können Sie sich hier anschauen
  • Im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie können Brennstoffzellen-PKW in Flotten von mindestens drei Fahrzeugen vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) gefördert werden. Nähere Informationen dazu finden Sie auf der BMDV-Internetseite.
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Wie viel kostet ein Wasserstoffauto?

Der Hyundai Nexo kostet als Neuwagen rund 77.300 Euro *

Der Toyota Mirai kostet neu zwischen 64.000 und 74.000 Euro *

Der Hyundai Nexo Basis ist als Gebrauchtwagen ab 57.000 Euro zu haben. Der Toyoto Mirai, BJ 2016, bereits ab 26.500 €. *

* Stand: Mai 2022

 

Wo ist der Einsatz von Wasserstoff als alternativer Antrieb sinnvoll?

Wasserstoff-LKW Wasserstoff-LKW Wasserstoff-LKW Wasserstoff-LKW

Im Gegensatz zu anderen Brennstoffen entstehen bei der Verbrennung von Wasserstoff keine Schadstoffe, die in die Atmosphäre gelangen könnten.

Im Vergleich zu batteriebetriebenen Fahrzeugen liegt ein wichtiger Vorteil von Wasserstoff Autos im Nutzfahrzeugsegment, da hier ein besonders hohes Leistungsniveau erforderlich ist.

Um auf dieses Niveau zu gelangen, müssten bei der batteriebetriebenen Variante immens große Batterien verbaut werden. Diese sind nicht nur materialintensiv, sondern auch ein wesentlicher Kostentreiber bei der Anschaffung des Fahrzeugs. Um die gleiche gespeicherte Energie von zwei vollen Tanks mit 700 bar Wasserstoff mit Batteriezellen abzubilden, würden die Batterien ein Vielfaches an Volumen und Masse der Wasserstofftanks einnehmen. Das zusätzliche Gewicht hätte besonders bei Lkw auch negative Auswirkungen auf die Reichweite und Nutzlast. In Sachen Reichweite stehen Wasserstoff Autos den herkömmlichen Verbrennern und Dieselfahrzeugen in nichts nach.

Wo liegt die Wasserstoff-Auto Zukunft? Im PKW- oder Nutzfahrzeug-Segment?

Wasserstoff-Auto Zukunft im PKW-Segment

Im PKW-Segment steht das Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeug sowohl mit dem klassischen Verbrenner als auch mit der aufstrebenden batterieelektrischen Mobilität im Wettbewerb. Letztere hat in puncto Modellvielfalt und Preisattraktivität wesentliche Vorteile. Eine rasche Aufholjagd mit Blick auf die Zulassungszahlen gilt als ausgeschlossen.

Wasserstoff-Auto Zukunft im Nutzfahrzeug-Segment und bei Elektrobussen

Im Nutzfahrzeug-Segment und bei Elektrobussen könnten Fahrzeuge mit Brennstoffzelle in den kommenden Jahren aufholen, da das Anforderungsprofil an das Fahrzeug bei

  • Zuladung
  • Reichweite
  • Leistungsabgabe
  • hohe Flexibilität der anwendungsbezogenen Systemauslegung etc.

besser passt. Neben der Verwendung in Brennstoffzellen kann Wasserstoff als Energieträger auch in Verbrennungsmotoren verwendet werden.

Ein Blick in die Zukunft: Wasserstoff oder Batterie?

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Die Zukunft der beiden alternativen Antriebsstoffe ist von verschiedenen Faktoren abhängig.

Dazu zählen unter anderem

  • Produktionsprozesse
  • Verfügbarkeit der Kraftstoffe
  • Modellentwicklung
  • Ausbau einer Tankstellen-Infrastruktur
  • sowie entscheidende Impulse der Politik


Die Planung neuer Wasserstoff-Fahrzeuge von namhaften Herstellern zeigt, dass Wasserstoff Zukunftspotenzial im Kraftfahrzeugsegment aufweist. Um die Klimaziele zu erreichen, wird man sowohl den Wasserstoff, als auch die Batterie benötigen, um unabhängiger von fossilen Kraftstoffen zu werden. Nicht zu vernachlässigen sind hier auch der Ursprung und die Erzeugungs- und Distributionswege des jeweiligen Energieträgers.
 

Was ist Wasserstoff überhaupt?

Wasserstoff ist nicht nur in beinahe allen Verbindungen der organischen Chemie enthalten, sondern auch in erheblichen Mengen auf der Erde vertreten, da es sich um einen Bestandteil von Wasser handelt.

Mit dem Symbol H steht das Element im Periodensystem an erster Stelle und kommt fast ausschließlich in gasförmiger, gebundener Form vor. Als Sekundärenergie benötigt das farb- und geruchlose Gas zusätzliche Energie, eine sogenannte Primärenergie, um produziert zu werden.

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Wie wird Wasserstoff hergestellt - einfach erklärt

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Da Wasserstoff ausschließlich in Verbindungen mit anderen Stoffen wie Erdgas, Erdöl oder Wasser zu finden ist, muss er mittels Energie getrennt werden. Es gibt verschiedene, energieintensive Verfahren, um Wasserstoff herzustellen:

  • Beim Reformierungsverfahren entnimmt man fossilen Brennstoffen den Wasserstoff
  • Bei dem Verfahren der Wasserelektrolyse wird mit elektrischem Strom Wasser in seine Grundelemente gespalten
  • Die „Dunkle Fermentation“ dient der Herstellung von Biowasserstoff. Biomasse, Abwässer oder Reststoffe werden hierbei mithilfe von Mikroorganismen bei Dunkelheit und ohne Sauerstoffzufuhr in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (CO2) geteilt

Wie wird Wasserstoff gelagert?

Je nachdem, ob Wasserstoff gasförmig oder flüssig gespeichert werden soll, gibt es verschiedene Möglichkeiten der Lagerung:

  1. Druckgasspeicherung mittels Kavernenspeicher
    Besonders die unterirdischen Kavernenspeicher haben viel Potenzial. Mittels großer Anlagen in den Hohlräumen von Salzstöcken können hier hohe Mengen Wasserstoff im gasförmigen Zustand gelagert und bei Bedarf weiterverwendet werden. Während Großbritannien solche Kavernen bereits aktiv anwendet, entstehen bei uns zurzeit erste Forschungskavernen.
     
  2. Flüssiggasspeicherung in Kryotank
    Bei der Flüssiggasspeicherung wird Wasserstoff durch seine Herunterkühlung verflüssigt und bei -253˚C in Kryotanks gespeichert.
    Der Vorteil: Flüssiger Wasserstoff hat weniger Volumen als im gasförmigen Zustand. Flüssiggasspeicher eignen sich daher ideal für den Transport über große Distanzen hinweg.
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Wie nachhaltig ist die Produktion von Wasserstoff?

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Obwohl Wasserstoff farb- und geruchlos ist, spielen Farben dennoch eine wichtige Rolle. Sie entscheiden, ob und wie nachhaltig Wasserstoff produziert wird. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen vier Farbkategorien:

 

Grauer Wasserstoff

  • Dominierend in Deutschland ist zurzeit der graue Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen (wie Erdgas, Erdöl oder Kohle) hergestellt wird
  • Bei der Produktion werden bis zu 10 Tonnen CO2 als Nebenprodukt erzeugt, die in die Atmosphäre gelangen


Türkiser Wasserstoff

  • Dieser wird mithilfe thermischer Spaltung von Erdgas erzeugt
  • Anstelle von CO2 entsteht hierbei fester Kohlenstoff, der sich weiter nutzen lässt
  • Werden zusätzlich erneuerbare Energien eingesetzt, ist der türkise Wasserstoff CO2-neutral


Blauer Wasserstoff

  • Die Herstellung von blauem Wasserstoff erfolgt ebenfalls auf Grundlage fossiler Brennstoffe
  • Allerdings gelangt bei diesem Verfahren kein CO2 in die Atmosphäre, da dieses unter dem Meeresgrund verpresst wird
  • So ist die Produktion CO2-neutral


Grüner Wasserstoff

  • Die nachhaltigste aller Farbkategorien ist der grüne Wasserstoff, bei dem die Energie aus Wind und Sonne entsteht
  • Er wird z.B. mittels Elektrolyse aus Wasser oder mit Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen
  • Damit ist grüner Wasserstoff CO2-neutral

Aktuell werden aus regenerativen Energien leider nur zwei Prozent des Wasserstoff-Bedarfs gedeckt, die fehlenden 98 Prozent werden aus Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Erdöl oder Kohle gewonnen.
Vor allem die Herstellung widerspricht daher derzeit dem Anspruch auf Umweltverträglichkeit.

Wo wird Wasserstoff im Verkehrssektor genutzt?

  • Wasserstoff ist vielseitig einsetzbar und bietet somit die Grundlage, Treibhausgasemissionen in unterschiedlichsten Branchen zu verringern bzw. zu vermeiden.
  • Grüner Wasserstoff zählt im Zuge der Energiewende zu einer wichtigen Alternative im Verkehrssektor
  • Die Wasserstoffmobilität in Form eines Brennstoffzellensystems ist ein vielversprechendes Mittel zum Klimaschutz; vor allem dort, wo man die batterieelektrische Mobilität aufgrund ihres technischen Entwicklungsstandes oder äußerer Gegebenheiten nicht anwendet
  • Einsatzfelder sind besonders der Fern- und Schwerlastverkehr sowie die Schiff- und Luftfahrt
Wo ist Wasserstoff im Einsatz Wo ist Wasserstoff im Einsatz Wo ist Wasserstoff im Einsatz Wo ist Wasserstoff im Einsatz

Weiterführende Informationen zum Thema Wasserstoff

Die Initiative "Hydrohub" der TÜV NORD GROUP

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Im Juli 2021 startete TÜV NORD GROUP die Initiative „Hydrohub“. Diese verfolgt das Ziel, Energieunternehmen, Industrien und Kommunen rund um das Thema Wasserstoff zu unterstützen und beraten. Das Hydrohub, das aus Vertreterinnen und Vertretern der verschiedenen Geschäftsbereiche formiert wird, soll Schlüsselthemen entwickeln und daraus neue Dienstleistungen ableiten. Darunter fallen Aufgabenfelder, wie die Entwicklung von Wasserstoffstandorten, die Sicherstellung einer nachhaltigen Wasserverwendung, die Entwicklung von Importstrategien sowie Emissions- und Reichweitenmessungen.