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Brennstoffzellentechnologie

Wasserstoffauto: Alternative zum Batteriemobil?

© iStock

23. Mai 2019

Alle Zeichen stehen auf Strom: Wer umwelt­freundlichen Verkehr will, der kommt am Elektro­auto nicht vorbei – das gilt mittler­weile in Politik, Gesellschaft und selbst in weiten Teilen der Auto­mobil­industrie als aus­gemachte Binsen­weisheit. Doch gerade im Schwer­last­verkehr stößt die Batterie­techno­logie bislang noch an ihre Grenzen. Toyota setzt deshalb seit Jahren auf den Wasser­stoff­antrieb. Mittler­weile entdecken auch deutsche Hersteller die Brenn­stoff­zelle wieder für sich.

Mithilfe von Batterien können nicht nur Menschen, sondern auch Waren und Pakete umwelt­freundlich von A nach B gebracht werden – das hat etwa die Post mit dem Street­scooter unter Beweis gestellt. Aber nicht nur Liefer­wagen stehen mittler­weile unter Strom. Hersteller wie Daimler und Volvo haben auch bereits elektrische Lkw entwickelt. Die E-Laster sollen jedoch in erster Linie im städtischen Zuliefer­verkehr zum Einsatz kommen. Für die Lang­strecke sind heutige Akkus meist noch zu schwach. Ihre Größe und ihr Gewicht gehen auf Kosten der Nutz­last der Brummis, und ihr Preis drückt aufs Portemonnaie der Logistik­unter­nehmen. Eine sinn­volle wie saubere Alternative bietet hier die Brenn­stoff­zelle, sagt Christian Förster, Elektro­mobilitäts­experte von TÜV NORD.

Die Technologie versorgte schon die Astronauten der Apollo 11 auf ihrer Mond­mission mit Strom: In einem chemischen Prozess werden dabei Wasser­stoff und Luft­sauer­stoff in Elektrizität umgewandelt, womit sich dann beispiels­weise ein Motor antreiben lässt. Auch Brenn­stoff­zellen­fahr­zeuge sind also streng genommen Elektro­mobile. Aller­dings mit einem entscheidenden Unter­schied: Man kann mit ihnen bereits heute weitere Strecken fahren als mit einem Batterie­auto und sie fast so schnell auftanken wie einen herkömmlichen Verbrenner. Und es gibt noch einen Vorteil zum reinen Akku­fahr­zeug: „Wasser­stoff als Energie­träger für die Brenn­stoff­zelle kann in einem vergleich­baren Verteiler­netz­werk wie Diesel­kraft­stoff an einer Tank­stelle angeboten werden, sodass wir auf diesem Sektor die klassische Auto­bahn-Tank­struktur nicht grund­legend ändern müssten“, betont Christian Förster. Anders als bei Lade­stationen für Elektro­autos müssen keine kilo­meter­langen Strom­kabel verlegt werden. Statt­dessen wird der Wasser­stoff vor Ort erzeugt oder über Tank­wagen an die Zapf­säulen geliefert. Doch die sind welt­weit bislang noch rar gesät. Hier­zulande kann man momentan an rund 60 öffentlichen Tank­stellen Wasser­stoff zapfen. Hinter Japan mit 96 Wasser­stoff­tank­stellen verfügt Deutschland damit inter­national über das zweit­größte Netz – das gegen­über 14.500 konventionellen Tank­stellen und über 17.000 E-Lade­punkten aller­dings aus­gesprochen weit­maschig ausfällt.

Lückenhaftes Tankstellennetz

Eine lückenhafte Infra­struktur ist dabei nicht die einzige Hürde für den Wasser­stoff­antrieb. Die wenigen Brenn­stoff­zellen­fahr­zeuge, wie sie Toyota, Hyundai oder Honda in Serie anbieten, sind bislang noch teurer als die ohnehin kost­spieligen Elektro­autos. Und auch der Wirkungs­grad eines Wasser­stoff­mobils ist deutlich geringer als der eines Batterie­fahr­zeugs. Denn Wasser­stoff zu erzeugen und ihn in Strom umzuwandeln kostet viel Energie. „Mit einer Kilo­watt­stunde regenerativ erzeugter Energie komme ich mit einem batterie­elektrischen Fahr­zeug mehr als doppelt so weit wie mit einem Brenn­stoff­zellen­fahr­zeug“, erläutert E-Mobilitäts­experte Förster.

„Mit einer Kilo­watt­stunde regenerativ erzeugter Energie komme ich mit einem batterie­elektrischen Fahr­zeug mehr als doppelt so weit wie mit einem Brenn­stoff­zellen­fahr­zeug.“

Christian Förster, Elektro­mobilitäts­experte von TÜV NORD

Hohe Produktionskosten und spärlich gesäte Tankstellen erklären wohl auch die bisherige Zurück­haltung deutscher Auto­bauer gegen­über der Brenn­stoff­zelle. VW, Audi und Daimler forschen zwar seit Jahrzehnten an der Technologie und haben bereits diverse Proto­typen entwickelt. Bislang hat jedoch allein Daimler mit dem GLC F-Cell ein Wasser­stoff­auto in Serie produziert, das Kunden derzeit aller­dings nur mieten, nicht kaufen können.

Toyota setzt auf Brennstoffzelle

Aktiv vorangetrieben wird die Technologie vor allem in Fern­ost. Besonders Toyota hat sich der Brenn­stoff­zelle verschrieben. „Wir glauben, dass wir beides brauchen: die Batterie und die Brenn­stoff­zelle“, bekräftigte Toyota-Sprecher Hisashi Nakai gegen­über der „Welt am Sonntag“ die Über­zeugung des Unter­nehmens. Mit dem Modell Mirai hat der japanische Auto­bauer Ende 2014 die erste Wasser­stoff-Limousine in Serie auf den Markt gebracht. Wirtschaftlich lässt der Erfolg jedoch auf sich warten. Welt­weit wurden seit der Einführung gerade mal rund 7.000 Exemplare verkauft. Trotz­dem glaubt Toyota, dass die Stunde der Brenn­stoff­zelle geschlagen hat. Bereits ab 2020 will der Auto­bauer den Absatz von Wasser­stoff­fahr­zeugen auf 30.000 pro Jahr steigern. Und mit den höheren Stück­zahlen sollen auch die Produktions­kosten sinken und die Brenn­stoff­zellen nicht länger nur in hoch­preisigen Limousinen oder SUVs zum Einsatz kommen. Neben mit Wasser­stoff betriebenen Pkw entwickeln die Japaner außerdem Gabel­stapler, Lkw und Busse. Zu den Olympischen Sommer­spielen im kommenden Jahr liefert Toyota 100 Wasser­stoff­busse, die Gäste aus aller Welt durch die japanische Haupt­stadt kutschieren sollen. In Kalifornien testet der Hersteller seit 2017 einen Brenn­stoff­zellen­truck. Der Wasser­stoff­brummi kann am Stück bis zu 480 Kilometer fahren und ein Gesamt­gewicht von mehr als 36 Tonnen bewegen. Ende des Jahres sollen die Trucks dann regulär in den Häfen von Los Angeles und Long Beach eingesetzt werden.

Auch der Autohersteller Hyundai, der bereits seit einigen Jahren Brenn­stoff­zellen­autos in Serie anbietet, hat einen Wasser­stoff­laster entwickelt. Der Hyundai Fuel Cell Electric Truck bringt ein Gesamtgewicht von 34 Tonnen auf die Waage und soll mit einer Tank­füllung rund 400 Kilo­meter weit kommen. Noch ab 2019 wollen die Süd­koreaner zusammen mit dem Schweizer Wasser­stoff­unter­nehmen H2 Energy (H2E) eine Flotte von 1.000 Lkw über fünf Jahre testen. Insgesamt sechs Milliarden Euro investiert der Auto­bauer bis 2030 in Wasser­stoff­gefährte und will bis dahin eine halbe Million Fahr­zeuge produzieren.

Weltpremiere zwischen Cuxhaven und Buxtehude

Aber nicht nur auf der Straße wird mit der Brenn­stoff­zelle experimentiert: Zusätzlich unter­stützt Toyota die Welt­reise des ersten Wasser­stoff­schiffs. Der elektrisch angetriebene Katamaran „Energy Observer“ arbeitet sowohl mit Sonnen­energie als auch mit einem System, das aus Meer­wasser kohlen­stoff­freien Wasser­stoff erzeugt. Nach einer komplett energie­autonomen Welt­um­rundung soll er pünktlich zu den Olympischen Spielen in Tokio einlaufen.

Ebenso wird die Technologie bereits auf der Schiene eingesetzt. In Nieder­sachsen können Fahr­gäste die 100 Kilo­meter lange Strecke zwischen Cuxhaven und Buxtehude seit September 2018 im ersten Wasser­stoff­zug der Welt zurück­legen. Wo sonst Diesel­züge dröhnen, rollt nun der leise „Coradia iLint“ über die Gleise, dessen Sicher­heits­gutachten TÜV NORD erstellt hat. Statt Ruß, Stickoxid und CO2 pustet er nur Wasser­dampf in die Luft. „Wasser­stoff ist eine echte emissions­arme und effiziente Alternative zum Diesel“, sagt der Beauftragte der Bundes­regierung für den Schienen­verkehr Enak Ferlemann. Gerade auf Neben­strecken, wo sich der Betrieb von Ober­leitungen nicht rechnet, sollen die umwelt­freundlichen Wasser­stoff­züge Diesel­loks ersetzen – etwa zwischen Berlin und dem branden­burgischen Barnim, wo der Einsatz eines Brenn­stoff­zellen­zugs ab 2022 angedacht ist. In Niedersachsen verkehren die beiden Wasser­stoff­züge als „Vor­serien­modelle“ noch im Probe­betrieb auf der Strecke. Offiziell durch­gestartet wird Ende 2021, wenn weitere 14 Wasser­stoff­züge in Betrieb gehen sollen. Rund 81 Millionen Euro stellt das nieder­sächsische Verkehrs­ministerium für deren Anschaffung bereit. In den kommenden 30 Jahren könnten schließlich alle 120 Diesel­züge der Landes­nah­verkehrs­gesell­schaft Nieder­sachsen (LNVG) durch umwelt­freundliche Alternativen ersetzt werden. Auch in Hessen wird bereits mit der Brenn­stoff­zelle geplant. Der Verkehrs­verbund Rhein-Main hat bei Alstom 27 Brenn­stoff­zellen­züge bestellt, die ab Ende 2022 durch den Main-Taunus-Kreis rollen sollen.

Japan auf dem Weg zur Wasserstoffwirtschaft

Das internationale Interesse am Wasser­stoff­zug ist eben­falls groß. Anfragen kamen dem Hersteller Alstom zufolge etwa aus Kanada, Indonesien und Japan. Und das ist kein Wunder: Die Regierung des Insel­staats will Wasser­stoff zum Energie­träger der Zukunft machen und fördert entsprechende Projekte, aber auch den Kauf eines Wasser­stoff­autos mit hohen Subventionen. Auf diese Weise will die Regierung bis zum Jahr 2030 rund 800.000 Brenn­stoff­zellen­fahr­zeuge auf Nippons Straßen bringen. Die Wasser­stoff­versorgung soll dafür eben­falls drastisch erhöht werden: von 200 Tonnen jährlich (bezogen auf 2017) auf 4.000 Tonnen im Jahr 2020 und auf 300.000 Tonnen im Jahr 2030. Dabei soll der Wasser­stoff nicht nur Autos antreiben, sondern auch Häuser mit Strom und Wärme versorgen. Noch ist das auf­grund der hohen Preise und des geringen Wirkungs­grads nur bedingt rentabel. Ändern soll sich das mit der zunehmenden Ausbreitung regenerativer Energien. Damit der Strom an besonders hellen oder windigen Tagen nicht verloren geht, weil gerade nicht genug Menschen ihren Mixer laufen lassen, soll er im Wasser­stoff zwischen­gespeichert werden. „Erst im Kontext der Verbreitung neuer Energie­quellen ist die Verwendung von Wasser­stoff effektiv“, sagte Toshiki Shimizu, Leiter der Abteilung für intelligente Energie­systeme bei Panasonic, gegen­über der Stuttgarter Zeitung.

„Erst im Kontext der Verbreitung neuer Energie­quellen ist die Verwendung von Wasser­stoff effektiv.“

Toshiki Shimizu, Leiter der Abteilung für intelligente Energie­systeme bei Panasonic

Japans großer Nachbar China will die Verbreitung der Brenn­stoff­zelle eben­falls weiter vorantreiben. 2018 steckte der chinesische Staat bereits 11 Milliarden Euro in die Förderung der Technologie – Tendenz weiter steigend. Bis 2030 soll es im Reich der Mitte 3.000 Wasser­stoff­tank­stellen geben. Auch die Auto­bauer setzen Wasser­stoff auf ihre Agenda: Great Wall Motors etwa investiert verstärkt in die Brenn­stoff­zellen­technologie. Und das Start-up Grove Hydrogen Automotive hat Ende April in Shanghai seine ersten Serien­fahr­zeuge mit Wasser­stoff­antrieb vor­gestellt.

Bosch und Audi planen mit der Brennstoffzelle

Mittlerweile entdecken auch deutsche Hersteller die Vorteile der Brenn­stoff­zelle wieder für sich. So will Audi künftig mehr Geld und Kapazitäten in die Entwicklung stecken, wie der Auto­bauer unlängst ankündigte. Noch in diesem Jahr möchten die Ingolstädter einen ersten Proto­typ entwickeln und 2021 ein Auto mit Brenn­stoff­zelle auf den Markt bringen – wenn auch zunächst in kleinen Stück­zahlen. Die Groß­serien­produktion ist für Mitte des kommenden Jahr­zehnts anvisiert. Bosch will bei der Brenn­stoff­zelle eben­falls vorne dabei sein. Bis 2022 plant das Zuliefer­unter­nehmen, eine Serien­fertigung für Brenn­stoff­zellen aufzu­bauen. Besonders im Bereich der Nutz­fahr­zeuge sieht Bosch großes Potenzial. Der Konzern kalkuliert, dass im Jahr 2030 bereits bis zu 20 Prozent aller Elektro­fahr­zeuge von Brenn­stoff­zellen angetrieben werden könnten.

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