Wasserstoffautos mit Brennstoffzelle: So funktioniert der saubere H2-Antrieb
So steht's um die Zukunft von Wasserstoffautos
Wasserstoffautos mit Brennstoffzelle gelten als sauberste Alternative zum Verbrenner, doch kaum jemand kauft H2-Pkw. Wie funktioniert der Antrieb, was sind Vor- und Nachteile, wann kommt grüner Wasserstoff, was kostet H2 überhaupt? Alle Antworten!
Wasserstoff soll Energieträger der Zukunft werden. Damit ließen sich Schiffe und Flugzeuge antreiben. Und vielleicht auch Pkw und Lkw? Diese Option rückt immer näher: Kürzlich hat Bosch angekündigt, dass ein Wasserstoffmotor mit Komponenten des Zulieferers noch 2024 auf den Markt kommen wird.
Können Wasserstoffautos in einer fossilfreien Welt den Markt erobern? Das ist noch offen, wenngleich die Weichen für eine Wasserstoffwirtschaft schon jetzt gestellt werden. Allerdings läuft die Produktion von Wasserstoff, der in der freien Natur nicht ungebunden existiert, erst langsam an. Insbesondere "grüner" Wasserstoff, der CO2-neutral produziert wurde, ist noch kaum verfügbar.
Auch die Infrastruktur muss erst noch entstehen. Immerhin geht es voran. So haben Deutschland und England kürzlich übereingestimmt, neue unterseeische Elektroleitungen zu verlegen, die grünen Strom aus Offshore-Windenergie zur Wasserstoffproduktion ins jeweils andere Land leiten können. AUTO BILD gibt einen Überblick über Funktion und Entwicklung der wasserstoffbasierten Mobilität, und wie auf See produzierter grüner Wasserstoff zu uns kommen könnte!
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* Die durchschnittliche Ersparnis berechnet sich im Vergleich zur unverbindlichen Preisempfehlung des Herstellers aus allen auf carwow errechneten Konfigurationen zwischen Juni und November 2023. Sie ist ein Durchschnittswert aller angebotenen Modelle und variiert je nach Hersteller, Modell und Händler.
Woher kommt Wasserstoff zum Tanken?
Derzeit ist grüner Wasserstoff weit rarer als Strom aus Fotovoltaik oder Windenergie. Was in den aktuell 92 deutschen Wasserstoff-Tankstellen, die den Kraftstoff für Pkw anbieten, aus dem Druckschlauch kommt, wird in Raffinerien aus Methan, Benzin, Kohle und anderen fossilen Bodenschätzen gewonnen. Je nachdem, welches Verfahren dabei zum Einsatz kommt, spricht man von blauem (aus Methan oder Kohle, anfallendes CO2 wird unterirdisch gespeichert), grauem (CO2 entweicht) oder türkisem (aus Methan, Kohlenstoff fällt an) Wasserstoff. Seine Herkunft ist also derzeit kaum grün.
Was kostet ein Kilo Wasserstoff?
Derzeit liegt der Preis von Wasserstoff recht hoch: Das Kilo kostet derzeit 13,85 Euro für Pkw, für Lkw liegt der Vertriebspreis einen Euro niedriger. (Stand 19. Januar 2024, hier eine Übersichtskarte der H2-Tankstellen mit aktuellen Preisen für Endkunden).
Wenn zukünftig in großem Stil grüner Wasserstoff aus Elektrolyse von Wasser gewonnen wird, fällt zusätzlich nur Sauerstoff (O2) an. Allerdings ist die Herstellung aktuell noch etwa dreimal so teuer wie die konventionelle Produktion. Mehrere Studien prognostizieren, dass bis 2050 die Produktionskosten von grünem H2 auf das Niveau von grauem H2 sinken können. Doch die Formel für günstige Mobilität scheint Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen auch zukünftig nicht abzubilden.
Wie hoch ist der Bedarf an Wasserstoff?
Aktuell werden rund 1,7 Mio. Tonnen grauer Wasserstoff pro Jahr in Deutschland verarbeitet. Wie hoch der Bedarf an grünem Wasserstoff zukünftig sein wird, ist schwer vorherzusagen. Sicher ist: Es werden mehrere Millionen Tonnen sein. Plante die Nationale Wasserstoffstrategie noch den Aufbau von mindestens 10 Gigawatt Elektrolyse-Kapazität bis 2030 allein in Deutschland, liegen die Prognosen mittlerweile deutlich darüber.
So rechnet der Nationale Wasserstoffrat in seiner Analyse aus dem Februar 2023 für das Jahr 2030 mit einem Bedarf an grünem Wasserstoff in Höhe von 56 bis 93 Terawatt (TWh) und einer benötigten Elektrolyseleistung von 23 bis 39 Gigawatt – die nicht alle im Inland produziert sein müssen. Rechnet man den Bedarf für die Chemie-Industrie hinzu, der laut dem Papier mutmaßlich nicht durch klimaneutralen Wasserstoff gedeckt werden kann, sind es sogar 92 bis 129 Terawatt. Der Wasserstoffbedarf für Pkw wird allerdings zumindest für 2030 als relativ gering eingeschätzt.
Wie funktioniert ein Wasserstoffauto?
Ein Wasserstoffauto wandelt entweder Wasserstoff in einer Brennstoffzelle in Strom um oder verbrennt ein explosives Gasgemisch in einem traditionellen Viertaktmotor. Für beide Antriebsarten gibt es Beispiele, am Wasserstoff-Verbrenner wird noch geforscht.
Im Januar 2024 kostete ein Kilo Wasserstoff an deutschen Tankstellen 13,85 Euro (für Pkw). Wasserstoff hat eine höhere Energiedichte als Diesel.
Bild: Toyota
So funktioniert der Antrieb
Es gibt Autos, die Wasserstoff mittels Brennstoffzelle in Strom umwandeln und es antreiben wie ein Elektroauto, wie den Toyota Mirai. Außerdem kann man auch Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff betreiben. Ein solcher Wasserstoff-Verbrennungsmotor muss aber sehr hohen Anforderungen genügen, weil Wasserstoff anders verbrennt als Benzin oder Diesel. Da Wasserstoff außerdem erst bei minus 235 Grad flüssig wird, muss die gesamte Tankanlage hohen Drücken widerstehen. Hinzu kommen weitere Probleme im Motor, weil Wasserstoff beim Verbrennen Schmierstoffe angreift.
Ein Brennstoffzellen-Auto hingegen ist vom Prinzip ein Elektroauto mit Energiezufuhr durch die Wasserstoff-Fusion. In einer Brennstoffzelle werden jeweils gasförmiger Wasserstoff (chemisches Symbol H) und Luftsauerstoff (O) zusammengebracht mittels umgekehrter Elektrolyse. Man nennt dies auch "kalte Verbrennung". Dabei entstehen elektrischer Strom und Wasserdampf.
So wird Wasserstoff gespeichert
Im Wasserstoffauto wird das H2 entweder tiefkalt flüssig bei -253 Grad Celsius (eher Lkw) oder gasförmig unter hohem Druck (350-700 bar) gespeichert. Die Tanks für die Verflüssigung sind doppelwandig und sehr stark isoliert, um die Abdampfverluste zu reduzieren. Weil die Energiedichte von Wasserstoff hoch ist, lässt sich der Kraftstoff ähnlich schnell für das Fahrzeug tanken wie Benzin oder Diesel.
So wird mit Wasserstoff Energie erzeugt
Da die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle relativ gleichförmig abläuft, sich also nicht schnell hoch- und herunterfahren lässt, benötigt ein Brennstoffzellenauto zusätzlich eine kleine Puffer-Speicherbatterie, aus der bei hohem Bedarf – zum Beispiel beim Überholen – zusätzlicher Strom beigesteuert wird. Der Strom treibt – wie beim vollelektrischen Elektroauto – einen Elektromotor an. Weil der benötigte Akku klein ist, ist die CO2-Belastung durch seine Herstellung relativ gering.
Wasserstoffautos: Vor- und Nachteile
Was sind die Vorteile von Wasserstoffautos?
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 hat eine hohe Energiedichte, der Brennwert von einem Kilogramm ist mit etwa 33 Kilowattstunden mehr als dreimal so hoch wie der Energiegehalt eines Liters Benzin. Zudem kann Wasserstoff beliebig lange gelagert werden. Zuletzt sind seine Ressourcen (Wasser) im Grunde unendlich. Sofern genügend saubere Energie zu seiner Erzeugung zur Verfügung steht.
Außerdem lassen sich Wasserstoffautos schnell tanken. Das dauert wie beim herkömmlichen Verbrenner nur wenige Minuten.
Welche Vorteile hat der Brennstoffzellenantrieb?
Ein Brennstoffzellenauto wird vom Prinzip her elektrisch angetrieben. Doch was ist nun besser: Wasserstoffauto oder E-Auto? Der wichtigste Unterschied: Beim Wasserstoffauto entfällt das zeitraubende Laden des Fahrakkus. Wasserstoff wird meist unter hohem Druck gasförmig bei 350 bar (Lkw, Bus) oder 700 bar (Pkw und leichte Nutzfahrzeuge) in Minutenschnelle getankt und gespeichert. Der zweite große Vorteil ist die Reichweite: Ein Tank von 5,5 kg Wasserstoff reicht für 500 km Reichweite – deutlich weiter als die meisten Elektroautos mit einer Akkuladung fahren können.
So spart ein Auto mit Brennstoffzelle vor allem erhebliches Akkugewicht. Beispielsweise wiegt der Akku eines Audi Q8 e-tron 700 Kilogramm. Bei einem Wasserstoffauto fällt neben der Brennstoffzelle lediglich ein zusätzlicher H2-Tank an. Das ersparte Gewicht erhöht die Reichweite oder kommt der Zuladung zugute. Die bisher in Großserie gefertigten Wasserstoffautos sind deutlich leichter als gleichgroße E-Autos: Hyundai Nexo und Toyota Mirai erste Generation wiegen beide etwas mehr als 1,8 Tonnen.
Wasserstoffautos wie Elektroautos stoßen lokal keine Emissionen aus, beide Systeme arbeiten im Betrieb lokal CO2-neutral. Beim Wasserstoffauto ist das Abfallprodukt aus dem Oxidieren von Wasserstoff reiner Wasserdampf, der nach dem Abstellen des Autos ausgestoßen wird.
Weil beim Umwandlungsprozess der Wasserstoff-Fusion auch Wärme entsteht, kühlt ein Brennstoffzellenauto in der kalten Jahreszeit nicht so sehr aus wie ein E-Auto. Im Gegenteil: Die Abwärme hilft dabei, den Innenraum zu heizen. Ein nicht zu unterschätzender Komfortgewinn im Winter!
Woraus besteht eine Brennstoffzelle?
Die Brennstoffzelle in Fahrzeugen ist meist eine Polymer-Elektrolyt-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.
Beim Toyota Mirai steckt die kompakte Brennstoffzelle unter der vorderen Haube.
Bild: AUTO BILD / Matthias Brügge
Die Elektronen zieht es ebenfalls auf die andere Seite zur Kathode, doch der Weg durch den Separator ist ihnen verwehrt. Daher müssen sie den Umweg über die Stromleitung durch den E-Motor nehmen. Auf der anderen Seite angekommen, ist der Stromkreis geschlossen.
Wie kann man eine Brennstoffzelle noch verbessern?
Das zentrale Herzstück der Brennstoffzelle ist die Polymer-Elektrolyt-Membrane (PEM). Mehrere Unternehmen arbeiten an ihrer Weiterentwicklung. So hat sich zuletzt ein Konsortium aus KIA, Hyundai und Gore zusammengeschlossen, die nächste Generation dieser Membran zu entwickeln. Sie ist zentral dafür, wie langlebig und leistungsfähig die Brennstoffzelle ist. Zunächst geht es dabei um Brennstoffzellen für Nutzfahrzeuge. Die Ergebnisse sollen aber auch in den Bau von Wasserstoff-Pkw wie auch bei Anwendungen im nicht-automobilen Bereich einfließen.
Welche Vorteile hat ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor?
Ein Wasserstoffmotor basiert mit Ausnahme des Treibstoffsystems eher auf konventioneller Verbrennertechnik. Er verzichtet daher auf die aufwendige Technik der Brennstoffzelle. In einem Wasserstoffmotor wird H2 direkt als Kraftstoff verwendet, also verbrannt. Dabei wird die aus dem Chemieunterricht bekannte Knallgasexplosion genutzt, bei der der Wasserstoffanteil des Zündgemisches über 18 Prozent liegen muss.
Als Abbauprodukte entstehen nur Wasserdampf und Stickoxide – im Gegensatz zu anderen Verbrennern, bei denen CO2, Stickoxide und Ruß aus dem Auspuff kommen. BMW baute bereits 1979 den ersten Wasserstoff-Vierzylinder, stellte die Entwicklung jedoch 2012 mit dem 7er-Umbau Hydrogen 7 (E68) ein. Da der Wasserstoffmotor nur halb so viel Wirkungsgrad wie ein Elektromotor besitzt, scheint er – zumindest bei Wasserstoffautos – eine technologische Sackgasse zu sein.
Was ist über den Wasserstoffmotor von Bosch bekannt?
Gleichzeitig wird weiter an dem Prinzip geforscht. Der Zulieferer Bosch berichtete auf der Elektronikmesse CES in Las Vegas kürzlich von der Entwicklung von Komponenten für einen Wasserstoffmotor, der noch 2024 auf den Markt kommen soll. Dabei wurde augenscheinlich auf das Problem der Schmierung und der Reaktion des Wasserstoffs mit Teilen des Motors gelöst. Weitere Details sind bisher nicht bekannt.
Toyota testet einen umgebauten Wasserstoff-Yaris schon im Rennsport, der H2 verbrennt. Auch stellte der Motorenhersteller Deutz 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 auch in Nutzfahrzeugen, Landwirtschafts- sowie Baumaschinen.
Wo liegen die Nachteile von Wasserstoffautos?
Die Nachteile liegen vor allem in Herstellung, Logistik, Transport und Lagerung von Wasserstoff. In allen Bereichen der Logistikkette wird Strom benötigt. Damit stellt sich immer die Frage, ob es sich nicht mehr lohnt, grünen Strom direkt in Elektroautos zu nutzen, anstatt ihn über Elektrolyse zu H2 zu veredeln und dabei in mehreren Schritten zusätzliche Energie aufzuwenden. Allein für die Kühlung gelagerten Wasserstoffs ist viel Energie nötig.
Das zentrale Problem: Wasserstoff kommt ungebunden nicht in der Natur vor, er muss unter Energieaufwand per Elektrolyse aus Wassermolekülen extrahiert werden. Daher ist er teuer und problematisch in Herstellung wie im Transport; richtig umweltfreundlich ist er nur bei einer Produktion mit regenerativer Energie. Derzeit wird Wasserstoff noch unter Aufwand von fossiler Energie produziert.
Der Brennstoffzellen-Wasserstoffantrieb im Verkehr ist weit von der Massenfertigung entfernt. Wasserstoff ist nur an sehr wenigen Tankstellen erhältlich, entsprechend sind kaum Automodelle mit Brennstoffzelle auf dem Markt, und sie sind sehr teuer. Unterhalb von 63.000 Euro ist kein neues Wasserstoffauto zu bekommen. Es ist ein wenig wie mit der Henne und dem Ei: Die Volumenhersteller zieren sich, weil die Infrastruktur fehlt – und umgekehrt. Beim gebrauchten Wasserstoffauto wiederum fährt das Reparaturrisiko mit, bei diesem Hyundai Nexo sollte die Reparatur der Brennstoffzelle 100.000 Euro kosten.
Wie groß ist der Wirkungsgrad von Wasserstoffautos?
Der Wirkungsgrad von Wasserstoff ist derzeit schlecht. Selbst mit Solarstrom liegt die Effizienz nur bei rund 15 Prozent. Am Beispiel gerechnet: Mit einer 3-Megawatt-Windturbine lassen sich 1600 E-Autos antreiben – oder 650 mit Wasserstoff. Also ist gegenüber batterieelektrischen E-Autos fast die dreifache Menge an Energie nötig.
Wasserstoffautos haben Vorteile gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen. Allerdings kostet die H2-Produktion viel Strom.
Bild: VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.
MIT will Wirkungsgrad der H2-Produktion erhöhen
Einen Durchbruch beim Wirkungsgrad verspricht das renommierte Massachusetts Institute of Technology (MIT). Es hat nun ein Verfahren zur H2-Gewinnung skizziert, das den Wirkungsgrad auf 40 Prozent steigern soll. Dabei wird auf Elektrolyse verzichtet. Stattdessen wird sehr heißem Wasserdampf über einen Katalysator – z.B. Eisenoxid – der Sauerstoff entzogen. Nach dem MIT-Konzept soll der Reaktor bis zu 1500 Grad heiß werden. Noch existiert keine solche Anlage, im kommenden Jahr soll ein Prototyp entstehen.
Wann kommen Wasserstoffautos in großem Stil?
Derzeit gibt es viele Gründe, warum das bezahlbare Wasserstoffauto für alle so bald nicht kommt. Laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts ist die Nutzung der Brennstoffzellentechnik selbst beim Nutzfahrzeugverkehr der batterieelektrischen Antriebsart unterlegen. Das schließt ausdrücklich den schweren Lkw-Verkehr ein, auf dem noch die bislang größten Hoffnungen zur Einführung von Brennstoffzellen ruhten. Als aussichtsreiche Einsatzgebiete bleibt der Einsatz bei Landmaschinen, Schiffen oder in Flugzeugen, weil Wasserstoff hier seine hohe Energiedichte gegenüber der schweren Akkutechnologie ausspielen könnte.
Können Wasserstoffautos explodieren?
Das ist ein Mythos. Die gekapselten Tanks gelten als sehr sicher bei Unfällen. 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.
Welche Wasserstoffautos kann man kaufen?
Was das Wasserstoffauto Toyota Mirai ausmacht
Der Mirai der 2. Generation ist eines von aktuell nur zwei Wasserstoffautos mit Brennstoffzelle, die in Serie gefertigt werden. Beim Brennstoffzellenauto ist Toyota Vorreiter – der japanische Hersteller bot von 2015 bis 2020 die erste Generation des Mirai in der Bauform eines SUV-Crossovers an. 2021 legte Toyota den Mirai zum zweiten Mal auf, diesmal als Oberklasse-Limousine. Der aktuelle Basis-Mirai mit 5,5-kg-Wasserstoff-Tank und rund 500 km Reichweite kostet 63.900 Euro. Auf den Mirai gibt es bis 1. Januar 2024 die reduzierte Elektroauto-Förderprämie in Höhe von 3000 Euro.
Hyundai Nexo, das SUV mit Wasserstoffantrieb
Der koreanische Hersteller Hyundai bietet den Hyundai Nexo an. Es ist ein mittleres SUV mit rund 163 PS. Hyundai verspricht bis zu 756 Kilometer Reichweite bei fünfminütiger Tankdauer. In der Basis kostet der Nexo schon 77.290 Euro.
Stellantis startet Serienproduktion von H2-Transportern
Die Transportersparte des Multi-Marken-Konzerns Stellantis "Pro One" hat Anfang 2024 mit der Serienfertigung von mittleren und großen Lieferwagen mit Brennstoffzelle begonnen. Die Reichweite beträgt laut Hersteller 400 - 500 km, die Betankung ist innerhalb von 4-5 Minuten möglich. Für die beiden vorgesehenen Stellantis-Plattformen werden insgesamt acht Modelle angeboten: Citroën ë-Jumpy und ë-Jumper, Fiat Professional E-Scudo und E-Ducato, Opel/Vauxhall Vivaro und Movano, Peugeot E-Expert und E-Boxer. Die Produktion findet in den Standorten Hordain (Frankreich) und Glewice (Polen) statt.
Wie viel kosten gebrauchte Wasserstoffautos?
Auch für Wasserstoffautos gibt es einen – noch winzigen – Gebrauchtmarkt: Beim AUTO BILD-Gebrauchtwagenmarkt sind aktuell 81 Brennstoffzellenfahrzeuge vom Typ Toyota Mirai und 92 Fahrzeuge vom Typ Hyundai Nexo (Stand: 30. Januar 2024) gelistet. Der Preis für gebrauchte Toyota Mirai beginnt bei knapp 18.000 Euro, der Hyundai Nexo kostet ab etwa 20.000 Euro. Dafür gibt es sechs bis sieben Jahre alte Autos mit bis zu 150.000 km auf dem Tacho.
Als unklar erscheint die Haltbarkeit des Herzstücks, damit gibt es noch recht wenig Erfahrungen, Brennstoffzellen sind technisch eher Neuland. Toyota gibt eine Haltbarkeitsgarantie für 100.000 km. Kürzlich bekam der Besitzer eines Hyundai mit defekter Brennstoffzelle einen Kostenvoranschlag über 100.000 Euro, er streitet seitdem mit Hyundai über eine Rücknahme des Fahrzeuges.
Auch BMW plant mit Wasserstoff als Energieträger der nahen Zukunft. Der Hersteller nahm kürzlich ein Kompetenzzentrum für Wasserstoff mit eigener Brennstoffzellenproduktion in Betrieb. Zudem haben die Münchner die Kleinserienproduktion des Wasserstoffautos iX5 Hydrogen mit einer Systemleistung von 275 kW (374 PS) gestartet, um den Antrieb zu testen. In seine zwei 700-Bar-CFK-Hochdrucktanks sollen bis zu sechs Kilogramm H2 passen. Eine mögliche Großserie des Wasserstoff-Pkw könnte 2025 beginnen.
Was kostet das Kilo Wasserstoff als Auto-Kraftstoff?
Aktuell kostet Wasserstoff an deutschen Tankstellen 9,50 Euro pro Kilogramm (Stand 30. Januar 2024). Was teuer klingt, relativiert sich angesichts der Energiedichte von H2: Der Toyota Mirai der zweiten Generation verbraucht nach WLTP rund 0,9 Kilogramm auf 100 km. Damit liegt man mit dem aktuellen Preis bei 8,55 Euro auf 100 km. So fährt der Mirai kostenmäßig ungefähr gleich teuer wie Elektroautos vom Typ VW ID.3 oder Verbrenner wie der VW Golf 1.5 TSI.
Wie entwickelt sich der Wasserstoff-Preis in Zukunft?
Das hängt vor allem von den Strompreisen ab, insbesondere vom Grünstrom-Preis. Einer Studie des "Journal of Sustainable Development" zufolge sank der Produktionspreis für Strom aus Offshore-Windanlagen in Deutschland zwischen 2010 und 2021 um 54 Prozent; in Großbritannien um 74 Prozent, bei steigender Kapazität. Solcher Windstrom wird als der am kosteneffektivste Strom zur Produktion von grünem Wasserstoff angesehen.
In der Folge errechnet die Studie mögliche Produktionskosten von nur mehr 5,4 US-Dollarcent pro kWh, das wären 5 Eurocent. Allerdings kämen Transport- und Logistikkosten hinzu. Das könnte jüngsten Studien zufolge in Wasserstoffpreisen von 6 Euro/kg auf Basis von Solarstrom und auf rund 4 Euro/kg bei Windstrom-Nutzung münden. Dies zugrunde gelegt, könnte Wasserstoff bei großer Verfügbarkeit tatsächlich eine günstige Energiequelle werden.
Wann lohnt sich ein Wasserstoffauto?
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, denn das sind noch die Basisprodukte.
Entscheidend sind die Produktionskosten für grünen Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser hergestellt 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.
Wie viele Wasserstofftankstellen gibt es in Deutschland?
Nicht allzu viele. Derzeit gibt es weltweit 814 H2-Tankstellen. Davon stehen in Deutschland 92 H2-Tankstellen, 18 weitere sind in der Entstehung. Lkw und Busse können an 20 Stationen tanken, 17 weitere sind in Bau. Meist sind die Tankstellen in und um Metropolen oder an Verkehrsknotenpunkten angesiedelt. Zum Vergleich: Bundesweit sind 14.400 Tankstellen für Benzin und Diesel aktuell in Betrieb. Einen Überblick, wo die nächste Wasserstofftankstelle in Europa zu finden ist, gewährt die Website h2.live. Hier wird auch angezeigt, was H2 an der jeweiligen Station kostet, welche Wasserstoff-Station gerade wegen Wartung außer Betrieb ist und welche demnächst eröffnet wird.
Noch ist die Zahl der Tankstellen in Deutschland, an denen Wasserstoff erhältlich ist, verschwindend gering. Aber das H2-Tankstellennetz wächst schnell.
Bild: H2 Mobility
Das Wachstum ist durchaus beachtlich: Die erste öffentliche H2-Tankstelle der Welt wurde vor rund 20 Jahren eingeweiht. Und im vergangenen Jahr entstanden allein in Europa so viele Wasserstoff-Zapfstationen wie noch nie.
Wie sauber ist Wasserstoff aktuell?
Wasserstoff 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). Das Klimagas CO2 entweicht dabei.
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 wird erklärt, warum das Wasserstoffauto so bald nicht kommt.
Wie wird Wasserstoff produziert?
Wasserstoff existiert nicht ungebunden in der Natur, sondern muss relativ energieaufwändig hergestellt werden. 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 (gewonnen mittels Elektrolyse aus Wasser) von fünf Gigawatt aufzubauen. Das entspricht der Leistung von drei bis vier mittelgroßen Atomkraftwerken. Wirtschaftsminister Robert Habeck geht davon aus, dass ein Drittel des benötigten Wasserstoffs in Deutschland erzeugt werden kann, zwei Drittel müssten importiert werden.
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Woher soll der Wasserstoff für Deutschland kommen?
Aktuell wird in Deutschland fast ausschließlich grauer Wasserstoff hergestellt. Das liegt auch daran, dass die Herstellung von grünem H2 noch sehr teuer ist. Dies wiederum liegt unter anderem daran, dass leistungsfähige Elektrolyseure zwar am Markt sind, ihre Herstellung aber noch größtenteils in Handarbeit erfolgt. Für die Bundesregierung ist Wasserstoff ein "Schlüsselelement für die Energiewende". Verschiedene Produktionsanlagen für grünen Wasserstoff entstehen bereits.
Größte Wasserstofffabrik Deutschlands entsteht in Baden-Württemberg
Mittlerweile gehen mehrere Großunternehmen den Schritt zur industriellen Fertigung und bauen – gefördert von Programmen von Bund und Ländern – leistungsfähige Elektrolyseanlagen. Dazu gehören zum Beispiel Thyssenkrupp, Siemens oder Bosch.
Am 12. Oktober 2023 wurde in Schwäbisch Gmünd (Baden-Württemberg) der Grundstein der bisher größten Produktionsanlage für grünen Wasserstoff in Deutschland gelegt. Sie soll nach Fertigstellung Ende 2024 täglich vier Tonnen Wasserstoff aus Solar-, Wasser- und Windenergie herstellen. Mit dieser Menge könnten 4000 Brennstoffzellenautos vom Typ Toyota Mirai jeweils 100 km weit fahren.
In Schwaben investiert das französische Unternehmen LHYFE. Es will bis 2025 einer der führenden Produzenten von grünem Wasserstoff in Europa sein. LHYFE wurde 2017 gegründet und betreibt mehrere Anlagen in Frankreich sowie die erste Offshore-Wasserstoffproduktion in einem Übersee-Windpark. Der Wasserstoff aus Schwäbisch Gmünd wird direkt im umgebenden Industriegebiet sowie an einer benachbarten Wasserstofftankstelle verbraucht. Die EU fördert die Anlage mit 6,4 Millionen Euro, auch das Land Baden-Württemberg gibt Geld dazu.
So könnte grüner Wasserstoff auf hoher See gewonnen werden
Im April 2023 wies das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg nach: Die Produktion von Wasserstoff mit Hilfe von Offshore-Windkraftanlagen ist direkt auf dem Meer möglich. Damit ließe sich Wasserstoff in großen Mengen in maritimen Windparks herstellen und per Tanker an Land bringen.
Der Toyota Mirai kommt mit 5,5 kg Wasserstoff rund 500 km weit.
Bild: Fraunhofer ISE
Die Wissenschaftler skizzierten die Wasserstoff-Produktion so: Auf dem Meer entstünde eine Elektrolyseplattform, die wie eine Bohrinsel direkt neben einem 500-MW-Windpark verankert wird. Das notwendige Wasser wird dem Meer entnommen. Entsalzen und gereinigt wird es durch die Abwärme der Elektrolyse. Der komprimierte Wasserstoff gelangt als 400-Tonnen-Paket per Schiff zur Küste. Eine solche Anlage könnte laut ISE 50.000 Tonnen Wasserstoff jährlich erzeugen. Genug Energie, damit zum Beispiel eine Million Toyota Mirai je 5000 Kilometer weit fahren können.
Honda will in Deutschland H2-Produktion beginnen
Kürzlich kündigte auch Honda an, am hessischen Firmenstandort Offenbach eine Produktionsstätte für grünen H2 zu bauen. Die Anlage verwendet zur Elektrolyse überschüssigen Solarstrom aus Fotovoltaikanlagen. Damit will Honda eine Testumgebung für Herstellung, Nutzung und Optimierung von H2-Energiesystemen schaffen. Die Anlage umfasst deswegen nicht nur die reine Produktion, sondern auch bidirektionale Ladesysteme, eine Speichereinheit aus Fahrakkus im Second Life sowie mehrere Elektroautos und Wasserstoffautos. Mit anderen Worten: ein kompletter Versuchsaufbau.
Von wo Deutschland Wasserstoff importieren will
Die Bundesregierung setzt zum Import von Wasserstoff unter anderem auf internationale Kooperationen. Ende September 2023 kündigten Deutschland und Großbritannien an, bei der Produktion von "grünem" Wasserstoff enger zusammenarbeiten zu wollen. Zurzeit wird auch daran gearbeitet, aus Kanada ab 2025 eine relevante Menge an Wasserstoff zu importieren, ab 2030 sollen es große Mengen Wasserstoff aus Australien sein. Beide Staaten fördern aktive Projekte zum Aufbau einer Lieferkette für grünen Wasserstoff.
Auch Skandinavien kommt als Lieferregion infrage: So soll in weniger als fünf Jahren Wasserstoff über eine 140 Kilometer lange Rohrleitung durch die Ostsee geleitet werden. Laut dem Netzbetreiber Gascade handelt es sich bei dem Energieträger um "grünen" Wasserstoff. Strom aus Offshore-Windkraftanlagen rund um die Insel Bornholm dient zur Produktion.
Gespräche laufen auch mit Ländern in Afrika, also Regionen mit reichlich Sonnenschein. Für Westafrika wurde bereits ein sogenannter Potenzialatlas zusammengestellt.
Toyota will Biogas-Wasserstoff aus Thailand
Toyota will in Thailand grünen Wasserstoff aus Biogas produzieren, das wiederum aus Hühnermist und Lebensmittelabfällen gewonnen wird. Zusammen mit zwei Partnern soll ein Gesamtsystem für die Verdichtung, die Speicherung und den Transport von Biogas und Wasserstoff entwickelt werden. Indem die Anlagen beim Design an die Bedürfnisse vor Ort angepasst werden, sollen sie auch im Rahmen weiterer Initiativen zum Einsatz kommen können.
Was halten die Menschen von Wasserstoffautos?
Das Thema Wasserstoff stößt derzeit auf großes Interesse. Viele Autofahrer hoffen auf Wasserstoff und Brennstoffzelle als Antriebstechnik der Zukunft – mehr noch als auf Elektromobilität. Das bewiesen unter anderem eine im Frühjahr 2022 veröffentlichte Studie von mobile.de und eine Civey-Umfrage für das Magazin "Spiegel".
Die Experten sind sich aber einig: Die Zukunft des Straßenverkehrs in Deutschland und der Welt wird wohl eher von Elektroautos bestimmt, die ihre Energie ausschließlich aus einer Batterie beziehen.
Bislang fahren Wasserstoffautos in einer Nische, aus Gründen der Infrastruktur, der Effizienz von Wasserstoff und der geringen Nachfrage nach Wasserstoffautos. Ob sich das einmal ändert, muss sich erst noch zeigen.
