Wasserstoff-Autos: Wie Brennstoffzellen funktionieren und wie klimafreundlich sie sind

Ein Wasserstoff-Auto wird mittels Brennstoffzelle angetrieben. Bei einer Brennstoffzelle wird ein Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) kontinuierlich zugeführt und reagiert mit einem Oxidationsmittel (zum Beispiel Sauerstoff). Dadurch entstehen Strom, Wasser und Wärme. Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV) kommt eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle zum Einsatz. Eine Brennstoffzelle kann aber auch mit anderen Brennstoffen wie Butan, Erdgas oder Methanol funktionieren.

Eine Brennstoffzelle ähnelt vom Aufbau und der Funktionsweise her einer Batterie: Sie besteht aus zwei Elektroden, einer Anode (Pluspol) und einer Kathode (Minuspol). Dazwischen befindet sich ein Elektrolyt beziehungsweise eine Elektrolytmembran (beispielsweise eine Kunststoffmembran), die durchlässig für Ionen sind. Die Wasserstoffmoleküle geben ihre Elektronen an der Anode ab, die übrig gebliebenen Protonen wandern durch die Elektrolytmembran und reagieren mit den Sauerstoffatomen - die an der Kathode unter Elektronenaufnahme reduziert werden - zu Wasser (siehe Grafik unten) .

Im Gegensatz zur Batterie ist die Brennstoffzelle kein Energiespeicher. Die erzeugte Spannung für eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle liegt in der Praxis bei einer Temperatur von 25 Grad Celsius bei rund 1 Volt.

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Für die Betreibung eines Wasserstoff-Autos - auch Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle) genannt - wird Wasserstoff benötigt. Wasserstoff stellt für die österreichische Regierung einen wichtigen Beitrag zur Energiewende dar: Man will weg von fossilen Brennstoffen wie Gas und hin zu erneuerbaren Energieträgern wie Biogas oder grünem Wasserstoff. Doch grüner Wasserstoff ist bisher nur limitiert verfügbar.

Grüner Wasserstoff wird durch Ökostrom (aus beispielsweise Windkraftanlagen) in sogenannten Elektrolyse-Anlagen gewonnen. In diesen Anlagen wird durch Strom das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt (Elektrolyse). Die Herausforderung bei der klimafreundlichen Produktion von Wasserstoff ist, dass eine Elektrolyse-Anlage enorme Mengen an Strom verbraucht. Das erfordert wiederum einen hohen Anteil an Ökostrom in Österreich.

Mangelt es an Ökostrom, wird Wasserstoff zumeist aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Dieser Wasserstoff wird als grauer Wasserstoff bezeichnet, da bei dem Prozess 10 Tonnen CO2 entstehen, um 1 Tonne Wasserstoff zu erhalten. Die Folgen sind eine Verstärkung des Treibhauseffektes.

Prinzipiell sind Brennstoffzellen mit Wasserstoff als Brennstoff umweltfreundlich - allerdings nur, wenn auf bestimmte Kriterien geachtet wird:

• Der Wasserstoff muss aus Ökostrom (grüner Wasserstoff) gewonnen werden, da ansonsten die Gesamtemissionen wesentlich höher sind.

• Die in Brennstoffzellen verbauten Materialien wie Metalle und Kunststoffe müssen recycelt werden.

Der Betrieb einer reinen Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist praktisch emissionsfrei, da als Abfallprodukt lediglich Wasserdampf entsteht. Außerdem wird das Stromnetz dadurch akut weniger belastet. Im Zuge von Produktion, Betrieb und Recycling fallen naturgemäß auch beim Wasserstoff-Auto Treibhausgasemissionen an. Laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts (2019) im Auftrag von "H2 Mobility" lässt sich der CO2-Fußabdruck eines Wasserstoff-Autos inklusive Tank mit jenem eines Elektrofahrzeuges (BEV = Battery Electric Vehicle) mit einem Akku bis zu 50 kWh (Reichweite von rund 250 Kilometern) vergleichen.

Nach Angaben dieser Studie sind Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) ab einer Reichweite von über 250 Kilometern klimafreundlicher als Elektrofahrzeuge (BEV). Ausschlaggebend dafür seien die höheren CO2-Emissionen, die bei Produktion der Batterie anfallen.

Umweltfreundlichkeit, schnelles Betanken, und eine gute Reichweite sprechen für Wasserstoff-Autos. Einer der größten Nachteile der Brennstoffzellen-Technologie ist jedoch der hohe Energieverlust im Lauf der Prozesskette.

Wie eine vom deutschen Thinktank "Agora Verkehrswende" in Auftrag gegeben Studie (2018) zeigt, kommt es von der Herstellung des Wasserstoffes mittels Elektrolyse, über den Transport, bis zur Stromerzeugung im Auto zu hohen Umwandlungsverlusten. Am Anfang steht der Strom aus erneuerbaren Energien mit einem Wirkungsgrad von 100 Prozent (Null Energieverlust), nach der Elektrolyse bzw. der Herstellung von Wasserstoff beträgt der Gesamtwirkungsgrad nur noch 67 Prozent, nach dem Transport zur Brennstoffzelle wurde ein Gesamtwirkungsgrad von 32 Prozent berechnet und am Ende des Prozesses bleiben nur noch 26 Prozent Gesamtwirkungsgrad über. Im Vergleich dazu hat das Elektroauto mit einem Gesamtwirkungsgrad von 69 Prozent einen deutlich geringeren Energieverlust.

Laut Studie des Fraunhofer-Instituts macht die höhere Effizienz des Elektroautos aber nicht den Treibhausgas-Nachteil aus der Batterieherstellung wett.

Einige Experten stehen Wasserstoff-Autos als Massenware aufgrund der Nachteile skeptisch gegenüber: Laut Manfred Schrödl vom Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe an der TU Wien macht der Energieverlust und die Tatsache, dass ein Großteil des Wasserstoffs immer noch aus Erdgas hergestellt wird, den Vorteil von Wasserstoff-Autos in puncto CO2-Bilanz wieder zunichte. Wie der Experte 2019 in einer Aussendung mitteilte, benötige ein Elektroauto rund 22 kWh Energie für 100 Kilometer, während ein Wasserstoffauto aufgrund von Energieverlusten für 100 Kilometer bis zu 52 kWh brauche - und das obwohl für die Strecke nur 1,2 Kilogramm Wasserstoff verbraucht werden (was einem Energieinhalt von 33 bis 39 kWh entspricht).

Auch wenn beide Fahrzeuge ähnlich umweltfreundlich sind, gibt es einige Unterschiede zwischen Wasserstoff-Autos und Elektroautos. Der grundlegendste ist wohl die Antriebsform. Elektroautos werden mit einer Batterie betrieben, während in Wasserstoff-Autos eine Brennstoffzelle verbaut ist, die kein Energiespeicher ist.

Die Unterschiede sind kurz zusammengefasst:

• Elektroautos sind hin Hinblick auf die Prozesskette energieeffizienter als Wasserstoff-Autos.

• Wasserstoff kann schneller getankt werden (rund 10 Minuten).

• Es gibt europaweit - und in Österreich - deutlich mehr Ladestationen für Elektroautos als Wasserstofftankstellen.

• Elektroautos tanken günstiger

• Wasserstoffautos haben (noch) eine größere Reichweite (500 bis 800 km/Tankfüllung).

• Elektroautos sind günstiger, besser gefördert und am Markt etablierter als Wasserstoffautos.

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Wer ein Wasserstoff-Auto kaufen will, steht weniger vor der Qual der Wahl, denn viele Hersteller, die in Serie produzieren, gibt es nicht. Auf dem europäischen Markt kann man momentan zwei Modelle serienmäßig erwerben (Stand 2022) : Den Hyundai Nexo und den Toyota Mirai.
In der Vergangenheit haben abseits von Hyundai und Toyota andere große Automobilkonzerne wie Honda, Mercedes-Benz und Renault ebenfalls Wasserstoff-Autos zur Serienreife gebracht, die Produktionen wurden aber eingestellt.

Die Anschaffungskosten für ein Wasserstoffauto sind nicht gerade günstig. In Österreich sind verfügbare Modelle ab 60.000 bis 65.000 Euro zu haben. Bestimmte Eckdaten von Wasserstoffautos wie Fahrkomfort, Sicherheit und PS stehen Elektroautos oder Autos mit Verbrennungsmotor in nichts nach. Beim Kauf eines Wasserstoff-Autos sollte man sich bewusst machen, dass:

• die Anschaffung vergleichsweise teuer ist.

• es nur wenige Hersteller und damit Auswahlmöglichkeiten gibt.

• es in Österreich (und Europa) nur wenige Wasserstofftankstellen gibt.

• Reichweite (500 bis 800 km) und Lebensdauer (bis zu 450.000 Kilometer) begrenzt sind.

Das Netz an Wasserstofftankstellen ist in Österreich - und in Europa - ausbaufähig. Wer also längere Routen mit dem Wasserstoff-Auto plant, sollte sich vorab über die genauen Standorte der Tankstellen informieren. In Österreich gibt es 5 Wasserstofftankstellen: In Wien Leopoldau wurde im Dezember 2021 die erste Wasserstofftankstelle errichtet. Eine zweite H2-Tankstelle ist bereits in Planung, diese soll in Simmering errichtet werden. Wasserstofftankstellen befinden sich außerdem in Innsbruck, Graz, in Asten bei Linz und in Wiener Neudorf.

Wasserstoff kostet rund 9 Euro pro Kilogramm (Stand 2022) - damit kommt man je nach Fahrweise rund 100 Kilometer weit. Das entspricht in etwa dem Dieselpreis (mit leichten Schwankungen).

Karte zu Wasserstofftankstellen:
Wo sich in Österreich und Europa Wasserstofftankstellen befinden, zeigt die Karte von "H2 MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG"

Wasserstoff tanken Schritt für Schritt erklärt:

1. Offenes Feuer oder rauchen ist an Wasserstofftankstellen strikt untersagt.

2. Das Auto auf der richtigen Seite der Zapfsäule parken, sodass der Tank gut erreichbar ist.

3. Die Tankkarte wird in das Lesegerät eingeführt und wieder entnommen.

4. Am Bildschirm wählt man 700 bar (Wasserstofftank wird mit 700 bar betankt) und gegebenenfalls die Zapfsäule aus.

5. Danach gibt man den PIN-Code ein.

6. Nun öffnet man den Tankdeckel und entfernt die Schutzabdeckung.

7. Getankt wird entweder mit einer Tankpistole, die man an den Stutzen am Tank anschließt, oder mit einer Tankkupplung, die möglichst gerade am Stutzen aufgesetzt werden soll.

8. Bei der Tankpistole zieht man am Griffhebel bis dieser einrastet. Bei der Tankkupplung rastet ein Verriegelungsring hörbar ein.

9. Wenn alles fest sitzt, kann man den grünen Startknopf an der Tanksäule drücken. Er blinkt während dem Tankvorgang kontinuierlich.

10. Mit dem roten Stoppknopf kann man den Tankvorgang jederzeit unterbrechen.

11. Wenn das Wasserstoff-Auto vollgetankt ist, wird der Tankvorgang automatisch beendet (der Startknopf hört auf zu blinken).

12. Tankpistole/Tankkupplung können jetzt getrennt und in die Halterung zurückgesteckt werden. Bei der Tankpistole löst man zuerst den Griffhebel, drückt dann auf den Tankstutzen und zieht die Tankpistole anschließend zurück. Bei der Tankkupplung drückt man den weißen Knopf in den Verriegelungsring hinein und zieht den Ring auf die Ausgangsposition zurück bis dieser einrastet.

13. Zum Schluss befestigt man erneut die Schutzabdeckung und schließt den Tankdeckel.

Aufgrund des hohen Bedarfs an Ökostrom für die Erzeugung von grünem Wasserstoff sieht der Regierungsplan vor, dass Wasserstoff sehr gezielt und sparsam eingesetzt wird. In Zukunft soll Wasserstoff in Österreich vor allem in folgenden Bereichen Verwendung finden:

• im Nah-, Fern- und Schwerverkehr wie beispielsweise im öffentlichen Personennahverkehr in Form von Wasserstoffbussen

• in industriellen Verfahren (beispielsweise wird Wasserstoff bei der Erzeugung von Kunstdünger für die Landwirtschaft im Zug der Ammoniak-Synthese benötigt)

• als alternativer Brennstoff in Kraft-Wärme-Kopplung-Anlagen (KWK-Anlagen)

• zur Langzeitspeicherung von erneuerbaren Energien (Speichersystem Power-to-Gas-Wasserstoff: Überschüssiger Strom erzeugt durch Elektrolyse von Wasser Wasserstoff. Der Wasserstoff kann dann etwa in Gasflaschen gespeichert werden und bei Bedarf mittels Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umgewandelt werden.)

In folgenden Bereichen soll Wasserstoff - angesichts von adäquaten Alternativen - in naher Zukunft noch nicht eingesetzt werden:

• im Pkw-Bereich

• für Heizungen bzw. Raumwärme

• Einspeisung von Wasserstoff in die bestehende Gasinfrastruktur

Die Zukunftschancen von Wasserstoff-Autos für den breiten Markt stehen - im Vergleich zu Elektroautos - eher schlecht. Der hohe Energieverlust entlang der Prozesskette, der enorme Bedarf an Ökostrom und die hohen Produktions- und Anschaffungskosten sind die Hauptursachen, warum Experten Wasserstoff-Autos nicht als Zukunft für den privaten Automarkt sehen.

Allerdings spielt Wasserstoff als Antrieb für öffentliche Verkehrsmittel eine zunehmend größere Rolle: Ende 2020 wurde die Wiener Wasserstoff GmbH gegründet. Das gemeinsame Projekt "Wiener Wasserstoff" von Wien Energie (Erzeugung und Bereitstellung von Wasserstoff sowie Forschung), Wiener Netze (Verteilung und Transport von Wasserstoff) und Wiener Linien (praktische Anwendung) widmet sich ganz dem Ziel, eine erneuerbare Wasserstoff-Wertschöpfungskette für den urbanen Raum zu betreiben.

Geplant ist unter anderem der Bau einer 2,5 Megawatt-Elektrolyse-Anlage in Wien, die ab 2023 grünen Wasserstoff produziert. Bis 2024 sollen laut Projektplan 10 Wasserstoffbusse auf der Autobuslinie 39A (Leopoldau) in Betrieb sein. Die ersten 5 Busse sollen bereits 2023 unterwegs sein.