Als Ersatz für die fossilen Energieträger Diesel und Benzin werden im Bereich der Mobilität zwei verschiedene Konzepte verfolgt: batterieelektrische Fahrzeuge und wasserstoffbetriebene Fahrzeuge. In beiden Fällen erfolgt der Antrieb mit einem Elektromotor, der Unterschied besteht in der Art der Stromspeicherung: bei Wasserstoffautos werden statt einer Batterie ein Wasserstofftank und eine Brennstoffzelle mitgeführt. Die Brennstoffzelle wandelt den Wasserstoff bei Bedarf in Elektrizität um, die den Elektromotor antreibt.
Beide Konzepte haben Vor- und Nachteile, so dass noch immer unklar ist, was sich durchsetzen wird. Im Bereich der Pkw sieht es derzeit so aus, als ob Batteriefahrzeuge sich stärker verbreiten, die Entwicklung von Wasserstoff-Pkw wird jedoch von vielen Herstellern noch weiterverfolgt. Im Bereich der Nutzfahrzeuge ist das Rennen noch offen. Auch die Autohersteller schwanken noch: BMW verkündete noch im September 2021 „für die Masse wird Wasserstoff keine Lösung sein“, nur um im Juli 2022 doch auf die Brennstoffzelle zu setzen.
Als Argument für Wasserstofffahrzeuge wird häufig angeführt, dass diese eine höhere Reichweite haben und schneller betankt werden können als Elektroautos. Aber stimmt das überhaupt? Und wie groß sind diese Vorteile?
Die wichtigste Kenngröße in diesem Zusammenhang ist die sogenannte Energiedichte, die angibt, wie viel Energie pro Volumen (volumetrische Energiedichte) oder pro Masse (gravimetrische Energiedichte) ein Stoff enthält. Wasserstoff hat eine (gravimetrische) Energiedichte von 33,3 kWh/kg (Unterer Heizwert), ein Lithium-Ionen-Akku hat derzeit eine Energiedichte von 0,1 kWh/kg. Auf den ersten Blick scheint man mit Wasserstoff also 300-mal mehr Energie pro kg speichern zu können als mit Akkus. So einfach ist es aber nicht.
Exkurs: der „untere Heizwert“ gibt an, wieviel Energie freigesetzt wird, wenn der bei der Reaktion freiwerdende Wasserdampf nicht genutzt wird. Im Unterschied dazu gibt der Brennwert – früher auch „oberer Heizwert“ genannt – an, wieviel Energie freigesetzt wird, wenn auch die Energie des bei der Reaktion freiwerdenden Wasserdampfs durch Abkühlung genutzt wird, wenn also Wasser statt Wasserdampf freigesetzt wird. Bei Brennwertheizungen, die Kondensationswärme gewinnen, sollte also der Brennwert angesetzt werden, bei Brennstoffzellen, die Wasserdampf emittieren, sollte der untere Heizwert angesetzt werden. Der Brennwert von Wasserstoff liegt bei 39 kWh/kg.
Zum einen schreitet die Entwicklung der Akku-Technologie voran und es wird erwartet, dass Akkus Energiedichten von 11,1 kWh/kg erreichen können, so dass mit Wasserstoff nur noch 3-mal soviel Energie pro kg gespeichert werden könnte; diese Technologie ist aber zugegebenermaßen noch in der Entwicklung. Zum anderen muss aber beachtet werden, dass die Energie des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle nur teilweise in Strom umgewandelt werden kann und dass der Wasserstofftank und die Brennstoffzelle zusätzliches Gewicht bedeuten.
Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen liegt zwischen 35% und 62%. Hohe Wirkungsgrade sind nur durch hohe Betriebstemperaturen erreichbar, so dass in Fahrzeugen in der Regel sogenannte „Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen“ eingesetzt werden mit Betriebstemperaturen unter 100°C und Wirkungsgraden von 35%. Damit sind nur 35% der im Wasserstoff enthaltenen Energie als Elektrizität nutzbar, was die Energiedichte rechnerisch auf 11,7 kWh/kg verringert.
Ein Wasserstofftank muss hohen Druck aushalten, da Wasserstoff ein sehr geringe volumetrische Dichte hat – man muss Wasserstoff also sehr stark komprimieren, um eine akzeptable Tankgröße zu erhalten. In der ersten Version des Toyota Mirai waren Wasserstofftanks mit einem Fassungsvermögen für 5 kg Wasserstoff verbaut, die 87,5 kg wogen. Pro 1 kg Wasserstoff werden also 17,5 kg Tank benötigt! Das verringert die rechnerische Energiedichte von Wasserstoff weiter auf nur noch 0,7 kWh/kg.
Die Brennstoffzelle und der für die Rekuperation benötigte Akku wiegen weitere 82 kg – diese Komponenten werden bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug nicht zusätzlich benötigt. Damit liegt die rechnerische Energiedichte bei nur noch 0,1 kWh/kg und damit auf dem Niveau eines Lithium-Ionen-Akkus. Das zeigt sich auch bei der Reichweite: der Toyota Mirai kann mit 5 kg Wasserstoff im Tank 650 km fahren (Herstellerangabe), ein Polestar 2 erreicht 470 km, ein Tesla Model S 600 km. Dramatische Unterschiede sehen anders aus.
Ein weiteres Argument für den Wasserstoffantrieb ist das schnellere Tanken, das in 5 Minuten erledigt sein kann. Einen Akku auf 80% zu laden dauert selbst an einem Schnelllader durchaus 15 Minuten. Die Entwicklung der Schnellladetechnologie wird jedoch stetig weiterentwickelt. Zudem besteht bei Wasserstoff das gleiche Henne-Ei-Problem wie bei Ladesäulen: muss erst das Tankstellennetz ausgebaut werden oder werden erst die Wasserstoffautos gebraucht? Festzuhalten ist jedenfalls, dass eine Wasserstofftankstelle, die das Gas immerhin auf 700 bar und mehr verdichten muss, ohne Undichtigkeiten und Leckagen zu entwickeln, eine technisch sehr komplexe Anlage ist, deren Aufbau in der Regel einen Millionenbetrag verschlingt. Eine DC-Ladesäule lässt sich schon für einen fünfstelligen Betrag installieren.
Das beste Argument gegen den Wasserstoffantrieb ist jedoch die Wirtschaftlichkeit: eine „well-to-wheel“-Betrachtung führt bei Brennstoffzellenfahrzeugen zu Wirkungsgraden von lediglich 30%. Etwa 70% der eingesetzten Energie können also nicht in Bewegung umgesetzt werden. Bei batterielektrischen Fahrzeugen liegt der Gesamt-Wirkungsgrad bei ca. 76%, nur 24% können nicht in Bewegung umgesetzt werden. Die hohen Energieverluste beim Wasserstoffantrieb werden sich im Preis niederschlagen. Und für erhebliche Mehrkosten müsste es einen deutlichen Mehrnutzen geben. Der zeichnet sich aber nicht ab.
Einzig beim Schwerlastfernverkehr könnte Wasserstoff perspektivisch eine Rolle spielen, denn eine Ladeinfrastruktur für Lkw erfordert deutlich höhere Leistungs- und Arbeitswerte als für Pkw, um akzeptable Ladezeiten zu gewährleisten. Es ist aber durchaus denkbar, dass dieses technische Problem letztlich gelöst wird. Die Alternative wäre, eine Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge und eine Tankinfrastruktur für Wasserstofffahrzeuge parallel aufzubauen und zu betreiben, was volkswirtschaftlich betrachtet zu Mehrkosten führt.
Fazit: Brennstoffzellenfahrzeuge, die auf Wasserstoff als Energiespeicher zurückgreifen, haben keine wesentlichen technischen Vorteile gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen. Ihr deutlich schlechterer Wirkungsgrad führt dazu, dass Wasserstoffautos immer deutlich teurer sein werden als reine Elektroautos.
