Nationale Wasserstoffstrategie: Wie funktionieren Wasserstoffautos?
(Bild: Alexander Kirch / Shutterstock.com)
Wasserstoffautos sind umweltfreundlich und Konkurrenten batterieelektrischer Fahrzeuge. Wie funktionieren sie und wo stehen sie im Vergleich zu Elektroautos?
Wasserstoff soll der Heilsbringer in der Energiewende werden. Was nicht direkt oder ausreichend bequem elektrifiziert werden kann, soll mit Wasserstoff angetrieben werden. Dementsprechend misst die deutsche Bundesregierung Wasserstoff eine bedeutende Rolle in der Dekarbonisierung der deutschen Wirtschaft zu. Unsere Artikelserie will die Pläne der Bundesregierung genauer unter die Lupe nehmen und konkrete Anwendungsbereiche – insbesondere im KFZ-Bereich – beleuchten. Was technisch möglich ist, soll auch auf Effizienz und Skalierbarkeit abgeklopft werden.
Mit Verspätung könnte doch bald das Ziel von einer Million zugelassener Elektrofahrzeuge in Deutschland erreicht werden. Ursprünglich sollte diese Marke im Jahr 2020 geknackt sein. Aufgrund des rasanten Wachstums, der momentan beim Verkauf von Elektroautos festzustellen ist [1], dürfte die Verzögerung nun geringer als ursprünglich erwartet ausfallen. Allerdings werden neben den rein batterieelektrischen Autos auch Hybridfahrzeuge mitgezählt – und zusätzlich Brennstoffzellenautos, die kaum Beachtung finden. Aber warum haben Wasserstofffahrzeuge aktuell solch eine schlechte Lobby? Und wie unterscheiden sie sich von batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen?
Spätestens seit dem Pariser Klimagipfel COP21 ist klar, dass kein Weg mehr an dem Ausstieg aus der fossilen Energiewirtschaft vorbeigeht. Das hat das Urteil des Bundesverfassungsgerichts in Karlsruhe, das die Bundesregierung Ende April 2021 zu einer Justierung der Klimaziele anmahnte [2], nochmals verdeutlicht. Vor diesem Wandel hatten insbesondere die europäischen Automobilkonzerne lange die Augen verschlossen, bevor sie sich dann – für viele Beobachter zu spät – der Elektromobilität öffneten. Die derzeitigen Zulassungszahlen belegen, dass die Verkehrswende inzwischen in der Öffentlichkeit angekommen ist. Mit 50.000 Zulassungen von Elektroautos pro Monat nimmt deren Anzahl sehr viel schneller zu als die der Ladesäulen.
Wenige Brennstoffzellenfahrzeuge
Der Anteil von Brennstoffzellenautos ist allerdings verschwindend gering. Nur die beiden Hersteller Toyota und Hyundai bieten derzeit jeweils ein "massentaugliches" Modell an, während die Auswahl bei den rein batterieelektrisch angetriebenen Pkw von Tag zu Tag zunimmt. Deren Reichweite steigt, die Verkaufspreise beginnen allmählich zu sinken – wenngleich auch nur auf niedrigem Niveau.
Ende des 20. Jahrhunderts gingen viele Vertreter der Automobilindustrie davon aus, dass bereits in den ersten Jahren des neuen Jahrtausends zahlreiche Wasserstoffautos durch die Gegend fahren würden. Heute weiß man, dass das Wunschvorstellungen waren, leichtfertig geäußerte, zu positive Zukunftsaussichten. Allerdings ist die H2-Technik vorhanden und funktioniert, sie ist seit Langem beherrschbar. Kommerzielle Brennstoffzellenfahrzeuge – sowohl Pkw als auch Nutzfahrzeuge – sind auf den Straßen unterwegs und bieten gegenüber batteriebetriebenen Elektro-Pkws durchaus Vorteile: Sie sind schnell zu betanken und mit ihnen können große Reichweiten erzielt werden.
Nachteile
Aber es gibt auch Nachteile: die nur spärlich vorhandene, extrem kostspielige Infrastruktur mit Wasserstoff-Tankstellen und die hohen Kosten. Außerdem wird die Diskussion um die Sinnhaftigkeit von Wasserstoff im Individualverkehr heute mehr denn je mit großer Vehemenz geführt. Während die Einen ganz auf Batteriefahrzeuge setzen, propagieren Andere das H2-Auto als geeigneten Nachfolger für Benzin- und Diesel-Pkw, obwohl die Gesamtumweltbilanz aufgrund der energieaufwendigen H2-Produktion umstritten ist.
Elektroauto vs. Verbrenner
Bei den heute neu zugelassenen Elektroautos handelt es sich größtenteils um batterieelektrische Fahrzeuge (Battery electric vehicle, BEV) sowie Hybridmodelle. So wurden nach Angaben des Kraftfahrtbundesamts (KBA) im Mai 2021 rund 26.800 Elektro-Pkw neu zugelassen. Im Vergleich zum Vorjahresmonat entspricht dies einem Plus von 380 Prozent. Der Marktanteil lag bei 11,6 Prozent. Außerdem kamen etwa 37.200 Hybrid-Pkw hinzu. Die Anzahl der Brennstoffzellenautos (Fuel cell electric vehicle, FCEV) ist bislang nur marginal.
Grundsätzlich handelt es sich bei beiden Varianten um Elektrofahrzeuge. Für den Vortrieb sorgt ein Elektromotor, anders als bei Benzin-, Diesel- und Gasfahrzeugen, bei denen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Während die Energiezufuhr bei den Verbrennern in Form von Kohlenwasserstoffverbindungen erfolgt, die wahlweise flüssig (Benzin, Diesel) oder auch gasförmig (Erd-, Flüssiggas) vorliegen können, benötigen Elektroautos elektrische Energie.
In herkömmlichen Verbrennungsmotoren reagiert der chemische Energieträger nach der Entzündung mit Sauerstoff (O2), der zu 21 Volumenprozent in der Luft enthalten ist. Bei dieser Oxidation wandeln sich die aus Mineralöl gewonnenen CmHn-Verbindungen um, sodass verschiedenste Verbrennungsprodukte, die schlecht für die Umwelt sind (CO, CO2, HC, NOx, Ruß, usw.) entstehen und aus dem Auspuff in die Umwelt gelangen. Außerdem gibt der Verbrennungsmotor Wasserdampf, teils erheblichen Lärm sowie thermische Energie ab.
Vergleich mit dem Elektroauto
Ganz anders beim Elektromotor: Egal welche Art verwendet wird (Synchron- oder Asynchronmotor), emittiert der elektrische Motor nichts außer etwas Wärme und gibt weniger laute Geräusche von sich. Die Umweltbilanz direkt vor Ort ist also sehr viel besser als beim Verbrenner. Allerdings muss der Strom zuvor ja erst erzeugt und gespeichert werden, was ebenfalls berücksichtigt werden muss.
Ein Batteriefahrzeug verfügt über ein vergleichsweise großes Akku-Paket. Viele Akkumulatoren sind zusammengeschaltet, um möglichst viel elektrische Energie speichern zu können. Je nachdem, wie die Elektrizität erzeugt wurde, fällt daher die Umweltbilanz des Elektroautos aus. Fährt das Fahrzeug mit Ökostrom, gilt der Betrieb als umweltschonend. Setzt man den normalen Strommix an, sind die Emissionen natürlich höher. Da ein Kraftwerk aber, anders als Benzin- oder Dieselmotoren im Pkw, nahezu immer im Bereich der optimalen Last arbeitet, ist die Bilanz selbst dann besser als bei einem Verbrennungsmotor, der fast immer abseits seines besten Wirkungsgrades genutzt wird. Für das Jahr 2020 geht das Umweltbundesamt (UBA) im deutschen Strommix von 366 Gramm CO2 je erzeugter Kilowattstunde aus. 2019 sollen es laut UBA noch 408 Gramm gewesen sein.
Batterie als Zwischenspreicher
Bei Brennstoffzellenautos ist es etwas komplizierter, da hierbei Wasserstoff als Energieträger herangezogen wird. FCEV verfügen zwar ebenfalls über einen Akku, der ist aber sehr viel kleiner als beim BEV und dient vornehmlich als Zwischenspeicher sowie zur Rekuperation, der Bremsenergierückgewinnung [10]. Der Elektromotor eines Brennstoffzellen-Pkw wird zwar ebenfalls rein elektrisch betrieben, aber der Strom kann aus dem Akku und/oder aus der Brennstoffzelle kommen.
Funktion einer Brennstoffzelle im Auto
Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der die im Wasserstoff gespeicherte Energie ausnutzt und daraus Strom erzeugt, mit der ein Elektromotor angetrieben wird. Einer der Vorzüge ist, dass die Brennstoffzelle aus der chemisch im Wasserstoff gespeicherten Energie direkt Strom erzeugen kann. Demgegenüber sind im Verbrennungsmotor insgesamt drei Schritte notwendig, um aus dem Kraftstoff für das Fahrzeug nutzbare Bewegungsenergie zu machen. Da jede Energieumwandlung aus physikalischen Gründen auch mit Energieverlusten verbunden ist, führt dies unweigerlich zu erheblichen Wirkungsgradeinbußen bei Verbrennungsmotoren, deren Effizienz mit rund 20 Prozent nur etwa halb so groß ist, wie die von Brennstoffzellen.
(Bild: Sven Geitmann / Hydrogeit Verlag)
Wird einer Brennstoffzelle, in aller Regel eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM), reiner Wasserstoff zugeführt, reagiert dieser mit dem Luftsauerstoff. Dafür ist keinerlei Energiezufuhr, kein Zündfunke oder dergleichen erforderlich, da Wasserstoff von sich aus bestrebt ist, zusammen mit Sauerstoff zu Wasser zu reagieren. Da beide Gase durch eine Membran, den Elektrolyt, voneinander getrennt sind, reagieren sie nur indirekt miteinander. Es gibt deswegen keine sichtbare Oxidation mit offener Flamme, weshalb man bei diesem Vorgang auch von einer "kalten Verbrennung" bei einer Reaktionstemperatur von ca. 80 °C spricht.
Teildurchlässige Membran
Das Herz einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol), die durch eine ionendurchlässige Polymermembran voneinander getrennt sind. Dieser Elektrolyt ähnelt einer Folie für Overhead-Projektoren. Die Membran ist gasdicht, damit Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt miteinander reagieren können. Außerdem ist sie für Elektronen nicht passierbar. Sie ist also elektrisch isolierend, aber für Protonen durchlässig, sodass Wasserstoff-Ionen hindurch gelangen.
(Bild: Sven Geitmann / Hydrogeit Verlag)
(Bild: Medienzu- und -abfuhr an einer Brennstoffzelle.)
Die Elektroden sind mit einer dünnen, katalytisch wirkenden Edelmetallschicht (Platin oder Platinlegierungen) überzogen. Der an der Anode zugeführte Wasserstoff teilt sich mithilfe dieses Katalysators in Elektronen (negative Ladungsträger) und Protonen (positive Wasserstoff-Ionen). Die Protonen diffundieren durch die Elektrolytmembran zur Kathode. Die freien Elektronen, die nicht durch die elektrisch isolierende Membran hindurch kommen, werden außen um die Membran herumgeleitet und können auf diese Weise als elektrischer Strom den Elektromotor antreiben.
Auf der anderen Seite – an der Kathode, wo ebenfalls katalytisch der Sauerstoff aus der Luft aufgespalten wurde – vereinigen sich die dort erzeugten O2-Ionen, die Elektronen aus dem Stromkreislauf sowie die H2-Protonen und erzeugen unter Wärmeentwicklung Wasserdampf.Zugeführt werden die Gase durch Bipolarplatten, die mit feinen Gängen, dem sogenannten Flow-field, versehen sind. Sie übernehmen zudem die Ableitung des Reaktionsproduktes Wasser und leiten sowohl die Wärme als auch den Strom aus dem Brennstoffzellenstapel ab.
Am Ende: Strom und Wasserdampf
Die Endprodukte dieses elektrochemischen Vorgangs in einer Brennstoffzelle sind Gleichstrom, Wärme und Wasser beziehungsweise Wasserdampf. Jede einzelne Brennstoffzelle erzeugt je nach Bauart unter Last etwa 0,7 Volt, die maximale Spannung liegt bei etwa 1,2 Volt. Erst viele in Reihe geschaltete Zellen, die gemeinsam als Stacks bezeichnet werden, liefern eine ausreichend hohe Leistung für den Betrieb eines Elektromotors. Ein Stack kann bis zu 200 dicht aneinander liegende Brennstoffzellen enthalten. Während die Größe des Brennstoffzellen-Stacks die Leistung bestimmt, wird die Betriebsdauer über die Größe des Energiespeichers bestimmt.
(Bild: Proton Motor)
Da der erzeugte Gleichstrom über eine relativ niedrige Spannung verfügt, muss er für die Nutzung in Wechselstrom höherer Spannung umgewandelt werden. Dies geschieht durch einen Wechselrichter ähnlich wie bei einer Photovoltaikanlage.
Trotz dieser verschiedenen Einzelprozesse ist der Geräuschpegel von Brennstoffzellen sehr niedrig, da sie über keinerlei bewegliche Teile verfügen. Lediglich Nebenaggregate wie Pumpen und Gebläse geben Geräusche von sich. Hinzu kommt, dass keine Reibungsverluste und auch keine Verschleißerscheinungen auftreten, zudem entfällt eine aufwendige Ölschmierung wie bei Verbrennungsmotoren. Anstelle eines Auspuffs verfügt ein H2-Auto lediglich über einen Auslass für Wasserdampf.
Weniger Komponenten
Batterie- und Wasserstoff-betriebene Elektroautos verfügen insgesamt über deutlich weniger Komponenten als konventionelle Fahrzeuge. Ein Getriebe mit fünf oder mehr Gängen sowie Kupplung werden nicht benötigt. An die Stelle des Endrohrs beim Verbrenner tritt bei Brennstoffzellenfahrzeugen ein sauberes Abluftrohr, aus dem nur Wasserdampf entweicht. Selbst die leistungsmindernde Lichtmaschine ist überflüssig.
Lärmende, vibrierende Verbrennungsmotoren werden ersetzt durch Brennstoffzellen und Elektromotoren. Beides sind kompakte Aggregate, die gänzlich ohne Ölsumpfschmierung auskommen und nur über sehr wenig bewegte Teile verfügen. Die Kühlung muss zwar deutlich größer dimensioniert werden, und neue Elemente der Leistungs- und Regelungselektronik kommen hinzu. Grundsätzlich ermöglicht es die Technik aber, auf sauberem Weg dem Wasserstoff die in ihm gespeicherte Energie zu entlocken.
Neu ist die Brennstoffzellentechnik im Übrigen nicht: Sie wurde bereits 1839 von Sir William Grove erfunden, wird aber erst seit Ende der 1990er-Jahre verstärkt erforscht und weiterentwickelt. Fast alle Automobilhersteller haben sich inzwischen an dieser Technik versucht, fast alle haben also wie auch immer geartete Erfahrungen damit gesammelt.
H2-Motor
Als zweite Option für Wasserstoff gibt es die Möglichkeit, das Gas in konventionellen Motoren zu verbrennen. Die Umwandlung von Wasserstoff in Verbrennungskraftmaschinen erfolgt ähnlich wie bei Benzin- oder Dieselmotoren. Mehrere Hersteller haben über die Jahre hinweg am Einsatz von Wasserstoff im Hubkolbenmotor gearbeitet wie BMW, Ford und MAN. Mazda versuchte sich auch an der Kreiskolbentechnik (Wankelmotor). Im Pkw-Bereich werden aber beiden Varianten nicht sonderlich viele Chancen zugesprochen.
Im Nutzfahrzeugsektor sieht es hingegen ganz anders aus. Hier erlebt der H2-Verbrennungsmotor gewissermaßen einen neuen Frühling. Große Konzerne planen noch in diesem Jahrzehnt mit nennenswerten Stückzahlen, die möglicherweise dem flüssigen Wasserstoff (LH2: liquefied hydrogen) eine Renaissance bescheren könnten.
Ein maßgeblicher Unterschied zwischen Brennstoffzelle und H2-Motor ist der Kraftstoffverbrauch: Während der wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotor thermodynamisch bedingt einen begrenzten Wirkungsgrad aufweist, verfügt die Brennstoffzelle mit etwa 50 Prozent über eine höhere Effizienz.
Gasförmige H2-Speicherung bei 700 bar
Egal, welcher Energiewandler genutzt wird, die Brennstoffzelle oder der H2-Verbrennungsmotor: der für die Verbrennung erforderliche Sauerstoff kann einfach der Luft entnommen werden. Der Kraftstoff, der Wasserstoff, muss hingegen getankt und mitgeführt werden. Über die Jahre hat sich für den Pkw-Sektor die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff bei 700 bar durchgesetzt. Während sich Erdgasfahrzeuge mit 200 bar begnügen, entschieden sich die Entwickler bei H2-Gas für einen solch hohen Druck, um eine akzeptable Reichweite gewährleisten zu können. Erst dieses hohe Druckniveau sowie die optimierte Anordnung (Packaging) mehrerer Druckbehälter in der Bodeneinheit eines Fahrzeugs gewährleisten heute Fahrstrecken vonteilweise mehr als 500 km.
Für Brennstoffzellenbusse gilt 350 bar derzeit als Richtwert. Da Nutzfahrzeuge mehr Platz bieten, muss die Energiedichte des Speichers nicht ganz so hoch sein. So können mehrere große Druckgasflaschen problemlos auf dem Dach der Busse eingebaut werden – ähnlich wie bei Schienenfahrzeugen.
Vor 25 Jahren wurden auch andere Energiespeicher in Erwägung gezogen. So wurden in den 1990er-Jahre sowohl Methanol als auch Metallhydride als H2-Speicher in Demonstrationsfahrzeugen getestet. Da jedoch Metallhydride für den Straßenverkehr zu schwer sind, werden sie heute nur noch in U-Booten eingesetzt. Von Methanol hatten sich die Automobilhersteller eigentlich schon Anfang dieses Jahrhunderts verabschiedet, weil für die Nutzung im Auto ein Reformer erforderlich ist, der die Kosten und auch den Platzbedarf in die Höhe treibt. 2020 präsentierte aber der Ingolstädter Ingenieur Roland Gumpert, der bereits für Audi und VW tätig war, einen methanolbetriebenen Brennstoffzellen-Kleinwagen namens "Nathalie" [11], der seinen Ausführungen zufolge bezahlbar sei. Wirkliche Chancen werden dieser Technik in Fachkreisen heute allerdings nicht zugesprochen.
Langwierige Entwicklung
Vonseiten der Automobilindustrie war bereits 1994 zu hören, in zehn Jahren könne jedermann mit Brennstoffzellenautos durch die Gegend fahren. Um die Jahrtausendwende gab es den ersten regelrechten Brennstoffzellen-Hype. Es hieß, die Brennstoffzelle werde die einhundertjährige Vorherrschaft des Verbrennungsmotors beenden. Die damalige Euphorie wich dann aber einer gewissen Ernüchterung, weil die tatsächlichen Entwicklungsarbeiten nicht so zügig vorankamen, wie zunächst erwartet. Es folgten weitere Hypes, bislang gelang aber nie der Durchbruch.
Die grundlegenden technischen Probleme gelten zwar seit 2010 als gelöst, aber – neben den Kosten – machten das Gewicht sowie das Volumen, insbesondere das Packaging, die Größe und Anordnung der Tanks für akzeptable Reichweite, noch lange Zeit Probleme. Und auch die Zuverlässigkeit war noch verbesserungswürdig.
Beim Thema Preis konnten in den vergangenen Jahren zwar die Kosten für Brennstoffzellen beziehungsweise für gesamte Brennstoffzellen-Systeme erheblich reduziert werden, indem beispielsweise der Anteil des teuren Katalysators Platin erheblich verringert wurde, aber dies reichte bei Weitem noch nicht aus. So wurde auch kontinuierlich an der Erhöhung der Strom- und Leistungsdichte geforscht. Aber ob letztlich die involvierten Entwickler nicht schneller konnten oder vielleicht die Vorstandsebene nicht schneller wollte, ist Ermessenssache.
Mercedes GLC F-Cell
Daimler brachte Ende 1993 die erste Generation seines NeCars (New Electric Car) auf die Straße. Es folgten fünf Fahrzeuggenerationen sowie der NeBus, aber erst Ende 2018 stellte Daimler den Brennstoffzellen-Batterie-Hybriden Mercedes GLC F-Cell [12] vor, der dann jedoch nur kurzzeitig in einem Leasingpaket für ausgewählte Kunden erhältlich war. Bei der Reichweite scheiterte das Fahrzeug jedoch an der 300-Kilometer-Marke. Im Jahr 2020 erklärte Daimler, dieses Modell nicht weiter bauen und entwickeln zu wollen. Stattdessen heißt es seitdem bei Daimler: Batterien für die Pkw, Brennstoffzellen nur für Busse und Lkw.
Mercedes-Benz GLC F-CELL (24 Bilder) [13]
Führend in der Entwicklung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen sind heute die asiatischen Automobilhersteller. Toyota forscht seit 1971 auf dem Gebiet alternativer Antriebskonzepte und arbeitet seit 1992 an Brennstoffzellen. 1996 präsentierte der damals drittgrößte, heute der größte Automobilkonzern der Welt, in Osaka seinen ersten Prototypen eines Fuel Cell Hydrogen Vehicle (FCHV) auf Basis des Toyota RAV4. Auch Hyundai machte mehrfach mit beispielhaften Entwicklungen und Demonstrationen auf sich aufmerksam. Dementsprechend sind es zwei asiatische Modelle, die heute mit Brennstoffzellenantrieb gekauft werden können: der Hyundai Nexo (Test) [15] und der Toyota Mirai (seit Anfang 2021 in der zweiten Generation).
H2-Infrastruktur wächst – langsam
Um Wasserstoffautos mit Energie versorgen zu können, bedarf es eines adäquaten H2-Tankstellennetzes. Jahrelang gab es auf die Frage, ob man zuerst die Brennstoffzellenautos oder die Tankstellen braucht, keine passende Antwort. So ist dieses Henne-Ei-Problem auch mit ein Grund dafür, dass sich die Einführung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnik immer wieder hinausgezögert hat. Der teure Aufbau eines Netzes von Wasserstofftankstellen blieb immer wieder weit hinter den gesetzten Zielen zurück.
Im Mai 1999 ging am Flughafen München die erste öffentliche Tankstelle für flüssigen Wasserstoff im Rahmen des Projekts H2argemuc in Betrieb. Im Zuge des 1995 initiierten Projektes WEIT (Wasserstoff-Energie Island-Transfer) entstand in Hamburg eine weitere öffentliche Tankstelle, diesmal für gasförmigen Wasserstoff. 2003 gab es weltweit 21 Wasserstofftankstellen. Bis 2019 sollte es nach Ankündigung des damaligen Bundesverkehrsministers deutschlandweit hundert H2-Stationen geben. Diese Marke soll jetzt im Laufe des Jahres 2021 geknackt werden.
Allerdings ist immer noch unklar, wie diese versorgt werden. Bislang wurden vergleichsweise kleine H2-Tankstellen gebaut, die über 700-bar-Zapfsäulen für Pkw und 350-bar-Zapfsäulen für Busse verfügen. Zukünftig sollen vermehrt mittelgroße und dann später große Stationen für Nutzfahrzeuge installiert werden – die dann eventuell flüssigen Wasserstoff (LH2) bereitstellen. Ganz klar ist allerdings noch nicht, wohin die Reise gehen wird. Nach Industrieangaben sollen die nächsten ein bis zwei Jahre genutzt werden, um zu klären, welcher Kraftstoff in Europa favorisiert wird. Grundsätzlich infrage kommen neben LH2 und 700-bar-GH2 auch 500-bar-GH2 sowie CcH2 (compressed cryogenic hydrogen), ein bei -240 °C komprimierter Wasserstoff.
Wasserstoff im Nutzfahrzeugsektor
Die Planung wird dadurch erschwert, dass unklar ist, inwieweit Brennstoffzellen-Pkw eine Zukunft haben oder ob Wasserstoff vornehmlich Nutzfahrzeugen vorbehalten bleibt. Seitens der Industrie gibt es dazu widersprüchliche Aussagen: Die gesamte Volkswagen-Gruppe setzt auf rein batterieelektrische Personenwagen, während Toyota und Hyundai zumindest zweigleisig fahren. Auch BMW will eine Kleinserie mit H2-Fahrzeugen bauen wie den BMW i Hydrogen Next [16]. Weitere Fahrzeughersteller wie Renault, Opel oder Peugeot wollen zumindest bei leichten Nutzfahrzeugen auch Wasserstoffmodelle anbieten. Einige sollen noch dieses Jahr für Gewerbekunden angeboten werden.
Bei Nutzfahrzeugen, insbesondere bei schweren, die weite Strecken zurücklegen, hat Wasserstoff den Vorteil der höheren Energiedichte. Da Wasserstoff extrem leicht ist, können mit H2-Trucks sehr viel schwerere Güter transportiert werden als in batteriebetriebenen Lkw, bei denen der Akku bereits einen wesentlichen Teil der möglichen Nutzlast auffrisst. Die Entwicklung geht deswegen bei verschiedenen Herstellern in Richtung wasserstoffbetriebener Nutzfahrzeuge. Die ersten Wasserstoff-Lkw sind derzeit als Abfallsammelfahrzeuge im Einsatz. In der Schweiz baut Hyundai seit 2020 die weltweit erste Fahrzeugflotte mit Brennstoffzellen-Trucks auf. Andere Hersteller wollen nachziehen. Das Rennen um Marktanteile hat begonnen.
Brennstoffzelle für SUVs und Limousinen
Die Entwicklung im Pkw-Sektor bleibt jedoch nicht stehen. Hyundai und Toyota bauen ihren technologischen Vorsprung im Brennstoffzellensektor stetig weiter aus. So präsentierte die Hyundai Motor Group den Nexo im Januar 2018 [17] in Offenbach – als zweitwichtigsten Termin nach der Weltpremiere bei der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas und zeigte damit der Welt, wie wichtig Deutschland als Zielmarkt ist. Fünf Jahre nach dem Markteintritt des ix35 Fuel Cell [18] brachte Hyundai damit eine Modellgeneration heraus, die keine simple Weiterentwicklung des Vorgängers, sondern eine komplett neue Eigenentwicklung war.
Während bei der ersten Generation ein Brennstoffzellen-System in ein bereits bestehendes Fahrzeug, einen Tucson, integriert worden war, entwickelten die koreanischen Ingenieure beim Nexo [19] ein speziell designtes Auto um die neue Antriebstechnik herum. Der Name Nexo rührt von der dänischen Ostseeinsel Bornholm her, die durch vorbildliche ökologische Projekte bekannt geworden ist (das grüne Energielabor des Königreichs), und bezeichnet dort den zweitgrößten Ort Nexø. Außerdem hört sich der Name "schön futuristisch" an, so ein Firmensprecher.
Hyundai Nexo (4 Bilder) [20]
Wesentliche Neuerungen waren größere Tanks, die im Bestfall eine Reichweite von über 700 km ermöglichen sollen. Der Brennstoffzellen-Stack, mittlerweile eine Eigenentwicklung von Hyundai, leistet 95 kW. Er wird unterstützt von einem Lithium-Ionen-Akku, der mit seinen 40 kWh als Puffer fungiert. Gemeinsam beschleunigen sie den Fünfsitzer mithilfe des 120-kW-Elektromotors auf maximal 179 km/h. Auf 100 km/h ist der Wagen innerhalb von 9,5 Sekunden, drei Sekunden schneller als der ix35 Fuel Cell.
Toyota brachte Anfang 2021 bereits die zweite Generation seines kommerziell erhältlichen Brennstoffzellenautos heraus. Während der Mirai 1 ein Mittelklassewagen war, stößt Toyota mit dem Nachfolger ins Luxussegment vor. Der Mirai 2 [22] ist aus dem LF-FC (Lexus Future – Flagship Car/Fuell Cell) der Tochtermarke Lexus hervorgegangen. Besondere Merkmale des Fünfsitzers sind eine beachtliche Länge von 4,98 Metern und Heck- statt Frontantrieb.
Toyota Mirai II Exterieur (5 Bilder) [23]
(Bild: Christoph M. Schwarzer )
Toyota Mirai II Interieur & Details (6 Bilder) [25]
(Bild: Christoph M. Schwarzer)
Mit seinen 133 kW (182 PS) beschleunigt die Brennstoffzellenantriebseinheit die 1900 kg Leergewicht des Mirais selbst voll besetzt zügig. Der in insgesamt drei 700-bar-Druckbehältern (zwei quer, einer längs angeordnet) gespeicherte Wasserstoff ermöglicht eine um 30 Prozent längere Fahrstrecke als beim Vorgängermodell. Das Handling ist leichtgängig, aber spätestens beim Bremsen ist das Trägheitsmoment der fast zwei Tonnen Gewicht zu spüren.
Mit ihren beiden H2-Pkw decken Hyundai und Toyota genau die beiden Fahrzeuggattungen ab, für die Brennstoffzellenantriebe in Zukunft im Pkw-Bereich infrage kommen dürften: SUVs (Hyundai Nexo) und Limousinen (Toyota Mirai 2) im Premiumsektor. Während Hyundai beim Nexo mit 79.000 Euro Listenpreis und einer versprochenen Reichweite von 750 km oberhalb der Marke liegt, bis zu der eine Umweltprämie gewährt wird, können sich Käufer des Toyota Mirai (63.900 Euro, 650 km Reichweite) über 7500 Euro Zuschuss freuen. Eine Umweltprämie wird nur für neue Elektroautos ausgezahlt, deren Netto-Listenpreis des Basismodells in Deutschland unter 65.000 Euro liegt.
Schwarze Zahlen schreibt Toyota mit diesem Preis allerdings nicht. Ähnlich wie bei der Vermarktung des Hybridmodells Prius zahlte der Konzern bei den ersten beiden Generationen jeweils drauf. Ab der dritten Generation könnte der Preis dann aber auf dem Niveau heutiger Hybridautos liegen, so Matthew Harrison, Vertriebschef Europa.
Um die Stückkosten möglichst zügig zu senken, plant Toyota den Einsatz der Brennstoffzellenaggregate auch in Trucks, Bussen, Zügen, Schiffen sowie stationären Einheiten. 2018 hatte Toyota dafür die Produktionskapazitäten von Brennstoffzellen-Stacks mit dem Bau eines neuen achtstöckigen Hightech-Gebäudes in der Nähe seines Werks in Honsha erweitert. Anfang 2021 hieß es dann, die dort produzierten kompakten Brennstoffzellen-Systemmodule (ca. 250 kg, 60 oder 80 kW) werden potenziellen Partnern, so wie beispielsweise dem Bushersteller Caetano in Portugal, angeboten.
Vom Mirai 1 hatte Toyota nach eigenen Angaben innerhalb von fünf Jahren etwa 10.000 Exemplare abgesetzt. Vom Mirai 2 werden es jetzt in Deutschland zunächst einige hundert sein, in Japan etwa 1000 pro Monat. Insgesamt plant Toyota in Zukunft weltweit mit einem Absatz von 30.000 Stück pro Jahr.
Neu ist, dass Toyota auch im Bereich H2-Verbrennungsmotoren aktiv ist. Für Langstreckenrennen in Fuji entwickelt der Konzern einen Wasserstoffrennwagen auf Basis des Modells Corolla [27]. Unter der Typbezeichnung GE16-GTS soll ein 1,6-Liter-Reihen-Dreizylindermotor mit Turboaufladung und Ladeluftkühler zum Einsatz kommen, der aus 700-bar-H2-Druckbehältern versorgt werden soll. Eine Teilnahme beim 24-Stunden-Rennen in Le Mans könnte im Jahr 2024 erfolgen.
Neuorientierung
Das eigentliche Know-how der Automobilkonstrukteure, das Motorendesign, scheint allerdings nicht länger im Mittelpunkt zu stehen. Ausgefeilte Zylinderkopfkonstruktionen werden ersetzt durch kompakte Elektromotoren, die eher als Zukaufteil angeliefert und nicht selbst entwickelt werden. Und auch die Brennstoffzelle mit ihrem elektrochemischen Innenleben entspricht nicht unbedingt dem originären Spezialgebiet der Motorenbauer. Die Fahrzeughersteller sehen sich also damit konfrontiert, neue Alleinstellungsmerkmale kreieren zu müssen, um weiterhin eine Wertschöpfung generieren zu können.
Deutlich ist indessen, dass es aus heutiger Sicht kein Zurück mehr gibt. So gab der Fiat bekannt, zukünftig ganz auf Elektromobilität setzen zu wollen. Unklar ist allerdings, ob und falls ja, wann Brennstoffzellenautos eine realistische Chance bekommen. Wohin die Reise gehen wird, hängt von den politischen Rahmenbedingungen sowie den Entscheidungen der Automobilhersteller ab – aber nicht zuletzt auch vom Verbraucher, der mit seinem Kaufverhalten ein gewichtiges Wörtchen mitredet.
Die grobe Aufgabenteilung ist jedoch vorgegeben: BEV bleiben für den Stadtverkehr, Kleinwagen und Mittelklassefahrzeugen sowie Paketzustellern vorbehalten. FCEV haben – wenn überhaupt – bei Limousinen oder SUV eine Chance, bei denen es um große Reichweiten und zügige Betankung geht. Alles Weitere wird die Zukunft zeigen.
Artikel der Serie "Nationale Wasserstoffstrategie"
- Nationale Wasserstoffstrategie: Tafelwasser oder Champagner der Energiewende? [28]
- Nationale Wasserstoffstrategie: Wie funktionieren Wasserstoffautos? [29]
- Nationale Wasserstoffstrategie: Wasserstoff-Tanken ohne Wartezeit [30]
- Wasserstoffbrückenbildung: Umgerüstete Lkw als Vorhut der Dekarbonisierung? [31]
- Alternativen zum Elektroauto: Auf welchem Weg wir individuell mobil bleiben [32]
(olb [33])
URL dieses Artikels:
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Links in diesem Artikel:
[1] https://www.heise.de/news/Elektroautos-und-Hybridfahrzeuge-gewinnen-kraeftig-an-Zuspruch-6143766.html
[2] https://www.heise.de/news/Verfassungsgericht-Klimaschutzgesetz-verletzt-Freiheitsrechte-juengerer-Menschen-6031624.html
[3] https://www.heise.de/hintergrund/Nationale-Wasserstoffstrategie-Tafelwasser-oder-Champagner-der-Energiewende-6113810.html
[4] https://www.heise.de/hintergrund/Nationale-Wasserstoffstrategie-Wie-funktionieren-Wasserstoffautos-6137253.html
[5] https://www.heise.de/hintergrund/Nationale-Wasserstoffstrategie-Wasserstoff-Tanken-ohne-Wartezeit-6130497.html
[6] https://www.heise.de/hintergrund/Wasserstoffbrueckenbildung-Umgeruestete-Lkw-als-Vorhut-der-Dekarbonisierung-6145408.html
[7] https://www.heise.de/hintergrund/Alternativen-zum-Elektroauto-Auf-welchem-Weg-wir-individuell-mobil-bleiben-6130831.html
[8] https://www.heise.de/tests/Test-Toyota-Mirai-II-Brennstoffzelle-als-Alternative-zum-Batterie-Elektroauto-6127838.html
[9] https://www.heise.de/meinung/Wasserstofftraeume-Steckt-alles-in-die-Chemie-6135885.html
[10] https://www.heise.de/autos/artikel/Bremsenergierueckgewinnung-und-ihr-Wirkungsgrad-4340576.html
[11] https://www.heise.de/tp/features/Ist-das-Methanol-Auto-das-bessere-E-Auto-6057498.html
[12] https://www.heise.de/autos/artikel/Test-Mercedes-GLC-F-Cell-4367711.html
[13] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_3833602.html?back=6137253
[14] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_3833602.html?back=6137253
[15] https://www.heise.de/autos/artikel/Test-Hyundai-Nexo-4235048.html
[16] https://www.heise.de/hintergrund/BMW-i-Hydrogen-Next-H2-Auto-auf-X5-Basis-kommt-2022-4693398.html
[17] https://www.heise.de/autos/artikel/Vorstellung-Hyundai-Nexo-3936512.html
[18] https://www.heise.de/autos/artikel/Fahrbericht-Hyundai-iX35-FCEV-Freie-Fahrt-dank-Brennstoffzelle-2235105.html
[19] https://www.heise.de/autos/artikel/Test-Hyundai-Nexo-4235048.html
[20] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_3936461.html?back=6137253
[21] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_3936461.html?back=6137253
[22] https://www.heise.de/tests/Erste-Ausfahrt-Toyota-Mirai-II-Wasserstoff-statt-Strom-4974698.html
[23] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_6127869.html?back=6137253
[24] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_6127869.html?back=6137253
[25] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_6127863.html?back=6137253
[26] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_6127863.html?back=6137253
[27] https://www.springerprofessional.de/verbrennungsmotor/rennfahrzeuge/toyota-entwickelt-einen-wasserstoff-verbrennungsmotor/19097606
[28] https://www.heise.de/hintergrund/Nationale-Wasserstoffstrategie-Tafelwasser-oder-Champagner-der-Energiewende-6113810.html
[29] https://www.heise.de/hintergrund/Nationale-Wasserstoffstrategie-Wie-funktionieren-Wasserstoffautos-6137253.html
[30] https://www.heise.de/hintergrund/Nationale-Wasserstoffstrategie-Wasserstoff-Tanken-ohne-Wartezeit-6130497.html
[31] https://www.heise.de/hintergrund/Wasserstoffbrueckenbildung-Umgeruestete-Lkw-als-Vorhut-der-Dekarbonisierung-6145408.html
[32] https://www.heise.de/hintergrund/Alternativen-zum-Elektroauto-Auf-welchem-Weg-wir-individuell-mobil-bleiben-6130831.html
[33] mailto:olb@heise.de
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