Wasserstoff als Kraftstoff

Wasserstoff als Kraftstoff im Straßenverkehr? Ein interessanter Plan – aber einer, der seit vielen Jahren stagniert. Gerade mal 91 H2-Tankstellen gibt es in Deutschland, und die versorgen kaum mehr als 2.000 Brennstoffzellenautos. Nur Hyundai und Toyota bieten hierzulande Wasserstoff-Pkw an, den SUV Nexo beziehungsweise die Limousine Mirai.

Zu wenig Autos, zu wenig Zapfstellen – das klassische Henne-Ei-Problem. Ein weiteres Handicap ist der Preis. 13,85 Euro kostet das Kilogramm Wasserstoff für Pkw an den Tankstellen der Kette H2 Mobility, die in Deutschland das De-facto-Monopol besitzt. Im Nexo, den Hyundai für fast 80.000 Euro anbietet, reicht das zwar für gut 100 Kilometer Strecke, aber zu höheren Kosten als bei einem Diesel- oder E-Auto (siehe Tabelle unten).

Dabei kann H2 Mobility heute lediglich grauen, also fossilen Wasserstoff liefern, der aus Erdgas erzeugt und in Teilen über Zertifikate grün gestellt wird. Im CO₂-Abdruck liegt er nicht allzu weit über dem deutschen Strommix, wenn man das Kilogramm H2 mit 10 kg Kohlendioxid anrechnet, wie es das Bundesforschungsministerium tut. Das Umweltbundesamt bilanziert die klimaschädlichen Gase mit, die bei der Produktion freigesetzt werden, und kommt so auf 15,45 Kilogramm CO₂-Äquivalente.

Was dem Klima guttun würde, wäre grüner Wasserstoff, der mit regenerativ erzeugtem Strom aus Wasser abgespalten wird. Aber der ist noch kaum zu kriegen, in Deutschland macht er nur 0,11 Prozent der jährlichen Wasserstoff-Gesamtmenge aus. So ganz allmählich aber kommt der Markt in Gang; ab 2024 will H2 Mobility seine Tankstellen nacheinander auf grünen Wasserstoff umstellen. Das Bundeswirtschaftsministerium arbeitet weltweit an Lieferverträgen und Kooperationen – eine Aufgabe, die einen langen Atem erfordert (siehe auch Interview mit Mahle-Chef Arnd Franz). Dabei hat der Straßenverkehr jedoch keine hohe Priorität; wichtiger sind die Stahl-, Baustoff- und Chemieindustrie sowie der Flug- und Schiffsverkehr.

Technische Grenzgänger

Brennstoffzellenautos wie der Mirai und der Nexo sind Elektrofahrzeuge, die ihre Antriebsenergie an der Tankstelle beziehen; ihre CFK-verstärkten 700-bar-Drucktanks sind in fünf Minuten gefüllt. Das ist fast so schnell, wie Verbrennermodelle Benzin oder Diesel tanken; die Reichweiten sind ähnlich wie beim Ottomotor. Der Strom, den die Brennstoffzelle aus dem Wasserstoff macht, speist eine E-Maschine, die von einer Pufferbatterie unterstützt wird. Ohne diese ginge es nicht: Beim Tritt aufs rechte Pedal füllt sie das Loch, das beim recht trägen Hochlauf der Brennstoffzelle entsteht; bei starker Beschleunigung boostet sie kräftig zu – im Nexo mit bis zu 40 kW. Und beim Verzögern nimmt sie Strom auf.

Bei Brennstoffzellen für Fahrzeuge handelt es sich immer um Aggregate mit Polymer-Elektrolytmembranen (PEM); ihre wichtigste Stärke ist die hohe Leistungsdichte. Der Wirkungsgrad im Betrieb erreicht 60 bis 70 Prozent, das ist beachtlich. Relevant für das Klima ist jedoch die Well-to-Wheel-Betrachtung, also der Gesamtwirkungsgrad von der Quelle der Energie zum Rad. Und der beträgt wegen der zweifachen Umwandlung des Wasserstoffs – zuerst bei seiner Herstellung per Elektrolyse und dann im Auto – nur etwa 30 Prozent. Das ist zwar mehr als bei einem Diesel-Pkw (gut 20 Prozent), aber viel weniger als bei einem BEV, das mit Grünstrom fährt (rund 70 Prozent). Auch das macht es verständlich, dass sich die deutsche Automobilindustrie fest dem E-Auto verschrieben hat.

Das gilt auch für Mercedes-Benz. Seit 1994 haben die Schwaben fleißig Brennstoffzellen-Pkw als Prototypen und in Kleinserie gebaut – doch sie haben nie den Sprung in große Stückzahlen riskiert. BMW fertigt von seinem iX5 Hydrogen zwar auch nur 100 Exemplare, hält sich aber eine Wasserstoff-Zukunft offen: Der nächste X5 und die größeren Elektromodelle der Neuen Klasse, die beide gegen 2025 starten, sollen auch brennstoffzellentauglich sein. Eine allererste Kleinserie mit H2-Technik rollte übrigens schon 2005 aus dem Werk Dingolfing, wenn auch mit einem anderen Konzept: Der BMW Hydrogen 7 verbrannte Wasserstoff in seinem V12-Motor, der auch mit Benzin lief, und zwar 3,6 kg auf 100 km.

Effizient war das nicht; dennoch hat das Konzept des Wasserstoff-Verbrenners in zwei Nischen überlebt. Die eine ist der Motorsport: H2 hat günstige Klopfeigenschaften, ermöglicht also hohe Verdichtung und Leistung; sein Abgas, das CO₂-frei ist, muss nur von Stickoxid und winzigen Ölpartikeln gereinigt werden. Beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans in drei Jahren sollen Wasserstoffautos starten. Ligier, unterstützt von Bosch, und Toyota haben bereits erste Entwürfe vorgestellt. Im Rallye-Sport setzen die Japaner den kleinen GR Yaris H2 ein. Porsche, Mazda, Subaru sowie die Motorradhersteller Yamaha, Honda, Kawasaki und Suzuki arbeiten ebenfalls an H2-Motoren.

Wasserstoff im Dieselmotor

Den größeren Markt für den Wasserstoff-Verbrenner bilden jedoch die Nutzfahrzeuge. Als Ausgangsbasis dienen hier Dieselmotoren mit abgesenkter Verdichtung; sie werden mit Zündkerzen, neuen Kolben- und Ventilsitzringen, keramischen Beschichtungen, einer elektrischen Kurbelgehäuseentlüftung sowie einer Einblasanlage umgerüstet. Auf diesem Feld engagieren sich Hersteller wie Hyundai, Iveco und Cummins, Start-ups wie Keyou aus München und Systemlieferanten wie Bosch oder Mahle aus Stuttgart. Wasserstoff-Verbrenner, sagt man dort, können ähnlich wie Diesel hohe Lasten und Dauerleistungen effizient bewältigen; die Brennstoffzelle im Nutzfahrzeug hingegen eigne sich eher für niedrige Last und ruhige Fahrt. Zudem benötige sie, anders als der robustere Verbrenner, hochreinen Wasserstoff.

Bei Cellcentric in Kirchheim unter Teck, unweit von Stuttgart, sieht man das anders. Hier betreiben Daimler Truck und Volvo, am Lkw-Markt eigentlich Rivalen, ein Joint Venture, in dem sie Brennstoffzellenantriebe entwickeln. Erste umgebaute Actros, GenH2 genannt, haben im Frühjahr die Brenner-Autobahn bezwungen, mit 40 Tonnen Gesamtgewicht und 600 kW Systemleistung. Je 120 kW davon lieferten zwei Brennstoffzellen, den großen Rest ein Akku.

63 neue Tankstellen

Joachim Ladra, Vertriebsleiter von Cellcentric, glaubt fest an die Brennstoffzelle im schweren Lkw. Nach seiner Einschätzung reichen rein elektrische Antriebe mit ihren derzeit 400 km Reichweite nur für Verteiler-Lkw oder Stadtbusse aus, die regelmäßig geladen werden. Ein Fern-Lkw im Dauereinsatz hingegen müsse sich schnell und flexibel mit Energie füttern lassen – und das werde auch bald möglich sein: An den Autobahnen im europäischen Verkehrsnetz TEN-V fördert die EU-Kommission den Bau von 63 Wasserstoff-Tankstellen in jeweils 200 km Abstand. "Das könnte ein Trailblazer für die Brennstoffzelle sein", hofft Ladra.

Zu den Nachteilen des Energiegases H2 zählt die Tatsache, dass es sich nur unter hohem Druck oder extremer Kälte einigermaßen raumsparend komprimieren lässt. Cellcentric setzt auf verflüssigten Wasserstoff, der am stärksten verdichtet ist. Um mit 80 kg davon 1.000 km Strecke abzuspulen, brauchen die schweren Lkw speziell isolierte zylindrische Tanks von rund 1.100 Liter Gesamtvolumen. Zum Vergleich: Beim Diesel-Laster genügen dafür 350 Liter.

Doch die Wasserstofftanks sind nicht die großen Kostentreiber – das ist die Brennstoffzelle selbst. Im Pkw-Bereich kalkuliert das Fraunhofer-Institut ein Basisaggregat, das 90 kW leistet, mit 10.000 Euro. Skalen-Effekte würden es möglich machen, die Kosten auf ein Viertel zu senken – doch diese Prognose basiert auf Stückzahlen von 500.000 im Jahr und bezieht die Batterie, die E-Maschine, die Spannungswandler und die Leistungselektronik noch nicht ein. In der Lkw-Welt strebt Cellcentric Fertigungskosten im niedrigen fünfstelligen Bereich an. Die Anforderungen im Nutzfahrzeug sind etwa fünfmal höher als im Pkw, was Laufleistung (mehr als eine Million Kilometer) und Lebensdauer (25.000 Betriebsstunden) betrifft.

Im Lkw-Business zählen nur nackte Zahlen, nicht zuletzt der Energiepreis und die Wartungskosten. Die Brennstoffzelle muss sich hier nicht nur gegen den Dauerbrenner Dieselmotor durchsetzen, sondern auch gegen den batterieelektrischen Antrieb. Und dieser neue Herausforderer wird in den nächsten Jahren bei der Reichweite stark zulegen. Traton, die Nutzfahrzeuggruppe des VW-Konzerns, fokussiert sich nach eigener Aussage ausschließlich auf E-Trucks und schiebt auch bei der geplanten Megawatt-Ladeinfrastruktur mit an.

Rennen der Technologien

Das Rennen der Technologien ist im Gang, und es verspricht Spannung. Die Lkw mit den Cellcentric-Brennstoffzellen kommen nicht vor 2027; Hyundai ist auf dem europäischen Markt schon präsent, auch Toyota, Iveco, DAF, Hyundai und Nikola arbeiten an Wasserstoff-Lkw. Zulieferer-Riesen wie Bosch und ZF in Deutschland oder Great Wall in China mischen ebenso mit wie der Gas-Hersteller Linde und die Energiekonzerne Shell, OMV und Total.

Asien investiert stark

Um unsere Eingangsfrage zu beantworten: Hat die Brennstoffzelle im Pkw Zukunft? Ja, aber eher in Asien als in Europa. Hersteller aus Japan, Südkorea und China investieren massiv, unterstützt durch ihre jeweiligen Regierungen. Toyota steht, auch dank einer Kooperation mit dem chinesischen Autobauer Haima, unmittelbar vor dem Sprung in die Großserie. Honda bringt 2024 einen Kompakt-SUV auf den Markt, dessen Antrieb gemeinsam mit General Motors entwickelt wurde. Auch in Südkorea wird die Brennstoffzelle geschätzt – Kia und Hyundai wollen 2030 eine halbe Million Wasserstoffautos verkaufen und die Technologie vom Auto ins Flugzeug bringen. In China hat Changan eine große Fertigung aufgezogen.

Joachim Ladra beobachtet die Entwicklung und zieht eine Parallele: "Im Rennen um den batterieelektrischen Antrieb hat Europa noch einiges aufzuholen. Das sollte uns beim Wasserstoff nicht passieren."

Wie arbeitet die Brennstoffzelle?

In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff in einer umgekehrten Elektrolyse mit Sauerstoff aus Luft. Dabei entstehen Strom, Wärme und Wasser. Und was hat das mit den NASA-Astronauten zu tun?

In ihrem Aufbau ähnelt die PEM-Brennstoffzelle im Fahrzeug einer Batterie. Hier wie dort gibt es in jeder Zelle zwei Elektroden. Die Anode wird vom Wasserstoff, die Kathode vom Sauerstoff umströmt. Eine hauchdünne feste Kunststofffolie, die Polymermembran, dient als Elektrolyt und trennt die beiden plattenförmigen Elektroden voneinander. Membran, Anode und Kathode bilden die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA), die nur etwa einen Millimeter stark ist. Weitere Komponenten sind zwei Gasdiffusionslagen und die beiden Bipolarplatten, die die Zellen nach außen abschließen. Sie verbinden sie physisch und elektrisch miteinander, leiten den Wasser- und den Sauerstoff durch kleine Kanäle und übernehmen Kühlungsaufgaben.

Die Brennstoffzelle erzeugt Energie durch eine chemische Reaktion zwischen Anode und Kathode. Wasserstoff und Sauerstoff kommen nicht miteinander in Berührung, sonst gäbe es eine Knallgasreaktion wie im Physikunterricht. Der Wasserstoff reagiert am Katalysator, mit dem die Membran beschichtet ist. Er besteht aus Platinmetallen, was die MEA zum weitaus teuersten Bestandteil der Brennstoffzelle macht. Im Hyundai Nexo sind immerhin 40 Gramm Platin im Einsatz.

Bei der Reaktion werden die Wasserstoffteilchen in je zwei Protonen und Elektronen aufgespaltet; sie alle streben der Kathode zu. Die Elektronen fließen über ein externes Kabel und leisten elektrische Arbeit in der E-Maschine; die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode. Dort reagieren sie und die Elektronen mit dem Sauerstoff zu Wasser. Die Gase, die die Zelle verlassen, nehmen die Wärme mit, die bei der Reaktion entsteht, sie liegt um 100 Grad Celsius.

Wie bei einem Verbrennungsmotor temperiert die Wärme den Innenraum des Autos ohne zusätzlichen Aufwand. Der überschüssige Anteil – der im Sommer sehr hoch ist – muss jedoch aktiv aus dem System abgeführt werden. Neben der Kühlanlage benötigt die Brennstoffzelle Versorgungssysteme für die Umgebungsluft, die von einem Kompressor verdichtet wird, und für den Wasserstoff. Die Zellchemie ist empfindlich, deshalb wird die Luft aufwendig gefiltert und entfeuchtet. Ein Rezirkulationsgebläse leitet den Teil des Wasserstoffs, der bei der Reaktion nicht verbraucht wurde, von Neuem in das Stack ein.

Brennstoffzellen-Fahrzeugantriebe lassen sich leicht skalieren. Jede Einzelzelle hat etwa 300 cm² Fläche; sie kommt auf 0,5 bis 1 Volt Spannung und etwas mehr als 0,2 kW Leistung. Im "Stack" (Stapel) werden einige Hundert von ihnen zusammengepackt; beim Nexo sind es 440 Zellen, die 95 kW abgeben. Ein Stapel wiegt etwa 120 bis 160 kg, vergleichbar einem Verbrennungsmotor.

In der Technikgeschichte ist die Brennstoffzelle ein alter Hut: Ihr Konzept wurde bereits um 1838 entdeckt. In den 1950er-Jahren trieb sie U-Boote an, danach eroberte sie in einer speziellen Ausführung den Weltraum. In den Apollo-Raketen und im Spaceshuttle tranken die Astronauten das Wasser, das sie herstellte. 1959 präsentierte eine Firma aus Milwaukee/USA das erste Brennstoffzellenfahrzeug weltweit, einen Traktor. Er blieb ebenso ein Unikat wie der "Electrovan" von General Motors (1966). Noch älter als die Brennstoffzelle ist übrigens der Wasserstoff-Verbrennungsmotor: Es wurde schon 1807 in Frankreich zum Patent angemeldet.

Das leichteste Gas der Welt

Wie wird Wasserstoff eigentlich hergestellt? Was kostet das, und wie effizient ist es?

Er kommt auch in Erdgas, Erdöl und vielen Mineralien vor – doch der größte Teil des Wasserstoffs ist im Wasser gebunden. Und das ist praktisch unbegrenzt verfügbar: Unser Planet enthält 1,4 Trilliarden Liter davon, eine Zahl mit 20 Nullen. In der Elektrolyse wird das Wasser in Sauer- und Wasserstoff getrennt; dabei wandert der Wasserstoff zum negativ geladenen und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol.

Der Prozess ist aufwendig: Für ein Kilogramm Wasserstoff sind neun Liter Wasser und 40 bis 80 kWh Strom nötig, abhängig vom Elektrolyseur; der Wirkungsgrad liegt um 70 Prozent. Falls Windräder oder Fotovoltaikanlagen die Energie liefern, kostet jedes Kilogramm in der Produktion vier bis sechs Euro – fast dreimal mehr als bei der Produktion von grauem Wasserstoff aus Erdgas. Wenn H2 mit CO₂ reagiert, entsteht Methanol, das Vorprodukt zu den E-Fuels.

Wasserstoff ist das leichteste Gas der Welt. Er wiegt 14-mal weniger als Luft; ein Kubikmeter enthält nur 90 Gramm des Gases. Durch Komprimieren lässt sich die volumetrische Dichte stark erhöhen, was allerdings bis zu 14 Prozent des Heizwerts kostet. Bei 350 bar steigt die Dichte auf 24 kg pro Kubikmeter, bei 700 bar auf 40 kg/m³ – in einem Fahrzeug beansprucht jedes Kilogramm 25 Liter Tankvolumen.

Der aufwendigste Weg ist es, Wasserstoff unter minus 253 Grad Celsius zu verflüssigen – Resultat: 71 kg/m³. Aber auch dann ist die Dichte noch zehn- bis zwölfmal geringer als bei Benzin und Diesel, und vom Heizwert geht ein Viertel weg.