Wasserstoff-betriebenes Fahrzeug oder reines Elektroauto?

Im Austausch rund um die Elektromobilität wird immer wieder der Wasserstoffantrieb als Alternative in den Diskurs eingebracht. Diese Antriebsform soll die Probleme der Reichweite und der langen Nachladezeiten bei Elektroautos lösen.

Allgemein: Wasserstoff (H2) ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1 im Periodensystem. Es ist das einfachste und am häufigsten vorkommende Element im Universum und es besteht aus einem Proton und einem Elektron. Wasserstoff kann als Brennstoff verwendet werden und ist ein wichtiger Bestandteil vieler organischer Verbindungen. Eingesetzt in der Industrie oder dem Verkehrssektor, wird Wasserstoff als Energiespeicher verwendet. Wasserstoff wird mittels Dialyse aus Wasser mittels hinzuführen von elektrischem Strom, gewonnen.

Bei dem allgemein als Wasserstoffautos bezeichneten Fahrzeugen, wird nochmal unter zwei Antriebsarten unterschieden.

1. Die erste Möglichkeit ist es, den Wasserstoff analog zum Verbrennungsmotor im Viertaktmotor zu verbrennen. Die Kraft wird hierbei wie auch bei einem herkömmlichen Verbrenner über ein Mehrganggetriebe an die Räder übertragen. BMW nutzte diese Technik bei dem Prototyp Hydrogen 7. Dieser besaß einen 6.0 Liter V12 Motor, der 191 kW (260 PS) leistete. Der Wasserstoff wurde in einem acht Liter Tank gespeichert und verhalf dem Hydrogen 7 zu einer Reichweite von etwa 200 km. Bei einem zur Hälfte gefüllten Tank blieben nach einer Standzeit von neun Tagen noch ausreichend Wasserstoff für etwa 60 km.

2. Die zweite Möglichkeit ist die effizientere und weiter verbreitet. Hierbei wird der in einem Tank gespeicherte Wasserstoff in einer Brennstoffzelle zu Strom gewandelt. Als Abfallprodukt entsteht Wasser. Der Strom wird in einen Akku geladen, in der Regel mit einer Kapazität von 1 bis 2 kWh. Dieser Akku versorgt dann einen Elektromotor mit Strom.
In dem folgenden Artikel wird sich auf die zweite Lösung mit der Brennstoffzelle konzentriert, da diese sich gegen die Verbrennung im herkömmlichen Motor aufgrund der höheren Effizienz durchgesetzt hat.

Brennstoffzelle / Wasserstofftank im Individualverkehr im direkten Vergleich:

Aktuell gibt es auf dem deutschen Markt zwei Wasserstoffautos. Den Hyundai Nexo für 77.000 Euro (120 kW / 163 PS) und den Toyota Mirai für 65.000 Euro (134 kW / 182 PS). Im folgenden Artikel werden diese beiden verfügbaren Fahrzeuge als Vergleich herangezogen, da es die einzigen Fahrzeuge aus der Massenproduktion sind, die in Deutschland käuflich zu erwerben sind.
Als Reichweitenangaben aller Fahrzeuge werden die Tests des ADAC zurate gezogen, die praxisnahe Werte ermittelt haben, welche näher an der Realität sind, als die teilweise geschönten Herstellerangaben.

Reichweite

1. Die Reichweite eines Wasserstoffautos ist aktuell im Schnitt höher als die eines reinen Elektroautos. Ein Toyota Mirai fuhr im Praxistest 555 km, der Hyundai Nexo 540 km. Für solche Reichweiten benötigt es unter den elektrobetriebenen Autos Fahrzeuge des Luxussegmentes wie beispielweise den Mercedes EQS (575 km) oder BMW iX 50 (610 km). Ein Mercedes EQE, der zwar gleichviel wie der Toyota Mirai kostet, hat mit 530 km jedoch eine um 25 km geringere Reichweite.

Das rein elektrische Pendant aus dem Hause Hyundai zum Nexo, der Kona Elektro, schafft in der Praxis mit 435 km Reichweite etwa 105 km weniger als das wasserstoffbetriebene Fahrzeug. Kostet allerdings mit 36.000 Euro die Hälfte, hat mit 204 PS ein Leistungsplus von 41 PS und ist 129 kg leichter. (1.760 kg vs. 1.889 kg)

2. Theoretisch ist das Wasserstoffauto, zusätzlich zu der teilweise höheren Reichweite, in 5 Minuten aufgetankt. In der Praxis tankt jedoch nur der Erste an der Tankstelle in 5 Minuten, alle weiteren Fahrzeuge, die direkt danach tanken, benötigen 30 Minuten - da der Kompressor den Druck erst wieder aufbauen muss. Etwa 40 Autos kann man in 24 Stunden betanken, danach muss die Tankstation neu befüllt werden. Zum Vergleich, ein Hyundai Ioniq 5 läd in 5 Minuten 100 km Reichweite nach. Beim Audi E-Tron sind es 110 km nach 10 Minuten und beim Tesla Model Y sind es 270 km nach 15 Minuten . Der Unterschied bei dem direkten Vergleich der Tankzeiten ist, dass das Elektroauto nach dem Einstecken nicht beaufsichtigt werden muss. Beim Tanken von Wasserstoff, wie auch beim Benzin oder Diesel, wird während des Tankvorganges an der Säule gewartet und anschließend an der Kasse bezahlt.

Effizienz

3. Wasserstoffautos verbrauchen im Schnitt 1 - 2 kg Wasserstoff auf 100 km. Zur Herstellung von einem kg Wasserstoff wird 53 kWh Strom benötigt. Und 9 Liter Wasser. Anschließend wird der Wasserstoff mit einem Diesel - LKW zur Tankstelle transportiert. 

Für 100 km Fahrt mit dem Mirai oder Nexo benötigt es 1-2 Kilogramm Wasserstoff. Dazu kommen noch 15 kWh für den Tankvorgang. Die Tanks fassen in der Regel 5 kg. Somit werden 56 - 109 kWh pro 100 km benötigt. Mit selbiger Menge Strom fährt ein Elektroauto je nach Modell 350 bis 700 km.

Quelle: DW, Made for Minds. (21.02.2023, 14:34)

4. Der Wirkungsgrad von der Erzeugung des Wasserstoffs bis zur Bewegung am Rad beim Wasserstoffauto liegt aktuell bei etwa 30%. Zum Vergleich kommt ein Ottomotor auf etwa 35%. Beim Dieselmotor sind es bis zu 43%. 
Das reine Elektroauto kommt inklusive Ladeverlust auf einen Wirkungsgrad von 76%.

5. Beim Tanken können die Zapfstutzen einfrieren, deswegen wird neuerdings geheizt, was wiederum zu einem höheren Strombedarf führt.

Quelle: Volkwagen AG (21.02.2023, 14:23)

6. Ein Wasserstoffauto mit dem Strommix stößt wesentlich mehr CO₂ aus als das Elektroauto, da es mindestens viermal so viel Strom für dieselbe Strecke benötigt. Beim Wasserstoffauto sind es beim aktuellen Strommix (Stand 2021, 420 g pro kWh in Deutschland) etwa 22,26 bis 44,52 kg  CO₂ pro 100 km. Das reine Elektroauto liegt mit 6,3 kg CO₂ pro 100 km um das dreieinhalb bis siebenfache darunter. Nicht mit einberechnet ist hier, dass das Laden von der Solaranlage auf dem Dach einen geringeren CO₂ Ausstoß pro kWh verursacht. Zudem setzen die großen Ladeparkbetreiber wie beispielsweise EnBW, E.ON, Allego oder Ionity auf eine Versorgung mit einem möglichst hohen Anteil an erneuerbaren Energiequellen.

Wirtschaftlichkeit

7. Die Anschaffung eines Wasserstoffautos liegt aktuell bei über 60.000 Euro (65.000 Euro Toyota Mirai, 77.000 Euro Hyundai Nexo). Elektroautos fangen mit dem Dacia Spring bei 23.000 Euro an. Mittelklassefahrzeuge ab ca. 30.000 Euro. Ab einer Investition von etwa 40.000 Euro, erhält der Verbraucher Elektroautos mit über 300 PS Leistung und einer realistischen Reichweite von 400 km.

8. Die Fahrtkosten in der Praxis sind aktuell mit 12 Euro/100 km dreimal so hoch wie beim reinen Elektroauto. Der Unterhalt beider Antriebsarten, der sich primär auf die Betankung und die Steuer bezieht, werden staatlich subventioniert.

9. Wasserstoff wird aktuell zu 95 % aus Erdgas hergestellt. Damit ist Wasserstoff für die Ölnationen wie Saudi-Arabien, Russland und die USA aktuell noch parallel zu Rohöl ein lukratives Geschäft. Daraus bedingt sich ebenfalls eine Abhängigkeit der Verbraucher. Es gibt jedoch erste Projekte, die an einer nachhaltigeren Herstellung mit Wind- und Solarkraft arbeiten. Beispiel: Projekt - Desertec. Die aktuellen Fortschritte bei Desertec (August 2023) mit Blick auf die gesamte genutzte Energie weltweit, sind noch überschaubar.

10. Strom aus erneuerbaren Energien ist aktuell in Deutschland nicht in einem für die Wasserstoffgewinnung notwendigen Maße übrig. Wenn die Hälfte der PKW in Deutschland elektrisch fahren würden, bräuchten wir etwa 7 % mehr Strom. Diese sieben Prozent wurden in den letzten Jahren als Überstrom ins Ausland verkauft oder verschenkt. Dieser Export des Stroms findet nachts statt, da zu dieser Zeit am wenigstens Strom benötigt wird. Dies ist jedoch die Zeit, zu der 95 % der Elektroautos laden. 

Würden die Hälfte der Autos in Deutschland mit Brennstoffzellen-Antrieb fahren, wären 30 - 40 % mehr Strom als aktuell vonnöten. Der Strom hierzu müsste zudem teilweise zu den Stoßzeiten aufgewendet werden.

11. Wasserstoffautos haben zwei Drucktanks mit 700 Bar Druck. Zum Vergleich liegt der Druck bei handelsübliche Gasflaschen, wie sie zum Beispiel zum Schweißen genutzt werden, etwa bei  200 Bar. Behälter mit solch einem hohen Druck, stellen ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar, werden aufwendig hergestellt und können kaum recycelt werden.

12. Druckgastanks erfordern unabdingbare und teure jährliche Wartungen, da Wasserstoff sehr aggressiv ist und alle Metalle korrodiert. Der Tank an sich kann zwar aus Kohlefaser (GFK) gefertigt werden, bei den Anschlüssen kommen jedoch Edelstahlteile zum Einsatz.

13. Wasserstoff diffusiert durch alles hindurch. Hierzu gibt es jedoch aktuell keine klare Datenlage zu den neueren Fahrzeugen. Bei den ersten Wasserstoffautos in den frühen 2000ern war nach einer Standzeit von 10 bis 20 Tagen der Tank komplett leer. Es ist davon auszugehen, dass bei den modernen Tanks deutlich längere Standzeiten möglich sind.

14. Die Lebensdauer der Brennstoffzellen ist aktuell noch ungewiss. Laut Hyundai und Toyota sind etwa 150.000 km realistisch. Zum Vergleich halten die Akkus von Elektroautos etwa 150.000 bis 800.000. Hier geht die Datenlage stark auseinander. Es gibt Akkus, die nach nur 200.000 km schon die Grenze von 70 % unterschreiten und Beispiele, bei denen die Akkus nach einer Laufleistung von 500.000 noch über 90 % der ursprünglichen Kapazität aufwiesen. Beim Branchen-Primus Tesla halten die Akkus im Schnitt bis 200.000 km mindestens 90 % der Kapazität. Liegt die Unterschreitung bei den meisten Herstellern innerhalb von 8 Jahren, wird auf Garantie getauscht. Andernfalls belaufen sich die Kosten für einen Tausch des Akkus aktuell auf etwa 7.000 bis 12.000 Euro.

15. Derzeit ist die Technik des Wasserstoffautos weitaus komplizierter und aufwendiger als beim reinen Elektroauto. Dadurch müssen die Fahrzeuge häufiger zur Inspektion. Denn je komplizierter ein System, desto störungsanfälliger ist es.

16. Bei den zurzeit verwendeten Techniken ist pro Brennstoffzelle 40–70 Gramm Platin nötig. Selbst für ein Drittel aller PKWs weltweit - , LKWs und Schiffe noch nicht mit einberechnet - , würden die Platinvorkommen zum aktuellen Stand nicht ausreichen. Als neuste Alternative zu Platin wird hier Kobalt in Betracht gezogen. Da Kobalt teilweise aus humanitär verwerflichen Quellen stammt, arbeiten die Hersteller der Elektroautos an der Senkung des Kobaltbedarfs, sodass der Kobaltanteil bei den Elektroautos jährlich sinkt. Einige Fahrzeuge auf dem Markt (MG5, MG4, BYD, Tesla Model Y und 3 mit Basis-Akku) kommen bereits gänzlich ohne Kobalt aus.

17. Der Rohstoff Iridium für Elektrolyse innerhalb der Brennstoffzelle ist neben Platin ein seltener und aufwendig zu gewinnender Rohstoff.

18. Die kleineren Akkus der Wasserstoffautos mit einer Kapazität von 1 bis 2 kWh verschleißen schneller, da ein kleiner Akku pro Zelle beim Rekuperieren und Beschleunigen höhere Ströme aufnehmen und abgeben muss.

Infrastruktur

19. Aktuell (März 2023) gibt es 93 Wasserstofftankstellen Tankstellen in Deutschland, im Ausland so gut wie keine. Österreich: 4, Frankreich: 5, Schweiz: 12, Italien: 1. Die Hälfte davon ist leer oder defekt. Dem stehen in Deutschland 30.000 Ladestandorte entgegen. Zudem reicht 95 % der Elektroautofahrer das Laden über die heimische Wallbox, die 16 - 32A CE Dose oder gar das Laden mit nur 3 kW aus, da Autos im Schnitt  zu 96 % Zuhause oder auf der Arbeit stehen. (42,1% der Deutschen wohnen im Eigenheim)

20. Entgegen den Ladesäulen, die theoretisch überall aufgebaut werden können (wie beispielsweise die umgebauten Laternen in England, Norwegen und neulich auch zunehmend in Deutschland) dürfen Wasserstofftankstellen aufgrund der Explosionsgefahr nicht in Wohngebieten oder deren Nähe aufgestellt werden. Zudem erzeugt der Kompressor einen extremen Lärm. Außerdem hat Wasserstoff die Gefahrenstufe 4, deshalb wird es nicht möglich sein, Wasserstofftankstellen in der Nähe von Wohngebieten, geschweige denn in Städten, aufzustellen.

21. Wasserstoffautos müssen immer an Wasserstofftankstellen betankt werden, die massive Mengen an Strom zur Kühlung und zum Druckaufbau benötigen. Dies würde das Stromnetz zusätzlich belasten. Elektroautos laden nur max. 5 - 10 % ihrer Zeit an Schnellladern, zu 90 - 95 % zu Hause, beim Einkaufen oder dem Arbeitgeber. All das ist mit Wasserstoff aktuell (noch) nicht möglich.

22. Eine einzige Wasserstofftankstelle kostet etwa 1,25 Millionen Euro und muss aufwendig gewartet, sowie nach jedem vierzigsten Tankvorgang befüllt werden.
Zum Vergleich kostet ein HPC Schnelllader (350kW) 100.000 Euro, eine normale Schnellladesäule (<50kW) 20.000 Euro. Laden an 230 V Steckdose oder CEE Dose ist über Nacht möglich und meist ausreichend.

23. Häufiger als bisher bei herkömmlichen Tankstellen müssten LKWs die Tankstellen beliefern. Für das Anliefern von Wasserstoff an die benötigten Tankstellen würde man bei der aktuellen Anzahl der PKWs 10x so viele Tanklaster benötigen als derzeit für Benzin und Diesel.

Sonstiges

24. Die ersten Wasserstoffautos wurden Mitte der 90er Jahre in Amerika entwickelt und mit Milliarden gefördert. Hierzu gibt es eine interessante und sehr zu empfehlende Film - Dokumentation namens: "Warum musste das Elektroauto sterben?"

25. Bis heute hat sich die Technik im Bereich der Brennstoffzellen-Technologie  trotz langjähriger Entwicklungen und Milliarden-Förderung bei Mercedes, Audi, Hyundai und Toyota nur minimal verbessert. In derselben Zeit hat sich die Reichweite bei Elektroautos sowie die Energiedichte der Akkus vervierfacht.

26. Zum Recycling der Brennstoffzellen ist aktuell noch keine Tendenz zu erkennen, was an der geringen Menge an zugelassenen Fahrzeugen liegt. Beim Elektroauto werden die ausgedienten Akkus von Elektroautos laut VW und der in Deutschland ansässigen Firma Düsenberg, zu 98 % recycelt. Nach einer Lebensdauer von mindestens 10 Jahren muss jedoch noch kein energieaufwendiges Recycling betrieben werden, da gebrauchte Akkus zurzeit noch viele Jahre als stationärer Energiespeicher (in privaten Haushalten oder zum Ausgleich von Netzschwankungen) genutzt werden. Aufgrund der vorliegenden Daten aus der Praxis geht man aktuell davon aus, dass Akkus vom Typ LiFePO4 (LFP) und Lithium-Ionen noch mindestens 30 Jahre als solche Speicher verwendet werden können, bevor die Kapazität unter 50 % sinkt.

27. Elektroautos können direkt vor Ort den Strom nutzen, vom Dach des Supermarktes, der örtlichen oder privaten Solar- oder Windkraftanlage, eines Ladeparks, oder eigenen Garage etc. Bei Wasserstoff entfällt diese Option gänzlich, es muss immer erst erzeugt, umgefüllt, transportiert, wieder umgefüllt und dabei mehrfach aufwendig komprimiert werden. Dadurch sinkt die Effizienz und Energie geht verloren bzw. wird in Wärme umgewandelt.

28. Die Zulassung von Wasserstoffautos, bedingt durch das Angebot, der Infrastruktur und die Kaufentscheidung der Nutzer, waren bis dato recht gering. Im Jahre 2022 wurden in Deutschland 104.325 reine Elektroautos zugelassen. Dagegen stehen etwa 15.000 Wasserstoffautos - weltweit. Der Absatz der Elektroautos beläuft sich weltweit im Jahre 2022 auf 4,3 Millionen Fahrzeuge. 0,35 %  davon sind Wasserstoffautos. Grund hierfür ist wie zuvor erwähnt zum einen das geringe Angebot, als auch die ungenügende Infrastruktur.

Lebenszeit

Ein wichtiger Aspekt beim Vergleich vom Wasserstoffauto zum Elektroauto ist die Zeit, die mit dem Tanken oder der Fahrt zur Tankstelle benötigt wird. Niemand möchte seine wertvolle, endliche Lebenszeit mit dem Warten an schnöden Ladeparks verbringen. Genau hier kommt der Vorteil in Spiel, dass man ein Elektroauto beim Arbeitgeber oder zu Hause laden kann. Leider ist Deutschland, trotz einer guten Infrastruktur entlang der Autobahnen im Bereich der Ladeinfrastruktur für die breite Masse den Nachbarländern noch weit unterlegen. Wer beispielsweise schonmal Urlaub im schönen Oslo gemacht hat, dem ist aufgefallen, dass das Angebot an Lademöglichkeiten dort deutlich höher ist. Ganze Straßenzüge, Parkplätze oder Parkhäuser sind hier mit etlichen Ladepunkten versehen.

Für Eigenheimbesitzer mit eigenem Hof oder Garage ist die Berechnung der zeitlichen Komponente schnell erledigt. Das Laden vor der eigenen Haustür, im Optimalfall mit Strom mittels Solaranlage vom eigenen Dach, ist ein Luxus, den jeder, der dies tagtäglich nutzt, zu schätzen weiß. Überlegungen, wann und wo man 5 -10 Minuten für das Tanken vor oder nach der Arbeit einplant, existieren nicht mehr. Man steigt jeden morgen in ein „vollgetanktes“ Auto. Diese Möglichkeit entfällt aktuell noch beim Wasserstoffauto.

Doch diejenigen, die diesen Luxus nicht genießen, überlegen sich mit Blick auf die Langstrecke ein Wasserstoffauto anzuschaffen, welches theoretisch in 5 Minuten wieder vollgetankt ist. Diese fünf Minuten muss zwar an der Zapfsäule gewartet werden, mit anschließendem Bezahlen an der Kasse - schneller als das 15 - 30-minütige Laden des Elektroautos ist es jedoch allemal.
Eine pauschale Aussage darüber, welche Antriebsart weniger Zeit im Leben in Anspruch nimmt, kann an dieser Stelle nicht getroffen werden. Hier gilt es für jeden Interessenten individuell folgende Punkte miteinander zu vergleichen, um das Beste für sich herauszuholen:

- Wo befindet sich die nächste Wasserstofftankstelle?
- Wie viel Zeit benötige ich für einen eventuellen Umweg mit Tankvorgang?
- Kann ich beim örtlichen Supermarkt während des Einkaufs laden?
- Besteht die Möglichkeit bei der Arbeitsstelle oder vor meiner eigenen Haustür zu laden? (Steckdose in der Garage / 16 - 32 A CEE Dose vorausgesetzt)
- Wo und wann müsste ich gegebenenfalls einen Schnelllader nutzten?

Die Fahrt in den Urlaub

Ein beliebtes Argument für ein Wasserstoffauto ist die alljährliche Fahrt in den Sommer- oder Winterurlaub. Hier kommt der Vorteil zum Tragen, dass theoretisch nur alle etwa 500 km in fünf Minuten nachgetankt werden muss. Um dieses theoretische Optimum zu erreichen, müsste die Infrastruktur so ausgebaut sein, dass spätestens alle 100 km eine Wasserstofftankstelle zur Verfügung steht. Davon ist Deutschland mit gerade einmal 93 Tankstellen, von denen die Hälfte meinst nicht funktioniert, weit entfernt. Außerhalb von Deutschland gibt es, wie unter Punkt 17 erwähnt, kaum Tankstelen. Mit dem Elektroauto ist mittlerweile eine ausreichende Infrastruktur für die Langstrecke vorhanden. 

Mit langstreckentauglichen Elektroautos ist beispielsweise die 918 km lange Fahrt mit einem Mercedes EQE, der preislich bei der Anschaffung auf dem Niveau des günstigsten Wasserstoffautos liegt, von München nach Rom in etwa 9 h 30 min mit drei Pausen á 25 Minuten erledigt. Mit einem Tesla Model 3 Long Range ist die Strecke in 9 Stunden mit vier Pausen á 10 Minuten zu schaffen.

Fazit

Auf den ersten Blick weist das Wasserstoffauto eine Reihe von Vorteilen auf. Besonders die schnellen Nachladezeiten von theoretisch fünf Minuten und Reichweiten von über 500 km klingen attraktiv. Bezieht man jedoch alle Faktoren mit ein und setz diese in den direkten Vergleich mit einem rein elektrischen Antrieb, wird schnell klar, warum kaum noch Hersteller ernsthaft an der Entwicklung massentauglicher Wasserstoffautos arbeiten. Beziehungsweise die Priorität auf dem rein elektrischen Antrieb liegt. Denn die Vorteile, die vermeintlich für den Wasserstoffantrieb sprechen, sind rein theoretischer Natur und in Deutschland mit der vorliegenden Infrastruktur nicht zu erreichen. Tatsächlich wendet sich das Argument der Zeitersparnis, gerade wenn man sein Elektroauto beim Einkaufen, auf der Arbeit oder im Optimalfall zu Hause laden kann, in der Praxis zugunsten des Elektroautos.

Wissenswertes

- Der CEO und Gründer des Zulieferers von Hochleistungskomponenten RIMAC (Zulieferer von Porsche, Hyundai, Königsegg), Mate Rimac, wurde in Interviews des Öfteren auf die Brennstoffzelle angesprochen. Hier wurde stehts mit der Begründung der unterlegenen Effizienz abgewunken.

- Als der Hersteller Tesla Inc. gegründet wurde, mussten im Jahr 2010 zu Beginn von einigen Risikokapitalanlegern Millionenbeträge eingesammelt werden. Hierzu wurde die zu diesem Zeitpunkt effizienteste Antriebsart vorgestellt. Dabei wurde ebenfalls die Brennstoffzelle in Erwägung gezogen. Diese Überlegungen wurden jedoch, mit Blick auf die Effizienz und Praktikabilität, wieder verworfen.

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Euer Elektroauto-Info Team