Das Märchen vom sauberen Wasserstoff-Auto

Bild: Shutterstock


Wasserstoff – wirklich die bessere Alternative zum batteriebetriebenen Elektroauto? Oder E-Fuels – angeblich klimaneutral. Leider ist das alles nicht mehr als ein schönes Märchen.

Geht es um den Antrieb der Zukunft, hört man aus der Politik immer wieder gerne das Wort „Technologieoffenheit“. Doch der Zug ist längst abgefahren. Die Batterie hat gewonnen. E-Fuels – wie gerade wieder von der CDU-Bundestagfraktion ins Gespräch gebracht – und die Brennstoffzelle werden im Pkw-Bereich immer Nische bleiben. 

Im Gespräch mit Verbraucherinnen und Verbrauchern hört man oft die Aussage: „Ich warte auf Wasserstoff – der ist dem Elektroauto weit überlegen“. Aber ist er das wirklich? Die Anhänger des Verbrennungsmotors schwören auf weitere Verbesserungen beim Diesel oder aus Strom gewonnene Kraftstoffe – die sogenannten E-Fuels. Aus dem Wunsch heraus, bald mit sauberem, aus der Sonne gewonnenen Kraftstoff klimaneutral Auto fahren zu können, lassen sich fossile Dinosaurier eben gut verkaufen. Doch die Geschichte vom sauberen Kraftstoff für Autos ist eben leider nur eine Beruhigungstablette.

Zur Klarstellung: Sowohl eine wasserstoffbasierte Energiewirtschaft, als auch aus Strom gewonnene gasförmige und flüssige Kraftstoffe haben ihre Berechtigung und sinnvolle Anwendungen. Nur im Pkw werden wir sie nie in der Masse sehen. 

Aus dem Auspuff kommt ja nur Wasser

Fangen wir beim Wasserstoff an. Die Idee ist verlockend. Im Auto erzeugt eine Brennstoffzelle aus Wasserstoff und dem Sauerstoff der Luft Strom, der einen Elektromotor antreibt. Da Wasserstoff ein Gas ist, lässt es sich vermeintlich einfach lagern, transportieren und tanken. Der Wasserstoff stammt dabei aus überschüssigem Strom für die Elektrolyse, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Erzeugung und Verbrauch sind entkoppelt, aus dem Auspuff kommt nur Wasser. 

Aber da fängt es schon an. Wasserstoff wird heute hauptsächlich aus fossilen Energieträgern gewonnen und zwar per Erdgas-Reformierung. Das Gas stammt etwa in den USA fast ausschließlich aus Fracking. Für die Erzeugung von Wasserstoff aus Ökostrom gibt es erst wenige Versuchsanlagen. Obwohl man inzwischen Wirkungsgrade von 70 Prozent in solchen Anlagen erreicht, gehen alleine schon 30 Prozent der Primärenergie bei der Erzeugung verloren. Das Verfahren kann auch wirtschaftlich nicht mit der Gas-Reformierung mithalten. Wasserstoff ist derzeit also vor allem eins: ein verdeckter Klimakiller. Denn bei der Gas-Reformierung entsteht neben Wasserstoff auch Kohlenstoffmonoxid (CO), das dann in der Atmosphäre zu Kohlenstoffdioxid (CO2) oxidiert.

Wer sich noch an das Periodensystem der Elemente aus dem Chemiesaal in der Schule erinnert, der weiß, dass H – also Wasserstoff – dort ganz oben links steht. Wasserstoff ist das leichteste der Elemente und extrem flüchtig. Das Ionengitter eines Stahlgefäßes ist für das kleine Wasserstoff-Molekül (Wasserstoff tritt in dieser Anwendung nur als H2 auf – also ein Molekül aus zwei Wasserstoff-Atomen) kaum eine Barriere. Erste Wasserstoff-Versuchsautos, wie die Mercedes B-Klasse F-Cell, hatten das Problem, dass sich nach zwei Wochen Standzeit fast der gesamte Wasserstoff aus den Tanks verflüchtigt hatte.

Aufwendige Tanks für den Wasserstoff

Daher sind die Wasserstofftanks sehr aufwendig. In modernen Wasserstoffautos bestehen diese aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Ein Tank für fünf Kilogramm Wasserstoff wiegt 125 Kilogramm. Denn der Tank muss den Wasserstoff nicht nur dauerhaft halten können, sondern auch den Sicherheitsanforderungen für Autos entsprechen. Bei einem Unfall darf er auf keinen Fall bersten. 

Und dieses Problem stellt sich auch beim Transport des Wasserstoffs. Die Aufbereitung für den Transport – also Verdichtung oder gar Verflüssigung – ist ebenfalls sehr energieintensiv. Hier und in der Wasserstofftankstelle gehen nochmals 15 Prozent der Primärenergie verloren. Und dann ist noch kein Auto auch nur einen Meter weit gefahren.

Ist der Wasserstoff dann endlich im Auto, läuft auch die Brennstoffzelle nicht mit 100 Prozent Effizienz. Hier gehen weitere 20 Prozent der Energie verloren, die die Brennstoffzelle als Abwärme an die Umgebung abgibt. Von den 100 Prozent, die aus dem Windrad kamen, bleiben beim Antrieb also nur noch etwa 35 Prozent übrig. Damit ist das Wasserstoff-Fahrzeug zwar deutlich effizienter als ein Verbrenner, aber etwa um den Faktor zwei ineffizienter als ein batterieelektrisches Fahrzeug. Um Wasserstoff für Autos herzustellen, bräuchte es doppelt so viel Strom, wie wenn die Autos den Strom direkt in eine Batterie laden würden.

Die Tankstellentechnik ist komplex und langsam

Der einzige vermeintliche Vorteil der Brennstoffzelle sind die relativ kurzen Betankungszeiten. Wirft man aber einen genauen Blick auf die heutigen Tankstellen, ist auch dieser Vorteil schnell dahin. Denn der gelagerte Wasserstoff muss nach jedem Tankvorgang wieder auf die für Fahrzeuge erforderlichen 700 Bar verdichtet werden. Dieser Vorgang dauert Zeit, so dass nicht nahtlos ein Fahrzeug nach dem anderen betankt werden kann. Eine heutige Wasserstofftankstelle kostet zwischen einer und zwei Millionen Euro und kann Wasserstoff für etwa 50 Vollbetankungen lagern, braucht also permanent Nachschub, was weitere Kosten verursacht.  

Schaut man sich einen Standort mit Schnellladestationen an, so bekommt man für die gleiche Investition eine Anlage, die zehn bis 20 Fahrzeuge parallel ultraschnell laden kann. Der Strom kommt aus dem vorhandenen Leitungsnetz und wird vor Ort eventuell über eine Batterie gepuffert, um Spitzenlasten abzufangen. Zudem lassen sich batterieelektrische Fahrzeuge ohne großen Aufwand an einem normalen Stromanschluss über Nacht oder tagsüber am Arbeitsplatz aufladen. Hier können Sie durch Lastmanagement auch noch dem Netz dienen, indem sie Erzeugungsspitzen abfangen können. Ein Elektrolysateur samt Wasserstofftankstelle in der heimischen Garage ist dagegen unvorstellbar. 

Auch ein Wasserstoffauto ist ein Elektroauto

Der Blick auf die Technik zeigt, dass auch das Wasserstoffauto ein Elektroauto ist. Da eine Brennstoffzelle mit der benötigten Leistung für ein Auto viel zu groß und zu teuer wäre, sind auch in Brennstoffzellen-Fahrzeugen große Batterien verbaut, die den Strom aus der Brennstoffzelle puffern. Beim Mercedes-Benz GLC Fuel Cell lässt sich diese Batterie sogar extern aufladen. So lassen sich kurze Strecken auch ohne Wasserstoff zurücklegen. 

Ein Kilogramm Wasserstoff kostet in Deutschland derzeit 9,50 Euro (ohne Steuer) und reicht für etwa 100 Kilometer. Damit kann der Wasserstoff derzeit – die realen Kosten dürften höher liegen – mit Diesel- oder Benzinern mithalten. Er liegt aber deutlich über den Betriebskosten für ein Elektrofahrzeug, dass sich je nach Fahrzeugtyp mit 13 bis 25 Kilowattstunden pro 100 Kilometern begnügt und damit zwischen 3,90 und 7,50 Euro liegt.

Wartungs- und Unterhaltskosten nicht absehbar

Die Wartungs- und Unterhaltskosten sind derzeit ob der wenigen Fahrzeuge am Markt und auf den Straßen schwer abzuschätzen. Da auch das Wasserstoffauto regenerativ – als kontaktlos bremsen kann – und die Bewegungsenergie wieder in elektrische Energie wandelt, dürfte der Bremsenverschleiß ähnlich gering sein wie bei einem batterieelektrischen Fahrzeug. Die Technik ist jedoch deutlich aufwendiger und komplexer, so dass hier voraussichtlich auch höhere Wartungs- und Unterhaltskosten anfallen dürften. Der große Bedarf an Bauraum für Tanks und Brennstoffzelle schlagen sich natürlich auch in der möglichen Fahrzeuggröße und der Raumnutzung nieder. 

Die Brennstoffzelle ist sehr empfindlich. Daher muss die Luft sehr aufwendig gefiltert werden, um die Brennstoffzelle nicht zu beschädigen. Reine Stuttgarter Stadtluft würde eine Brennstoffzelle sofort zerstören. Diese teuren Filter müssen regelmäßig getauscht werden. 

Unter dem Strich zeigt sich also, dass es die Brennstoffzelle im Pkw mehr als schwer haben wird, sich gegen die batterieelektrischen Autos durchzusetzen. Zumal sich die Batterietechnik deutlich schneller entwickelt, als die Wasserstoff-Technik. Moderne batterieelektrische Autos kommen heute schon an die Reichweiten von Wasserstoff-Autos heran und die Ladezeiten sinken weiter. So wird das Brennstoffzellen-Fahrzeug wohl ewig Nische bleiben und nur für wenige Anwendungsszenarien sinnvoll sein.

Zu Schade zum Verfahren

Dazu kommt, dass wir mit dem Wasserstoff deutlich sinnvollere Dinge machen können, als damit im Auto herumzufahren. Wasserstoff lässt sich bis zu zehn Prozent dem Erdgas zusetzen oder über die Methanisierung – also die Reaktion von Wasserstoff mit Kohlendioxid – zu Methan und Wärme umwandeln. Methan ist nichts anderes als Erdgas und das lässt sich in Kavernenspeichern und im Gasnetz selbst lagern und bei Bedarf in Blockheiz- und Gaskraftwerken oder stationären Brennstoffzellen wieder zu Strom und Wärme umwandeln. So könnten wir mit Wasserstoff aus Strom unseren Importbedarf an Gas aus Russland oder Frackinggas aus den USA senken.

Wasserstoff ist ebenfalls interessant für Mobilitätsanwendungen, bei denen es absehbar noch keine batterieelektrische Lösung gibt. Etwa bei Lkw, Bussen, Fähren und Schiffen. Zwar gibt es auch Wasserstoff-Züge, doch auch hier holt die Batterie deutlich auf. Denn ein Zug braucht deutlich weniger Energie zum Fahren als eine vergleichbare Menge Lkw oder Busse und kann in Bahnhöfen einfach an der Oberleitung laden, bevor er auf nicht elektrifizierten Strecken fährt. 

Saubere Kraftstoffe aus Strom

E-Fuels, Refuels oder Power-to-Liquid bedeutet nichts anderes, als den aus der Elektrolyse gewonnenen Wasserstoff weiter zu Flüssigkraftstoffen zu verarbeiten, die dann einem Verbrennungsmotor antreiben können. Grob gesagt ist es der umgekehrte Prozess der Dampfreduktion – also der Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas. Diese Treibstoffe machen also mit der heutigen Wasserstoffquelle Erdgas überhaupt keinen Sinn. Sie können nur sinnvoll sein, wenn der Wasserstoff aus klimaneutralen Prozessen, etwa der Elektrolyse von Wasser, stammt. Hier sind wir schon beim ersten Problem. Es ist kein Wasserstoff in den nötigen Mengen zu einem konkurrenzfähigen Preis vorhanden. 

Dann können wir gleich mit Kohle fahren

Außerdem benötigt die Herstellung dieser Kraftstoffe große Mengen CO2. Kein Problem, denken jetzt Viele – ist ja eh zu viel davon in der Atmosphäre. Doch CO2 ist nur ein Spurengas. Das heißt, es kommt nur in sehr kleinen Mengen in der Luft vor, was seine fatale Wirkung für den Treibhauseffekt nicht mindert. Konkret reden wir von gut 400 CO2-Molekülen auf eine Million andere Luft-Moleküle oder einen Anteil von 0,04 Prozent. Man müsste also Unmengen an Luft verarbeiten, um an das CO2 ranzukommen. Das CO2 aus den Schornsteinen fossiler Kraftwerke zu gewinnen, ist ziemlich witzlos, denn dann könnten wir direkt die Kohle verflüssigen und damit rumfahren. Das wäre genauso klimaschädlich, aber deutlich effizienter.

Es muss also nicht nur der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Quellen kommen, sondern auch der Strom für die Anlagen, die das CO2 aus der Luft filtern. Da hier der Wasserstoff nur am Anfang einer Prozesskette steht, ist der Wirkungsgrad deutlich schlechter. Am Ende verbrennt der so gewonnene Kraftstoff in einem Otto- oder Dieselmotor mit einer Effizienz von reellen 20 bis 30 Prozent. Von der Quelle bis zum Rad liegt der Wirkungsgrad bei etwa zehn Prozent und damit noch deutlich unter dem eines Brennstoffzellen-Autos. Gegenüber einem batterieelektrischen Auto ist der Wirkungsgrad sieben Mal schlechter. Mit der gleichen Energie, die ein batterieelektrisches Auto für 100 Kilometer benötigt, kommt ein Brennstoffzellen-Fahrzeug 50 Kilometer weit und ein Auto mit E-Fuels gerade noch gut 14 Kilometer. Gegenüber einer rein batterieelektrischen Pkw-Flotte bräuchte es die siebenfache Strommenge. 

E-Fuels als Alternative für Flugzeuge und Schiffe 

Da es bei E-Fuels bisher nur Versuche gibt, ist nur schwer abzuschätzen, was ein Liter industriell hergestellter E-Fuel kosten würde. Erste Prognosen gehen aber von drei bis fünf Euro pro Liter aus (ohne Steuer!). Zwar könnten E-Fuels bestehende Infrastrukturen nutzen, doch noch gibt es keine großtechnischen Anlagen zur Produktion. Ob des hohen Strombedarfs könnte man die Kraftstoffe nur in Ländern mit enormem Potential für erneuerbare Energien herstellen. Wir würden also weiterhin massiv von Importen, etwa aus Ländern der Sahara abhängig bleiben. 

Synthetische Kraftstoffe aus Strom können aber trotzdem ihre Nische finden. So wäre es denkbar, dass sonnenreiche Länder flüssigen Sonnenschein exportieren, der sich relativ leicht lagern und bei Bedarf wieder zu Wärme und Strom verwandeln lässt. Hier werden aber mittelfristig Wasserstoff oder Methan die sinnvollere und vor allem effizientere Methode sein. Interessant könnten die E-Fuels aber für Flugzeuge oder große Schiffe sein. Hier können Sie eine wirkliche Alternative zu den fossilen Kraftstoffen sein.

Beim Wasserstoff-Auto ist immer noch keine Großserie in Sicht. Mit dem Märchen von E-Fuels will man vor allem eins: Zeit schinden, um die alte Verbrennertechnik noch an den Mann und an die Frau zu bekommen. Es wird aber ein ähnlich böses Erwachen geben wie beim vermeintlichen Klimaretter Diesel, wenn die Verbraucherinnen und Verbraucher merken, dass es solche Kraftstoffe nie an der Tankstelle geben wird und ihre teuren Autos mit Verbrennungsmotor ähnlich rapide an Wert verlieren, wie heute Euro 4- und Euro 5-Diesel.

Es wird also kein Weg am batterieelektrischen Auto vorbeiführen. Denn die Technik ist verhältnismäßig einfach, effizient und der Treibstoff unkompliziert erneuerbar herstellbar. Oder anders ausgedrückt: Batteriebetriebene Elektroautos sind gegenüber allen heute bekannten Technologien die am wenigsten schlechte Lösung für Umwelt und Geldbeutel.

Hinweis: In unserer Ökobilanz-Reihe haben wir uns die Produktion von Benzin und Batterien angesehen. Hier geht’s zu Teil 1 und Teil 2.