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Alternative Antriebe

Wasserstoff und die Brennstoffzelle für Autos, Schiffe, Busse, einfach erklärt

von Katharina Mau
etwa 11 Min. Lesedauer

Warum sollten mich Brennstoffzellen interessieren?

Brennstoffzellen gelten als eine der wichtigsten Schlüsseltechnologien im Klimaschutz. Mit ihr könnten LKW, Schiffe oder Züge angetrieben werden. Manche glauben sogar, dass unsere Autos nicht mit Strom fahren werden, sondern mit Wasserstoff, dem „Benzin“ der Brennstoffzelle. Aber: Genau in diesem Punkt gehen die Meinungen weit auseinander.

Bevor wir jetzt in das Für und Wider von Antriebstechnologien einsteigen, eine ganz kurze, aber vielleicht nicht ganz unwichtige Frage: Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Einfach erklärt: Man gibt Wasserstoff und Luft in die Brennstoffzelle, dann reagiert der Wasserstoff zusammen mit dem Sauerstoff zu Wasser und dabei wird Energie freigesetzt – wie bei der Knallgasreaktion im Chemieunterricht. Mit dieser Energie kann ein Auto, ein Schiff oder ein Zug angetrieben werden.

Aber alle reden doch von Elektromobilität. Wo kommt jetzt die Brennstoffzelle plötzlich her?

Sie ist tatsächlich ein Teil der Elektromobilität. Das geht in der Debatte etwas unter. An eine Brennstoffzelle wäre auch ein elektrischer Motor angeschlossen. Wer allgemein von E-Autos spricht, meint meist Batterieelektroautos, zum Beispiel die von Tesla. Hier kommt die Energie direkt aus einer Batterie.

Für Verkehrsminister Andreas Scheuer (CSU) sind Brennstoffzellen wichtig, um die Klimaziele zu erreichen. Gerade für lange Strecken und den Dauerbetrieb zum Beispiel bei Bussen eigne sich die Brennstoffzelle besser als Batterien. Wirtschaftsminister Peter Altmaier (CDU) will Deutschland zum Vorreiter in der Wasserstofftechnologie machen. Er sieht da auch bei Autos Chancen.

Bundesumweltministerin Svenja Schulze (SPD) dagegen will grünen Wasserstoff zunächst nur für die Industrie einsetzen. Sie sagt, es gebe noch lange Zeit nicht genug sogenannten grünen Wasserstoff, also Wasserstoff, der wirklich klimaneutral ist.

Was die Umweltministerin sagt, ist der Knackpunkt in der ganzen Debatte um die Brennstoffzelle. Ohne Wasserstoff, der mit erneuerbarer Energie gewonnen wird, schaden Brennstoffzellen auch dem Klima. Andererseits können Brennstoffzellen in der Industrie, bei Schiffen oder bei LKW sehr sinnvoll sein.

Nehmen wir an, Brennstoffzellen würden sich durchsetzen. Würde das dann genauso wie beim Benziner funktionieren? Mit Tankstellen?

Ein großer Unterschied ist: Wasserstoff ist sehr flüchtig. Sobald er die kleinste Möglichkeit hat zu entweichen, ist er weg. Deshalb müssen die Tanks super dicht sein. Um eine möglichst hohe Energiedichte zu erhalten, ist der Wasserstoff in Tanks mit sehr hohem Druck, in den Brennstoffzellen-Autos beträgt er in der Regel 700 Bar.

So ein Wasserstoff-Tanksystem eines Autos wiegt etwa 125 Kilogramm. Mehr Infos zum Tank und zur Funktionsweise einer Brennstoffzelle gibt es auf der Seite „Zukunft Mobilität“.

Hinweis: Anfangs stand im Text: "Deshalb ist der Wasserstoff in Tanks mit sehr hohem Druck, in den Brennstoffzellen-Autos beträgt er in der Regel 700 Bar." Der Bezug stimmte nicht - Danke an Dieter Danzer für den Hinweis.

Aber ja: Man würde sich den Wasserstoff an einer Tankstelle besorgen. Die Zapfsäulen sehen sehr ähnlich aus wie bei Benzin und Diesel. Momentan existieren allerdings erst etwa 100 Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland. Zum Vergleich: 14.000 Tankstellen für Benzin und Diesel stehen in Deutschland. Auf gut Glück eine Wasserstoff-Tankstelle suchen – keine gute Idee. Das Tanken selbst dauert nicht viel länger als bei Verbrennern, das ist ein Vorteil gegenüber dem Batterieelektroauto. Und Brennstoffzellen-Autos (manche sagen auch einfach „Wasserstoffauto“) wie der Hyundai Nexo erreichen eine reale Reichweite von 540 Kilometern laut ADAC-Test.

Wie viel kostet Wasserstoff an der Tankstelle?

Ein Kilogramm Wasserstoff kostet ungefähr 9,50 Euro. Damit könnte ein Auto circa 100 Kilometer fahren, die Tanks fassen also vier bis fünf Kilogramm. In der Summe vergleichbar mit Verbenner-Motoren.

Und wie gefährlich ist Wasserstoff? Bei den Zeppelins hat das ja auch nicht funktioniert – die sind in Feuer aufgegangen, reihenweise.

Wasserstoff kann explodieren, aber wenn er im Freien aus dem Tank austritt, ist das sehr unwahrscheinlich, weil Wasserstoff viel leichter ist als Luft und schnell wegfliegt. Aber tatsächlich, da Wasserstoff sich leichter entzündet als zum Beispiel Benzin, müssen die Autobauer sehr strenge Sicherheitsvorgaben einhalten. Und die Brennstoffzellen-Autos müssen natürlich die gleichen Crashtests bestehen wie alle anderen Autos, bevor sie in Deutschland zugelassen werden.

Eine Herausforderung sind die verschiedenen Antriebe für die Feuerwehr, weil sie je nach Art des Autos unterschiedlich reagieren muss. Einzelheiten dazu beschreibt dieses Dokument der Landesfeuerwehrschule in Baden-Württemberg.

Du hast vorher angedeutet, dass nicht sicher ist, ob Brennstoffzellen-Autos in großem Stil auf die Straße kommen. Was sind die Nachteile von Brennstoffzellen für Autos?

Um E-Autos mit Batterien anzutreiben, brauchen wir in Summe weniger Energie als für Wasserstoff-Autos.

Denn nehmen wir an, alle Autos in Deutschland würden mit Brennstoffzelle fahren und wir wollten die gesamte Energie dafür erneuerbar und in Deutschland produzieren. Dann müssten wir laut Volker Quaschning, Professor für Regenerative Energiesysteme an der HTW Berlin, für den Autostrom dreimal so viele Windräder und Solaranlagen aufstellen, als wenn alle Autos mit Batterie fahren würden.

Aber die Autos tanken Wasserstoff. Wieso muss ich da den Energieverbrauch anschauen?

Es kommt darauf an, woher der Wasserstoff kommt. Wasserstoff wird in Deutschland zum Beispiel auch aus Erdgas hergestellt (das wäre dann sogenannter grauer Wasserstoff). Wenn aber Brennstoffzellen-Autos wirklich sauber sein sollen, dann ist Erdgas keine Option. Man kann den Wasserstoff auch durch Elektrolyse aus Wasser gewinnen. Man spaltet also Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf, dafür braucht man allerdings viel Strom. Damit das keine CO2-Emissionen verursacht, muss der Strom komplett aus erneuerbaren Energien kommen. Das heißt: Wenn der Strom erst den Umweg über Wasserstoff macht, anstatt direkt ins Auto zu kommen, braucht man deutlich mehr davon.

Immer mal ist auch die Rede vom „blauen Wasserstoff“. Bei diesem Wasserstoff wird das bei der Produktion entstandene CO2 abgespeichert.

Wieso reden wir dann überhaupt über Brennstoffzellen-Autos, wenn man dafür so viel mehr Energie braucht? Ich meine, es ist ja schon jetzt nicht gerade einfach, Plätze für neue Windräder zu finden …

Das haben mich im Vorfeld dieses Artikels einige KR-Leser gefragt.

Es gibt Anwendungsgebiete, in denen viel für die Brennstoffzelle spricht – trotz des höheren Energieverbrauchs. Mit der Brennstoffzelle lassen sich leichter große Reichweiten erreichen. Volker Quaschning schreibt, es sei „sehr wahrscheinlich, dass die Wasserstofflösung vor allem bei Fahrzeugen mit hohen täglichen Fahrleistungen wie LKW, Bussen oder Autos für extreme Vielfahrer zum Einsatz kommt.“ Erst vor Kurzem haben zum Beispiel Daimler und Volvo angekündigt, dass sie zusammen Brennstoffzellenantriebe für LKW entwickeln wollen. Auch bei Zügen kann die Brennstoffzelle sinnvoll sein – Züge, die nicht ans Stromnetz angeschlossen sind, fahren momentan meist mit Diesel.

Doch immer wieder kommt auch das Thema Brennstoffzellen-Auto auf. Nicht alle finden, dass die Brennstoffzellen-Autos sinnlos sind. Erst im vergangenen Juni hat der Astrophysiker und Fernsehmoderator Harald Lesch in einem TerraX-Video dafür geworben, die Brennstoffzelle noch nicht aufzugeben – auch nicht für normale Autos.

Eines seiner Argumente ist eigentlich kein Argument für Brennstoffzellen-Autos, sondern eines gegen batterieelektrische Autos. Oder eher gegen die Idee, dass alle Autos mit Batterie fahren sollten. Lesch stellt sich vor, eine Million E-Autos würden gleichzeitig an die Steckdose gehen und sagt, wir müssten das Netz um ein Vielfaches der heutigen Kapazität ausbauen. Quaschning hingegen sagt in einem Youtube-Video, dass die Netzkapazität kein großes Problem sei.

In diesem Video geht Youtuber Robin TV Blau auf das Video von Harald Lesch ein und kritisiert einzelne Annahmen.

Aber du meintest doch vorhin, für Brennstoffzellen-Autos bräuchten wir viel mehr Strom?

Insgesamt bräuchten wir mehr Strom, aber hier geht es darum, wie viel Strom wir zu jedem Zeitpunkt brauchen. Da wir Strom bisher kaum speichern können, müssten wir im Netz soviel Strom bereithalten, wie benötigt wird, wenn viele Menschen gleichzeitig ihr E-Auto aufladen wollen. Wasserstoff lässt sich dagegen sehr gut speichern. Darüber habe ich mit KR-Mitglied Marek gesprochen. Er beschäftigt sich beruflich mit Gastechnik und sagt: „Für Gas gibt es große Speicher, Hohlräume im Boden, so groß wie der Kölner Dom, mit denen man Wochen und Monate überbrücken könnte.“

Der Unterschied ist also: Wenn ich mein Batterieelektroauto an die Steckdose anschließe, muss genau in diesem Moment der Strom im Netz sein. Wenn ich mit einem Brennstoffzellen-Auto Wasserstoff tanke, würde der Strom schon früher verbraucht und die Energie ist jetzt sozusagen im Wasserstoff gespeichert.

Dieses Paper, an dem KR-Mitglied Marek mitgeschrieben hat, betrachtet Kosten und Nutzen von einem System nur mit Batterieelektroautos, nur mit Brennstoffzellen-Autos oder einer Kombination von beidem.

Aber trotzdem bräuchten wir dann ja erst einmal das Dreifache an Energie, wie du gesagt hast?

Das stimmt. Viele, die sich dafür aussprechen, Brennstoffzellen-Autos weiter im Auge zu behalten, stellen sich eine Mischung vor – sowohl Batterieelektroautos als auch Brennstoffzellen-Autos. Dann würden wir mehr Energie brauchen, aber weniger Speicherkapazität. Und es gibt Überlegungen, den Strom nicht in Deutschland zu produzieren, sondern zum Beispiel in sehr sonnigen Gegenden. Die Bundesregierung plant, in Ländern in Afrika Anlagen aufzubauen, um grünen Strom zu erzeugen und den in Wasserstoff umzuwandeln. Wenn das funktioniert, würden allerdings immer noch verschiedene Branchen um den Wasserstoff konkurrieren. Die Industrie setzt zum Beispiel auch auf Wasserstoff, um grün zu werden, genau wie die Schifffahrt oder der Luftverkehr. In der Anmerkung findest Links zum Weiterlesen zu dieser Idee der Bundesregierung.

Zum Weiterlesen:

  • Bericht: Deutschland baut eine Partnerschaft mit westafrikanischen Staaten zum Import von grünem Wasserstoff auf.
  • Doppelinterview zu grünem Wasserstoff mit Bildungsministerin Anja Karliczek und Robert Schlögl vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion
  • Kritik an der Strategie der Bundesregierung von der Deutschen Umwelthilfe

Will die Regierung Brennstoffzellen-Autos fördern?

Ja, eigentlich wollte die Regierung letztes Jahr eine Wasserstoffstrategie beschließen, bisher gibt es aber keinen Beschluss. In einem Entwurf vom Januar hieß es, die Regierung wolle wasserstoffbasierte Antriebe rund um die Brennstoffzelle unterstützen und das Wasserstoff-Tankstellennetz ausbauen. Brennstoffzellen-Autos gehören auch zu den Autos, deren Kauf die Regierung mit einer Prämie fördert. Der Sachverständigenrat für Umweltfragen riet in einem Sondergutachten von 2017 dazu, den Ausbau der Ladesäulen für Batterieelektroautos stärker voranzutreiben, aber das Wasserstofftankstellennetz soweit auszubauen, dass man die Technologie weiterentwickeln und in der Praxis ausprobieren kann.

Welche Brennstoffzellen-Autos gibt es schon zu kaufen?

Es gibt sie, aber die Auswahl ist sehr klein, und die Autos sind teuer. In Serie produziert werden der Hyundai Nexo (ab 69.000 Euro laut ADAC) und der Toyota Mirai (ab 78.600). Daimler hatte einen Brennstoffzellen-SUV gebaut, den Mercedes GLC F-Cell. Der wurde allerdings nur an öffentliche Personen wie Politiker oder an wichtige Wirtschaftspartner vermietet. Kaufen konnte man den Wagen nicht. Jetzt hat Daimler angekündigt, die Produktion vorläufig einzustellen. Die Begründung: Das Unternehmen gehe nicht davon aus, dass Brennstoffzellen-Autos aktuell und auch mittelfristig am Markt mit den batterieelektrischen Autos mithalten könnten. Bei Autos ist die Technologie tatsächlich eine Nische: Anfang Januar 2020 waren laut Kraftfahrtbundesamt 507 Brennstoffzellenautos in Deutschland zugelassen.

Aber bisher haben wir nur über die Klimafreundlichkeit des Wasserstoffs gesprochen. Welche Autos sind in der Herstellung klimafreundlicher?

Der Think-Tank Agora Verkehrswende hat sich das in einer Studie angesehen. Bei E-Autos mit einer Batteriekapazität von 35 Kilowattstunden erzeugt die Herstellung von beiden Autoarten etwa gleich viel Treibhausgas. Wenn die Reichweite höher sein soll, also zum Beispiel bei einer Batteriekapazität von 60 Kilowattstunden hat das batterieelektrische Auto in der Herstellung eine schlechtere Klimabilanz als das Brennstoffzellenauto.

Die Autor:innen der Studie haben sich auch angesehen, wie die Klimabilanz der Autos inklusive Herstellung wäre, wenn man den aktuellen deutschen Strommix zugrunde legen würde. Sie gehen dabei davon aus, dass der Wasserstoff mit diesem Strom hergestellt werden würde. Nach 150.000 Kilometern würde das Brennstoffzellen-Auto 75 Prozent mehr Treibhausgase verursachen als ein batterielektrisches Auto mit 35 Kilowattstunden Batteriekapazität.

Wenn man die Autos dann fährt, kommt es natürlich ganz darauf an, wie der Strom und der Wasserstoff hergestellt werden.

Gibt es neben Autos auch schon andere Gefährte, die tatsächlich mit Wasserstoff fahren?

Seit über einem Jahr sind in Norddeutschland zwei Brennstoffzellenzüge unterwegs. Sie verbinden die Städte Bremervörde, Cuxhaven, Bremerhaven und Buxtehude. Bis 2021 sollen dort 14 Brennstoffzellenzüge die Dieselzüge ersetzen. Auch zu Brennstoffzellenantrieb bei Schiffen wird geforscht. In einem Pilotprojekt pendelt eine etwa eine Fähre zwischen zwei schottischen Inseln hin und her. Auch an der TU Berlin arbeiten Forscher:innen an einem Schiff, dass per Brennstoffzelle angetrieben wird.

Den Hinweis auf das Projekt der TU Berlin haben wir eingefügt, nachdem uns ein Mitarbeiter auf das Projekt aufmerksam gemacht hat.

Es werden also viele Anwendungsmöglichkeiten getestet und es ist wahrscheinlich, dass die Brennstoffzelle in der Mobilität der Zukunft eine Rolle spielen wird. Bei all dem muss man im Kopf behalten: Dem Klima nützt das erst, wenn wir den Wasserstoff mit 100 Prozent erneuerbarem Strom herstellen.


Vielen Dank an Marek, Jörg, Achim, Christian, Robin, Sören, Dieter, Markus, Oliver, Marcus, Marcus, Christian, Klaus, Karsten, Michael, Martin, Paul, Herbert, Daniel, Arno, Arno, Stefan, Frank, Lisa, Nadja, Pierre, Thomas, Stefan, Ben, Florian, Patrick, Philipp, Frithjof, Christof, Alexander, Adrian, Moritz, Werner, Jörg, Manuel, Thorsten, Andreas, Kai-Uwe, Max, Tobias, Harald, Roland, Simon, Frithjof, Gudrun, Christof, Ulrich, As, Magnus, ElektroRobin und Simon für eure Fragen, Tipps und eure Zeit!

Redaktion: Rico Grimm, Schlussredaktion: Susan Mücke, Bildredaktion: Martin Gommel

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