Auto mit Brennstoffzelle: Hyundai Nexo

Mit der Brenn­stoff­zelle Mobi­lität sauber organi­sieren

Sind Wasserstoffautos eine Alternative zu Elektroautos? Sie stoßen keine Schadstoffe aus, fahren leise und mit großer Reichweite und lassen sich schnell auftanken. Der Treibstoff Wasserstoff kann mit Ökostrom erzeugt, gespeichert und transportiert werden. Wir stellen die Technik vor und welche Autos es aktuell auf dem Markt gibt.

Elektroauto, Wasserstoffauto, Hybridauto – Autos mit alternativen Antrieben sind auf dem Vormarsch. Für 2035 plant die EU ein Verbot für Verbrennermotoren, dann sollen nur noch klimafreundlichere Autos hergestellt werden. Das Ziel ist: Langfristig müssen die Verbrennerautos verschwinden. Auch Wasserstoff gilt als alternativer Antrieb und bietet viele Vorteile bei der Verkehrswende. Die Auswahl an Wasserstoffautos – oder Brennstoffzellenautos – ist bis dato aber überschaubar, da die meisten Hersteller sich erst einmal auf die Umstellung auf Elektroautos konzentrieren und weil die Technologie noch nicht ganz ausgereift ist. Gerade in Sachen Effizienz ist noch sehr viel Luft nach oben, der Wirkunsgrad von Brennstoffzellenautos liegt weit hinter dem von Elektroautos. Wir erläutern die Technik auf Basis der Brennstoffzelle und stellen die aktuell verfügbaren Wasserstoffautos vor.

Wie funktioniert ein Wasserstoffauto?

Neben dem Elektroauto wurde das Wasserstoffauto in den letzten Jahrzehnten bis zur Serienreife entwickelt. Und gerade in Sachen Reichweite und Ladegeschwindigkeit übertrifft es das Elektroauto. Aber wie funktioniert es?

Genau genommen sind Brennstoffzellenautos auch Elektroautos. Der Unterschied liegt in der Brennstoffzelle, die während der Fahrt den Strom erzeugt. Dazu kommt eine Batterie, die als Puffer oder Zwischenspeicher dient und Lastspitzen abdeckt. Sie speichert zudem Rekuperationsenergie, die zum Beispiel beim Bremsen entsteht.

Wie eine Brennstoffzelle funktioniert und wie sie Strom erzeugt, haben wir in einem anderen Artikel umfassend erklärt.

Stammt der getankte Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen, ist dieser physikalische Prozess absolut klimafreundlich, denn es entsteht keinerlei C02. Vielmehr wird die Energie des Wasserstoffs unter Zusatz von Sauerstoff in Strom umgewandelt, wobei als Abfallprodukt nur Wasser entsteht. Damit ist das Wasserstoffauto theoretisch eine voll funktionsfähige und saubere Alternative zum Verbrennerauto.

Worin liegt der Vorteil beim Wasserstoffauto?

Vorteil dieser Technologie ist die geringe Ladedauer: Wasserstoff kann wie bei konventionellen Verbrennerfahrzeugen binnen Minuten getankt werden. Dieser Vorgang ist technisch anspruchsvoll, was den Fahrzeughalter allerdings nicht betrifft. Er tankt an der Ladesäule – fertig.

Darüber hinaus verfügt Wasserstoff über einen weiteren Pluspunkt: Das Gas kann relativ einfach erzeugt und gespeichert werden. Sogar transportabel ist es. Allerdings ist das aufwändig. Erfolgt die Herstellung von Wasserstoff durch Ökostrom, arbeitet die Brennstoffzelle klimaneutral. Insbesondere überschüssiger Strom könnte in Wasserstoff umgewandelt werden. Vorteil: Die Energie, die in dem Moment nicht verbraucht werden kann, muss nicht in aufwändigen Akkusystemen gespeichert werden. Vielmehr könnte sie in Form von Wasserstoff als verflüssigtes Gas vorgehalten werden. Die Wasserstofftechnologie ist also ein geeigneter Baustein im komplizierter werdenden Energiesystem.

Die Brennstoffzellenproduktion im industriellen Maßstab

Produktion von Brennstoffzellen bei BOSCH
Produktion von Brennstoffzellen bei Bosch.

Die Entwicklung der Brennstoffzellentechnik ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass einige Hersteller Fahrzeuge zur Serienreife gebracht haben. Darauf stellt sich auch die Zulieferindustrie ein. So beliefert das Stuttgarter Unternehmen Bosch Hersteller in den USA und China, die Brennstoffzellen im Schwerlastverkehr einsetzen. Gerade für LKW sieht Bosch die Brennstoffzelle vor dem Elektroantrieb, da dieses System über eine größere Reichweite verfügt und viel weniger Gewicht mitbringt. Das Thema haben wir bereits in einem anderen Artikel ausführlich erläutert.

Wesentlich für die industrielle Fertigung im großen Maßstab ist der Stack, das Herzstück einer Brennstoffzelle, das Wasserstoff in elektrische Energie umwandelt. Bisher läuft die Produktion der Stacks noch wenig automatisiert und ist darum mit hohen Kosten verbunden. Mittlerweile arbeiten neben Bosch aber viele andere Unternehmen weltweit an der industriellen Massenfertigung der Stacks.

  • Das Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie in Aachen entwickelt eine Pilotlinie, in der Brennstoffzelenkomponenten gefertigt und zusammengefügt werden. 
  • Das Projekt AutoStack Industrie ASI ist eine gemeinsame Initiative der deutschen Automobil- und Zulieferindustrie mit dem Ziel die Stack-Technologie voranzutreiben und alle relevanten Aspekte des Komponenten- und Stack-Designs in der für die Massenfertigung benötigten Prozess- und Verfahrensentwicklung abzudecken
  • Das asiatische unternehmen Horizon stellt schon seit vielen Jahren Stacks her und hat nun in den USA seine eigene Wasserstoff-Lkw Herstellung in Betrieb genommen. Ziel ist es, die Wasserstoffmobilität schneller voranzutreiben.
  • Das kanadische Unternehmen Ballard Power spielt schon seit gut 20 Jahren eine Rolle in Sachen Brennstoffzellentechnologie, das Brennstoffzellen-Stacks auch andere Subsysteme zur Energieumwandlung entwickelt.
  • Seit Ende der 19990er Jahre entwickelte Plug Power in den USA Brennstoffzellen für die Autobranche, beliefert Kunden mit Wasserstoff und konstruiert Anlage zur Speicherung von Wasserstoff sowie Wasserstoffzapfanlagen.

Der Schlüssel zu einem Markterfolg der Wasserstoffautos liegt in der Industrialisierung der Brennstoffzellen-Produktion. Die bisherige Produktion verläuft meist noch manuell, Zeiten von 15 Minuten pro Stack sind noch normal. Ziel ist die Stackproduktion im Minutentackt.

Wo kann man Wasserstoff tanken und was kostet das?

Theoretisch ist es im Alltag viel einfacher, ein Wasserstoffauto zu tanken, als ein E-Auto. Denn der Tankvorgang unterscheidet sich nicht vom Tankvorgang eines Verbrenner- oder Erdgasautos und dauert nur wenige Minuten. Und tatsächlich ließe sich Wasserstoff auch an den bisherigen Tankstellen installieren. Aber: Auch die Kosten weichen kaum von denen eines Verbrennerautos ab, pro 100 km Reichweite zahlt man ca. 9,50 €. Zum Vergleich: 100 km Reichweite kosten bei einem Elektroauto durchschnittlich etwa 4,50 €, variieren aber je nach Anbieter. https://www.energieheld.de/mobilitaet/elektroauto/kosten/aufladung-verbrauch-100-kilometer

Pkws speichern Wasserstoff bei 700 bar, Nutzfahrzeuge bei 350 bar. Aktuell gibt es in Deutschland etwa 90 700 bar-Wasserstofftankstellen, bisher aber nur sehr wenige 350 bar-Tankstellen. Im Verhältnis dazu: Die Anzahl der Ladestationen für Elektroautos liegt bei über 25.500. Konventionelle Tankstellen gibt es immer weniger, die Zahlen sind seit Ende der 1969 Jahre rückläufig und lagen 2020 bei knapp 14.000. Hier muss aber bedacht werden, dass die meisten Tankstellen über mehrere Ladesäulen verfügen, also mehrere Fahrzeuge gleichzeitig abfertigen können. Heißt: Die Infrastruktur für Wasserstofftankstellen – sowohl für Pkw als auch für Nutzfahrzeuge – liegt weit hinter der von Elektroladestationen bzw. konventionellen Tankstellen. Das 2018 gegründete Joint Venture H2 Mobility arbeitet seit drei Jahren am Ausbau von Wasserstofftankstellen und konnte die Anzahl seither beachtlich steigern. Trotzdem ist hier noch viel Luft nach oben. Und der Ausbau von Ladestationen für Elektroautos hat aktuell einfach Priorität, denn hier liegt der klare Fokus der Autohersteller.

Welche Wasserstoffautos gibt es bisher?

Es gibt aktuell nur zwei PKW-Modelle auf dem Markt, die mit Brennstoffzelle betrieben werden. Neben Hyundai und Toyota plant aber auch BMW mit dem ix5 Hydrogen sein erstes Wasserstoffauto.

Toyota Mirai II

Der japanische Hersteller Toyota forscht seit 1992 an Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb. Das Wasserstoffauto Mirai II ist der Nachfolger des Toyota Mirai, der 2014 vorgestellt wurde. Seit 2021 läuft die serienmäßige Produktion des Mirai II, zwischen März und September wurden in Deutschland 222 Fahrzeuge zugelassen. Damit übersteigt das neue Modell den Vorgänger um ein Vielfaches. Zwischen 2015 und 2019 brachte der Mirai es deutschlandweit auf 207 Zulassungen. Für den Mirai II plant der Hersteller eine Produktion von 30.000 Stück pro Jahr.

Der Elektromotor des Mirai II bezieht den Strom aus einer Batterie, die wiederum von einer Brennstoffzelle mit Energie versorgt wird. Der Wasserstoff wird in drei kohlefaserverstärkten Kunststofftanks mit Druck von 700 bar mitgeführt, die jeweils 2,5 kg Wasserstoff beinhalten.

  • Reichweite: 650 km
  • Elektromotor mit 184 PS
  • Tankinhalt: 5,6 kg
  • Verbrauch Wasserstoff auf 100 km: 0,76 kg
  • Preis: ab 63.900 Euro
Wasserstofffahrzeug von Toyota
Toyota Mirai II

Hyundai Nexo

Der Nexo ist seit Herbst 2018 erhältlich und ersetzt das Vorgängermodell ix35 FCEV, den der südkoreanische Hersteller Hyundai seit 2013 produzierte. Seit seinem Verkaufsstart in Deutschland wurden 488 Exemplare zugelassen. Bis 2030 will der Hersteller die Produktion von bisher 13.000 auf 500.000 steigern. Um das zu sichern, investiert Hyundai in drei Zulieferer, die die Technologie vorantreiben wollen und errichtet aktuell sein eigenes Brennstoffzellen-Werk im chinesischen Guangzhou.

Der Nexo gehört in die Klasse der SUV und ist üppig ausgestattet, wie der ADAC bei einem Fahrbericht festgestellt hat.

  • Reichweite: ca. 756 km
  • Leistung: 120 kW / 163 PS
  • Tankinhalt: 6,33 kg
  • Verbrauch Wasserstoff auf 100 km: 0,84 kg
  • Preis: ab 77.008 Euro
Pkw Hyundai Nexo mit Brennstoffzelle sowie Akku, die aus Wasserstoff Strom für den Antrieb des Elektromotors erzeugt.
Hyundai Nexo

BMW iX5 Hydrogen

Nach dem Vorstellung des Prototyps präsentierte BMW auf der iAA Mobility 2021 in München den iX5 Hydrogen. Das Modell befindet sich noch in der Serienentwicklung und soll 2022 in Produktion für Demonstrations- und Erprobungsserien starten. Der iX5 Hydrogen kombiniert Brennstoffzellen-Technologien mit dem eDrive-Antrieb der neuesten Generation und bringt es damit auf eine Leistung von 125 kW / 170 PS. Genaue Daten zum Start in Serienproduktion oder Produktionszahlen gibt es bis dato nicht.

Wasserstofffahrzeug von BMW
BMW iX5 Hydrogen

Alle anderen Wasserstoffautos wurden wieder eingestellt. Sowohl Mercedes Benz als auch Honda und der französische Hersteller Renault hatten Modelle auf dem Markt, die im Laufe der letzte Jahre jedoch aus dem Handel genommen wurden. Die meisten Hersteller konzentrieren sich im Zusammenhang mit Brennstoffzellenbetriebenen Autos vor allem auf Nutzfahrzeuge und Schwerlastverkehr.

Fazit

Die Abkehr von den konventionellen Antrieben bringt viele Herausforderungen mit sich. Millionen Menschen, die täglich auf ihr Auto angewiesen sind, müssen sich technologisch neu orientieren und organisieren. Beim Blick auf die Straßen bestätigt sich der Trend zur alternativen Mobilität. Der Umstieg soll so leicht wie möglich fallen und auch den Geldbeutel nicht zu sehr belasten. Förderprogramme, Abwrackprämie – wer sich ein neues, umweltfreundliches Auto zulegen will, der bekommt Unterstützung.

Wasserstoffautos bleiben bisher ein Nischenprodukt, auch wenn die Absatzzahlen 2020 und 2021 deutlich angestiegen sind. Natürlich haben Elektroautos auch technologisch bedingte Grenzen, doch wenn es um ihre Effizient geht, fahren sie den Wasserstoffautos einfach davon. Elektroautos haben – je nach Modell – einen Wirkungsgrad von bis zu 90 Prozent. Der neue Toyota Mirai II kommt laut ADAC auf einen Wirkungsgrad von 65 Prozent, das Vorgängermodell kam auf gerade mal 45 Prozent. 

Elektroautos behalten also ihre Vorreiterrolle als klimafreundliche Alternative zum Verbrennerauto, zumindest im Bereich Pkw. Brennstoffzellenautos sind vor allem für den Schwerlastverkehr interessant. 

Fotos

Fotos sämtlich von den jeweiligen Herstellern: Hyundai, Toyota, BMW.

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