Pkw mit Brennstoffzelle: Hyundai Nexo

Mit der Brenn­stoff­zelle Mobi­lität sauber organi­sieren

Autos mit Brennstoffzelle stoßen keine Schadstoffe aus, fahren leise und mit großer Reichweite und lassen sich schnell auftanken. Deren Treibstoff ist Wasserstoff, der mit Ökostrom erzeugt, gespeichert und transportiert werden kann. Wir stellen die Technik vor und welche Autos man heute schon erwerben kann.

Schon heute kann man Autos erwerben, die klimafreundlich sind. Neben mit Akkus ausgestatteten Elektroautos sind das vor allem Fahrzeuge mit Brennstoffzelle. Letztere werden mit Wasserstoff betrieben, ein Gas, das viele Vorteile bei der Umsetzung der Verkehrs- und Energiewende bietet. Die Auswahl an verfügbaren Wasserstoffautos ist zwar aktuell noch überschaubar, aber sowohl technologisch als auch logistisch kann das Brennstoffzellenauto als marktfähig und alltagstauglich angesehen werden. Wir erläutern die Technik und haben außerdem eine Liste mit den aktuell verfügbaren Wasserstoffautos zusammengestellt.

Die Verkehrswende, mit der der Autoverkehr klimafreundlich werden soll, ist über die Ratifizierung des Klimaschutzabkommens von Paris im Klimaschutzplan 2050 festgehalten und damit beschlossene Sache – auch wenn im Plan selbst das Wort ‚Verkehrswende‘ nicht erwähnt wird. Dieser Wandel bedeutet die Abkehr von den konventionellen Antrieben, bei denen durch die Verwendung von Benzin und Diesel fossile Energie verbraucht wird – ein klimaschädliches Verfahren. Nun stehen wir vor der Herausforderung, die Mobilität von Millionen Menschen, die täglich auf ihr Auto angewiesen sind, technologisch neu zu organisieren. Als Alternativen stehen langfristig im Wesentlichen zwei Systeme zur Verfügung, die zwar beide den Elektromotor einsetzen, die aber die dafür benötigte Energie unterschiedlich mitführen.

Elektroautos: Große Akkus, wenig Reichweite

Zum einen geht es um batterieelektrische Fahrzeuge (BEV = Battery Electric Vehicle), deren Energie in großen Akkus transportiert wird. Diese als Elektroautos bekannten Fahrzeuge sind zwar klimafreundlich, haben allerdings technologisch bedingte Grenzen. Ihre Akkus müssen eine gewisse Größe haben und sind daher relativ schwer. Trotzdem verfügen sie nur über begrenzte Kapazität, was sich in einer überschaubaren Reichweite niederschlägt. Aktuell verfügbare Elektroautos, die sich im Bereich der Mittelklasse bewegen, haben kaum mehr als 300 km Reichweite. Zudem dauert das Laden teilweise recht lange. Es besteht allerdings berechtigte Zuversicht, dass diese Herausforderungen durch neue Technologien zum Beispiel durch Festkörper-Akkus mittelfristig beseitigt werden können.

Wasserstoffautos: Elektrisch und mit vielen Vorteilen

Zum anderen wurde in den letzten Jahrzehnten eine Technologie zur Serienreife entwickelt, die Anforderungen wie Reichweite und Ladegeschwindigkeit besser erfüllt: Das Brennstoffzellenauto. In einer fest im Fahrzeug verbauten Brennstoffzelle wird aus Wasserstoff Strom erzeugt, mit dem wiederum ein Elektromotor angetrieben wird. Dieser physikalische Prozess ist absolut klimafreundlich, denn es entsteht keinerlei C02, weil, der Name ist etwas irrtümlich, im eigentlichen Sinne nichts verbrannt wird. Vielmehr wird die Energie des Wasserstoffs unter Zusatz von Sauerstoff in Strom umgewandelt, wobei als Abfallprodukt nur Wasser entsteht. Vorteil dieser Technologie ist die geringe Ladedauer: Wasserstoff kann, wie man es von konventionellen Fahrzeugen kennt, binnen Minuten getankt werden. Allerdings, das muss man auch erwähnen, ist dieser Vorgang technisch anspruchsvoll, denn es muss ein Gas mit hohem Druck in den Gasbehälter gebracht werden. Inzwischen ist der Tankvorgang aber so organisiert, dass er von einem normalen Nutzer ohne Vorkenntnisse oder technisches Spezialwissen durchgeführt werden kann. Wasserstoffautos bestehen also aus einer Brennstoffzelle als Energiewandler, aus Gastanks für den mitgeführten Wasserstoff, aus einem Elektromotor als Antriebseinheit und einem relativ kleinen Akku für die Zwischenspeicherung. Außerdem sind weitere technische Einrichtungen verbaut, um zum Beispiel die Spannung des erzeugten Stroms zu erhöhen.

Damit ist das Wasserstoffauto eine voll funktionsfähige und saubere Alternative zum Auto mit konventionellem Antrieb.

Brennstoffzellenproduktion im industriellen Maßstab

Produktion von Brennstoffzellen bei BOSCH
Produktion von Brennstoffzellen bei Bosch.

Inzwischen ist die Entwicklung der Brennstoffzellentechnik so weit fortgeschritten, dass einige Hersteller Fahrzeuge zur Serienreife gebracht haben. Darauf stellt sich auch die Zulieferindustrie ein. So hat das Stuttgarter Unternehmen Bosch Ende April 2019 mitgeteilt, dass es jetzt in die Serienfertigung von Brennstoffzellen für Lkw und Pkw einsteigt. Verkaufsstart: 2022. Bosch geht davon aus, dass bis 2030 etwa 20% der Elektrofahrzeuge weltweit mit Brennstoffzellen ausgerüstet werden. Wesentlich für die industrielle Fertigung im großen Maßstab ist der Stack, der als Herzstück einer Brennstoffzelle Wasserstoff in elektrische Energie wandelt. Zur Weiterentwicklung und Produktion von Stacks ist Bosch jetzt eine Kooperation mit dem schwedischen Hersteller von Brennstoffzellen-Stacks, Powercell Sweden AB, eingegangen. Die Vereinbarung sieht vor, dass beide Partner den Stack auf Basis der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEM) gemeinsam zur Serienreife weiterentwickeln und Bosch in Lizenz die Technik für den weltweiten Automotive-Markt in Serie fertigt.

Warum überhaupt Wasserstoff?

Neben den geschilderten Vorteilen bei der Nutzung des Fahrzeugs – emissionsfreier Antrieb, schneller Ladevorgang – verfügt Wasserstoff über einen weiteren Pluspunkt: Das Gas kann relativ einfach erzeugt und gespeichert werden. Sogar transportabel ist es, allerdings ist das aufwändiger. Diese Eigenschaften ermöglichen es, dass man in Zukunft überschüssigen Ökostrom benutzt, um die erzeugte Energie in Form von Wasserstoff zu speichern (Power to Gas). Denn es wird immer wieder vorkommen, dass bei günstigen Wetterlagen mehr Strom aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen eingespeist wird, als man in dem Moment verbrauchen kann. Wohin also mit überschüssig erzeugten Strom? Zum einen könnte man über Preisanreize die E-Autofahrer motivieren, genau in dieser Situation ihre Akku-Autos an das Netz anzuschließen, um diesen Strom abzunehmen und zu speichern. Zum anderen könnte man den Strom in Wasserstoff umwandeln, der sich viel einfacher speichern lässt, um ihn dann zu verbrauchen, wenn es notwendig ist. Die Wasserstofftechnologie ist daher ein geeigneter Baustein im komplizierter werdenden Energiesystem.

Wo kann man Wasserstoff tanken und was kostet das?

Aktuell gibt es in Deutschland über 70 Tankstellen, an denen man sich mit Wasserstoff versorgen kann. Der Tankvorgang ist technisch beherrschbar, jedoch unterliegt er großen Sicherheitsanforderungen, denn es wird ein hoher Druck benötigt, um den Wasserstoff zu komprimieren. Das ist notwendig, um die Tankbehälter in einer sinnvollen Größe in die Fahrzeuge zu integrieren. Bis zu 700 bar liegen daher an den Wasserstoff-Zapfhähnen an. Daimler und weitere Unternehmen aus der Industrie haben 2018 ein Joint Venture mit dem Namen H2 Mobility gegründet, um das Netz der Wasserstofftankstellen systematisch auszubauen. Geplant ist, bis 2023 insgesamt 400 solcher Einrichtungen bereit zu stellen, konzentriert auf ausgesuchte Ballungsräume. Aktuell berechnet das Konsortium den Endkunden 9,50 € pro Kilogramm Wasserstoff (inkl. MwSt). In Anbetracht der von den Herstellern veröffentlichten Verbrauchsdaten (siehe unten) kostet die Energie für 100 Kilometer Fahrstrecke also etwa 8 bis 10 €. Das ist nicht entscheidend weniger als ein konventionelles Fahrzeug, aber natürlich zu 100% sauber!

Aktuell in Deutschland erhältliche Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb

Toyota Mirai

Der japanische Hersteller Toyota forscht seit 1992 an Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb. Das Wasserstoffauto Mirai wurde erstmals 2014 vorgestellt, seit 2015 ist es auch in Deutschland erhältlich. Der Elektromotor des Mirai bezieht den Strom aus einer Batterie, die wiederum von einer Brennstoffzelle mit Energie versorgt wird. Der Wasserstoff wird in zwei kohlefaserverstärkten Kunststofftanks mit Druck von 700 bar mitgeführt, die jeweils 2,5 kg Wasserstoff beinhalten.

Toyota Mirai
Toyota Mirai
  • Reichweite: 500 km
  • Elektromotor mit 114 kW/155 PS
  • Tankinhalt: 5 kg
  • Verbrauch Wasserstoff auf 100 km: 0,8 kg
  • Preis: ab 78.000 Euro

Renault Kangoo Z.E. H2

Renault Kangoo
Renault Kangoo

Der Kangoo ist ein Kastenwagen, der seit 2017 mit einem Wasserstoffantrieb angeboten wird. Er ist in zwei Versionen auf dem Markt, die sich in der Kapazität der Wasserstofftanks und dem Druck unterscheiden, mit dem der Wasserstoff gespeichert wird (350 bzw. 700 bar).

  • Reichweite: 270 km
  • Kapazität Lithium-Ionen-Akku: 33 kWh
  • Tankinhalt: 1,8 kg bzw. 2,1 kg
  • Verbrauch Wasserstoff auf 100 km: 0,87 kg
  • Preis: 52.000 bzw. 58.000 Euro

Hyundai Nexo

Der Nexo ist seit Herbst 2018 erhältlich und ersetzt das Vorgängermodell ix35 FCEV, den der südkoreanische Hersteller Hyundai seit 2013 produzierte. Der Nexo gehört in die Klasse der SUV und ist üppig ausgestattet, wie der ADAC bei einem Fahrbericht festgestellt hat.

Hyundai Nexo
Hyundai Nexo
  • Reichweite: ca. 750 km
  • Leistung: 120 kW / 163 PS
  • Tankinhalt: 6,33 kg
  • Verbrauch Wasserstoff auf 100 km: 0,84 kg
  • Preis: ab 69.000 Euro

Mercedes GLC F-CELL

Mercedes GLC F-Cell
Der Mercedes GLC F-CELL*
Die verschiedenen Betriebsstrategien des Wasserstoff-Hybrid Mercedes GLC F-Cell
Mercedes-Benz GLC F-CELL – Kombiniert Brennstoffzellen- und Batterietechnik zu einem Plug-in-Hybrid – Intelligente Betriebsstrategie mit einzigartiger Kombinationsvielfalt

Daimler entwickelt und produziert seit über 30 Jahren Fahrzeuge, die mit einer Brennstoffzelle angetrieben werden. Das erste Testfahrzeug hieß NECAR 1 und wurde 1994 vorgestellt. Dann folgten ab 2009 zwei Versionen der B-Klasse F-Cell, die es sogar in die Vorserienreife schafften, aber inzwischen nicht mehr erhältlich sind. Nun legt Mercedes-Benz mit dem GLC F-CELL etwas ganz neues vor: Ein Wasserstoff-Hybrid. Dabei werden eine Brennstoffzelle und ein Akku-System so kombiniert, dass für jede Fahrsituation die effizienteste Antriebsart zur Verfügung steht. Der Hochvolt-Akku soll zum Beispiel bei Leistungsspitzen, wie sie bei starker Beschleunigung auftreten, den Elektromotor mit dem nötigen Strom versorgen. Andererseits kann die Brennstoffzelle den Akku auch dann aufladen, wenn das Fahrzeug gar nicht bewegt wird. Außerdem rekuperiert der Motor, speist also bei Bremsvorgängen oder Bergab-Fahrten Energie in den Akku zurück. Seit Ende 2018 ist der GLC F-Cell auf deutschen Straßen unterwegs. Erste Exemplare wurden an ausgewählte Kunden ausgeliefert darunter der baden-württembergische Ministerpräsident Kretschmann (GRÜNE).

  • Reichweite kombiniert: 529 km
  • Tankinhalt: 4,4 kg
  • Verbrauch Wasserstoff 100 km: 0,34 kg
  • Verbrauch Strom 100 km: 13,7 kWh
  • Elektromotor: 155 kW
  • Preis: Aktuell nur im Full-Service-Mietmodell für 799 €/Monat für ausgewählte Kunden erhältlich.

Weitere Wasserstoffautos

Honda Clarity FC

Der japanische Hersteller Honda hat seit 1999 mehrere Fahrzeuge mit einem Antrieb durch die Brennstoffzelle vorgestellt. Im Oktober 2015 wurde dann das aktuell produzierte Modell Clarity auf der Tokyo Motor Show präsentiert, das dann im März 2016 auf den Markt kam. Aktuell ist das Fahrzeug nur in Kalifornien und in Japan erhältlich.

Honda Clarity
Honda Clarity
  • Reichweite: 650 km
  • Elektromotor: 130 kW/176 PS
  • Tankinhalt: 5 kg
  • Verbrauch Wasserstoff auf 100 km: 0,7 kg

Links

Pressemitteilung von Bosch zum Einstieg in die Serienfertigung von Brennstoffzellen: www.bosch-presse.de
Ständige aktualisierte Übersichtskarte mit Wasserstofftankstellen: www.h2live.de. Es gibt auch eine entsprechende App für Smartphones.

Fotos

Fotos sämtlich von den jeweiligen Herstellern: Hyundai, Renault, Toyota, Daimler AG, Honda.

*GLC F-CELL (Wasserstoffverbrauch kombiniert: 0,34 kg/100 km, CO2-Emissionen kombiniert: 0 g/km, Stromverbrauch kombiniert: 13,7 kWh/100 km). Angaben zu Kraftstoffverbrauch, Stromverbrauch und CO2-Emissionen sind vorläufig und wurden vom Technischen Dienst für das Zertifizierungsverfahren nach Maßgabe des WLTP-Prüfverfahrens ermittelt und in NEFZ-Werte korreliert.