Wasserstoffautos im Vergleich zu Elektroautos

Wenn man sich momentan in den sozialen Medien umsieht, wird das Wasserstoffauto oft als die Technologie der Zukunft gefeiert, während dem Elektroauto wenig Zukunftspotenzial zugeschrieben wird. Es wird eher als gescheitertes Konzept abgetan. Doch was steckt wirklich dahinter? Was sind die tatsächlichen Fähigkeiten von Wasserstoff? Wo übertrifft ihn die Elektrizität? Und wie positionieren sich E-Fuels in diesem Rennen? In diesem Beitrag streben wir danach, Antworten zu liefern, die sich ausschließlich auf Fakten stützen. Dennoch ist es unbestreitbar, dass dies ein emotional aufgeladenes Sujet ist, handelt es sich doch um das am meisten geschätzte "Kind" der Deutschen.

Wie gestaltet sich die gegenwärtige Situation bei klimaneutralen Fahrzeugen?

Nach Erhebungen des Umweltrats ist der deutsche Verkehrssektor der einzige Bereich, der seine Treibhausgasemissionen seit 1990 nicht nennenswert reduzieren konnte. Während in anderen Sektoren die Emissionen Deutschlands zwischen 1990 und 2019 insgesamt um 35 Prozent gesunken sind, verharrten sie im Verkehrsbereich in diesem Zeitraum nahezu unverändert, mit der Ausnahme des Pandemiejahres 2020. Es ist daher unmissverständlich, dass wir in Bezug auf die Antriebsarten unserer Fahrzeuge zügig Fortschritte erzielen müssen.

Erfreulicherweise verzeichnet die Anzahl der Neuzulassungen von Elektrofahrzeugen einen Anstieg. Laut dem Kraftfahrt-Bundesamt wurden im September 2022 etwa 32 Prozent mehr Elektroautos zugelassen als im Vorjahresmonat. Insgesamt beträgt der Anteil der reinen Elektrofahrzeuge an den Neuzulassungen gegenwärtig etwa 20 Prozent. Viele Menschen sehen jedoch nach wie vor Hürden bei Elektrofahrzeugen und planen derzeit keinen Kauf. Für sie stellt Wasserstoff die primäre Lösung für eine klimaneutrale Fortbewegung dar.

Ungeachtet dessen, ob es sich um Elektrizität, Wasserstoff oder eine andere Antriebsart handelt: Die Mitgliedsstaaten der Europäischen Union haben sich im Sommer 2022 darauf verständigt, die sogenannten Flottengrenzwerte für Automobile bis zum Jahr 2035 auf null zu reduzieren. Diese Grenzwerte schreiben den Fahrzeugherstellern vor, wie viele CO₂ ihre produzierten Fahrzeuge im Betrieb emittieren dürfen. Konkret bedeutet dies, dass ab diesem Zeitpunkt nur noch fabrikneue Fahrzeuge verkauft werden dürfen, die emissionsfrei unterwegs sind.

Sowohl Wasserstoff als auch Strom müssen aus grüner Produktion stammen

Damit Wasserstoff- und Elektrofahrzeuge überhaupt eine Zukunftsperspektive haben, ist es unerlässlich, dass sowohl die Elektrizität als auch der Wasserstoff auf klimaneutrale Weise erzeugt werden. Derzeit ist dies jedoch noch nicht der Fall. Sowohl Strom als auch Wasserstoff werden häufig noch aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas oder Erdöl gewonnen. Bei der Stromerzeugung sind wir allerdings bereits weiter fortgeschritten als bei der Wasserstoffproduktion.

Fast die Hälfte unseres aktuellen Strombedarfs wird aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt. Wasserstoff hingegen wird zu etwa 90 Prozent aus klimaschädlichen und endlichen Ressourcen hergestellt, weltweit ist dieser Anteil sogar noch höher. Wir sind also noch weit davon entfernt, dass Wasserstoffautos tatsächlich umweltfreundlich sind, und selbst bei Elektroautos liegt noch ein langer Weg vor uns.

Funktionsweise von Wasserstoff- und Elektrofahrzeugen

Beginnen wir mit den Wasserstofffahrzeugen: Technisch gesehen handelt es sich hierbei um Fahrzeuge mit Brennstoffzellen. Sie ähneln in ihrer Funktionsweise den Elektroautos und verfügen ebenfalls über eine Batterie. Diese ist jedoch kleiner dimensioniert und dient beispielsweise dazu, Bremsenergie als Puffer zu speichern. Die eigentliche Energie für den Antrieb der Fahrzeuge wird durch die Brennstoffzellen erzeugt, welche den Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln.

Dies geschieht durch die Umkehrung des Elektrolyseprozesses, bei dem Wasser mithilfe von Elektrizität in seine Bestandteile zerlegt wird. Der im Tank gespeicherte Wasserstoff reagiert mit der Umgebungsluft, wobei Wasser, Wärme und elektrische Energie entstehen. Letztere treibt den Elektromotor an. Es existieren jedoch auch Ansätze, bei denen Wasserstoff einen Verbrennungsmotor speist. Der Vorteil dieser Systeme liegt darin, dass keine kostspieligen Lithium-Ionen-Batterien benötigt werden. Auf der diesjährigen IAA in Hannover präsentierte der US-amerikanische LKW-Hersteller Cummins einen Prototyp eines Lastkraftwagens, der mit einem solchen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor ausgestattet war. Die Entwicklung dieser Technik befindet sich somit noch weitgehend in den Anfangsstadien.

Elektrofahrzeuge sind stets mit einer Batterie ausgestattet, in der die für den Antrieb benötigte Elektrizität zwischengespeichert wird. Diese Akkus sind zumeist groß und schwer; der aktuelle Stand der Technik sind Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere Lithium wirft jedoch Bedenken auf, da die Rohstoffversorgung keineswegs gesichert ist und das Element nur begrenzt auf der Erde vorhanden ist. Forscher arbeiten daher intensiv an Alternativen, wie beispielsweise Festkörperbatterien. Ebenso wird intensiv am Recycling von Lithium geforscht. Als Nachteil wird häufig auch die Reichweite der Batterien genannt, da die Fahrzeuge in der Regel geringere Distanzen als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zurücklegen können. Zudem beansprucht das Aufladen der Batterie erhebliche Zeit.

Die Herstellung von Wasserstoff ist äußerst energieaufwendig

Auf den ersten Blick bietet Wasserstoff als Antriebsmedium für Fahrzeuge einige Vorteile gegenüber der Elektrizität. So ist das Betanken schneller abgeschlossen und es sind größere Reichweiten möglich. Allerdings kommt Wasserstoff in der Natur kaum in reiner Form vor, sondern ist üblicherweise in Verbindungen gebunden, beispielsweise in Wasser, Methan oder Erdöl. Die größte Herausforderung besteht daher darin, Wasserstoff in reiner Form zu gewinnen. Dieser Prozess ist außerordentlich energieintensiv. Darüber hinaus sind mehrere Prozessschritte erforderlich, bevor Wasserstoff die Brennstoffzelle eines Autos antreiben kann:

• Der Strom aus erneuerbaren Energiequellen versorgt eine Elektrolyse-Anlage, die Wasser in seine Bestandteile zerlegt.
• Der so gewonnene Wasserstoff muss zur Tankstelle transportiert und dort eingefüllt werden.
• Im Fahrzeug wird der Wasserstoff wiederum in elektrische Energie umgewandelt, welche den Motor antreibt.

Der Gesamtwirkungsgrad von Wasserstofffahrzeugen ist dementsprechend gering. Laut einer Studie der Agora Verkehrswende aus dem Jahr 2018 liegt der Wirkungsgrad eines Elektroautos bei etwa 69 Prozent, während er bei einem Wasserstoffauto lediglich 26 Prozent beträgt. Um ein Wasserstoffauto 100 Kilometer weit zu bewegen, muss somit mehr als die doppelte Energiemenge aufgewendet werden als bei einem Elektroauto.

Betrachtet man die bereits erwähnten E-Fuels, kommt ein zusätzlicher Umwandlungsschritt hinzu, und der Wirkungsgrad sinkt weiter. Nach gegenwärtigem technischem Stand beträgt dieser lediglich 13 Prozent, wenn man die Herstellung des synthetischen Kraftstoffs mit einbezieht. E-Fuels sind im Grunde die uns bereits bekannten Kraftstoffe wie Benzin, Diesel oder Kerosin. Sie werden jedoch nicht aus Erdöl gewonnen, sondern industriell aus erneuerbaren Energiequellen und Wasserstoff synthetisiert.

Die Energiespeicherung als entscheidender Faktor für den Erfolg

Die Speicherung von Energie spielt bei der Entwicklung klimaneutraler Fahrzeuge zweifellos eine zentrale Rolle. Von Fahrzeugen mit Benzin- oder Dieselmotoren sind die Autofahrer eine bestimmte Reichweite gewohnt, auf die sie auch in Zukunft nicht verzichten möchten. Ein weiteres Hindernis stellt die Zeit dar, die für das vollständige Aufladen einer Batterie benötigt wird. Auch hier sind viele Fahrer nicht bereit, längere Wartezeiten in Kauf zu nehmen.

Bei einem Wasserstoffauto müssten sich die Nutzer nicht wesentlich umstellen. Das Betanken erfolgt zügig, und es können ausreichend große Mengen aufgetankt werden, um die gewohnten Distanzen von 600, 700 oder sogar 1.000 Kilometern zurückzulegen. Dem steht jedoch ein Problem gegenüber: Wasserstoff ist von Natur aus gasförmig und besitzt eine geringe Energiedichte. Um ihn für den Einsatz in Fahrzeugen nutzbar zu machen, muss er in flüssiger Form oder stark komprimiert vorliegen. Flüssig wird Wasserstoff bei minus 253 Grad Celsius. Um eine vergleichbare Energiedichte wie Benzin oder Diesel zu erzielen, kann er alternativ mit einem Druck von 700 Bar komprimiert werden. Diese extremen Bedingungen lassen sich jedoch nur mit erheblichem Aufwand und hohem Energieverbrauch realisieren.

Auch Elektrofahrzeuge sind im Bereich der Energiespeicherung noch weit davon entfernt, wirklich zukunftsfähig zu sein. Das bereits erwähnte Problem mit Lithium ist die eine Sache, die mangelnde Reichweite die andere. Hinzu kommt, dass die Batterien nur eine begrenzte Lebensdauer haben und irgendwann entsorgt werden müssen. Was mit all den ausgedienten Batterien geschehen soll, ist bislang noch nicht abschließend geklärt. Es gibt zwar Konzepte und Berechnungen, wie das Recycling funktionieren könnte, jedoch fehlt es noch an der entsprechenden Infrastruktur. Diese muss erst noch aufgebaut werden. Grundsätzlich kann man jedoch davon ausgehen, dass es in Zukunft deutlich leistungsfähigere Akkus geben wird, die möglicherweise auch ohne Lithium auskommen.

Wie umweltfreundlich sind Wasserstoff- und Elektrofahrzeuge im Vergleich?

Die Umweltfreundlichkeit eines Fahrzeugs wird nicht allein während der Fahrt bestimmt. In dieser Hinsicht schneiden Wasserstoff- und Elektrofahrzeuge gleichermaßen gut ab. Während der Fahrt entstehen keinerlei klimaschädliche CO₂-Emissionen, und auch sonstige schädliche Stoffe werden nicht in die Atmosphäre abgegeben. Doch wie sieht die Ökobilanz eines Fahrzeugs über seine gesamte Lebensdauer hinweg aus?

• Welche CO₂-Emissionen fallen bei der Herstellung an?
• Welche CO₂-Emissionen entstehen beim Recycling?
• Welche CO₂-Emissionen sind bei der Produktion von Elektrizität oder Wasserstoff zu verzeichnen?
• Wie gestaltet sich die Emissionsbilanz während des Fahrbetriebs?

Bei Elektrofahrzeugen spielen vor allem zwei Aspekte eine bedeutende Rolle: die Batterien und die Art der Stromgewinnung. Die Herstellung der Batterien ist mit einem hohen CO₂-Ausstoß verbunden. Zudem kommen schwer abbaubare Materialien wie Kobalt und Lithium zum Einsatz. Allerdings können die Akkus am Ende ihres Lebenszyklus recycelt und anderweitig als Energiespeicher wiederverwendet werden. Für die Ökobilanz des Elektrofahrzeugs ist es zudem entscheidend, wie der Strom erzeugt wird. Wir haben bereits darauf hingewiesen, dass in Deutschland etwa die Hälfte des Stroms aus erneuerbaren Energiequellen stammt.

Bei Wasserstofffahrzeugen gelten ähnliche Prinzipien wie bei Elektroautos: Entscheidend ist die Herkunft des Stroms für die Wasserstoffproduktion und die Art der Energiespeicherung. Hier haben Wasserstofffahrzeuge einen Vorteil, da kleinere Batterien ausreichen. Da jedoch über 90 Prozent des Wasserstoffs aus Erdgas oder Erdöl gewonnen wird, ist die Ökobilanz hier deutlich nachteiliger. Die bereits erwähnte geringe Energieeffizienz verschärft diese Situation zusätzlich.

Wie ist die Situation bezüglich Ladestationen?

Diesbezüglich besteht sowohl für Elektro- als auch für Wasserstofffahrzeuge noch Nachholbedarf. Fahrer von Elektrofahrzeugen finden jedoch mittlerweile ein flächendeckendes Netz an Ladestationen in ganz Europa vor. Bei Wasserstofftankstellen sieht die Situation anders aus. In Deutschland gibt es aktuell immerhin rund 100 solcher Stationen, während man im übrigen Europa teilweise erhebliche Distanzen zurücklegen muss, um Wasserstoff tanken zu können. In Frankreich, der Schweiz oder Belgien gibt es jeweils kaum mehr als ein Dutzend Wasserstofftankstellen.

Generell gibt es nur eine geringe Anzahl von Brennstoffzellenfahrzeugen. Serienmäßig hergestellte Wasserstoffautos sind beispielsweise der Hyundai Nexo und der Toyota Mirai. Mercedes hatte den GLC F-Cell im Angebot, hat ihn jedoch inzwischen wieder vom Markt genommen. Hyundai bringt einen ersten Lastkraftwagen mit Brennstoffzellentechnologie auf den Markt - auch in Deutschland. Das Modell mit der Bezeichnung Xcient Fuel Cell ist der erste für den Schwerlastverkehr konzipierte Wasserstoff-Lkw.

Vor- und Nachteile von Elektrizität und Wasserstoff

Abschließend möchten wir eine prägnante Zusammenfassung der Vor- und Nachteile von Wasserstoff- und Elektroautos geben:

• Die Herstellung von Wasserstoff ist energieaufwendig, und sein Einsatz in Fahrzeugen ist wenig effizient.
• Mit Wasserstoff können größere Distanzen zurückgelegt und kleinere, leichtere Akkus verbaut werden (vorteilhaft für den Fernverkehr, aber auch für Schiffe oder Flugzeuge).
• Die Umweltfreundlichkeit von Strom und Wasserstoff hängt von deren Herstellung ab; gegenwärtig ist die Stromproduktion umweltverträglicher, da sie häufiger aus erneuerbaren Energiequellen erfolgt.
• Im städtischen Pendelverkehr sind Elektroautos signifikant effizienter.

Dies war unser faktenbasierter Vergleich zwischen Wasserstoff- und Elektroautos. Er beschreibt den aktuellen Stand der Technik. Die Zukunft könnte noch die eine oder andere Überraschung bereithalten. Möglicherweise sind E-Fuels das Antriebsmittel, mit dem wir alle in 30 bis 40 Jahren unterwegs sein werden, oder aber grüner Strom bzw. grüner Wasserstoff erweisen sich als die einzig wahre Lösung.

Vielleicht können aber auch beide Technologien parallel nebeneinander existieren - ähnlich wie Benzin und Diesel. Für bestimmte Anwendungsbereiche sind Wasserstoffautos besser geeignet, während in anderen Fällen Elektroautos im Vorteil sind. Möglicherweise werden wir in Zukunft aber auch ganz andere Antriebsarten nutzen, an die selbst die klügsten Ingenieure heute noch nicht denken. Eines dürfte jedoch unzweifelhaft sein: Wir werden Erdöl und Erdgas in Zukunft nicht mehr zur Fortbewegung verbrennen.