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Wasserstoff-Autos: Technik, Modelle, Tests

Ein weisser Hyundai ix35 wird aufgetank
Unter Hochdruck: Wasserstoff-Autos brauchen besondere Tankstellen ∙ © ADAC/Theo Klein

Brennstoffzellenautos mit Wasserstoff gelten als saubere Alternative zu Pkw mit Verbrennungsmotoren: Lokal sind sie emissionsfrei. Wie funktionieren diese Autos? Und wie sehen die Zukunftschancen der Brennstoffzellentechnologie aus? Die wichtigsten Infos.

  • Derzeit gibt es nur wenige und teure Wasserstoff-Autos auf dem Markt

  • Das Tankstellennetz ist dünn

  • Nur wenn der Wasserstoff mit regenerativer Energie hergestellt wird, sind diese Pkw eine klimafreundliche Alternative  

Wie funktioniert ein Wasserstoffauto? 

Wasserstoffautos oder, korrekt, Brennstoffzellen-Autos, sind im Grunde Elektrofahrzeuge. Der Unterschied zum "normalen" E-Autos: Im Fahrzeug ist eine Brennstoffzelle samt Wasserstofftank verbaut, die den Strom für den Antrieb während der Fahrt erzeugt. Eine kleine Batterie fungiert als Puffer bzw. Zwischenspeicher und deckt Lastspitzen z.B. beim Beschleunigen ab. Zudem nimmt sie Rekuperationsenergie (Bewegungsenergie beim Bremsen) auf und speichert sie.

In der Brennstoffzelle wird elektrischer Strom aus Wasserstoff gewonnen. Das geschieht durch die Umkehrung der Elektrolyse. Wasserstoff und Luftsauerstoff reagieren zu Wasser, dabei entstehen Wärme und elektrische Energie. Letztere treibt den Elektromotor an.

In den Fahrzeugen kommen sogenannte PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran)-Brennstoffzellen zum Einsatz. Ihre Wirkungsweise: Die Membran trennt den Wasserstoff und den Luftsauerstoff, die jeweils Anode bzw. Kathode umspülen, voneinander. Die Membran ist nur für Wasserstoffionen durchlässig. An der Anode trennen sich die Wasserstoffmoleküle in Ionen und Elektronen.

Die Wasserstoffionen wandern durch die PEM zur Kathode und verbinden sich dort mit dem Luftsauerstoff zu Wasser. Die Wasserstoffelektronen aber müssen – weil die PEM für sie eine undurchdringbare Barriere darstellt – den Umweg über eine Leitung von der Anode zur Kathode nehmen: Der so entstehende elektrische Stromfluss lädt die Traktionsbatterie oder treibt den Elektromotor des Fahrzeugs an. 

Welche Wasserstoff-Autos gibt es? 

Die ersten „serienmäßigen“ Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf dem Markt sind der Hyundai Nexo (ab 69.000 Euro) und der Toyota Mirai (ab 78.600 Euro). Von Mercedes gibt es den GLC F-Cell.

Wo lässt sich Wasserstoff tanken? 

Wasserstoff tankt man als stark komprimiertes Gas. Derzeit (Stand Dezember 2019) gibt es in Deutschland ca. 80 Wasserstoff-Tankstellen.

Wie wird der Brennstoff im Auto gespeichert?

Die Speicher von Brennstoffzellenfahrzeugen unterscheiden sich erheblich von denen konventioneller Pkws mit Benzin- oder Dieseltanks. Wasserstoff wird entweder gasförmig unter hohem Druck (350 bar oder 700 bar), oder flüssig bei minus 253 Grad Celsius gespeichert. In diesem Aggregatzustand wird eine sehr hohe Energiedichte erreicht. Hierfür sind superisolierte, doppelwandige Tanks erforderlich.

Zwischen den beiden Hüllen des Tanks befinden sich in einem Vakuum Isolationsmaterialien, die den Tank kalt halten und Abdampfverluste minimieren. Tankstellen lagern Wasserstoff sowohl gasförmig als auch tiefgekühlt.

Sind Wasserstoffautos emissionsfrei?

Das hängt davon ab, wie der Wasserstoff erzeugt wird. Vor dem Gesetz gelten Wasserstoffautos als Zero Emission Vehicle (ZEV): Der elektrochemische Prozess geschieht lokal emissionsfrei, Wärme und Wasserdampf werden freigesetzt, außerdem sehr geringe Mengen NOx. Letzteres liegt daran, dass Umgebungssauerstoff im Prozess verwendet wird – und der ist verunreinigt.  

Berücksichtigt werden müssen aber auch die Emissionen, die bei der Erzeugung des Wasserstoffs anfallen. Dann ergeben sich enorme Unterschiede: Wird Wasserstoff mit Erdgas hergestellt, ist die Bilanz miserabel – kommt der Strom dafür aus Erneuerbaren Energien, sieht es viel besser aus.

Auf der Suche nach langfristigem Ersatz für fossilen Brennstoffe bieten Wasserstoff und Brennstoffzellenautos deshalb sicherlich Chancen. Allerdings nur, wenn die Energie aus regenerativen Energiequellen wie PhotovoltaikWind- und WasserkraftSolarthermieGeo-Thermie und Biomasse stammt.

Was ist Wasserstoff überhaupt?

Wasserstoff hat die chemische Kurzformel H₂ und gilt als das älteste, einfachste und häufigste Element im Universum. Er ist farb- und geruchlos, unter normalen Bedingungen gasförmig und leichter als Luft. Wasserstoff kommt in der Natur nur in gebundener Form vor – zum Beispiel als Bestandteil von Wasser.

Wie gewinnt man ihn?

H₂ lässt sich durch Elektrolyse aus Wasser gewinnen. Nötig sind dafür Gleichstrom und Elektrolyt: Durch ihren Einsatz wird Wasser (H₂O) in seine Bestandteile, also Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. An der Anode (positive Elektrode) entsteht Sauerstoff, an der Kathode (negative Elektrode) entsteht Wasserstoff.

So werden allerdings nur zwei Prozent des weltweiten Wasserstoff-Bedarfs von 600 Milliarden Kubikmeter hergestellt. 98 Prozent werden dagegen aus Kohlenwasserstoffen – etwa Erdgas, Erdöl und Kohle – gewonnen. Rund 40 Prozent davon entstehen als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen, der Erdgas-Synthese und Rohölverarbeitung.

Der wirtschaftlichste Weg der Wasserstoffgewinnung aus diesen fossilen Rohstoffen ist die Dampfreformierung. Dabei wird Erdgas unter Druck gesetzt, erhitzt und mit Wasserdampf vermischt – Wasserstoff wird freigesetzt.

Wozu wird das Element genutzt? 

Wasserstoff hat viele Einsatzfelder. So nutzt ihn die Lebensmittelindustrie, um Margarine zu befeuchten, Kraftstoff wird damit entschwefelt, und auch als Brennstoff wird er genutzt: Etwa, um für rußfreie Flammen zur Herstellung hochwertiger Glasfasern zu sorgen.  

Wie sicher ist ein Brennstoffzellenauto? 

Der ungiftige, unsichtbare und flüchtige Wasserstoff stellt an die Entwickler andere Anforderungen in Punkto Sicherheit als zum Beispiel Benzin: So hat Wasserstoff eine größere Bandbreite an Zündfähigkeit. Mit der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 wurden daher grundlegende Anforderungen an die Typgenehmigung von Fahrzeugen mit Wasserstofftechnologie, an die Typgenehmigung von Wasserstoff führenden Bauteilen und Wasserstoffsystemen sowie an den Einbau solcher Bauteile und Systeme festgelegt. Hierhin werden auch strenge Anforderungen an die Sicherheit dieser Fahrzeuge und Bauteile definiert sowie diverse Prüfungen festgeschrieben (z.B. Druck-, Dichtigkeits-, Berst- und Feuersicherheitsprüfung). Die europäischen Sicherheitsnormen für Crashtests gelten auch für diese Fahrzeuge.

Funktioniert Wasserstoff auch in einem Verbrennungsmotor?

BMW-Ingenieure haben bivalente Otto-Motoren konstruiert, die sowohl Benzin als auch Wasserstoff verbrennen können. Ein so ausgerüsteter 7er-BMW stand sogar mal offiziell in der BMW-Preisliste.

Die Wasserstoff-Verbrennungsmotoren basieren auf dem normalen Serienmotor und zeichnen sich wie diese durch hohen Komfort, Dynamik und Leistungsdichte aus. Sie unterscheiden sich jedoch durch das modifizierte Ansaugsystem, das einerseits eine Direkteinspritzung des Benzins, andererseits eine Einblasung des Wasserstoffs in die Saugrohre ermöglicht.

Ein weiterer Unterschied liegt in der veränderten Verbrennungssteuerung und in der Abgasnachbehandlung. Beim Wasserstoff-Verbrenner entsteht während der Fahrt praktisch nur Wasser und geringe Mengen NOx aus der Verbrennung als Emission. Allerdings hat BMW die Entwicklung eines Wasserstoff-Fahrzeuges mit Verbrennungsmotor 2009 eingestellt.