Hyundai LKW mit Anhänger
Mobilität

Welche Rolle spielt Wasserstoff in der Mobilität der Zukunft?

Klar ist: In Zukunft soll unsere Mobilität CO₂-neutral sein. Noch nicht klar ist, wie wir Benzin und Diesel ersetzen werden. Von Batterien gespeiste Elektromotoren dürften einen Grossteil der künftigen Fahrzeugflotte antreiben. Eine weitere Alternative ist Wasserstoff – doch dieser Energieträger wartet noch immer auf seinen Durchbruch. Gelingt er vielleicht mit dem Wasserstoff-LKW, den Hyundai ab Herbst 2020 in der Schweiz anbietet?

Remo BürgiRemo Bürgi5 min

Wie funktioniert das Wasserstoffauto?

Man nehme Strom und Wasser und wandle das Wasser mithilfe der Elektrolyse in Gas – nämlich Wasserstoff – um. Der Wasserstoff lässt sich sodann unter hohem Druck transportieren und speichern. Schliesslich fülle man den Wasserstoff in ein Fahrzeug mit sehr stabilem Tank. Eine Brennstoffzelle wandelt den Wasserstoff sodann zurück in elektrische Energie und treibt den Elektromotor an, anstelle von Abgasen entsteht nur Wasser. Soweit das – etwas vereinfachte – Rezept für ein Wasserstoffauto. Da fragt man sich: Was ist der Sinn dieser doppelten, mehrfach verlustbehafteten Umwandlung? Ist es nicht sinnvoller, den Strom direkt für den Antrieb eines Elektromotors zu nutzen? Und in der Tat: Batterieelektrische Autos (BEV) haben sich am Markt etabliert, während Wasserstoffautos auf unseren Strassen kaum zu sehen sind. Dennoch spricht einiges dafür, dass der Wasserstoffantrieb ein wichtiger Bestandteil der künftigen Mobilität sein wird.

Vorteile und Nachteile von Wasserstoff

Ein grosser Vorteil des Wasserstoffs ist seine Energiedichte. Im Vergleich zu elektrischen Batterien kann in Wasserstoff bei gleichem Gewicht mehr Energie gespeichert werden. Das ist ein erheblicher Vorteil für Fahrzeuge, denn sie können – ohne schwerer zu werden – eine grössere Reichweite erzielen. Das Wasserstoffauto Toyota Mirai zum Beispiel kann vollgetankt etwa 500 Kilometer weit fahren, und der Tankvorgang dafür dauert lediglich drei bis fünf Minuten. Da kann auch der Supercharger von Tesla nicht mithalten, der mindestens 30 Minuten benötigt.

Der Tankvorgang dauert lediglich drei bis fünf Minuten.

 

Wasserstoff kann umweltfreundlich sein

Wasserstoffautos stossen kein CO2, sondern nur Wasserdampf aus. So weit, so gut. Aber woher kommt der Wasserstoff? Man kann ihn recht effizient aus Erdgas herstellen, wie es auch die Brennstoffzellen-Heizungen machen. Oder man kann ihn aus Wasser und Strom erzeugen, wie oben beschrieben. Für Wasserstoff-Fahrzeuge gilt dabei dasselbe wie für herkömmliche Elektroautos: Sie sind nur dann wirklich umweltschonend, wenn der Treibstoff mit erneuerbaren Energien produziert wurde. Beim Tanken sollte man deshalb prüfen, mit welchem Strommix der Wasserstoff erzeugt wurde.

Wasserstoff kann längerfristig gespeichert werden – das ist ein klarer Vorteil gegenüber der Elektrizität. Aufgrund der günstigen Speichereigenschaften bietet sich Wasserstoff als Partner für Solarenergie und Windkraft an, die in Zukunft einen immer grösseren Anteil an der Energieversorgung haben werden. Der Nachteil dieser neuen erneuerbaren Energien: Sie produzieren unregelmässig, weil sie vom Wetter und von der Jahreszeit abhängig sind. Überschüssiger erneuerbarer Strom kann aber via Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt und damit speicherbar gemacht werden. Der so gewonnene Wasserstoff ist ein erneuerbarer Energieträger, den man zur Wärmegewinnung oder eben für die Mobilität verwenden kann.

Kosten von Wasserstoff-Fahrzeugen

Sowohl die Wasserstofferzeugung und -verdichtung als auch die Fahrzeuge selbst sind noch kostenintensiv. Der Toyota Mirai beispielsweise kostet hierzulande fast 90’000 Franken, auch die zweite Generation des 2014 lancierten Modells wird kaum mit dem Preis trumpfen, sondern mit einer auf 650 Kilometer verlängerten Reichweite und einem gefälligeren Design. Der Hyundai Nexo, ein Wasserstoff-SUV, ist mit rund 70’000 Franken ebenfalls alles andere als preiswert. Gemäss Herstellerangaben kommt er gut 660 Kilometer weit. Die Kosten schlagen sich denn auch auf den Verkaufserfolg nieder: 2019 wurden in der Schweiz gerade mal 9 Mirai und 16 Nexo verkauft. Damit Wasserstoffautos konkurrenzfähig werden, müssen die Preise also noch deutlich sinken.

Wasserstoff-Tankstellen in der Schweiz

Eine weitere Herausforderung für die Verbreitung von Wasserstoff-Fahrzeugen ist das fehlende Tankstellennetz. Lange Zeit existierte in der Schweiz nur eine einzige öffentliche Wasserstofftankstelle, die Coop im aargauischen Hunzenschwil betreibt. An der Empa gibt es zudem am «Future Mobility Demonstrator Move» noch eine Tankstelle zu Forschungszwecken. Das entspricht natürlich nicht der Abdeckung, die Autofahrerinnen und Autofahrer von den fossilen Treibstoffen gewohnt sind. Zum Vergleich: Die ebenfalls noch im Ausbau befindliche Elektroladeinfrastruktur bietet hierzulande bereits mehr als 3000 Ladepunkte.

Das Tankstellennetz auf der Ost-West-Achse zwischen St. Gallen und Genf soll weiter ausgebaut werden.

Immerhin scheint nun Bewegung in die Sache zu kommen: Anfang Juli 2020 eröffnete der Solarpionier Bertrand Piccard in St. Gallen die zweite öffentliche Wasserstoff-Tankstelle. Sie soll ausschliesslich mit grünem Wasserstoff betrieben werden – also mit Wasserstoff, der mit erneuerbarem Strom hergestellt wurde. Zudem soll das Tankstellennetz auf der Ost-West-Achse zwischen St. Gallen und Genf weiter ausgebaut werden. Bis Ende Jahr sollen vier weitere Tankstellen in Betrieb genommen werden, und zwar in Rümlang (ZH), Zofingen (AG), Bern und Crissier (VD).

Wo Wasserstoff-Fahrzeuge sinnvoll sind

Es scheint also voranzugehen mit dem Wasserstoff in der Mobilität. Wo aber könnte der Weg hinführen? In welchen Bereichen ist ein Wasserstofffahrzeug dem mutmasslichen Hauptkonkurrenten Elektromotor überlegen? Wenn man die Effizienz als Kriterium nimmt, ist die Antwort ziemlich klar: Wasserstoff ist chancenlos. Wie die nachfolgende Grafik der Organisation «Transport and Environment» aus dem Jahr 2017 zeigt, hat ein Elektroauto mit Batterie eine markant höhere Energieeffizienz als ein Wasserstoffauto: 73 statt 22 Prozent. Noch ineffizienter sind mit synthetischem Kraftstoff betriebene Fahrzeuge (13 %).

Zwar kann es niemanden überraschen, dass ein direkter Elektroantrieb effizienter ist als der Umweg über Gas – denn jedes Mal, wenn Energie umgewandelt wird, sinkt der Wirkungsgrad. Der Unterschied ist aber derart frappant, dass man sich tatsächlich fragen kann, warum man überhaupt noch etwas anderes als batterieelektrische Antriebe in Betracht zieht.

Die Wasserstoff-LKW von Hyundai

Eine Antwort darauf gibt ein Projekt von Hyundai: Der südkoreanische Hersteller will in der Schweiz bis Ende 2020 fünfzig Wasserstoff-LKW vom Typ «Xcient» in Betrieb nehmen. Die Automobilfirma arbeitet dazu mit Schweizer Interessengruppen zusammen, etwa mit dem Förderverein «H2 Mobilität», in dem grosse einheimische Player wie Coop, Migros und Agrola vertreten sind. Um Speditionsunternehmen den Umstieg auf Wasserstoff-Trucks zu erleichtern und schmackhaft zu machen, werden die LKW nicht verkauft, sondern über ein Pay-per-Use-Modell angeboten. So fällt die teure Anfangsinvestition in die Fahrzeuge weg, die Transportunternehmen bezahlen lediglich eine Mietgebühr für die gefahrenen Kilometer. Bis 2025 sollen 1600 Wasserstoff-LKW von Hyundai in der Schweiz im Einsatz sein.

Wasserstoff gegenüber Elektro im Vorteil

Das Hyundai-Projekt zeigt, wo der Wasserstoff gegenüber dem Elektroantrieb Vorteile hat und deshalb auch sinnvoll sein kann: auf den grossen Distanzen. Zwar gibt es durchaus schon Projekte mit batteriebetriebenen Elektro-LKW in der Schweiz. Die einheimischen Unternehmen E-Force und Futuricum beispielsweise bauen Lastwagen mit herkömmlichem Antrieb in Elektro-LKW um. Und Tesla hat mit dem Semi schon länger einen eigenen Elektro-LKW angekündigt. Doch gewisse Nachteile dürften bleiben: Ein Elektro-LKW steht deutlich länger an der Ladestation als der Wasserstoff-LKW an der Tankstelle. Auch das Gewicht und die hohen Kosten für die Batterien sind wesentliche Nachteile von Elektro-Lastwagen. Deshalb ist es nachvollziehbar, dass grosse Spediteure wie Coop und Migros auf Wasserstoff setzen und sich für den Ausbau der Tankstellen-Infrastruktur engagieren. Zusammen mit dem innovativen Mietmodell von Hyundai könnten Wasserstoff-LKW tatsächlich immer häufiger den Warentransport auf den Schweizer Strassen übernehmen.

Die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt in einem sogenannten Elektrolyseur (vgl. Wikipedia). Elektrolyseure können sehr schnell hochgefahren oder gedrosselt werden. Sie eignen sich darum zur Netzstabilisierung bei einer Über- oder Unterproduktion von Strom. Würden Netzbetreiber diese Dienstleistung entsprechend Berechnungen der Hochschule Luzern in Zusammenarbeit mit dem EU-Forschungsprojekt QualyGrid entschädigen, könnte das die Herstellkosten von Wasserstoff um bis zu 15 Prozent reduzieren.

Wie steht das Wasserstoffauto im Vergleich zu batteriebetriebenen Elektroautos da? Die Ökobilanz hängt in beiden Fällen massgeblich davon ab, woher der verwendete Strom für den Betrieb kommt. Eine Studie der Empa hat 2015 errechnet, dass Elektroautos, die mit EU-Strom fahren, der hauptsächlich aus fossilen Energieträgern gewonnen wird, bis 150’000 Kilometer Laufleistung der Umwelt mehr schadeten als Benziner. Durch die fortschreitende Abschaltung fossiler Kraftwerke und den abnehmenden CO2-Ausstoss der Automobilproduktion sinkt diese Schwelle aber laufend.

Der zweite wesentliche Einflussfaktor ist nämlich die Umweltbelastung bei der Fahrzeugherstellung. Im Betrieb muss diese durch Effizienzvorteile erst wieder amortisiert werden. Auf der Langdistanz gewinnt da heute klar der Batterieantrieb, der vom Strom-Input zirka 70% mehr auf die Strasse bringt. Mehr dazu weiter oben in diesem Beitrag. Bei wenig Laufleistung hat das Wasserstoffmobil bessere Karten, denn es verschlingt bei der Herstellung weniger Ressourcen als ein batteriebetriebenes Elektroauto. – Details zu Letzterem gibt es im Beitrag «Wie stark belastet die Batterieherstellung die Ökobilanz von Elektroautos?».

In Zukunft kann sich das Szenario nochmals ändern. Sobald eine Gesellschaft aus Sonne, Wind und Wasserkraft nicht nur für den aktuellen Bedarf produziert, sondern temporäre Überkapazitäten gespeichert werden sollen, wird das Brennstoffzellenauto konkurrenzfähig.

Weltweit forschen Teams, um die Herstellung von Wasserstoff per Elektrolyse effizienter und günstiger zu machen. Forscher der Nanyang Technological University berichteten gerade über einen erfreulichen Fortschritt: Für die aufwändige Aufspaltung von Wasser haben sie die günstigen Werkstoffe Mangan und Aluminium als vielversprechende Kandidaten für günstigere Katalysatoren eruiert. Bisher werden diese mit teuren Edelmetallen wie Platin oder Palladium hergestellt. Bis zur industriellen Anwendbarkeit braucht es gemäss Assistenzprofessor Jason Xu Zhichuan aber weitere Schritte. So müssten die Membran-Materialien der Elektrolyseure noch verbessert werden, anschliessend gelte es dann, beide Neuerungen zu einem System zu integrieren, das im industriellen Massstab zuverlässig funktionieren kann.

Quellen: Nanyang Technological University, Singapore (Englisch) bzw. Moneycab.com (Deutsch).

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Kommentare

  • Markus Schweigler

    13.08.2020 23:33:18

    hab in die Zukunft investiert und Aktien gekauft ich glaube an Wasserstoff als Treibstoff der Zukunft

  • Pino Pacifico

    31.08.2020 08:11:44

    Interessanter Artikel und Vergleich. Besten Dank hierfür !
    Mich würde interessieren, wie die Ökobilanz hinsichtlich der Erzeugung von Batterien aussieht (vor allem wo und wie der Rohstoff gewonnen wird). Dieser muss ja zuerst zu einem Batteriehersteller transportiert werden, um die Batterien herzustellen. Und dann müssen die Batterien noch zum Verbraucher kommen.
    Denke Wasserstoff kann schlussendlich eine Alternative oder Ergänzung zu reinem Elektroantrieb sein.

  • Energie-Experten

    31.08.2020 09:15:30

    Danke für das Kompliment, Herr Pacifico :)
    Auch zum Thema Ökobilanz von Batterien haben wir einen ausführlichen Artikel, der vertieft die CO2-Bilanz beleuchtet: https://www.energie-experten.ch/de/mobilitaet/detail/wie-stark-belastet-die-batterieherstellung-die-oekobilanz-von-elektroautos.html – auf den anderen Aspekt, den Sie erwähnen, die Rohstoffe, gehen wir in den Kommentaren ein: https://www.energie-experten.ch/de/mobilitaet/detail/wie-stark-belastet-die-batterieherstellung-die-oekobilanz-von-elektroautos.html#comment818
    Dabei ist zu bedenken, dass auch Brennstoffzellen, Wasserstofftanks und die ganze weitere Infrastruktur Rohstoffe benötigen, ebenso wie unser ganzer übriger Konsum.