Brennstoffzellenfahrzeug: Funktionalität & Potenzial

Ist das Brennstoffzellenfahrzeug der Schlüssel zur Mobilitätswende?

Batterieelektrische Fahrzeuge musst du zeitaufwändig aufladen. Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist schnell mit Wasserstoff vollgetankt. Ist das die Lösung für die Mobilitätswende?

Inhalt des Blogartikels

• Wie funktioniert ein Brennstoffzellenfahrzeug?
• Welchen Kraftstoff benötigt der Wagen?
• Wie betanke ich ein Brennstoffzellenfahrzeug?
• Wie umweltfreundlich ist ein Brennstoffzellenfahrzeug?
• Wie hoch ist die Reichweite?
• Wie viel kosten Brennstoffzellenfahrzeuge?
• Wie gut sind die Infrastruktur und Modellauswahl?
• Gibt es auch Wasserstoffautos ohne Brennstoffzelle?
• Vor- und Nachteile von Brennstoffzellenfahrzeugen
• Ausblick: Dieses Potenzial haben Brennstoffzellenautos

Wie funktioniert ein Brennstoffzellenfahrzeug?

Brennstoffzellenfahrzeuge oder FCEV (engl.: Fuel Cell Electric Vehicle) zählen zu den emissionsfrei betriebenen Elektroautos. Im Unterschied zu batterieelektrischen Fahrzeugen wird der Strom für den Elektroantrieb direkt durch die Brennstoffzelle erzeugt.

Diese wendet hierfür das umgekehrte Prinzip der bekannten Elektrolyse an. Dabei reagiert Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft, was im Ergebnis reines Wasser erzeugt. Als Nebenprodukte entstehen bei diesem Prozess in der Brennstoffzelle sowohl Wärme als auch elektrische Energie. Der Strom versorgt dann entweder direkt den Elektroantrieb oder wird in einer Pufferbatterie zwischengespeichert. Die Brennstoffzelle selbst ist also kein Energiespeicher, sondern ein Energieerzeuger.

Welchen Kraftstoff benötigt der Wagen?

Für gewöhnlich kommt bei Brennstoffzellenfahrzeugen Wasserstoff zum Einsatz. Technisch gibt es jedoch auch andere Möglichkeiten, zum Beispiel die Verwendung von flüssigem Methanol. Neben dem eigentlichen Brennstoff brauchst du auch ein Oxidationsmittel, das in Form von Luftsauerstoff zur Verfügung steht. Den Wasserstoff führst du im Brennstoffzellenfahrzeug in einem Tank mit.

Wie betanke ich ein Brennstoffzellenfahrzeug?

Die meisten Systeme verwenden Tankkupplungen, die herkömmlichen Zapfpistolen ähneln. Diese setzt du auf den fahrzeugseitigen Tankstutzen auf und verschließt sie mit einem Hebel gas-, kälte- und druckdicht. Die Betankung erfolgt je nach System mit einem Druck zwischen 350 und 700 bar. Der eigentliche Tankvorgang wird automatisch gesteuert und ist nach wenigen Minuten abgeschlossen.

Die Sicherheit beim Betanken des Brennstoffzellenautos kannst du mit der anderer Verbrenner vergleichen. Der Hauptunterschied liegt im Wasserstofftank, der allerdings mit entsprechenden Sicherheitsreserven für den Druck ausgestattet ist. Die Brandgefahr ist zu vernachlässigen, da sich im Tank kein Sauerstoff befindet und der Wasserstoff nicht ohne Weiteres brennt. Bei Undichtigkeiten verflüchtigt sich eventuell austretender Wasserstoff in der Regel problemlos.

Ein großes Plus ist die Umweltfreundlichkeit von Wasserstoff: Er verbrennt nicht nur völlig emissionsfrei, sondern stellt selbst bei einem Treibstoffleck keine Quelle von Umweltverschmutzung dar.

Wie umweltfreundlich ist ein Brennstoffzellenfahrzeug?

Wie batterieelektrische Fahrzeuge auch, arbeitet ein Brennstoffzellenauto ohne den Ausstoß von schädlichen Emissionen. Es wird auch kein CO₂ erzeugt, da aus dem Auspuff lediglich reines Wasser austritt.

Beim Elektroantrieb hängt die Umweltbilanz davon ab, wie der Strom für das Fahrzeug erzeugt wurde. Wenn er aus Ökostrom stammt, ist alles in Ordnung. Erfolgt die Energieerzeugung im Kohlekraftwerk, ist diese Antriebsart nur bedingt umweltfreundlich. Ganz ähnlich verhält es sich mit dem Wasserstoffantrieb. Denn der zumeist künstlich erzeugte Wasserstoff wird mit relativ hohem Energieaufwand aus Strom erzeugt. Handelt es sich um Wasserstoff aus grüner Herstellung, wurde er mit erneuerbaren Energien produziert. Andernfalls fällt die Umweltbilanz entsprechend schlechter aus.

Ein Problem für den Betrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen liegt sowohl im mangelnden Angebot an grün erzeugtem Wasserstoff als auch in der noch fehlenden Infrastruktur, für die ein flächendeckendes Netz an Wasserstofftankstellen erforderlich ist. 

Wie hoch ist die Reichweite?

In Sachen Reichweite schneidet ein Brennstoffzellenfahrzeug derzeit schlechter ab als vergleichbare Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Im Gegensatz zu Elektrofahrzeugen kannst du ein Wasserstoffauto aber innerhalb weniger Minuten auftanken. Dabei gilt: Tanks mit höherem Druck können auch mehr Wasserstoff speichern. Je nach Fahrzeug und verwendetem System kommst du mit einer Tankfüllung zwischen 500 und 600 Kilometer weit.

Wie viel kosten Brennstoffzellenfahrzeuge?

Für ein Brennstoffzellenfahrzeug zahlst du aktuell relativ hohe Energie- und Anschaffungskosten:

Laufende Energiekosten

Wasserstoff ist beim Tanken noch vergleichsweise teuer. Die Kosten liegen in etwa doppelt so hoch wie bei einem Dieselfahrzeug und um ca. 40 Prozent über den Kosten eines Benziners. Das kann sich aber aufgrund von Schwankungen beim Ölpreis relativ schnell ändern. Die Energiekosten für Brennstoffzellenautos sehen im Vergleich zu Benzin- und Dieselautos laut der Deutschen Energie-Agentur (dena) wie folgt aus:

Anschaffungskosten für den Brennstoffzellenantrieb

Aufgrund der niedrigen Stückzahlen und der hohen Produktionskosten sind auch die Preise von Brennstoffzellen noch relativ hoch. Die bislang auf dem Markt erhältlichen Neuwagen erhältst du erst ab etwa 65.000 Euro.

Allerdings kannst du – wie bei Elektroautos – eine Umweltprämie in Anspruch nehmen, wenn das Fahrzeug die Fördervoraussetzungen erfüllt. Brennstoffzellenfahrzeuge werden auch steuerlich wie Elektrofahrzeuge behandelt und profitieren von der Befreiung der Kfz-Steuer für 10 Jahre.

Wie gut sind die Infrastruktur und Modellauswahl?

Die Modellauswahl an Brennstoffzellenautos ist sehr begrenzt. Nur wenige Fahrzeughersteller setzen auf diese teure Antriebsart. Manche haben sie sogar aufgrund mangelnder Nachfrage bereits wieder aus dem Programm genommen.

Hinzu kommt die schlechte Infrastruktur bei den Wasserstofftankstellen. In Deutschland gibt es aktuell rund 100 Tankstellen, bis Ende des Jahres 2021 sollen es etwa 130 sein. Gefördert werden die Wasserstofftankstellen unter anderem durch Mittel der Bundesregierung im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie.

In Deutschland kommst du mit einer durchdachten Reiseplanung schon gut über die Runden. Im europäischen Ausland sieht es jedoch anders aus. In den Nachbarländern bewegt sich die Zahl der Wasserstofftankstellen derzeit im einstelligen Bereich. Bei der Suche nach geeigneten Tankstellen helfen dir Apps, die entsprechende Karten mit Echtzeitinformationen zur Verfügung stellen.

Gibt es auch Wasserstoffautos ohne Brennstoffzelle?

Wasserstoff als Treibstoff funktioniert nicht nur in Verbindung mit einer Brennstoffzelle. Tatsächlich gibt es zahlreiche Fahrzeughersteller, die auf die Entwicklung sogenannter bivalenter Ottomotoren setzen.

So hatte BMW bereits ein Hybrid-Auto im Angebot, das sowohl mit Wasserstoff als auch mit Benzin betrieben werden konnte. Der Vorteil liegt darin, dass du die bewährte Technik der Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff nutzen kannst, sofern bestimmte technische Voraussetzungen erfüllt sind.

Dafür muss das Ansaug- und Einspritzsystem angepasst werden. In der Fahrpraxis zeichnen sich diese modifizierten Serienmotoren durch eine ähnliche Leistungscharakteristik aus wie Motoren mit fossilen Brennstoffen. Auf der Abgasseite kommt nur Wasser und eine geringe Menge an Stickstoff aus dem Auspuff.

Derzeit setzen die großen Hersteller aber eher auf batterieelektrische Antriebe. In Zukunft könnte die Umrüstung von gebrauchten Verbrennern auf Fahrzeuge mit Wasserstoff-Antrieb insbesondere in Ländern von Bedeutung sein, in denen sich die Ladeinfrastruktur für herkömmliche Elektroautos in den kommenden Jahrzehnten nicht wesentlich verbessern wird.

Vor- und Nachteile von Brennstoffzellenfahrzeugen

Die wesentlichsten Vorteile von Brennstoffzellen liegen in ihrem fast geräuschlosen Betrieb, Nullemissionen und der größeren Flexibilität im Vergleich zu Elektrofahrzeugen. Die größten Nachteile von Brennstoffzellenfahrzeugen sind die hohen Kosten und der Energieaufwand für die Erzeugung von Wasserstoff. Wie emissionsfrei diese Antriebsart wirklich ist, hängt auch von der Art der Herstellung ab.

Ausblick: Dieses Potenzial haben Brennstoffzellenautos

Die Technologie ist faszinierend, effizient und geräuscharm. Kein Wunder, dass die Bundeswehr den Brennstoffzellenantrieb für U-Boote favorisiert. Für Brennstoffzellenfahrzeuge sieht es allerdings nicht ganz so rosig aus. Die hohen Herstellungskosten von Brennstoffzellen machen die Fahrzeuge noch sehr teuer. Zudem gibt es kaum Hersteller, die mit dieser Antriebsart arbeiten. Der Knackpunkt ist und bleibt die Infrastruktur der Wasserstofftankstellen.

Wenn sich Wasserstoff als Alternative zu fossilen Treibstoffen auch in vielen Verbrennungsmotoren nutzen ließe, würde dies sicherlich zur Mobilitätswende beitragen. Der große Vorteil des Wasserstoffs liegt darin, dass im Vergleich zum reinen Elektroauto keine langen Ladezeiten für Batterien anfallen. Die Umweltfreundlichkeit hängt jedoch stark davon ab, auf welche Weise die Herstellung des Wasserstoffs erfolgt.