Wasserstoffauto oder Elektroauto: Wem gehört die Zukunft?
Es ist ein emotionales Thema: Wie fahren unsere Autos in Zukunft? Mit Strom, Wasserstoff oder gar mit E-Fuels? Wir schauen, wie sich die Situation aktuell darstellt und welche Vor- und Nachteile die verschiedenen Varianten haben.
Wie fahren unsere Autos der Zukunft? Mit Wasserstoff, Strom oder E-Fuels?
Foto: Panthermedia.net/Olivier26
Liest man sich derzeit durch die sozialen Medien, gilt das Wasserstoffauto oftmals als das Auto der Zukunft, dem E-Auto wird hingegen nicht viel zugetraut. Es gilt vielmehr als Totgeburt. Doch was ist daran dran? Was kann Wasserstoff wirklich? Was kann Strom besser? Und wie sieht es eigentlich mit E-Fuels aus? Wir versuchen in diesem Beitrag Antworten zu finden, die rein auf Fakten basieren. Gleichwohl ist es natürlich ein emotional aufgeladenes Thema, schließlich geht es um des Deutschen liebstes Kind.
Wie ist die aktuelle Lage bei klimaneutralen Autos?
Nach Untersuchungen des Umweltrats konnte der deutsche Verkehrssektor als einziger Sektor seine Treibhausemissionen seit 1990 nicht maßgeblich senken. In den anderen Bereichen gingen die Emissionen Deutschlands zwischen 1990 und 2019 um insgesamt 35 Prozent zurück, im Verkehrsbereich sind sie in dieser Zeit nahezu gleichgeblieben, mit Ausnahme des Pandemiejahrs 2020. Es ist somit klar, dass wir in Sachen Antriebe unserer Autos langsam in die Puschen kommen müssen.
Nun steigt die Anzahl der Neuanmeldungen bei E-Autos erfreulicherweise an, laut Kraftfahrbundesamt wurden im September 2022 rund 32 Prozent mehr Stromer als im September 2021 angemeldet. Insgesamt liegt der Anteil der E-Autos bei etwa 20 Prozent (gilt nur für Neuzulassungen). Viele Menschen haben jedoch ein Problem mit E-Autos und planen auch in absehbarer Zeit keines zu kaufen. Für sie ist Wasserstoff die Lösung für klimaneutrales Fahren.
Ganz gleich ob Strom, Wasserstoff oder eine andere Art des Antriebs: Die EU-Staaten einigten sich im Sommer 2022 darauf, dass die sogenannten Flottengrenzwerte für Autos bis 2035 auf null sinken sollen. Diese geben Autoherstellern vor, wie viel CO2 ihre produzierten Fahrzeuge im Betrieb ausstoßen dürfen. Konkret dürfen ab diesem Zeitpunkt nur noch Neuwagen verkauft werden, die klimaneutral unterwegs sind.
Wasserstoff und Strom müssen grün sein
Damit Wasserstoff- und E-Autos überhaupt eine Zukunft haben, müssen sowohl der Strom als auch der Wasserstoff klimaneutral produziert werden. Aktuell ist das nicht so. Strom und Wasserstoff werden häufig noch aus Erdgas oder Erdöl hergestellt. Bei der Stromproduktion sind wir allerdings bereits etwas weiter als bei der Wasserstoffherstellung.
Fast die Hälfte unseres Stroms stammt derzeit aus erneuerbaren Quellen. Wasserstoff wird hingegen noch zu rund 90 Prozent aus klimaschädlichen und endlichen Rohstoffen hergestellt, weltweit liegen wir sogar darüber. Hier sind wir also noch weit davon entfernt, dass Wasserstoffautos klimafreundlich sind und selbst bei den E-Autos steht noch ein weiter Weg bevor.
So funktionieren Wasserstoff- und E-Autos
Fangen wir mit Wasserstoffautos an: Technisch betrachtet handelt es sich um Brennstoffzellen-Autos. Sie sind den E-Autos nicht unähnlich, haben sie doch ebenfalls eine Batterie. Die ist jedoch nicht so groß und speichert zum Beispiel Bremsenergie als Puffer. Die eigentliche Energie zum Antrieb der Fahrzeuge wird von den Brennstoffzellen erzeugt. Diese wandeln den Wasserstoff in Strom um.
Das passiert mit der Umkehrung der Elektrolyse, bei der mittels Strom Wasser gespalten wird. Der Wasserstoff aus dem Tank reagiert mit der Umgebungsluft, dabei entstehen Wasser, Wärme und elektrische Energie. Letztere treibt den Elektromotor an. Es gibt aber auch Lösungen, bei denen Wasserstoff einen Verbrennermotor antreibt. Diese haben den Vorteil, dass keine teuren Lithium-Ionen-Batterien benötigt werden. Auf der diesjährigen IAA in Hannover stellte der US-LKW Hersteller Cummins einen Konzept LKW vor, der mit einem solchen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor ausgestattet wurde. Die Technik steht somit noch weitgehend in den Kinderschuhen.
E-Autos haben auf jeden Fall eine Batterie, in der der für den Antrieb benötigte Strom zwischengelagert wird. Diese Batterien sind groß und schwer, Stand der Technik sind Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere Lithium ist jedoch kritisch zu sehen, da die Rohstoffversorgung alles andere als sicher ist. Auch ist es nur endlich auf der Erde verfügbar. Forschende arbeiten daher fieberhaft an Alternative wie zum Beispiel Feststoffbatterien. Auch beim Recycling von Lithium wird eifrig geforscht. Als negativ wird häufig auch die Kapazität der Batterien bewertet, Autos können in der Regel kleinere Strecken als Autos mit Verbrennermotor fahren. Zudem dauert das Aufladen der Batterie lange.
Herstellung von Wasserstoff sehr energieintensiv
Auf den ersten Blick hat Wasserstoff beim Fahrzeugantrieb einige Vorteile gegenüber Strom. So lässt es sich schneller tanken und es sind größere Reichweiten möglich. Wasserstoff kommt allerdings kaum in reiner Form in der Natur vor, sondern ist in der Regel gebunden, zum Beispiel in Wasser, Methan oder Erdöl. Die größte Herausforderung ist daher, Wasserstoff in reiner Form zu produzieren. Das ist äußerst energieintensiv. Außerdem sind mehrere Arbeitsschritte notwendig, bis Wasserstoff die Brennstoffzelle eines Autos antreibt:
- Der Strom aus der erneuerbaren Energie betreibt eine Elektrolyse-Anlage, die das Wasser aufspaltet.
- Der daraus gewonnene Wasserstoff muss zur Tankstelle transportiert und getankt werden.
- Im Fahrzeug wird der Wasserstoff zurück in Strom umgewandelt, welcher den Motor antreibt.
Der Wirkungsgrad ist bei Wasserstoffautos entsprechend gering. Nach einer Studie der Agora Verkehrswende von 2018 beträgt der Wirkungsgrad bei einem E-Auto etwa 69 Prozent, bei einem Wasserstoffauto sind es hingegen nur 26 Prozent. Bei einem mit Wasserstoff betriebenen Auto muss also mehr als doppelt so viel Energie hineingesteckt werden als bei einem Elektroauto, um dieses 100 Kilometer weit zu bewegen.
| Umwandlungsschritte von der Energiequelle bis zum fahrenden Auto | |
| E-Auto | H2-Auto |
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Schauen wir uns die bereits erwähnten E-Fuels an, kommt noch ein weiterer Umwandlungsschritt dazu und der Wirkungsgrad sinkt weiter. Nach aktuellem Stand der Technik liegt er bei gerade einmal 13 Prozent, wobei die Herstellung des synthetischen Kraftstoffs eingerechnet wird. E-Fuels sind quasi die bereits bekannten Kraftstoffe wie Diesel, Benzin oder Kerosin. Sie werden allerdings nicht aus Erdöl gewonnen, sondern industriell aus erneuerbaren Energien und Wasserstoff hergestellt.
Speicherung der Energie als Schlüssel zum Erfolg
Der Speicherung der Energie kommt bei klimaneutralen Autos sicherlich eine Schlüsselrolle zu. Von Benzin- oder Dieselfahrzeugen sind die Autobesitzer eine gewisse Reichweite gewohnt, auf die sie in Zukunft nicht verzichten wollen. Ein weiteres Problem: Die Zeit, die es benötigt, um eine Batterie komplett aufzuladen. Auch hier sind viele Fahrer nicht bereit, längere Wartezeiten in Kauf zu nehmen.
Bei einem Wasserstoffauto müssten sich die Autofahrer nicht groß umstellen. Das Tanken geht schnell, es lassen sich zudem ausreichend große Mengen auftanken, dass die gewohnten Strecken von 600, 700 oder gar 1.000 Kilometer zurückgelegt werden können. Dagegen steht ein Problem: Wasserstoff ist von Haus aus gasförmig und besitzt eine geringe Energiedichte. Damit es für Autos nutzbar wird, brauchen wir es im flüssigen oder stark komprimierten Zustand. Flüssig wird Wasserstoff bei minus 253 Grad Celsius. Damit es eine vergleichbare Energiedichte wie Benzin oder Diesel bekommt, kann es alternativ mit einem Druck von 700 Bar komprimiert werden. Diese extremen Bedingungen lassen sich indes nur aufwendig und energieintensiv herstellen.
Auch E-Autos sind in Sachen Energiespeicherung sicherlich noch lange nicht so, dass sie wirklich zukunftsfähig sind. Das angesprochene Problem mit Lithium ist das eine, die mangelnde Reichweite das andere. Hinzu kommt noch, dass die Batterien nur eine beschränkte Lebensdauer haben und irgendwann entsorgt werden müssen. Noch ist nicht gänzlich geklärt, was mit all den Altbatterien geschehen soll. Es gibt zwar Konzepte und Berechnungen, wie das Recycling funktionieren kann, noch fehlt es jedoch an der entsprechenden Infrastruktur. Die muss erst noch gebaut werden. Generell kann man aber sicherlich davon ausgehen, dass es in Zukunft wesentlich leistungsfähigere Akkus gibt, die eventuell auch ohne Lithium auskommen.
Wie umweltfreundlich sind Wasserstoff- und E-Autos im Vergleich?
Wie umweltfreundlich ein Auto unterwegs ist, entscheidet sich nicht nur auf der Straße. Hier schneiden Wasserstoff- und E-Autos gleich gut ab. Beim Fahren entsteht keinerlei klimaschädliches CO2 und auch sonst wird nichts in die Luft gepustet, was uns auf die eine oder andere Weise schaden kann. Doch wie sieht die Ökobilanz eines Autos über seine gesamte Lebenszeit aus?
- Welche CO2-Emissionen entstehen bei der Produktion?
- Welche CO2-Emissionen entstehen beim Recycling?
- Welche CO2-Emissionen entstehen bei der Strom- oder Wasserstoffproduktion?
- Wie sieht es mit den Emissionen während des Fahrbetriebs aus?
Bei Elektroautos spielen zwei Faktoren eine besonders große Rolle: die Batterien und der Strom. Die Produktion der Batterien ist CO2-intensiv. Zudem kommen schwer abbaubare Rohstoffe wie Kobald und Lithium zum Einsatz. Allerdings können die Akkus am Ende ihres Lebens recycelt und anderweitig als Speicher eingesetzt werden. Für die Ökobilanz des E-Autos ist zudem wichtig, wie der Strom gewonnen wird. Wir haben an anderer Stelle bereits geschrieben, dass in Deutschland rund die Hälfte des Stroms aus erneuerbaren Energien gewonnen wird.
Bei Wasserstoffautos gilt ähnliches wie bei Stromautos: Wichtig ist, wie der Strom für die Produktion des Wasserstoffs gewonnen wird und wie der Strom gespeichert wird. Hier sind die Wasserstofffahrzeuge im Vorteil, es reichen kleinere Batterien aus. Da jedoch über 90 Prozent des Wasserstoffs aus Erdgas oder Erdöl gewonnen wird, ist die Ökobilanz hier wesentlich schlechter. Die bereits erwähnte schlechte Energieeffizienz kommt noch dazu.
Wie sieht es mit Ladestellen aus?
Die ist für E-Autos und Wasserstoffautos gleichermaßen noch ausbaufähig. Fahrer von Elektroautos finden mittlerweile jedoch ein flächendeckendes Netz an Ladestellen in ganz Europa. Das sieht bei Wasserstofftankstellen anders aus. In Deutschland gibt es aktuell immerhin rund 100 davon, im restlichen Europa muss man hingegen teilweise recht weit fahren, bis man irgendwo Wasserstoff tanken kann. Ein Frankreich, Schweiz oder Belgien gibt es jeweils kaum mehr als ein Dutzend Wasserstoff-Tankstellen.
Generell gibt es nur ganz wenige Brennstoffzellen-Autos. Serienmäßige Wasserstoffautos sind zum Beispiel der Hyundai Nexo und der Toyota Mirai. Mercedes hatte den GLC F-Cell, hat ihn aber mittlerweile wieder vom Markt genommen. Hyundai bringt einen ersten Lkw mit Brennstoffzellentechnik auf den Markt – auch in Deutschland. Das Xcient Fuel Cell genannte Modell ist der erste für den Schwerlastverkehr entwickelte Wasserstoff-Lkw.
Vor- und Nachteile von Strom und Wasserstoff
Abschließend möchten wir noch einmal kurz und kompakt auf die Vor- und Nachteile von Wasserstoff- und E-Autos eingehen:
- Wasserstoff herzustellen ist energieintensiv und der Einsatz in Autos wenig effizient.
- Mit Wasserstoff lassen sich größere Strecken zurücklegen und es sind kleinere und leichtere Akkus möglich (gut für Fernverkehr, aber auch Schiffe oder Flugzeuge).
- Wie klimafreundlich Strom und Wasserstoff sind, hängt von der Herstellung ab, derzeit ist die Stromproduktion noch klimafreundlicher, da bereits häufig aus erneuerbaren Energien.
- Im alltäglichen Verkehr in der Stadt sind E-Autos deutlich effizienter.
Das war unsere faktenbasierte Gegenüberstellung von Wasserstoff- und E-Autos. Sie beschreibt den Zustand, wie er heute ist. Die Zukunft kann noch die eine andere Überraschung für uns bereithalten. Vielleicht sind E-Fuels das Antriebsmittel, mit dem wir alle in 30, 40 Jahren unterwegs sind, vielleicht ist grüner Strom oder grüner Wasserstoff das einzig Wahre.
Eventuell können aber auch beide Varianten parallel nebeneinander funktionieren – so wie Diesel und Benzin. Für manche Anwendungen eignen sich Wasserstoffautos besser, in anderen Fällen sind E-Autos im Vorteil. Vielleicht fahren wir aber auch in Zukunft mit ganz anderen Antrieben, die selbst die schlauesten Ingenieure heute noch gar nicht auf dem Schirm haben. Eines dürfte aber auf jeden Fall klar sein. Erdöl und Erdgas werden wir in Zukunft nicht mehr verbrennen, um uns fortzubewegen.
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