Wasserstoff im Verkehr

Zwischen Hype und Hoffnung

Er treibt Autos, Züge und sogar Flugzeuge an: Wasserstoff ist der große Hoffnungsträger für den Verkehr von morgen. Doch nicht immer ist er die klimafreundlichste Alternative – in manchen Bereichen schneiden andere Technologien besser ab.

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    Mercedes mit Brenstoffzelle an einer Wasserstofftankstelle in Stuttgart.

    Rund 60 Wasserstofftankstellen gibt es bislang in Deutschland. Diese hier steht in Stuttgart. Das Angebot an Autos mit Brennstoffzellen ist ähnlich dünn.

    Von Kathinka Burkhardt

    Im Norden Niedersachsens zwischen Elbe und Weser, dort wo sich jahrtausendealtes Geest- und Marschland abwechseln, rauscht seit geraumer Zeit die Zukunft auf Schienen durchs Land. Von einem französischen Hersteller entwickelt und in Salzgitter gebaut, fahren seit Herbst 2018 die zwei ersten Wasserstoffzüge der Welt zwischen Cuxhaven, Bremervörde, Bremerhaven und dem weiter südlich gelegenen Buxtehude hin und her – und das dank Brennstoffzellentechnologie komplett emissionsfrei.

    Das funktioniert so: Auf dem Dach der beiden blauen Züge vom Typ „Coradia iLint“ befinden sich eine Brennstoffzelle und ein Wasserstofftank. Vereinfacht ausgedrückt, findet während der Fahrt in der Brennstoffzelle eine chemische Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff statt, bei der Strom für den Elektromotor des Zugs entsteht. Mit dieser Energie kann er bis zu 140 Stundenkilometer fahren und eine Strecke von 1000 Kilometern bis zum nächsten Tankvorgang zurücklegen – kein anderer Antrieb schafft mehr, ohne dabei CO2 auszustoßen.

    Wasserstoffantriebe setzen kein CO2 frei. Einziges Abfallprodukt: Wasserdampf

    Und hierin liegen die zwei Vorteile, die Wasserstoff weltweit zum wohl populärsten Forschungsobjekt im Verkehr machen: Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Strom, ohne CO2-Emissionen freizusetzen, lediglich Wasserdampf bleibt als Abfallprodukt zurück. Gleichzeitig lässt sich der Energieträger vergleichsweise gut speichern. Ein Fahrzeug mit Wasserstofftank kommt viel weiter als eines mit Lithium-Ionen-Batterie oder ähnlichen Akkus.

    Ob Luftfahrt, Gütertransport oder Individualverkehr, überall auf der Welt arbeiten Hersteller deshalb an Wasserstofffahrzeugen, mit denen die CO2-Emissionen im Verkehr deutlich gesenkt werden können. Denn gerade in Industrieländern wie Deutschland ist der Verkehr ein Kernproblem: Nach dem Energie- und Industriesektor ist er hierzulande mit rund 170 Millionen Tonnen CO2 der drittgrößte Emittent. Wenn Deutschland bis 2050 klimaneutral sein will, müssen schnell neue Wege gefunden werden, den CO2-Ausstoß auf der Straße, der Schiene und in der Luft zu reduzieren. Doch bislang sinken die Emissionen im Verkehr nur langsam.

    Ist Wasserstoff die Lösung für das Problem?

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    Beim Auto ist die direkte Stromnutzung über einen Elektromotor sinnvoller, weil dabei wesentlich weniger Energie verbraucht wird als bei der Brennstoffzellentechnologie

    Frederic Rudolph, Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie

    „Dort wo viele Menschen oder Güter transportiert werden müssen, ist die Brennstoffzellentechnologie gegenüber einem batteriebetriebenen Fahrzeug tendenziell eine Alternative“, sagt Frederic Rudolph vom Wuppertaler Institut für Klima, Umwelt und Energie im Gespräch mit EnergieWinde.

    Wie kürzlich auch der Berliner Thinktank Agora Verkehrswende in einer Studie gezeigt hat, nennt Rudolph den Elektromotor beim Auto in Sachen Klimafreundlichkeit alternativlos. „Gerade beim Auto ist die direkte Stromnutzung über einen Elektromotor sinnvoller, weil dabei wesentlich weniger Energie verbraucht wird als bei der Brennstoffzellentechnologie“, sagt Rudolph.

    Der Grund: Wasserstoff ist ein Gas, das nicht einfach in der Natur abgebaut werden kann. Vielmehr muss es in einem Prozess namens Elektrolyse hergestellt werden. Dabei fließt Strom durch Wasser, und Wasserstoff wird als Gas freigesetzt. Das bedeutet allerdings, dass viel Strom benötigt wird, um Wasserstoff erst zu produzieren und ihn später in der Brennstoffzelle in Strom zurückzuverwandeln. Nur ein Viertel bis ein Drittel der Ausgangsenergie kommt so am Ende im Motor an.

    Der Wirkungsgrad in einem Elektroauto ist deshalb immer deutlich höher als bei einer Brennstoffzelle für Wasserstoff. „Da wir mit unseren erneuerbaren Energien ohnehin haushalten müssen, sollte es so wenig Wasserstoffautos wie möglich geben“ , sagt Rudolph.

    Elektroauto, Brennstoffzelle, E-Fuels: Ökoantriebe im Vergleich

    E-Auto Renault Zoe: Der kleine Stromer hat einen Wirkungsgrad, der deutlich über dem von Brennstoffzellenfahrzeugen oder herkömmlichen Verbrennern liegt.

    Batteriebetriebene Elektroautos wie dieser Renault Zoe haben nach einer Studie von Agora Energiewende den besten Wirkungsgrad unter den untersuchten Fahrzeugen mit einem auf Ökostrom basierenden Antrieb. Hier kommen im Schnitt 69 Prozent der aufgewendeten Energie im Motor an. Deutlich schlechter ...

    Hyundai mit Brennstoffzelle von BeeZero: Der Wirkungsgrad der Fahrzeuge ist niedriger als der von E-Autos mit Akku.

    ... fällt die Bilanz bei Brennstoffzellen-Autos wie diesem Hyundai aus. Hier liegt der Wirkungsgrad bei 26 Prozent. Grund dafür sind die nötigen Umwandlungsprozesse, bei denen jeweils Energie verloren geht: im ersten Schritt bei der Produktion von Wasserstoff mit Hilfe von Ökostrom, dann bei der Rückverstromung. Am niedrigsten ...

    Dieser Audi tankt E-Gas.

    ... ist der Wirkungsgrad von Autos mit Verbrennungsmotor, die mit Ökostrom hergestellte Kraftstoffe tanken – im Falle dieses Audis etwa E-Gas. Weil die Herstellung viel Energie verschlingt, werden nur 13 Prozent des Stroms in Antriebsleistung umgewandelt. Zum Vergleich: Bei Benzin- und Dieselmotoren sind es 35 bis 40 Prozent.

    Damit der Wasserstoff tatsächlich klimaneutral ist, muss er mit Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt werden. Dann spricht man von „grünem“ Wasserstoff im Kontrast zu „blauem“ Wasserstoff, der mit Strom aus nicht-regenerativen Energiequellen wie Gas oder Kohle gewonnen wird. Und hier liegt eine große Hürde für alle technischen Innovationen, die auf Wasserstoff setzen: Der Ausbau der Erneuerbaren in Deutschland stockt. In der Windkraft ist er sogar fast zum Erliegen gekommen. Um ausreichend grünen Strom für klimaneutralen Wasserstoff zu gewinnen, fehlt es also derzeit an Kapazitäten.

    1600 Kilometer Reichweite, 30 Minuten Ladezeit: der Brennstoffzellen-Lkw

    Was dagegen deutlich für die Brennstoffzellentechnologie spricht, ist die begrenzte technische Leistung von Lithium-Akkus. So ist etwa im Güterverkehr ein reiner Elektromotor keine echte Alternative: Der bisher einzige E-Truck auf dem Markt, von Renault entwickelt, kann bei einer Last von bis zu 26 Tonnen eine Strecke von 300 Kilometern zurücklegen, also etwa von Hamburg nach Berlin. Danach muss er zwölf Stunden Strom laden – für Logistikunternehmen, die auf die enge Taktungen ihrer Fahrzeuge angewiesen sind und Waren über Tausende Kilometer fahren müssen, ein kostspieliger Zeitraum.

    In diesem Sektor könnte Wasserstoff eine echte Alternative sein. Das kalifornische Unternehmen Nikola Motors will bis 2021 einen Lkw mit Brennstoffzellentechnologie und Elektromotor vom deutschen Zulieferer Bosch auf den Markt bringen, der mit bis 40 Tonnen rund 1600 Kilometer weit fahren und in weniger als einer halben Stunde wieder vollbetankt sein soll.

    Setzen sich Brennstoffzellen irgendwann im Flugzeug durch? Unwahrscheinlich

    Auch in der Raum- und Luftfahrttechnik beflügelt die Brennstoffzelle die Forscher: Vergangenen September hob in Stuttgart das erste bemannte Kleinflugzeug ab, das mit Wasserstoff betrieben wurde. Noch etwa 15 Jahre seien nötig, bis die Technik marktfähig sei und rund 80 Passagiere auf kürzeren Inlandsflugstrecken befördert werden könnten, sagte Josef Kallo, zuständiger Projektleiter am DLR.

    Zwar denkt selbst Airbus über ein Flugzeug mit hybrid-elektrischem Antrieb nach, das mit Wasserstoff oder anderen klimaneutralen Kraftstoffen fliegt, aber trotzdem bleibt die Branche skeptisch. Abgesehen davon, dass offen ist, woher die großen Mengen grünen Wasserstoffs für den täglichen Flugverkehr kommen sollen, benötigt die Entwicklung eines Flugzeuges mit Testphase und Zulassungsauflagen mindestens 15 Jahre und ist sehr kostspielig. Selbst wenn sich Investoren fänden, die einen Wasserstoffflieger wie den des DLR finanzieren, könnte es noch lange dauern, bis tatsächlich Passagiere damit abheben.

    Der Effekt für das Klima wäre dabei allerdings begrenzt: Mehr als 80 Prozent der Flüge gehen über die Landesgrenzen hinaus und benötigen entsprechend eine viel größere Reichweite als bisher in Forschungsprojekten in die Luft gebracht werden konnte.

    Der Brennstoffzellen-Versuch bei der Bahn ist ein Erfolg. Er wird ausgeweitet

    Und die beiden Wasserstoffzüge? Die könnten sich tatsächlich zu einer guten Alternative mausern. Denn obwohl die Bahn mit Umweltfreundlichkeit wirbt, ist der Zugverkehr in Deutschland noch keineswegs CO2-frei: Während IC- und ICE-Routen sowie einige Nebenstrecken über Oberleitungen verfügen, über die die Züge elektrisch fahren, ist gut ein Drittel des deutschen Streckennetzes nicht elektrifiziert. Dazu gehören nicht nur weite Teile des Güterverkehrs, sondern vor allem regionale Nebenstrecken wie zwischen Cuxhaven und Bremervörde.

    Dort fahren gewöhnlich Dieselloks, die zwar weniger Kohlendioxid freisetzen, als wenn alle Passagiere auf eine entsprechende Anzahl an Autos umstiegen oder die Güter per Lkw über die Straße transportiert würden. Aber dennoch ist der Ausstoß noch hoch.

    Anstatt also teure Oberleitungen zu bauen, hat sich die Landesnahverkehrsgesellschaft Niedersachsen entschieden, nach dem erfolgreichen Feldversuch mit den Wasserstoffzügen für die kommenden Jahre 14 weitere Züge zu bestellen; auch der hessische Rhein-Main-Verkehrsverbund hat für rund 500 Millionen Euro 27 Wasserstoffzüge geordert. Im Zugverkehr kann zudem ein Problem gelöst werden, das beim Wasserstoffauto noch ungelöst ist: An den Endbahnhöfen kann die notwendige Infrastruktur installiert werden, die für das Nachtanken von Wasserstoff notwendig ist – und an der es im Straßenverkehr heute noch fehlt.

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