Wasserstoff: Energieversorgung der Zukunft und Hoffnungsträger für den Verkehrssektor?

Wasserstoff gilt schon seit einiger Zeit als Energieträger der Zukunft. Bei seiner Verbrennung entstehen praktisch keine Emissionen. In einer Brennstoffzelle genutzt, wird quasi von einem Null-Emissionen-Fahrzeug gesprochen. Trotzdem ist der große Durchbruch bisher ausgeblieben. Es fehlt noch an der nötigen Infrastruktur für eine umweltschonende und kostengünstige Herstellung von Wasserstoff.

Auch im Verkehrssektor sind mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge derzeit Exoten. Aktuell nimmt die Entwicklung allerdings wieder Fahrt auf und die Chancen, die großen Potenziale endlich zu heben, steigen wieder. Eine Bestandsaufnahme:

Sorgenkind Verkehrssektor

Bis zum Jahr 2030 sollen die Treibhausgasemissionen in Deutschland im Vergleich zu 1990 um 55 Prozent sinken. Das Etappenziel (minus 40 Prozent) für 2020 scheint nach anfänglichen Schwierigkeiten doch noch realisierbar. Allerdings ist der Verkehrssektor ein Sorgenkind der Umweltpolitik, dort sind die Emissionen seit 1990 nicht mehr gesunken. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Ebenso umfangreich ist die als Konsequenz vorgeschlagene Maßnahmenliste des Bundesumweltamts vom Ende des letzten Jahres.

Fossile Brennstoffe  werden auch in naher Zukunft den Großteil des Verkehrssektors bestimmen, zu niedrig sind die Zulassungszahlen alternativer Antriebsarten. Von 2012 bis 2019 wurden insgesamt 239.250 Hybrid-Fahrzeuge, 63.281 Elektro-Fahrzeuge sowie 45.348 Plug-in-Hybride in Deutschland zugelassen. Im Januar 2020 stiegen die Quoten bei den Neuzulassungen auf 3,0 Prozent (+61,2 %)  beziehungsweise 12,5 Prozent (+103,1 %) und 3,5 Prozent (+307,7 %). Im Vergleich hierzu sind die Zahlen für Brennstoffzellenfahrzeuge verschwindend gering. 2019 wurden lediglich 112 Anträge auf den Umweltbonus für Brennstoffzellenfahrzeuge gestellt. Das Kraftfahrt-Bundesamt wertet diese Kategorie nicht einmal gesondert aus.

Auch wenn die Zulassungszahlen bei Elektroautos steigen, sind noch nicht alle Zweifel daran behoben. Neben geringen Reichweiten und einem hohen Anschaffungspreis wurde zuletzt auch die Ökobilanz kritisch diskutiert, insbesondere mit Blick auf den Abbau der für die Akkus benötigten Rohstoffe sowie deren Entsorgung. Auch die bisher geringe Anzahl an Ladesäulen ist ein noch zu überwindendes Hemmnis.

Schlüsseljahr 2020

2020 gilt als Schlüsseljahr für die Autoindustrie. Es greifen erstmals die von der EU vorgegebenen CO2-Flottengrenzwerte. Ab 2021 muss jeder Hersteller, der den Flottengrenzwert von 95 g CO2/km nicht einhält, eine Strafzahlung an die EU leisten, welche in die Milliarden gehen kann. Die Grenzwerte sollen in zwei Stufen noch weiter verschärft werden, sodass bis 2030 weitere 37,5 Prozent CO2 eingespart werden müssen. Zur Einordnung: Bereits bei einem Mittelklasse-PKW mit Verbrennungsmotor ist es derzeit technisch am Rande des machbaren, den genannten Grenzwert zu erreichen. Bei Oberklassefahrzeugen ist es praktisch unmöglich. Der durchschnittliche CO2-Ausstoß der neu zugelassenen PKW lag im Januar bei 151,5 g/km. Daher setzen die Anbieter auf elektronische Antriebsunterstützung und bieten Hybride und Plug-in-Hybride an. Sogenannte Nullemissionsfahrzeuge stoßen am Auspuff keine Emissionen aus (Elektrofahrzeuge inklusive Brennstoffzelle) und sind somit der Königsweg um die politischen Forderungen einzuhalten.

Derzeit ein Nischenprodukt

Wasserstoffautos werden aktuell in Deutschland noch stiefmütterlich behandelt. Derzeit gibt es nur eine Handvoll Modelle in Serienproduktion. Toyota plant ab Herbst 2020 die zweite Generation des Toyota Mirai herzustellen und mit jährlich circa 30.000 gebauten Einheiten die bisher weltweit größte Serienproduktion zu starten. Derzeit existieren in Deutschland 83 Wasserstoff-Tankstellen, bis Ende des Jahres sollen es 100 sein. Die geringen Stückzahlen wirken sich auch auf den Preis aus. Wasserstoffautos sind bisher noch sehr teuer. Beispielsweise liegt der Listenpreis für den Toyota Mirai bei 78.600 Euro.

Welche Hürden wurden bereits überwunden?

Obwohl die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, wurden bereits einige Probleme überwunden und Zweifel ausgeräumt. Beispielsweise ließen sich die Verluste des getankten Wasserstoffs durch Entweichung oder Diffusion auf ein nicht nennenswertes Niveau reduzieren. Entgegen hartnäckiger Gerüchte sind Wasserstoffautos zudem nicht anfälliger für Explosionen als traditionelle Verbrennungsantriebe. Zwar ist Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff brennbar und ab einem bestimmten Verhältnis explosiv, allerdings ist Wasserstoff extrem flüchtig. Kontrollierte Tests haben gezeigt, dass die Brandgefahr bei Autos mit Benzin- und Dieseltank größer ist.

Die größte Hürde liegt in der Wasserstofferzeugung. Die Ausbeutung molekularer Wasserstoffvorkommen ist praktisch nicht möglich, durch Elektrolyse kann jedoch Wasserstoff in theoretisch beliebiger Menge erzeugt werden. Der technische Vorgang ist vergleichsweise simpel, vereinfacht gesprochen wird ein Wasserbecken unter Spannung gesetzt. An der Kathode steigt Wasserstoff auf und an der Anode Sauerstoff. Führt man beide Erzeugnisse via Brennstoffzelle wieder zusammen, entsteht Strom und Wasser. In der doppelten Umwandlung liegt auch die Crux – der Wirkungsgrad sinkt auf derzeit circa 25 Prozent und der Strombedarf pro gefahrenen Kilometer steigt.

Aktuell werden noch circa 96 Prozent des weltweit hergestellten Wasserstoffs aus nicht-erneuerbaren Ressourcen produziert und sind somit für 830 Millionen Tonnen Kohlendioxid im Jahr verantwortlich – dies entspricht dem kombinierten Ausstoß von Großbritannien und Indonesien. Um wirklich nachhaltig zu werden, ist es unabdingbar, Wasserstoff aus regenerativen Energien zu produzieren. Elektrolyse durch erneuerbare Energien ermöglicht das Speichern von Strom in Zeiten von Überproduktion und kann so als Lösungsansatz für eines der zentralen Probleme der Stromerzeugung mittels erneuerbaren Energien dienen. Wasserstoff kann verhältnismäßig einfach gelagert und transportiert werden, denkbar ist, hierfür die bereits bestehende Infrastruktur zu nutzen.

Aktuell befinden sich verschiedene große Wasserstoff-Projekte in der Vorbereitung. Beispielsweise planen die Niederlande den geplanten Erdgasausstieg u.a. durch die Produktion von Wasserstoff zu kompensieren. Shell will daher das größte Wasserstoff-Projekt Europas in der Nordsee realisieren. Ein Windpark mit einer Kapazität zwischen drei und vier Gigawatt soll entstehen, dessen Strom für Elektrolyse genutzt wird.

Dänemark plant die Errichtung einer künstlichen Insel die von 1.000 Windkraftanlagen umgeben sein soll. Diese sollen bis zu 10 Gigawatt Strom produzieren, welcher auf der Insel selbst u.a. zu Wasserstoff umgewandelt werden soll. Erste Pläne für solche Projekte existieren auch in Norddeutschland. Hamburg, Bremen, Niedersachsen und Mecklenburg-Vorpommern planen bis 2035 ebenfalls die Realisierung eines Wasserstoffzentrums.

Das Potenzial ist groß

Auch wenn die Technologie noch nicht massentauglich ist, kann sie bereits heute eine Reihe von Vorteilen aufweisen. Im Gegensatz zum Elektroauto existieren keine langen Ladezeiten. Nach drei bis fünf Minuten ist der Tank voll. Und auch wenn der Abstand reduziert wurde, ist die Reichweite beim derzeitigen Stand der Technik immer noch größer als beim Elektroauto. Des Weiteren sind in einer Brennstoffzelle kaum bewegliche Teile verbaut. Dies sorgt für eine hohe Lebensdauer. Einsatzbereiche gibt es unterdessen zahlreiche: Bereits heute funktioniert der Antrieb sowohl bei PKW als auch bei LKW und Bussen. Sogar Lösungen für Züge, Jachten und Kleinflugzeuge sind bereits im Gespräch.

Einer der entscheidenden Faktoren für den Erfolg der Technologie ist die Klimabilanz. Derzeit hat  das reine Elektroauto aufgrund des deutlich besseren Wirkungsgrads auf die gesamte Lebensdauer betrachtet die Nase vorn. Laut Florian Hacker vom Öko-Institut führten aktuell nur 25 Prozent der ursprünglichen Energie in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug zu Fortbewegung, der Rest gehe verloren. Bei batteriebetriebenen Elektroautos liege der Wert etwa bei 70 Prozent. Allerdings hat das Elektroauto gegenüber dem Wasserstoffauto bei der Herstellung einen gewichtigen Rucksack zu tragen. Die energieintensive Fertigung der Batterie ist hier ausschlaggebend, bei der nicht zu vernachlässigende Umweltschäden vorwiegend durch den Abbau von Kobalt und Lithium entstehen.

Vorreiter Japan, Deutschland zieht nach

In Deutschland setzt die Automoblindustrie auf die Elektromobilität. Auch der weltgrößte Autobauer Volkswagen hat sich für eine E-Offensive entschieden und plant bis 2025 drei Millionen reine Elektro-Autos zu bauen und zu verkaufen. Der zahlenmäßig stärkste Konkurrent Toyota hat sich stattdessen für eine Mischstrategie entschieden. Der Konzern möchte nicht alles auf eine Karte setzen und hofft ab 2025 durch Lernkurven- und Skaleneffekte die dritte Generation des Toyota Mirai massentauglich und ohne Verluste anbieten zu können. Hilfe gibt es hierbei von der japanischen Regierung. Die nationale Wasserstoffstrategie sieht unter anderem großzügige Zuschüsse vor, beispielsweise bis zu 20.000 Euro beim Kauf eines Toyota Mirai. Auch der Ausbau von Tankstellen wird intensiv vorangetrieben. Bereits 2017 hatte Japan als erstes Land eine „Basic Hydrogen Strategy“ verabschiedet. In erster Linie soll eine Kostengleichheit gegenüber konkurrierenden Brennstoffen erreicht werden, hierfür wird auch eine nicht emissionsfreie Produktion von Wasserstoff in Kauf genommen. Bis 2030 soll die Technologie rentabel sein.

In Deutschland wird derzeit ebenfalls an einer nationalen Wasserstoffstrategie gearbeitet. Wasserstoff soll der fehlende Baustein für eine erfolgreiche Realisierung der Sektorkopplung werden. Es werden aktuell bereits innovative Ansätze in der Grundlagenforschung gefördert, bis 2021 betragen die Investitionen 180 Millionen Euro. Die Entwicklung soll auch in den nächsten Jahren weitergehen, aus dem Klimafond stehen hierfür alleine bis 2023 mehr als 300 Millionen Euro bereit.

Fazit

Die Entkarbonisierung des Verkehrssektors wird nicht von heute auf morgen gelingen. Die offenen Baustellen alternativer Antriebsarten sind noch zu vielfältig, als dass wir in naher Zukunft auf traditionelle Verbrennungsmotoren verzichten können. Die Zukunftsforschung sollte jedoch technologieoffen gestaltet werden. Die Anreize dürfen nicht auf das Elektroauto begrenzt bleiben, sondern auch der mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle muss ein angemessener Stellenwert einräumt werden. Doch nicht nur der Staat als Rahmengeber ist hier gefordert. Auch die Unternehmen sollten die Potenziale beider Technologien nutzen. In einer aktuellen Umfrage von PWC sieht sich die Branche hier auch selbst in der Pflicht: Acht von zehn befragten Managern fordern eine technologieoffene Entwicklung und Forschung der Autobauer.

Bilder: Shutterstock

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