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Wasserstoff-Brennstoffzellen: Alle Ihre Fragen beantwortet

| 12 Min.
Es wird viel über Wasserstoff geredet und darüber, ob er in Zukunft Diesel ersetzen könnte. Aber wie funktioniert die Technologie? Was sind die Vor- und Nachteile von Wasserstoff? Wie kann sich die Technologie gegen Elektrofahrzeuge behaupten? Im Folgenden finden Sie Antworten auf einige der häufigsten Fragen zu Wasserstoff-Brennstoffzellen.

Was ist Wasserstoff und warum wird so viel darüber geredet?

Wasserstoff ist ein chemisches Element, das in vielen natürlich vorkommenden Verbindungen, einschliesslich Wasser, enthalten ist. Der in Fahrzeugen verwendete Wasserstoff (H2) ist ein geruchloses Gas und wird normalerweise durch die Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser oder Erdgas hergestellt.

Auch wenn es derzeit einen grossen Hype geben mag, ist die Wasserstofftechnologie kein Novum. Tatsächlich wird Wasserstoff schon seit langem zum Antrieb von Raumfahrzeugen verwendet. Dank der Bemühungen zur Dekarbonisierung der Transportbranche, sinkender Kosten für erneuerbare Energien und detaillierterer Strategien zur Weiterentwicklung der Technologie von Regierungen auf der ganzen Welt gibt es jedoch ein gesteigertes Interesse.
 

Wie wird Wasserstoff als Kraftstoff hergestellt?

Methandampfreformierung (SMR, Steam Methane Reforming) ist das gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff im grossen industriellen Massstab. Dabei reagiert Methan in Erdgas mit Dampf und bildet Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Das Kohlenmonoxid durchläuft weitere Reaktionen, wodurch mehr Wasserstoff entsteht. Wasserstoff kann auch durch einen Prozess namens Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden, bei dem Wasser durch Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.

Es gibt auch andere Wasserstoffquellen wie die Biomassevergasung – bei der Pflanzenmaterial erhitzt und zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt wird – und die Fermentation, bei der bestimmte Bakterienarten im Rahmen ihres Stoffwechsels Wasserstoff erzeugen. Wasserstoff kann auch durch Spaltung mit in Wasser getauchten Solarzellen erzeugt werden.  
 

Wie wird Wasserstoff als Kraftstoff verteilt?

Obwohl es möglich ist, Wasserstoff über Pipelines zu verteilen, die für Erdgas verwendet werden, wird der grösste Teil des Wasserstoffs, der heute als Kraftstoff genutzt wird, in grossen Anlagen hergestellt und dann mit speziellen Flüssigwasserstoff-Trailern transportiert. Wasserstoff kann auch an Tankstellen durch SMR oder Elektrolyse erzeugt werden. Dieser Ansatz ist jedoch im Allgemeinen weniger effektiv und kostspielig.
 

Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Ein Brennstoffzellenfahrzeug funktioniert ein bisschen wie ein Verbrennungsmotor, ausser dass das System den Wasserstoff, den es aus einem unter Druck stehenden Tank bezieht, nicht verbrennt, sondern ihn mit Sauerstoff vermischt, um Strom zu erzeugen, der einen Elektromotor antreibt. Der Prozess findet in einer PEM-Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolyt-Membran) statt, die aus Sätzen dünner Platten besteht, die durch Membranen getrennt sind.

Wie wird Wasserstoff in Lkw eingesetzt?

Wasserstoff kann verwendet werden, um einen Verbrennungsmotor anzutreiben, der einem CNG-Motor (Compressed Natural Gas, verdichtetes Erdgas) ähnelt. Eine andere Lösung besteht darin, Wasserstoff in einer Brennstoffzelle zu nutzen, um Strom für den Fahrzeugantrieb zu erzeugen. Wasserstoff kann auch als Hilfsbrennstoffzelle verwendet werden, um die Reichweite eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs zu erhöhen.
 

Was sind die Vorteile von Wasserstoff-Treibstoff?

Wenn Wasserstoff zum Antrieb einer Brennstoffzelle verwendet wird, sind die einzigen Nebenprodukte Wasser und Wärme – keine Schadstoffe oder Treibhausgase. Je nachdem, wie der Wasserstoff hergestellt wird, kann er eine extrem saubere Alternative zum Diesel sein. Wasserstoff hat auch enorme Antriebskraft: 80 kg Wasserstoff können genug Energie liefern, damit ein Lkw 800 km zurücklegen kann! Auch der Betankungsprozess von Wasserstofffahrzeugen ist schnell und einfach.

Der Antrieb von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen erfolgt elektrisch. Das bedeutet, dass das Fahrererlebnis dem von Elektro-Lkws ähnelt: kein Motorengeräusch, schnelles Anfahren und die Möglichkeit, Bremsenergie zurückzugewinnen.
 

Was sind die Nachteile von Wasserstoff-Treibstoff?

Wasserstoff ist sehr reaktionsfreudig, neigt also zur Erosion anderer Materialien und ist zudem leicht entzündlich – Faktoren, die den Transport erschweren und kostspielig machen. Ein weiteres grosses Problem sind der Mangel an und die hohen Kosten für den Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur. Es gibt derzeit nur 337 Wasserstofftankstellen weltweit, die meisten davon in Deutschland und Japan. Obwohl sich gezeigt hat, dass die bestehende CNG-Infrastruktur zum Transport und zur Speicherung von Wasserstoff genutzt werden kann, ist dies keine geeignete Lösung für Brennstoffzellen, die mit sehr sauberem Wasserstoff betrieben werden müssen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind auch teuer in der Herstellung, da die Produktion noch klein ist und manuelle Prozesse erfordert. Ein weiterer wesentlicher Kostenfaktor ist der grosse und platzraubende Wasserstofftank. Schliesslich sind die Kosten für Wasserstoff-Kraftstoff deutlich höher als bei Diesel.
 

Wie umweltfreundlich ist Wasserstoff?

Wenn Wasserstoff in einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff reagiert, entsteht nur Wasser. Wenn ein Lkw mit einer Brennstoffzelle betrieben wird, gibt es also keine schädlichen Abgasemissionen. Bei jeder Messung der Klimaauswirkungen muss aber auch der sehr energieintensive Herstellungsprozess von Wasserstoff berücksichtigt werden. Der grösste Teil des Wasserstoffs wird heute mit Kohle oder Erdgas hergestellt. Wenn der für die Produktion verwendete Strom jedoch aus erneuerbaren Energiequellen stammt, kann der Wasserstofftreibstoff einen nahezu neutralen CO2-Fussabdruck aufweisen (dies wird als „grüner Wasserstoff“ bezeichnet). Eine weitere Möglichkeit, den Fussabdruck von Wasserstoff zu reduzieren, ist Carbon Capture Storage (CCS), bei dem die CO2-Emissionen von SMR abgeschieden, transportiert und dauerhaft tief unter der Erde abgesondert werden.
 

Wasserstoff- vs. Elektro-Lkw – wie lassen sie sich vergleichen?

Damit sich eine Dieselalternative durchsetzen kann, muss sie klare Vorteile hinsichtlich Kosten, Reichweite und Verfügbarkeit der Infrastruktur bieten.  So schlagen sich Wasserstoff-Brennstoffzellen gegenüber Elektrofahrzeugen:

Kosten: Sowohl Wasserstoff-Brennstoffzellen als auch Lithium-Ionen-Batterien sind teurer als Diesel. Die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien sinken jedoch schnell. Bloomberg prognostiziert, dass der Wendepunkt – wenn Elektrofahrzeuge billiger werden als ihre Äquivalente mit Verbrennungsmotor – bereits 2022 erreicht werden könnte. Da die Entwicklung und Einführung von Wasserstofffahrzeugen bisher nur spärlich stattfindet, ist es jedoch schwierig, ähnliche Entwicklungen vorherzusagen.

Reichweite: Wasserstoff-Brennstoffzellen haben eine höhere Energiedichte als Batterien und bieten daher grössere Reichweiten für Fahrzeuge. Tatsächlich ist das Verhältnis von Energie zu Gewicht eines 700-bar-Wasserstofftanks zehnmal höher als das einer Batterie. Wasserstoff-Brennstoffzellen sind zudem leichter als Batterien, wodurch Wasserstofffahrzeuge eine höhere Nutzlast bewältigen können.

Infrastruktur: Die Entwicklung und Produktion von Lithium-Ionen-Batterien ist weit über die von Wasserstoff-Brennstoffzellen hinaus fortgeschritten. Insbesondere im Stadtverkehr haben sich Elektro-Lkw als wirtschaftlich rentabel erwiesen. Auch die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge ist viel weiter gekommen. In den USA gab es beispielsweise 2018 20.000 Elektroladestationen und weniger als 45 Wasserstofftankstellen.
 

Wird Wasserstoff Diesel- oder Elektro-Lkw ersetzen?

Wasserstoff gewinnt stark an Fahrt. Die meisten grossen Pkw- und Lkw-Unternehmen, einschliesslich Volvo Trucks, forschen, arbeiten an Lösungen und gehen Partnerschaften ein, um die Technologie zu entwickeln. Aber nicht nur die Automobilindustrie erkennt das Potenzial von Wasserstoff.

Angesichts der wachsenden Besorgnis über den Klimawandel und der Forderung nach einer ökologischen Wende nach COVID-19 zeigen die Regierungen ein grösseres Interesse (und Investitionen!) an Wasserstoff. Erst im vergangenen Mai gab die EU die Planung von Investitionen in Höhe von 750 Milliarden Euro bekannt, um umweltfreundlichen Transportverkehr und andere Branchen zu fördern. Der Plan, der auf dem Europäischen Grünen Deal fusst, hebt Wasserstoff als Priorität hervor und plant, die Technologie durch eine Investitionsagenda und freien grenzüberschreitenden Wasserstoffhandel zu fördern. Anfang des Jahres wurde ausserdem eine European Clean Hydrogen Alliance angekündigt, die Investoren mit staatlichen, institutionellen und industriellen Partnern verbindet.

Obwohl diese Entwicklungen alle auf eine Zukunft mit Wasserstoff-Lkws hindeuten, gibt es noch viele Hürden, um einen sinnvollen Beitrag zum Klima oder zur Wirtschaft zu leisten. Ein Bereich, in dem Wasserstoff jedoch vielversprechend ist, ist der anspruchsvolle Schwerlast-Fernverkehr, wo die Technologie zum Betanken eines elektrischen Antriebsstrangs verwendet werden kann. Das bedeutet, dass beide Technologien zusammenwirken können, um ein nachhaltigeres Transportsystem aufzubauen, anstatt Elektro-Lkw zu ersetzen, die besser für den Verteiler- und Regionalverkehr geeignet sind.

Zur Frage, ob Wasserstoff den Dieselmotor ersetzen könnte: der Bedarf an nachhaltigerem Verkehr weist daraufhin, dass Wasserstoff wahrscheinlich einige Dieselfahrzeuge ersetzen wird. Dies gilt insbesondere, wenn sich klare Geschäfts- und Wettbewerbsvorteile daraus ergeben.
 

Alternative Kraftstoffe: Abschätzen der Vor- und Nachteile

Wasserstoff-Brennstoffzellen, Elektro-Lkw, Biokraftstoffe, Bio-LNG… die Liste der verschiedenen Alternativen zu Diesel scheint immer länger zu werden. Als Transportunternehmen kann es schwierig sein, die zahlreichen alternativen Kraftstoffoptionen zu verstehen und entsprechen passend zu wählen. Ich habe einen Leitfaden zu Ihrer Unterstützung erstellt, der einen Überblick über die Funktionsweise der einzelnen Technologien sowie die Vor- und Nachteile gibt. 

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