Wasserstoffantrieb: Das sollten Sie über die Technologie wissen

Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb gelten als Zukunft der Mobilität. Im Gegensatz zu Pkw mit Verbrennungsmotoren fahren sie lokal emissionsfrei, da sie dabei kein Kohlenstoffdioxid (CO₂) ausstoßen. Wie umweltfreundlich Wasserstoff-Autos wirklich sind, hängt allerdings von der Herstellung des alternativen Kraftstoffs ab. Wie Wasserstoff gewonnen wird und welche Herausforderungen bei Transport und Lagerung zu bewältigen sind, lesen Sie im Ratgeber.

Der Wasserstoffantrieb und die Energiewende

Autos mit Wasserstoffantrieb spielen neben Elektroautos eine wichtige Rolle bei der Energiewende. Die Europäische Kommission setzt verstärkt auf Wasserstoff, um die CO₂-Emissionen zu verringern und die Klimaerwärmung zu stoppen. Auch die Bundesregierung hat sich in ihrer „Nationalen Wasserstoffstrategie“ verpflichtet, bis 2030 neue Erzeugungsanlagen für CO₂-freien Wasserstoff bauen zu lassen. Damit soll vor allem „grüner“ Wasserstoff erzeugt werden. Übergangsweise sollen auch „blauer“ und „türkiser“ Wasserstoff (über Kohle oder Erdgas gewonnen) genutzt werden, bei deren Produktion allerdings CO₂ entsteht.

Der Wasserstoff ist nur dann komplett klimaneutral, wenn er mit regenerativen Energien wie Wind-, Solar- und Wasserkraft gewonnen wird. Zurzeit werden lediglich zwei Prozent des weltweiten Bedarfs an Wasserstoff mit Hilfe von erneuerbaren Energien hergestellt. Jedes Jahr werden übrigens etwa 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff auf der ganzen Welt produziert, davon etwa 20 Milliarden Kubikmeter in Deutschland. 

Vor allem die Chemie- und die Stahlindustrie nutzen heute schon Wasserstoff. Von den etwa 55 Terawattstunden (TWh) Energie aus Wasserstoff, die derzeit in Deutschland verbraucht werden, benötigt die chemische Industrie rund 37 TWh (das sind 1,1 Millionen Tonnen Wasserstoff) pro Jahr. Bis 2050 wird der Bedarf auf etwa 227 TWh (sieben Millionen Tonnen Wasserstoff) steigen.

Wie funktioniert der Wasserstoffantrieb?

Ein Wasserstoff-Fahrzeug ist ein E-Auto mit Brennstoffzelle. Dabei wird der Strom nicht in einer großen Batterie gespeichert, sondern während der Fahrt erzeugt. Dafür benötigt das Auto einen Wasserstofftank und die oben erwähnte Brennstoffzelle. Der Wasserstoff aus dem Tank reagiert mit dem Sauerstoff aus der Luft: Es entstehen elektrische Energie und Wärme (umgekehrte Elektrolyse). Als Abfallprodukt bleibt nur Wasser zurück.

Anders funktioniert ein Auto mit Wasserstoffmotor: Hier wird Wasserstoff nicht per Elektrolyse in einer Brennstoffzelle in Energie umgewandelt, sondern direkt als Treibstoff verwendet. Der gasförmige Wasserstoff verbrennt im Motor und treibt das Auto CO₂-neutral an.

Die Vor- und Nachteile von Wasserstoff-Autos finden Sie in unserem Ratgeber „Wasserstoff-Auto: Wie gut ist der Antrieb mit Brennstoffzelle?“.

Es gibt verschiedene Verfahren, um Wasserstoff industriell herzustellen:

• Per Elektrolyse: Wasser wird mit Hilfe von elektrischer Energie in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt; derzeit werden rund fünf Prozent des Wasserstoffs auf diese Weise erzeugt.

• Durch Dampfreformierung von Erdgas: Erdgas wird unter Druck gesetzt, erhitzt und mit Wasserdampf vermischt – dabei wird Wasserstoff freigesetzt; etwa 95 Prozent des Wasserstoffs werden so gewonnen.

Aktuell wird Wasserstoff also vor allem durch letztere Methode hergestellt. Sie ist relativ günstig, aber von einem fossilen Energieträger abhängig und damit nicht umweltfreundlich. 

Das Elektrolyse-Verfahren ist klimaneutral, wenn Ökostrom zum Einsatz kommt. Allerdings müssen die erneuerbaren Energiequellen massiv ausgebaut werden, bevor ausreichend Wasserstoff klimaneutral produziert werden kann.

Je nachdem, wie der Wasserstoff gewonnen wird, teilen ihn Hersteller in verschiedene Farben ein:

• „grüner“ Wasserstoff: Bei der Elektrolyse kommt nur Strom aus erneuerbaren Energien (Wind, Wasser, Sonne) zum Einsatz. Bisher wird Wasserstoff nur zu einem geringen Teil klimaneutral in Deutschland hergestellt.

• „grauer“ Wasserstoff: Er wird durch Dampfreformierung fossiler Brennstoffe wie Erdgas oder Kohle erzeugt. Dabei bleibt CO₂ als Abfallprodukt übrig, das in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Damit ist das Verfahren absolut klimaschädlich. Kommt bei der Elektrolyse Strom aus fossilen Energieträgern zum Einsatz, entsteht ebenfalls grauer Wasserstoff.

• „blauer“ Wasserstoff: Wird durch dasselbe Verfahren wie grauer Wasserstoff gewonnen, allerdings entweicht das CO₂ nicht in die Atmosphäre, sondern wird gespeichert oder industriell weiterverarbeitet. Die sogenannte Carbon-Capture-Storage-Technik macht es möglich, Kohlendioxid unterirdisch zu lagern. Die CO₂-Speicher unter der Erde können jedoch Leckagen haben, sodass zum Beispiel das Grundwasser verunreinigt wird.

• „brauner“ Wasserstoff: Durch die Vergasung von Braunkohle hergestellt. Dabei entstehen sehr hohe CO₂-Emissionen.

• „türkiser“ Wasserstoff: Wird durch Pyrolyse, ein thermisches Verfahren, erzeugt. Dabei wird Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. Wird der feste Kohlenstoff weiterverarbeitet, kann CO₂ freigesetzt werden.

Egal, ob für Autos mit Wasserstoffantrieb oder für die Industrie – Wasserstoff muss nach der Herstellung zu seinen Abnehmern transportiert werden. Das ist bei diesem Energieträger nicht so einfach. Denn er muss auf minus 253 Grad heruntergekühlt und unter großen Druck gesetzt werden, bis er sich verflüssigt. 

In Deutschland wollen Fernleitungsbetreiber einen Teil der bereits vorhandenen Erdgasleitungen nutzen, um den Wasserstoff zu verteilen. Etwa zehn Prozent der benötigten Strecke soll neu gebaut werden. 

Eine andere Idee, Wasserstoff zu transportieren, verfolgt das deutsche Unternehmen Hydrogenious. Es hat ein neues Konzept entwickelt, um den Energieträger chemisch zu speichern. Das funktioniert mithilfe sogenannter LOHC (= Liquid Organic Hydrogen Carriers, übersetzt: flüssige organische Wasserstoff-Träger). Dabei handelt es sich um eine Art Öl, das als Trägerflüssigkeit für den Wasserstoff verwendet wird. Mithilfe verschiedener Katalysatoren und Hitze wird dieser an das Öl gebunden. In dem Spezialöl lässt er sich leichter transportieren und lagern. An einer Tankstelle angekommen, wird der Wasserstoff aus dem Öl extrahiert.

Vorteil der LOHC-Technologie

Um ein Kilogramm Wasserstoff zu speichern, benötigte man bisher eine Druckflasche, die in etwa so groß wie ein Mensch ist. Mit der LOHC-Technik reicht ein 20-Liter-Kanister für die gleiche Menge Wasserstoff aus. So kann künftig mehr Wasserstoff zu Tankstellen transportiert werden. Große Anlagen, die dem Speichermedium den Wasserstoff entziehen, müssen jedoch noch gebaut werden. 

Weitere Herausforderungen: Diese Anlagen benötigen viel Strom für die Extraktion, der aus erneuerbaren Energiequellen kommen müsste. Zudem gibt es in ganz Europa noch viel zu wenige Wasserstoff-Tankstellen, damit Pkw, Busse und Züge den alternativen Kraftstoff nutzen können. 

Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland

Wenn Sie ein Wasserstoff-Auto kaufen wollen, finden Sie im Moment kaum eine entsprechende Tankstelle. Ende August 2021 gab es in Deutschland gerade einmal 92 H₂-Tankstellen. Etwa zehn weitere befinden sich noch in Planung oder im Bau. Zum Vergleich: An etwa 15.000 Tankstellen in Deutschland können Sie dagegen Benzin oder Diesel zapfen. Die EU fördert den Bau von 400 weiteren Wasserstoff-Tankstellen in den Mitgliedstaaten bis 2023.

Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb sind lokal emissionsfrei. Das bedeutet: Sie stoßen keine Abgase wie schädliches CO₂ aus. Allerdings fließt auch die Herstellungsart des Wasserstoffs in die Ökobilanz hinein. Wasserstoff, der aus Erdgas gewonnen wird, ist nicht klimaneutral, da auch schädliches Treibhausgas anfällt. Je mehr Strom aus erneuerbaren Energien bei der H₂-Herstellung verwendet wird, umso klimafreundlicher ist das Wasserstoff-Auto.

Ein weiterer Aspekt, der für die Ökobilanz zu berücksichtigen ist, ist die Herstellung der Brennstoffzelle. Die Hersteller verbauen darin das Edelmetall Platin. Es wird als Katalysator für die chemische Reaktion des Wasserstoffs eingesetzt. Soll es künftig noch mehr wasserstoffbetriebene Fahrzeuge geben, würde die Nachfrage nach dem seltenen Metall stark zunehmen. Große Umweltschäden beim Abbau könnten die Folge sein – vergleichbar mit denen bei der Gewinnung von Kupfer und Lithium für die Batterie bei Elektroautos. Inzwischen tüfteln Ingenieure bereits an Katalysatoren, die weniger Platin benötigen.