Ein Auto fährt an einigen Windrädern vorbei

Was ist die umweltfreundlichste Art, Auto zu fahren? Strom aus erneuerbaren Energien spielt bei der Antwort eine große Rolle.

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    #Faktenfuchs: Brennstoffzellen im E-Auto sinnvoller als Akkus?

    #Faktenfuchs: Brennstoffzellen im E-Auto sinnvoller als Akkus?

    In den meisten Elektroautos stecken heute Lithium-Ionen-Akkus. Als Alternative gelten Brennstoffzellen, die den Strom etwa mit Hilfe von Wasserstoff erzeugen. Für die Treibhausgasbilanz ist das aber nicht die beste Lösung, zeigt dieser #Faktenfuchs.

    Um das 1,5-Grad-Ziel des Pariser Klimaabkommens zu erreichen, sollen in der EU ab dem Jahr 2035 nur noch Autos neu zugelassen werden, die kein CO2 mehr ausstoßen. Nach aktuellem Stand der Technik sind das Wagen mit Elektroantrieb. Industrie und Politik favorisieren hierbei Fahrzeuge mit Akkus als Stromspeicher. Man spricht in diesem Zusammenhang oft auch von Antriebsbatterien.

    Doch in den sozialen Netzwerken wird immer wieder der Vorwurf laut, dass die Politik damit eine bessere Alternative für E-Autos verhindere: die Brennstoffzelle. Sie würde höhere Reichweiten ermöglichen als Batterien, wird behauptet; außerdem erspare sie den langen Aufenthalt an der Ladesäule. Experten glauben allerdings, dass die Brennstoffzelle ihre Stärken eher in anderen Bereichen ausspielen könne als beim Pkw.

    Und auch einige User sind sich sicher: "Wasserstoff ist ja auch wichtig. Für vieles, Industrie, Warentransport etc. (...). Aber für PKW ist es einfach Quatsch", schreibt etwa einer auf Twitter. Andere Nutzerinnen und Nutzer meinen, dass das nicht die Politik entscheiden solle: "Weshalb überlassen wir den künftigen Mix zwischen batterie-elektrischen Fahrzeugen, Brennstoffzelle & synthetischen Kraftstoffen nicht dem Innovationswettbewerb?"

    Der #Faktenfuchs hat sich die Eigenschaften der Brennstoffzelle genauer angeschaut. Und er klärt die Frage, was umweltschonender ist: Akku oder Brennstoffzelle. Ein entscheidender Punkt ist hier, wie die Zelle Strom produziert – und mit welchen Substanzen.

    Die Brennstoffzelle: eine weltraumerprobte Stromlieferantin

    Auf Strom aus Brennstoffzellen konnten sich schon die Apollo-Astronauten in den 1960er Jahren verlassen. Die Raumschiffe hatten Wasserstoff und Sauerstoff in Tanks an Bord.

    Vereinfacht gesagt ist eine Brennstoffzelle ein geschlossenes Gefäß, in das Wasserstoff und Sauerstoff geleitet werden. Die beiden Gase reagieren dort zu H2O, also Wasser. Allerdings nicht explosionsartig mit einer Flamme, wie man das aus dem Knallgas-Versuch im Chemieunterricht kennt, sondern langsam und kontrolliert.

    Dafür sorgt unter anderem eine spezielle Schicht, die die beiden Gase im Gefäß voneinander trennt. Das kann zum Beispiel eine dünne Kunststoffhaut sein. Diese Trennschicht hat eine besondere Eigenschaft: Sie ist durchlässig für positiv geladene Wasserstoffatome.

    Die Wasserstoffmoleküle (H2) müssen sich dazu in einzelne Atome aufspalten und ihre Elektronen an eine leitende Fläche (Elektrode) abgeben. Dann kann der Wasserstoff durch die Trennschicht hindurchwandern, zum Sauerstoff auf der gegenüberliegenden Seite. Gleichzeitig fließen die Elektronen – sozusagen "außen herum" – zu einer zweiten Elektrode auf der Sauerstoffseite. Auf ihrem Weg können sie beispielsweise einen Elektromotor antreiben. An der zweiten Elektrode vereinigen sich dann Wasserstoff- und Sauerstoffatome zu Wassermolekülen (H2O).

    Wie das funktioniert, erklärt auch dieses Video.

    Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Bei einer Wasserstoff-Brennstoffzelle entsteht dabei – neben Wärme – als Reaktionsprodukt nur Wasser.

    Insgesamt klingt das nach einem geradezu perfekten Weg, um Strom für die Elektromobilität zu erzeugen. Besonders, wenn man dadurch gleichzeitig viel Batteriegewicht einsparen kann. Denn Wasserstoffgas hat eine extrem hohe Energiedichte pro Kilogramm.

    Außerdem lassen sich bei einem Pkw Wasserstofftanks im Idealfall ähnlich schnell füllen wie sonst ein Benzin- oder Dieseltank, nämlich innerhalb von drei bis vier Minuten: Wären Brennstoffzellen da nicht tatsächlich die bessere Wahl fürs Elektroauto?

    Wasserstoff bringt nicht nur Vorteile...

    So eindeutig, wie es auf den ersten Blick aussieht, ist die Sache aber nicht. Das fängt schon beim Wasserstoff an, erklärt Michael Sterner, Professor für Energiespeicher und Erneuerbare Energien an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg im Gespräch mit dem #Faktenfuchs: "Zunächst mal ist wichtig, dass Wasserstoff ein Energieträger ist und keine Energiequelle. Das heißt, er muss irgendwoher gewonnen werden."

    Es gibt keine großen Wasserstoffvorkommen, die man einfach nutzen könnte. Stattdessen muss man das Gas erst einmal produzieren. Beim momentan wichtigsten Verfahren entsteht der Wasserstoff, wenn Erdgas mit heißem Wasserdampf reagiert. Man braucht dafür aber eben Erdgas. Und das ist momentan eher für andere Einsatzbereiche gefragt. Außerdem bildet sich bei der Produktion von Wasserstoff als Abfallprodukt CO2, das in die Atmosphäre entweicht. Damit ist dieser Wasserstoff nicht klimaneutral. Experten schätzen, dass die Herstellung von Wasserstoff für rund 2 Prozent der weltweiten fossilen CO2-Emissionen verantwortlich ist. Diese Zahl nennt auch der Sachverständigenrat für Umweltfragen in seiner Stellungnahme vom Juni 2021.

    ...sondern hat auch Nachteile fürs Klima

    Hinzu kommt, dass das benötigte Erdgas zusätzlich noch auf einem anderen Weg zur Klimaerwärmung beitragen kann: über seinen Hauptbestandteil Methan. "Da gibt es das Problem, dass bei der Förderung von Erdgas, aber auch beim Transport und auch bei der Aufbereitung es immer wieder Methan-Lecks gibt", erklärt Georg Bieker vom International Council on Clean Transportation ICCT, einer gemeinnützigen Organisation, die den Verkehr umweltverträglicher machen will. Methan wirkt als Treibhausgas wesentlich stärker als CO2. "Das hat einen 30-mal höheren Treibhausgas-Effekt, wenn man es auf 100 Jahre sich anschaut", betont Bieker.

    Um Wasserstoff aus den diversen Herstellungsprozessen zu unterscheiden, ordnet man ihm jeweils eine Farbe zu. Wird bei der Dampfreformierung CO2 freigesetzt, nennt man ihn "grauen" Wasserstoff. Und von dem sollten wir uns so schnell wie möglich verabschieden, um klimaneutral zu sein, sagt Michael Sterner: "Der Königsweg ist definitiv, ihn aus Wind- und Solarenergie zu gewinnen." Das ist dann der sogenannte "grüne" Wasserstoff.

    Um den zu produzieren, braucht man elektrischen Strom aus regenerativen Quellen. Denn auch mit Strom lässt sich Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Das Verfahren heißt Elektrolyse. Auf diese Weise wird die elektrische Energie als chemische Energie gespeichert. Ein Vorgang, den die Brennstoffzelle dann quasi wieder umkehrt. Bislang gibt es weltweit nur wenige größere Elektrolyseanlagen. Die leistungsfähigste in Bayern soll im September 2022 offiziell in Betrieb gehen.

    Batterien schlagen Brennstoffzellen beim Wirkungsgrad

    Beim Aufspalten des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse wird allerdings nur ein Teil der elektrischen Energie als chemische Energie gespeichert, denn es entsteht unter anderem auch Abwärme. Muss der Wasserstoff anschließend zur Tankstelle transportiert werden, kostet das weitere Energie. Für den Tankvorgang wird das Gas komprimiert. Auch dafür ist Energie notwendig.

    Und schließlich bleibt bei der Rückverstromung in der Brennstoffzelle wieder etwas auf der Strecke. Von der elektrischen Energie, die beispielsweise Windkraft- und Photovoltaikanlagen ursprünglich einmal geliefert haben, bringt ein Brennstoffzellenfahrzeug etwa nur gut ein Viertel auf die Straße.

    Bei batterieelektrischen Fahrzeugen sind die Verluste wesentlich geringer. Expertinnen und Experten gehen aktuell davon aus, dass ein Pkw mit Wasserstoff-Brennstoffzellen rund dreimal so viel elektrische Energie für die gleiche Strecke benötigt wie ein vergleichbares batterieelektrisches Auto. Zu diesem Ergebnis kommt auch eine Studie des ICCT vom Juli 2021.

    In einer Zeit, in der es darum geht, Strom aus regenerativen Quellen in so vielen Bereichen wie möglich zu nutzen, ist dieser Unterschied ein ganz entscheidender Aspekt, betont Studienautor Georg Bieker: "Wenn man jetzt sieht, dass man sich in Deutschland sehr schwer damit tut, Erneuerbare auszubauen, muss man sich überlegen, ob man nur ein Windkraft-Rad oder vielleicht drei bauen muss, um die gleiche Anzahl an Autos betreiben zu können."

    Grüner Wasserstoff ist vielerorts vonnöten

    Das, was an zusätzlichem Ökostrom nötig wäre, wenn man bei Pkw im großen Maßstab auf Brennstoffzellen statt auf Batterien setzen würde, das braucht man im Moment dringend an anderer Stelle - auch, um grünen Wasserstoff zu produzieren. Der soll einerseits dabei helfen, unabhängig vom russischen Erdgas zu werden.

    Andererseits wird er im Rahmen der Energiewende für unterschiedliche Aufgaben benötigt. Die Anwendungsszenarien reichen von der Strom- und Wärmeversorgung über die chemische Industrie und die Stahlproduktion - bis hin zu großen Schiffen und Flugzeugen. Sie sollen in Zukunft Wasserstoff beziehungsweise wasserstoffbasierte Treibstoffe tanken, weil batterieelektrische Lösungen aus Gewichtsgründen nicht infrage kommen. Da aber derzeit, wie erwähnt, keine größeren Mengen an grünem Wasserstoff zur Verfügung stehen, ist die zweckmäßige Verteilung noch ein schwieriger Punkt.

    Doch für die Entscheidung, ob Brennstoffzellen oder Batterien im Elektroauto sinnvoller sind, muss man weitere Kriterien berücksichtigen.

    Wie klimafreundlich ist die Batterieherstellung?

    Für die Befürworter der Brennstoffzelle ist oft ein wichtiges Argument in der Diskussion, dass die Antriebsbatterien bei der Herstellung einen sehr großen CO2-Fußabdruck hinterlassen. Entsprechende Zahlen hat unter anderem der ADAC in einer Untersuchung aus dem Jahr 2018 verwendet.

    Der Automobilclub kam zu dem Ergebnis, dass große Elektrofahrzeuge mit entsprechend großen Batterien besonders im Vergleich zu Dieselfahrzeugen schlecht abschneiden, sobald man die Klimabilanz über den gesamten Lebenszyklus des Autos betrachtet. Umso mehr, wenn diese Fahrzeuge mit einem Strommix geladen werden, der noch auf einem relativ großen Anteil fossiler Brennstoffe basiert. Nach der Veröffentlichung kritisierte unter anderem das Umweltbundesamt, dass der ADAC bei seiner Analyse veraltete Daten verwendet habe. Der Automobilclub gab für das darauffolgende Jahr eine neue Studie in Auftrag.

    Aktuellere Untersuchungen, etwa von Agora Verkehrswende (2019), vom ICCT und von BloombergNEF (beide 2021), zeichnen ein deutlich anderes Bild als die ursprüngliche ADAC-Ökobilanz.

    Gute CO2-Bilanz der batterieelektrischen Autos

    Eine der jüngsten Analysen stammt von Johannes Buberger, der an der Universität der Bundeswehr München arbeitet. In einer Studie, die Anfang 2022 veröffentlicht wurde, hat er gemeinsam mit anderen Forschern ermittelt, wie viel Treibhausgas die unterschiedlichen, kommerziell erhältlichen Pkw-Modelle im Laufe ihres Lebens jeweils ausstoßen. Das fängt an bei der Förderung der Rohstoffe, geht über die Herstellung aller Komponenten und den Betrieb der Fahrzeuge bis hin zum Recycling beziehungsweise bis zu ihrer Entsorgung.

    "Das Fazit der Studie ist, dass – Stand heute – batterieelektrische Fahrzeuge mit Abstand die geringsten CO2-Emissionen über die gesamte Lebensdauer emittieren. Und zwar auch schon, wenn man sie mit dem ganz normalen Strommix in Deutschland betreibt, der zum Teil auch noch fossil ist", sagt Buberger. Das gelte besonders im Vergleich mit konventionellen Antriebsarten, in geringerem Maße aber auch für Brennstoffzellenfahrzeuge.

    Auch beim grünen Wasserstoff fallen Emissionen an

    Doch wenn man Brennstoffzellenfahrzeuge ausschließlich mit grünem Wasserstoff betankt und batterieelektrische Fahrzeuge mit Strom rein aus erneuerbaren Quellen lädt, gebe es keinen großen Unterschied mehr, erläutert der Forscher im Gespräch mit dem #Faktenfuchs. Denn Brennstoffzellenfahrzeuge starten mit einem Vorteil ins Autoleben: Sie benötigen nur eine vergleichsweise kleine und leichte Batterie mit geringer Speicherkapazität. Das schlage sich spürbar in der Gesamtbilanz nieder.

    Besonders in Asien sei die Batterieherstellung auch heute noch oft mit hohen Treibhausgas-Emissionen verbunden. Die wesentlich kleinere Batterie in einem Brennstoffzellenauto wirke sich deshalb deutlich auf den CO2-Fußabdruck aus. "Die initialen Emissionen bei der Produktion sind beim Wasserstofffahrzeug geringer", beschreibt Buberger. "Allerdings braucht man natürlich dreimal so viel grünen Strom, der auch CO2 produziert, aber halt in geringem Maße, so dass man am Ende des Fahrzeuglebenszyklus' wahrscheinlich auf eine ähnliche Größenordnung an CO2-Emissionen kommt."

    Dass der Strom "grün" ist, heißt nämlich nicht, dass bei seiner Produktion gar keine Treibhausgase freigesetzt wurden. Emissionen, die zum Beispiel beim Bau der Photovoltaikanlagen und Windräder entstehen, sind deshalb über den Stromverbrauch in die Studie mit eingeflossen.

    Zwischenfazit: Momentan kann das Brennstoffzellenauto zu wenig beitragen im Kampf gegen die Klimaerwärmung

    Solange Wasserstoff überwiegend aus Erdgas gewonnen wird, und solange dabei CO2 in die Atmosphäre gelangt, bringen Brennstoffzellenautos gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen keine Vorteile, was den Ausstoß von Treibhausgasen angeht.

    Als Ersatz für die vielen Millionen Dieselfahrzeuge und Benziner wäre die Brennstoffzellentechnologie erst dann eine sinnvolle Option, wenn grüner Strom und grüner Wasserstoff in ausreichender Menge zur Verfügung stünden. Doch beides braucht man noch auf Jahre hinaus dringender in anderen Bereichen, wenn Deutschland bis 2045 klimaneutral werden soll. Viele Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträger setzen deshalb in erster Linie auf batterieelektrische Fahrzeuge.

    Die Politik unterstützt auch Brennstoffzellen-Autos

    Dennoch ist die Politik in Deutschland – anders als es zum Teil in den sozialen Medien behauptet wird – nicht grundsätzlich gegen Brennstoffzellen-Pkw. 2019 hat zum Beispiel die damalige schwarz-rote Bundesregierung von der Automobilindustrie einen größeren Einsatz in diesem Bereich gefordert. Die jetzige Ampelkoalition konzentriert sich allerdings wieder stärker auf batterieelektrische Personenkraftwagen. Trotzdem sieht sowohl der Fortschrittsbericht zur Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung als auch die Wasserstoffstrategie der Bayerischen Staatsregierung einen Ausbau des Wasserstofftankstellen-Netzes vor, von dem auch Brennstoffzellen-Pkw profitieren würden.

    In der Wasserstoff-Roadmap Bayern vom April 2022 ist als "Meilenstein" bis 2025 die "weitflächige Etablierung von H2-Tankstellen" genannt. Und die EU-Kommission hat im Rahmen ihres "Fit for 55"-Gesetzespakets eine Verordnung vorgeschlagen, die bis 2030 unter anderem ein länderübergreifendes Netz von öffentlich zugänglichen Wasserstofftankstellen etablieren soll. Diese Tankstellen sollen dabei nicht mehr als 150 Kilometer voneinander entfernt sein.

    Das würde zunächst nur eine minimale Grundversorgung sicherstellen. Aber es wären grenzüberschreitende Fahrten auf den Hauptverkehrsverbindungen möglich. Mit diesem Ansatz folgt die Kommission der Meinung vieler Expertinnen und Experten, dass Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellen in den kommenden Jahren am ehesten im Fern- und Güterverkehr eine Rolle spielen werden. Dies könnte sich ändern, wenn grüner Wasserstoff keine Mangelware mehr ist.

    Bei Wasserstoff-Pkw zögert die Industrie

    Bislang sind europäische Hersteller zurückhaltend, wenn es um Pkw mit Brennstoffzellen geht. Dabei hat unter anderem die Mercedes-Benz Group AG solche Fahrzeuge schon seit den 1990er Jahren entwickelt und 2018 eine Kleinserie eines Brennstoffzellen-SUVs aufgelegt, allerdings nur als Leasing-Fahrzeug. Nach nicht einmal zwei Jahren wurde die Produktion wieder eingestellt. Als Begründung nannte Daimler dem ADAC unter anderem, dass im Pkw-Bereich die Batterie der Brennstoffzelle bei "einer großvolumigen Markteinführung überlegen" sei – etwa in Bezug auf Technologiekosten. Außerdem habe die Batterie auch bei der Energiedichte große Sprünge gemacht und damit den Reichweitenvorteil der Brennstoffzelle verringert.

    Auch BMW arbeitet aktuell an einem Brennstoffzellen-Fahrzeug. Eine Massenproduktion ist bislang aber nicht vorgesehen. Audi hat ebenfalls schon mehrere Jahre in die Entwicklung eines Wasserstoffautos gesteckt. Das Know-how könnte eines Tages vielleicht noch wichtig werden: wenn die Bedingungen passen – und das Interesse an Brennstoffzellen-Pkw steigen sollte.

    Darauf, dass sich eine entsprechende Nachfrage entwickelt, hoffen auch mehrere Unternehmen in Europa, die sich mit Brennstoffzellen-Lkw beschäftigen. Wasserstofftanks und Brennstoffzellen ersetzen hier Batterien, die bei einem Schwerlaster mit Elektroantrieb durchaus fünf Tonnen und mehr wiegen – und die auf langen Strecken mehrstündige Ladepausen notwendig machen können. Im Juni 2022 hat ein Firmenkonsortium einen solchen Wasserstoff-Lkw in Vilshofen vorgestellt. Auch Daimler Truck testet seit 2021 Brennstoffzellen-Technik im Lkw. 2027 soll das Modell in Serie gehen.

    Fazit

    Brennstoffzellen, die mit Hilfe von Wasserstoff emissionsfrei Strom produzieren, können bei Elektrofahrzeugen eine sinnvolle Alternative zu Batterien sein – allerdings nur unter bestimmten Voraussetzungen. So muss dafür genügend "grüner" Wasserstoff zur Verfügung stehen: also Wasserstoff, der mit Strom aus erneuerbaren Quellen hergestellt wird. Der "Umweg" über den Wasserstoff kostet jedoch eine Menge Energie. E-Autos mit Brennstoffzelle sind also tatsächlich ineffizienter als solche mit Batterie.

    Welche Rolle Brennstoffzellen-Pkw in den kommenden Jahren tatsächlich spielen werden, hängt auch davon ab, welche Fortschritte noch bei den Elektrolyseuren und Brennstoffzellen erreicht werden.

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