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Wasserstoff: Guter Stoff


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ÖKO-TEST Magazin - epaper ⋅ Ausgabe 10/2022 vom 22.09.2022
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Es ist ein Höhepunkt im Chemieunterricht: Der Lehrer mischt zwei Gase in einem Luftballon, verschließt ihn, dann zündet er das Gemisch. Ein lauter Knall erschüttert mindestens das Unterrichtszimmer. Bei dieser Knallgasreaktion reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Ohne schädliche Emissionen. Der Knall beweist, dass dabei viel Energie freigesetzt wird. Die kann man nutzen. Zum Beispiel, um Fahrzeuge anzutreiben. Wasserstofftechnologie gilt als eine zukunftsfähige Variante auf dem Weg zu emissionsarmem Verkehr. Erste Autos fahren bereits. Doch nicht alle Anwendungen sind sinnvoll. Und noch ist die Produktion von Wasserstoff vor allem eins nicht: sauber.

Das farblose Gas findet viele Abnehmer. Die Industrie benötigt es in der Produktion, beispielsweise für Düngemittel. Es dient als Speichermedium für elektrische Energie. Und es treibt Kraftfahrzeuge an. Allerdings bislang nur wenige. So ...

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... wurden von Januar bis Juli 2022 in Deutschland nach Angaben des Kraftfahrtbundesamtes (KBA) gerade mal 292 Pkw zugelassen, die Wasserstoff als Treibstoff nutzen. Das entspricht 0,2 Promille aller Neuzulassungen.

Antrieb mit Brennstoffzelle

Zwei Arten von Antrieben stehen zur Verfügung. Wasserstoff kann in Verbrennungsmotoren verbrannt werden. Der Wirkungsgrad liegt dabei zwischen den Wirkungsgraden von Benzin- und Dieselmotoren bei rund 35 Prozent, sagt Wolfram Calvet, Experte für Schadstoffminderung und Energieeinsparung im Verkehr beim Umweltbundesamt (UBA): „Im Vergleich zu einem Elektroauto mit einem Gesamtwirkungsgrad von 75 Prozent ist diese Art, aus Strom hergestellten Wasserstoff zu nutzen, ineffizient und ökologisch wenig sinnvoll.“ Tatsächlich setzt die Automobilindustrie überwiegend auf eine andere Technik: die Brennstoffzelle. Darin reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff, ohne Verbrennung. Es entsteht Wasser und Energie wird freigesetzt, und zum größten Teil in elektrische Energie umgewandelt. Calvet nennt als Faustformel einen Verbrauch von einem Kilogramm Wasserstoff pro hundert Kilometer für Pkw. Das ist Elektromobilität mit eigenem Kraftwerk an Bord.

Allerdings wird der derzeit erhältliche Wasserstoff überwiegend aus Erdgas beziehungsweise aus Methan hergestellt. Dabei wird meist Kohlendioxid (CO2) freigesetzt. Rund zwei Prozent der globalen, fossilen Treibhausgasemissionen sind auf die Produktion von Wasserstoff zurückzuführen. Darauf weist der Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) hin.

Sauberer kann die Elektrolyse sein. Dabei wird Wasser mit Hilfe von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Aus neun Kilogramm Wasser entstehen laut UBA-Experte Calvet acht Kilogramm Sauerstoff und ein Kilogramm Wasserstoff: „Daraus folgt, für eine 100 km lange Fahrt muss etwa 9 lWasser elektrolytisch zerlegt werden.“

Emissionsfrei ist das allerdings nur, wenn der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Energien stammt. Chelsea Baldino, Treibstoff-Expertin beim International Council on Clean Transportation, warnt: „Selbst wenn Wasserstoff so gewonnen wird, wird er 2030 in der EU mit dem durchschnittlichen Strommix keinen Vorteil gegenüber fossilen Treibstoffen bieten.“

Zu wenig sauberer Strom

Und genau da ist der erste Haken. Bis zum Jahr 2030 werden in Deutschland voraussichtlich bis zu 20 Terawattsunden (TWh) Strom aus erneuerbaren Energien benötigt, um grünen Wasserstoff zu erzeugen, so eine Prognose des Bundeswirtschaftsministeriums. „Dies entspricht etwa elf Prozent der Gesamtmenge des im Jahr 2020 in Deutschland erzeugten Stroms aus Wind- und Solarenergie“, stellt der SRU nüchtern fest. Anders ausgedrückt: Wird der Wasserstoff sauber, wird der Strommix für andere Anwendungen dreckiger.

WISSEN

Durch Straßen und Gassen stromern

Konkurrent E-Auto

Im Pkw-Bereich liegen batteriegetriebene Elektroautos weit vor den Wasserstofffahrzeugen. Mehr als 212.000 reine Elektrofahrzeuge wurden gemäß Kraftfahrbundesamt von Januar bis Juli 2022 neu zugelassen. Laut Bundesnetzagentur gab es Anfang Juli in Deutschland 53.652 öffentlich zugängliche Normalladepunkte sowie 9.918 öffentlich zugängliche Schnellladepunkte für Elektroautos. Und die Pkw-Stromer sind umweltfreundlicher. Das Umweltministerium verweist auf Zahlen von Agora Energiewende und Öko-Institut. Demnach beträgt die Energieeffizienz eines Elektroautos 64 Prozent im Vergleich zu 27 Prozent beim Wasserstoff. Nachteile sind die im Vergleich zum Tanken langen Ladezeiten, die Kapazitätsverluste der Batterien im Laufe der Jahre, bei zahlreichen Modellen die geringe Reichweite sowie ein Mangel an familienfreundlichen Angeboten wie Kombis. Aber letzteres ändert sich langsam. MG ist bereits mit einem auf dem Markt, Opel will 2023 folgen.

In der Politik ist man sich des Problems bewusst. So setzt beispielsweise Bayern verstärkt auf Wasserstoff. Doch in der im April 2022 veröffentlichten Wasserstoff-Roadmap Bayern wird dann schnell klar: Aufgrund der begrenzten Kapazitäten für erneuerbare Stromerzeugung in Bayern würden „große Teile des bayerischen Wasserstoffbedarfs aus dem Rest Deutschlands, dem europäischen Ausland und aus Ländern mit sehr guten Bedingungen für erneuerbare Energien außerhalb Europas gedeckt werden.“

Wassermangel

Und da ist der zweite Haken: Dort wo sehr gute Bedingungen für erneuerbare Energien, insbesondere für Photovoltaik, herrschen, wird eine andere Ressource knapp, das Wasser. Das gilt für Nordafrika ohnehin, aber zunehmend auch für Länder wie Italien und Spanien. Das Öko-Institut warnt daher: „Auch wenn die für die Wasserstoffproduktion benötigte Wassermenge im Vergleich zu anderen Verwendungszwecken wie beispielsweise in der Landwirtschaft gering ist, stellt der lokale zusätzliche Wasserbedarf in vielen Ländern mit hohem Wasserstoffexportpotenzial ein ernstes Problem dar.“ Jetzt soll es Kanada richten. Allerdings sieht dieser Plan vor, den Wasserstoff gebunden an Stickstoff zu transportieren. Dieses Molekül heißt Ammoniak. Das Öko-Institut ist skeptisch und warnt vor der Gefahr für Mensch und Umwelt im Falle eines Unfalls.

Um die von den Regierungsparteien vereinbarten Kapazitäten anschaulich zu machen, rechnet Andrea Lübcke, Leiterin Wasserstoff-Kompass bei der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech), vor: „Für die Umsetzung des im Koalitionsvertrags definierten Ziels von zehn Gigawatt Elektrolysekapazität werden etwa 0,2 Promille des vom Rhein in die Nordsee fließenden Wassers benötigt.“ Allerdings gilt das Zehn-Gigawatt-Ziel als zu niedrig. Um den tatsächlichen Bedarf zu decken, wird laut Lübcke die doppelte bis neunfache Menge benötigt. Das wären dann bis zu 1,8 Promille des Rheinwassers.

Farblehre

Je nach Produktionsverfahren wird Wasserstoff in verschiedene Kategorien eingeteilt. Ökologisch sinnvoll ist nur eine.

GRAU

Dies ist die traditionelle, weiterhin überwiegend genutzte Methode: Aus Erdgas wird technisch Wasserstoff und CO 2– das in die Atmosphäre gelangt.

BLAU

Bei diesem Verfahren wird das Kohlendioxid in unterirdischen Lagerstätten gespeichert. Dieses CCS-Verfahren wird von Umweltverbänden scharf kritisiert.

TÜRKIS

Hierbei dient ebenfalls Erdgas als Ausgangsstoff. Statt CO 2entsteht hier aber fester Kohlenstoff. Das kann für sich betrachtet CO 2-neutral sein. Kritiker bemängeln aber, dass Förderung und Transport von Erdgas grundsätzlich Umweltprobleme mit sich bringen.

GRÜN

Durch Elektrolyse aus Wasser erzeugter Wasserstoff ist unbedenklich, wenn der Strom, der bei der Elektrolyse und bei der Aufbereitung des Wassers genutzt wird, aus erneuerbaren Energien stammt.

Das kleine Gas

Wasserstoff ist das erste und am einfachsten aufgebaute Atom im Periodensystem der Elemente. Ein Proton im Kern, ein Elektron in der Schale, das war’s. Sein Symbol ist das H. Wasserstoffgas besteht aus Molekülen aus zwei H-Atomen, kurz H2. Da es sehr leicht ist – Wissenschaftler sprechen von einer geringen Dichte – hat ein Kilogramm Wasserstoff bei 0 Grad Celsius ein Volumen von 11.200 Litern.

Das klingt nicht nach viel. Aber zum Vergleich: Bereits bei zehn Gigawatt Kapazität ist es so, als würde in einer 130.000-Einwohner-Stadt jeder Einwohner täglich in die Badewanne steigen. Die derzeitigen Pläne gehen zudem davon aus, dass der Kraftfahrzeugverkehr nicht zu hundert Prozent auf Wasserstoff umgestellt wird. Denn allein für die in Deutschland zugelassenen Lkw mit einem zulässigen Gesamtgewicht von mehr als 7,5 Tonnen, für Sattelschlepper und Omnibusse wäre – auf Basis der vom KBA ermittelten jährlichen Fahrleistung – mindestens das 2,6fache an Wasser erforderlich, also rund ein halbes Promille des Rheinwassers.

Das Wasser aus dem Rhein ist jedoch für die Elektrolyse ungeeignet, ebenso Trinkwasser, das höchstens eine Vorstufe ist. „Für die Elektrolyse von Wasser sollte nur gereinigtes beziehungsweise destilliertes Wasser verwendet werden“, erklärt Wolfram Calvet vom UBA. Trink-, Fluss- und Grundwasser besäßen von Natur aus Metall-Ionen. „Mit der Zeit werden die Elektroden dadurch jedoch unbrauchbar“, sagt der Wissenschaftler. Eine weitere Variante ist Meerwasser als Ausgangsstoff. Calvet sieht in diesem Ansatz jedoch auch Probleme: „Nicht entsalztes Meerwasser, welches gelöstes Kochsalz also Natriumchlorid enthält, ist eher eine theoretische Option, da an der Anode neben gasförmigem Wasserstoff auch Chlorgas entsteht.“

Ab in die Berge

Ländern ohne Küste steht diese Option gar nicht erst zur Verfügung. Die Wasserstoffproduktion Ostschweiz in St. Gallen stellt Wasserstoff für den Einsatz im Straßenverkehr her. „Eine eigene Wasserauf bereitung filtert aus dem Trinkwasser der Wasserversorgung der Stadt St. Gallen die Mineralstoffe und andere Ionen heraus, so dass demineralisiertes Wasser entsteht, wie es für den Elektrolyseur benötigt wird“, erklärt Sprecher Roman Griessler.

Kunden sind vorhanden. Migros, Coop und Spar setzen bereits Wasserstoff-Lkw ein. Ausgerechnet die Alpennation mit ihren energetisch anspruchsvollen Bergstraßen hat sich der Kfz-Hersteller Hyundai für die Einführung seines Wasserstoff-Lkw Xcient ausgesucht. 47 Fahrzeuge sind dort mittlerweile unterwegs. 400 Kilometer Reichweite haben sie theoretisch, und der Wert hat sich in der Praxis bewährt, sagt Beat Hirschi, Vorstandsvorsitzender bei Hyundai Hydrogen Mobility: „Wir fahren im gesamten System mit Reserven, ein leerer Hyundai ist von Basel nach Mainz gefahren und hatte noch einen Füllstand von 54 Prozent.“ Nach 5 Stunden müssten die Fahrer ohnehin eine Pause einlegen, da genüge eine Reichweite von 400 Kilometern.

Diesen Sommer hat Hyundai den Xcient in Deutschland eingeführt „Frankreich, Dänemark, Österreich und Holland werden folgen“, kündigt Hirschi an. Das ist mutig. Denn während in Dänemark, Österreich und den Niederlanden nach Angaben der Plattform, die eine Übersicht über Wasserstofftankstellen bietet, zumindest ein rudimentäres Netz vorhanden ist, konzentriert sich in Frankreich bislang alles auf Paris. Zapfsäulen in anderen Regionen sind lediglich geplant. Mal eben mit dem H2-Lkw nach Montpellier, das könnte bei schonender Fahrweise noch funktionieren, zurück geht es dann aber nicht mehr. Es sei denn, Hyundai vergrößert die Tanks. 8,1 Kilogramm Wasserstoff benötigt der Xcient für 100 Kilometer. 1.368 Liter fast der Tank. Noch mal so viel, und die Reichweite verdoppelt sich. Bei einem Lkw sind zusätzliche 1,4 Kubikmeter noch unterzubringen. Beim Pkw sieht das schon anders aus.

Der Tank des Hyundai Nexo, einer von zwei Wasserstoff-Pkw auf dem deutschen Markt, fasst fast 157 Liter. Das ist ungefähr das Dreifache des Volumens bei einem Benziner oder Diesel ähnlicher Bauart. Hier zu vergrößern wird schwierig.

Toyota hat beim Konkurrenzfahrzeug Mirai das Tankvolumen im Vergleich zur ursprünglichen Version bereits erhöht. Die Japaner arbeiten derzeit an einem besonderen Brennstoffzellen-Fahrzeug: Einem Rover für eine Mondexpedition, den sie gemeinsam mit der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA entwickeln.

WISSEN

Autark dank Wasserstoff

Wasserstoff ermöglicht, Strom aus erneuerbaren Energien zu speichern und so Gebäude energieautark zu machen. Ein Beispiel: Der Standort Meckenheim des Heizungs- und Sanitärunternehmens Küpper. Eine Photovoltaikanlage liefert den Strom. Mit Überschüssen lädt das Unternehmen seine Elektrofahrzeuge und erzeugt im Sommer durch Elektrolyse Wasserstoff, den es in Tanks lagert. Platz ist für 440 Kilogramm, das entspricht circa 7.500 Kilowattstunden elektrischer Energie. Im Winter deckt der Ertrag aus den Solarmodulen nicht den Eigenbedarf. Dann erzeugt das Unternehmen durch Brennstoffzellen mit dem gespeicherten Wasserstoff Strom. Die Abwärme unterstützt die Erdsonden-Wärmepumpe am Standort beim Heizen. Vor zwei Jahren ist das Unternehmen einhundert Jahre alt geworden, und sie hätten sich gefragt, was sie die nächsten hundert Jahre machen, sagt Geschäftsführer Peter Küpper: „Die Antwort war, wir machen uns auf den Weg zum CO2-freien Unternehmen.“

Bei deutschen Herstellern tut sich im Pkw-Bereich wenig. Mercedes hat sein Wasserstoff-Auto nur von 2018 bis 2020 auf dem Markt gehabt, mit nicht nennenswerter Stückzahl. Das Unternehmen sieht die Zukunft der Brennstoffzellen-Technologie eher bei Lkw und Bussen. In diesem Bereich arbeiten so gut wie alle Hersteller an Brennstoffzellenfahrzeugen. Opel, Peugeot und Citroën – alle mittlerweile unter einem Konzerndach – bieten kleine Transporter an. Immerhin, BMW hat am 31. August die Produktion von Brennstoffzellensystemen für das Wasserstoffauto BMW iX5 gestartet.

Limitierter Radius

Tatsächlich ist Platz ein Problem. „Ein Kilogramm Wasserstoff hat bei null Grad eigentlich ein Volumen von 11.200 Litern“, sagt Calvet und erklärt zwei gängige Verfahren, um das Volumenproblem zu lösen: Verflüssigung bei tiefen Temperaturen oder Speicherung bei hohem Druck, wie 350 bar beim Xcient und 700 bar beim Nexo.

Der Nexo kommt damit zwar laut ADAC-Test mit einer Tankfüllung 540 Kilometer weit, aber dann muss er an die Zapfsäule. In vielen Ländern ist das ein Problem. Lediglich Deutschland und die Benelux-Staaten verfügen über etwas, was Netzen für den Privatverkehr zumindest nahe kommt – mit großen Lücken. Wer beispielsweise in Garmisch-Partenkirchen wohnt, muss zum Tanken nach München oder Innsbruck fahren. Ganze 94 Zapfsäulen weist für Deutschland Ende August auf.

Sinnvolle Anwendungen

Bei anderen Mobilitätsthemen hingegen ist Wasserstoff im Vorteil. Nicht nur bei Lkw. Das Beratungsunternehmen McKinsey hat die wirtschaftlich interessantesten Anwendungen herausgefiltert. „Immer dort, wo schwere Lasten, lange Strecken oder hohe Verfügbarkeiten gefragt sind“, sagt Bernd Heid, Seniorpartner bei McKinsey, „deswegen sehen wir die Anwendung insbesondere im Schwerlastverkehr, aber auch bei Fernbussen, Regionalzügen, Service- oder Taxiflotten sowie im Material Handling wie zum Beispiel bei Gabelstaplern.“