abstraktes sechseckiges Wabengitter mit hervorgehobener Wabe mit Schriftzug Hydrogen und Symbol für Wasserstoff-Tanken

So funktioniert eine Brennstoffzelle

Manchen gilt die Brennstoffzelle als die Zukunft des Elektroautos: Sie verspricht CO2-arme Mobilität bei kurzen Ladezeiten und hohen Reichweiten. Grund genug, sich die Funktionsweise und Vorteile der Technologie sowie den aktuellen Stand der Technik einmal näher anzuschauen – auch wenn sie in der breiten Masse nicht alltagstauglich einsetzbar ist. (Bild: Adobe Stock)

Manchen gilt die Brennstoffzelle als die Zukunft des Elektroautos: Sie verspricht CO2-arme Mobilität bei kurzen Ladezeiten und hohen Reichweiten. Grund genug, sich die Funktionsweise und Vorteile der Technologie sowie den aktuellen Stand der Technik einmal näher anzuschauen – auch wenn sie in der breiten Masse nicht alltagstauglich einsetzbar ist. (Bild: Adobe Stock)

Das und mehr erfahren Sie hier über die Brennstoffzelle:

  • Brennstoffzellen sind keine Energiespeicher wie Akkus, sondern Energiewandler.
  • Brennstoffzellentechnik ermöglicht hohe Reichweiten.
  • Bislang gibt es eine nur unzureichende Ladeinfrastruktur.
  • Nur zwei Hersteller bieten marktreife Modelle an.

Wenn es um Lösungen für umweltbewussten, CO2-armen Straßenverkehr geht, stehen meist reine Elektroautos im Fokus. Aber auch Brennstoffzellenfahrzeuge (FC(E)V, Fuel Cell (Electric) Vehicles) sind elektrisch und damit lokal abgasfrei unterwegs. Allerdings unterscheidet sich die Technik deutlich. Die Akkus, etwa im ID.3ID.4 oder ID.5 von Volkswagen, speichern Energie, eine Brennstoffzelle wandelt Energie um.

Brennstoffzellen sollen zudem – im Vergleich mit heutiger Batterietechnik – größere Reichweiten und kürzere Ladezeiten ermöglichen: Ladezeiten von drei bis fünf Minuten für eine Strecke von 700 Kilometern erscheinen vielversprechend. Diesen Vorteilen steht jedoch auch eine Reihe von Hindernissen entgegen, die den flächendeckenden Einzug der durchaus ausgereiften Technologie im Pkw-Markt bislang verhindert haben. So sind die Kosten für das Brennstoffzellensystem noch relativ hoch, die Auswahl an Fahrzeugmodellen hingegen klein. Daher fahren klimabewusste Autofahrerinnen und Autofahrer auch mittelfristig mit „klassischer“ Elektromobilität besser.

So funktioniert eine Brennstoffzelle

Wenn heute von Brennstoffzellen (Fuel Cell) gesprochen wird, dann ist meist die „Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle“ gemeint. Anders als beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku ist diese kein Energiespeicher, sondern ein Energiewandler: In Brennstoffzellen reagiert ein Brennstoff mit einem Oxidationsmittel – bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle sind dies Wasserstoff, der konstant aus einem Tank zugeführt wird, und Sauerstoff. Bei dieser Reaktion entstehen elektrische Energie und Wärme. Die Wärme wird in der Regel abgeleitet. Da es bei diesem Vorgang – anders als in einem „normalen“ Motor – keine klassische Verbrennung gibt, spricht man auch von „kalter Verbrennung“. Die ist besonders effizient, und es wird keine elektrische Energie von außen benötigt, da der Brennstoff Wasserstoff von sich aus mit dem Sauerstoff zu Wasser reagieren will.

Kaum schädliche CO2-Emissionen

Wasser bzw. Wasserdampf – bei reinem Wasserstoffbetrieb – ist letztlich die einzige lokale Gas-Emission, die bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellen anfällt. Anders als bei Verbrennern, bei denen CO2 und andere Treibhausgase entstehen, hat die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle den Vorteil, dass keine Stickoxide oder andere unerwünschte Verbrennungsprodukte anfallen. Außer Feinstaub von Brems- und Reifenabrieb arbeiten sie vor Ort praktisch schadstofffrei.

Im Unterschied zu Elektroautos, in denen ein großer Akku eingesetzt wird, sind in Brennstoffzellenautos nur kleine Batterien verbaut, die als Zwischenspeicher für den erzeugten Strom fungieren. Diese Batterien können zum Beispiel per Rekuperation die Bewegungsenergie beim Bremsen aufnehmen und speichern.

Eine Hand greif nach einem Wasserstoff-Tankrüssel.
Wasserstoff wird mit hohem Druck in den Tank des Autos gepresst. (Bild: Adobe Stock)

Das Tanken

Der für den Antrieb benötigte Wasserstoff wird in einem superisolierten, doppelwandigen Tank – in der Regel aus kohlefaserverstärktem Kunststoff – unter hohem Druck von 350 bzw. 700 bar gespeichert. Die damit erzielbare Speicherdichte reicht aus, um Reichweiten von mehr als 500 Kilometer zu realisieren. Die Reichweite hängt auch davon ab, ob mit 350 bar oder 700 bar getankt wird: Ein 700 bar Tank kann etwa 30 Prozent mehr Energie fassen als ein Tank mit 350 bar. Der Tankvorgang selbst ähnelt dem konventionellen Tanken und dauert etwa drei bis fünf Minuten.

Brennstoffzellen-Technologie ist sauber

Die Brennstoffzellentechnologie an sich ist also sauber. Doch wie groß ist der Treibhausgas-Fußabdruck dieses alternativen Antriebskonzepts, wenn man es ganzheitlich betrachtet? Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben in einer Studie im Auftrag der H2 Mobility Deutschland, einem Betreiber von Wasserstoff-Tankstellen, einen Lebenszyklus-Vergleich von Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen durchgeführt. Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnologie schnitten in der Studie bei höheren Reichweiten bei den Treibhausgas-Emissionen besser ab als Batteriefahrzeuge. Die Studie zeige, dass sich Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge ergänzen, so Dr. Christopher Hebling, Bereichsleiter Wasserstofftechnologien am Fraunhofer ISE.

Weitere Vorteile der Brennstoffzellen-Technologie

  • Da der elektrische Strom nicht vorab gespeichert werden muss, sondern im Fahrzeug selbst durch Verbrennung erzeugt wird, ist letztlich die Tankgröße der wichtigste Faktor für die Reichweite.
  • In der Brennstoffzelle sind kaum bewegliche Teile verbaut, die Fahrzeugtechnik ist verschleiß- und wartungsarm, die Lebensdauer entsprechend hoch.
  • Die Anschaffung von Brennstoffzellenfahrzeugen wird mit einem Umweltbonus1 gefördert wie bei Elektroautos. Sie sind außerdem bei Zulassung bis 2025 bis max. 2030 von der Kfz-Steuer befreit.

Nachteile der Brennstoffzellen-Technik

Warum diese saubere Antriebsart trotz aller Vorteile noch nicht ihren Durchbruch feiern konnte, wird deutlich, wenn man einen Blick auf die praktischen Herausforderungen wirft. Der Hauptnachteil: Die Technik ist vergleichsweise ineffizient – hinsichtlich der Kosten und des Wirkungsgrades.

  • Die Anschaffungskosten sind durch das kostenintensive Brennstoffzellensystem und den dabei benötigten Platinanteil relativ hoch.
  • Der Preis für Wasserstoff ist – verglichen mit Strom – hoch und führt zu deutlich höheren Energiekosten als bei vergleichbaren Dieselfahrzeugen oder Benzinern (neun bis zwölf Euro je 100 Kilometer für wasserstoffbetriebene, aber nur zwei bis sieben Euro je 100 Kilometer – je nach Strompreis – für batteriebetriebene E-Autos).
  • Während batterieelektrische Fahrzeuge (modellabhängig) Wirkungsgrade zwischen 70 und 80 Prozent erreichen können, beträgt der Gesamtwirkungsgrad bei Brennstoffzellenfahrzeugen (von der Stromerzeugung über die Elektrolyse und die Wasserstoffverteilung bis hin zum Fahrzeug und über die Brennstoffzelle bis zum elektrischen Antriebsmotor) rein rechnerisch nur rund 30 Prozent.
  • Die Gesamt-Emissionsbilanz ist abhängig von der Art, wie der verstromte Wasserstoff erzeugt wird. Er kann sowohl mittels fossiler als auch mittels erneuerbarer Energiequellen gewonnen werden.
  • Anders als beim Strom für ein reines Elektroauto kann die Besitzerin oder der Besitzer den „Treibstoff“ für sein Fahrzeug nicht selbst erzeugen und laden, wie mit einer Photovoltaikanlage und einer Wallbox, etwa einem ID. ChargerOpens an external link2.

Die energieintensive Wasserstoff-Herstellung 

Die Brennstoffzelle benötigt als Energielieferant Wasserstoff (H2). Der liegt in der Natur nicht in reiner, sondern nur in chemisch gebundener Form vor (z. B. in Wasser, Erdöl und Erdgas), und muss erst aufwändig gewonnen werden. Diese Herstellung wiederum ist sehr energieintensiv. Aktuell stammen 98 Prozent der weltweiten Wasserstoffproduktion aus fossilen Quellen, meist Erdgas. Reiner Wasserstoff lässt sich allerdings auch durch Elektrolyse aus Wasser gewinnen: Verwendet man dabei Strom aus erneuerbaren Energien, hat man regenerativen Wasserstoff, der nahezu klimaneutral ist.

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Wer klimabewusste Mobilität möchte, setzt mit einem reinen Elektroauto also auch langfristig auf die richtige Technologie und profitiert von einer großen Modellauswahl auch für Einsteiger. Warum nicht einmal eine Probefahrt vereinbaren? Besuchen Sie alternativ unseren Online-Konfigurator und stellen sich schon jetzt Ihr nächstes Traumauto zusammen.

4.
Bildliche Darstellungen können vom Auslieferungszustand abweichen.
5.
Tiguan eHybrid: Kraftstoffverbrauch in l/100 km: kombiniert 2,0–1,8; Stromverbrauch in kWh/100 km: kombiniert 14,0–13,4; CO₂-Emission in g/km: kombiniert 46–42; Effizienzklasse: A+++.

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Disclaimer von Volkswagen AG

1.

Mit Stand vom 02.06.2022 setzt sich der Umweltbonus für Elektrofahrzeuge, die sich zum Zeitpunkt des Antrags auf der Liste der förderungsfähigen Fahrzeuge des Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) befinden, derzeit zu zwei Dritteln aus einem staatlichen Anteil (Bundesanteil), der vom BAFA, Referat 422, Frankfurter Straße 29–35, 65760 Eschborn, www.bafa.de ausgezahlt wird, sowie zu einem Drittel  aus einem Herstelleranteil zusammen, sofern das Fahrzeug nach dem 03.06.2020 und bis zum 31.12.2022 zugelassen wird. Der Erwerb (Kauf oder Leasing) darf nicht zugleich mit anderen öffentlichen Mitteln gefördert werden, es sei denn, der jeweilige Fördermittelgeber hat eine Verwaltungsvereinbarung mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geschlossen. Antragsberechtigt sind Privatpersonen, Unternehmen, Stiftungen, Körperschaften und Vereine. Das Fahrzeug muss mindestens 6 Monate in Deutschland auf den/die Antragsteller(in) zugelassen werden. Wird das Fahrzeug geleast kann die jeweils volle Fördersumme nur ab einem Leasingzeitraum von mindestens 24 Monaten gewährt werden. Der Umweltbonus endet mit Erschöpfung der bereitgestellten Fördermittel.  

Beim Erwerb eines neuen reinen Elektrofahrzeugs beträgt der Umweltbonus für Basismodelle bis zu einem BAFA-Nettolistenpreis von 40.000 Euro derzeit 9.000 Euro (verdoppelter Bundesanteil i. H. v. 6.000 Euro, Herstelleranteil i. H. v. 3.000 Euro), von über 40.000 Euro bis zu maximal 65.000 derzeit Euro 7.500 Euro (verdoppelter Bundesanteil i. H. v. 5.000 Euro, Herstelleranteil i. H. v. 2.500 Euro), sofern das Fahrzeug erstmalig zum Straßenverkehr zugelassen wird.

Beim Erwerb eines neuen Hybridelektrofahrzeugs beträgt der Umweltbonus für Basismodelle bis zu einem BAFA-Nettolistenpreis von 40.000 Euro derzeit 6.750 Euro (verdoppelter Bundesanteil i. H. v. 4.500 Euro, Herstelleranteil i. H. v. 2.250 Euro), von über 40.000 Euro bis zu maximal 65.000 Euro derzeit 5.625 Euro (verdoppelter Bundesanteil i. H. v. 3.750 Euro, Herstelleranteil i. H. v. 1.875 Euro), sofern das Fahrzeug erstmalig zum Straßenverkehr zugelassen wird.

Beim Erwerb eines gebrauchten reinen Elektrofahrzeugs beträgt der Umweltbonus derzeit insgesamt EUR 7.500 Euro (verdoppelter Bundesanteil i.H. v. 5.000 Euro, Herstelleranteil i. H. v. 2.500 Euro), bei einem gebrauchten Hybridelektrofahrzeug derzeit insgesamt 5.625 Euro (verdoppelter Bundesanteil i. H. v. 3.750 Euro, Herstelleranteil i. H. v. 1.875 Euro). Das Fahrzeug muss nach dem 04.11.2019 in der EU erstzugelassen sowie nach dem 03.06.2020 und bis zum 31.12.2022 zweitzugelassen worden sein. Das Fahrzeug darf maximal für  einen Zeitraum von maximal 12 Monaten erstzugelassen gewesen sein und eine Laufleistung von maximal 15.000 Kilometern aufweisen. Das Fahrzeug darf noch nicht durch den Umweltbonus oder eine vergleichbare staatliche Förderung eines anderen Mitgliedsstaates der EU gefördert worden sein. Der Umweltbonus kann gewährt werden, sofern der Kaufpreis des Gebrauchtfahrzeugs maximal einen Schwellenwert erreicht, der aus 80 Prozent des Listenpreises des Neufahrzeugs (brutto, inklusive Sonderausstattung und ohne Berücksichtigung von Preisnachlässen) abzüglich des Bruttoherstelleranteils gebildet wird. Entsprechendes gilt für Leasingfahrzeuge.

Der Herstelleranteil, übernommen von der Volkswagen AG, wird automatisch vom Nettolistenpreis abgezogen und mindert somit die gesetzliche Umsatzsteuer. Die Gewährung des Herstelleranteils am Umweltbonus berechtigt nicht automatisch zum Erhalt des Bundesanteils.

Über die Auszahlung des Bundesanteils entscheidet ausschließlich das BAFA anhand der Förderbedingungen und nach Ihrem Antrag. Der Antrag auf Gewährung des Bundesanteils am Umweltbonus muss spätestens ein Jahr nach Zulassung über das elektronische Antragsformular unter www.bafa.de eingereicht werden. Anträge auf Förderung mit einem verdoppelten Bundesanteil (Innovationsprämie) müssen beim BAFA spätestens bis zum 31.12.2022 gestellt werden.

Die Gewährung des Umweltbonus beim Erwerb eines neuen reinen Elektrofahrzeugs oder Hybridelektrofahrzeugs mit gleichen Bundes- und Herstelleranteilen endet spätestens am 31.12.2025. In welcher Höhe und unter welchen Bedingungen der Umweltbonus nach dem 31.12.2022 gewährt wird, ist derzeit noch nicht bekannt.

Ein Rechtsanspruch besteht nicht. Das hier Dargestellte dient ausschließlich Ihrer Information und hat keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Änderungen und Irrtümer vorbehalten. Nähere Informationen erhalten Sie bei Ihrem Volkswagen Partner oder unter www.bafa.de.

2.
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  • Die angegebenen Verbrauchs- und Emissionswerte wurden nach den gesetzlich vorgeschriebenen Messverfahren ermittelt. Seit dem 1. September 2017 werden bestimmte Neuwagen bereits nach dem weltweit harmonisierten Prüfverfahren für Personenwagen und leichte Nutzfahrzeuge (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure, WLTP), einem realistischeren Prüfverfahren zur Messung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen, typgenehmigt. Ab dem 1. September 2018 wird der WLTP schrittweise den neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) ersetzen. Wegen der realistischeren Prüfbedingungen sind die nach dem WLTP gemessenen Kraftstoffverbrauchs- und CO2-Emissionswerte in vielen Fällen höher als die nach dem NEFZ gemessenen. Dadurch können sich ab 1. September 2018 bei der Fahrzeugbesteuerung entsprechende Änderungen ergeben. Weitere Informationen zu den Unterschieden zwischen WLTP und NEFZ finden Sie unter www.volkswagen.de/wltp. Aktuell sind noch die NEFZ-Werte verpflichtend zu kommunizieren. Soweit es sich um Neuwagen handelt, die nach WLTP typgenehmigt sind, werden die NEFZ-Werte von den WLTP-Werten abgeleitet. Die zusätzliche Angabe der WLTP-Werte kann bis zu deren verpflichtender Verwendung freiwillig erfolgen. Soweit die NEFZ-Werte als Spannen angegeben werden, beziehen sie sich nicht auf ein einzelnes, individuelles Fahrzeug und sind nicht Bestandteil des Angebotes. Sie dienen allein Vergleichszwecken zwischen den verschiedenen Fahrzeugtypen. Zusatzausstattungen und Zubehör (Anbauteile, Reifenformat usw.) können relevante Fahrzeugparameter, wie z. B. Gewicht, Rollwiderstand und Aerodynamik, verändern und neben Witterungs- und Verkehrsbedingungen sowie dem individuellen Fahrverhalten den Kraftstoffverbrauch, den Stromverbrauch, die CO2-Emissionen und die Fahrleistungswerte eines Fahrzeugs beeinflussen. Weitere Informationen zum offiziellen Kraftstoffverbrauch und den offiziellen, spezifischen CO2-Emissionen neuer Personenkraftwagen können dem „Leitfaden über den Kraftstoffverbrauch, die CO2-Emissionen und den Stromverbrauch neuer Personenkraftwagen“ entnommen werden, der an allen Verkaufsstellen und bei der DAT Deutsche Automobil Treuhand GmbH, Hellmuth-Hirth-Str. 1, 73760 Ostfildern-Scharnhausen (www.dat.de/co2) unentgeltlich erhältlich ist. Effizienzklassen bewerten Fahrzeuge anhand der CO2-Emissionen unter Berücksichtigung des Fahrzeugleergewichts. Fahrzeuge, die dem Durchschnitt entsprechen, werden mit D eingestuft. Fahrzeuge, die besser sind als der heutige Durchschnitt werden mit A+++, A++, A+, A, B oder C eingestuft. Fahrzeuge, die schlechter als der Durchschnitt sind, werden mit E, F oder G beschrieben. Die hier gemachten Angaben beziehen sich jeweils auf die EG-Typgenehmigung des gewählten Modells und dessen Serienausstattung gem. Richtlinie 2007/46/EG. Von Ihnen im Zuge der Konfiguration gewählte Sonderausstattung kann dazu führen, dass Ihr konfiguriertes Modell aufgrund der gewählten Ausstattung einem anderen genehmigten Typ entspricht, als dies ohne gewählte Sonderausstattung der Fall wäre. Daraus können sich Abweichungen der Angaben für Ihr konfiguriertes Modell ergeben. Bei den angegebenen CO2-Werten handelt es sich um die Werte, die im Rahmen der Typgenehmigung des Fahrzeugs ermittelt wurden.
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