Brennstoffzellenautos (FCEV)
Brennstoffzellenfahrzeuge (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) werden über einen Elektromotor angetrieben und zählen damit ebenfalls zu den Elektrofahrzeugen.
Die verwendete Technik und der Aufbau der Fahrzeuge sind ähnlich zu den rein batterieelektrischen Fahrzeugen.
Der entscheidende Unterschied ist, dass Brennstoffzellenfahrzeuge ihre elektrische Energie durch eine chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle beziehen und mit Wasserstoff betankt werden. FCEVs fahren emissionsfrei und geräuscharm.
Inhalt
Zusammenfassung
- Brennstoffzellenfahrzeuge werden von einem Elektromotor angetrieben und mit Wasserstoff betankt.
- FCEVs stoßen beim Fahren keine CO2-Emissionen und Luftschadstoffemissionen (Abgase) aus.
- Die Herstellung von Wasserstoff kann Treibhausgase verursachen, wenn dieser aus Erdgas hergestellt wird (so genannter „grauer Wasserstoff”). Dagegen wird so genannter „grüner“ Wasserstoff aus erneuerbaren Energien gewonnen und ist entsprechend klimafreundlich und auf Dauer nachhaltig.
- Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellenfahrzeugen ist deutlich niedriger als der von rein batteriebetriebenen Fahrzeugen und nicht viel höher als der von Verbrennern.
- Brennstoffzellen-Pkw sind derzeit noch kaum verbreitet, es gibt aktuell nur wenige Hersteller und Wasserstofftankstellen. FCEVs erreichten im Jahr 2023 einen Anteil von unter 0,1 Prozent an allen Pkw-Neuzulassungen in Deutschland.
Funktionsweise
Brennstoffzellenfahrzeuge besitzen einen Elektromotor und eine Batterie, welche aber deutlich kleiner ist als die Antriebsbatterie von rein batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen und lediglich zur Zwischenspeicherung des erzeugten Stroms dient. Zudem haben die Pkw einen Tank, in dem gasförmiger Wasserstoff bei einem Druck von in der Regel bis zu 700 bar gespeichert ist. Ein typisches Brennstoffzellenfahrzeug (Pkw) hat eine Kapazität von zirka 5 - 8 Kilogramm Wasserstoff.
In der Abbildung ist der Aufbau eines Brennstoffzellen-Pkw schematisch dargestellt: Der Wasserstoff wird aus dem Tank in die Brennstoffzelle geleitet, wo der Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser reagiert und dabei elektrische Energie frei wird. Als "Abgas" entsteht lediglich Wasser, weshalb Brennstoffzellenfahrzeuge direkt keine CO2-Emissionen oder Luftschadstoffemissionen ausstoßen.
Die erzeugte elektrische Energie wird als Strom von dem Elektromotor genutzt, um das Fahrzeug anzutreiben. Wie auch bei batteriebetriebenen Fahrzeugen kann zudem durch Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung) Bremsenergie in Strom umgewandelt und in der Batterie gespeichert werden.
Reichweite
Die Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeugen ist geringer als die von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Sie können jedoch genauso schnell wie Benzin- oder Dieselautos betankt werden, während bei Elektrofahrzeugen ein Schnellladestopp von 20 bis 30 Minuten für 80 Prozent Ladung üblich ist.
Grundsätzlich ist die Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeugen abhängig von der Menge an mitgeführtem Wasserstoff und dem Verbrauch.
Für die maximale Kapazität des Wasserstofftanks sind dessen Größe und der Tankdruck ausschlaggebend. Bei derzeit verfügbaren Pkw-Modellen kommt der 700 bar Standard zum Einsatz, mit Kapazitäten von zirka 5 - 6 Kilogramm. Damit kommt ein Brennstoffzellen-Pkw mit einer Tankfüllung bis zu 650 Kilometer weit. Im Gegensatz zu batterieelektrischen Fahrzeugen ist die Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeugen weit weniger abhängig von der Umgebungstemperatur.
Kosten
Die Kosten für Fahrzeuge mit einem Brennstoffzellenantrieb setzen sich vorrangig aus den Anschaffungskosten für das Fahrzeug sowie den Betriebskosten zusammen. Zu Letzteren gehören die Betankungs-, Wartungs- und Reparaturkosten sowie die Versicherungskosten und die Kfz-Steuer.
Modellangebot und Anschaffungskosten
Brennstoffzellenfahrzeuge ergänzen die Auswahl an umweltfreundlichen Fahrzeugen mit alternativen Antrieben. Momentan haben sie jedoch weltweit noch einen sehr geringen Marktanteil, in Deutschland liegt der Anteil an allen Neuzulassungen bei unter 0,1 Prozent. Gründe hierfür sind vor allem die hohen Anschaffungskosten, schwankende Wasserstoffpreise sowie generell die hohen Kosten für das Wasserstofftanken und der Mangel an Wasserstofftankstellen.
Die Anschaffungskosten für FCEV sind auf Basis der wenigen verfügbaren Modelle nicht gut vergleichbar. Zur Handvoll der in Deutschland bestellbaren Modelle zählen der Toyota Mirai und der Hyundai Nexo, die bei einem Listenpreis von 65.990 Euro bzw. 77.290 Euro starten. Das Pkw-Modell iX5 Hydrogen von BMW ist ein reines Konzeptfahrzeug, welches derzeit nicht käuflich erhältlich ist. Das Pkw-Modell GLC F-CELL von Mercedes-Benz kombinierte die Brennstoffzellen- und Batterietechnik zu einem rein elektrischen Plug-in-Hybrid mit null lokalen Emissionen, wurde vom Unternehmen aber wieder vom Markt genommen.
Betriebskosten
Für Autos mit Brennstoffzellenantrieb, die bis zum 31. Dezember 2025 neu zugelassen werden, wird wie bei batterieelektrischen Autos bis zum 31. Dezember 2030 keine Kfz-Steuer fällig. Wartungs- und Reparaturaufwand kann aufgrund der geringeren Komplexität des Elektroantriebs geringer ausfallen als bei Verbrennerfahrzeugen, allerdings können Arbeiten an der Brennstoffzelle oder dem Wasserstofftank nicht von allen Werkstätten durchgeführt werden, wodurch höhere Kosten entstehen können.
Energiekosten und Energieverbrauch
Aktuell existiert mit H2-Mobility nur ein Betreiber von Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland, der etwa 80 Stationen betreibt. Der Tankstellenpreis pro Kilogramm Wasserstoff lag im Juni 2024 bei 15,54 Euro. Mit einem Referenzverbrauch von 0,89-0,79 Kilogramm pro 100 Kilometer liegen die Kraftstoffkosten von Brennstoffzellenfahrzeugen damit in etwa auf dem Niveau von Benzinern, jedoch höher als bei Diesel- und Elektrofahrzeugen.
Aufgrund der Energieverluste bei Herstellung, Transport/Kompression und der Wiederverstromung in einer Brennstoffzelle ist der Wirkungsgrad von Brennstoffzellenfahrzeugen insgesamt kaum besser als derjenige von verbrennungsmotorischen Fahrzeugen. Dies gilt auch für den Einsatz von ausschließlich erneuerbarem Strom. Mit einer bestimmten Menge Energie sind daher mit einem Brennstoffzellenfahrzeug weit weniger „Kilometer“ möglich als beim direkten Einsatz von Strom über eine Batterie.
Zum Pkw-KostenrechnerUmweltwirkung
Brennstoffzellenfahrzeuge stoßen beim Fahren ausschließlich Wasser und weder CO2 noch andere Schadstoffemissionen aus. Auf dem Pkw-Label werden sie folglich der höchsten CO2-Klasse „A“ zugeordnet. Im Fahrbetrieb werden lediglich Feinstaubemissionen durch Reifen- und Bremsabrieb verursacht, wobei der Bremsabrieb durch die Rekuperation niedriger ausfällt als bei Verbrennern. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten (<25 km/h) sind sie zudem geräuschärmer als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.
Zu berücksichtigen sind jedoch entstehende Treibhausgasemissionen bei der Bereitstellung des Energieträgers Wasserstoff sowie bei der Fahrzeugproduktion. Eine wesentliche Treibhausgasminderung kann durch die Nutzung von so genanntem „grünem“ Wasserstoff erreicht werden, der im Elektrolyseverfahren mit erneuerbarem Strom erzeugt wird und damit nahezu klimaneutral ist. Bei Verwendung von so genanntem „grauem“ Wasserstoff, der aus Erdgas hergestellt wird, sind lediglich geringe CO2-Einsparungen gegenüber Fahrzeugen mit konventionellen Benzin- und Dieselmotoren festzustellen. Um eine Reduktion von Treibhausgasen durch Brennstoffzellenfahrzeuge zu erreichen, ist demzufolge die Verwendung von „grünem“ Wasserstoff entscheidend.
Die weiteren Umweltwirkungen von Brennstoffzellenfahrzeugen sind wie bei anderen Fahrzeugen aus einer Lebenszyklusbilanz ablesbar. Hier fallen grundsätzlich ähnliche Umweltwirkungen wie bei batterieelektrischen Fahrzeugen an, wobei der Wirkungsgrad bei Brennstoffzellenfahrzeugen geringer und der Energiebedarf zur Wasserstofferzeugung höher ist. Hinzukommen die Umweltwirkungen zur Herstellung des Brennstoffzellensystems, für welches unter anderem Platin benötigt wird.
Rechtlicher Hinweis
Die Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) informiert im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz mit dieser Informationsplattform zur Verkehrs- und Mobilitätswende. Darüber hinaus erhalten Hersteller und Händler Informationen zur Umsetzung der novellierten Pkw-Energieverbrauchskennzeichnungsverordnung (Pkw-EnVKV). Dabei handelt es sich um allgemeine Hinweise, die nicht rechtsverbindlich sind. Für konkrete Fragen ist ggf. eine Rechtsberatung einzuholen. Die dena übernimmt keine Haftung für die Richtigkeit der mittels des Online-Tools zur Erstellung eines Pkw-Labels berechneten Ergebnisse. Entscheidend sind u. a. die Herstellerangaben.
