Wasserstoff im Verkehr: Häufig gestellte Fragen (FAQs) | Umweltbundesamt

Frage 1: Wie kann Wasserstoff im Verkehr eingesetzt werden und welche Ziele werden damit verfolgt?

Um Deutschlands Klimaziele zu erreichen, muss der Verkehr in Deutschland bis spätestens 2050 treibhausgasneutral werden. Als Zwischenziel hat die Bundesregierung beschlossen, die Treibhausgasemissionen des Verkehrs bis 2030 gegenüber 1990 um 42 Prozent zu reduzieren. Wasserstoff könnte eine Option sein, den Verkehr zu dekarbonisieren – zumindest, wenn „grüner“ Wasserstoff, hergestellt aus Strom aus erneuerbaren Energien, verwendet wird (siehe Frage 2). Im Verkehr kann Wasserstoff dabei direkt als alternativer Kraftstoff im Fahrzeug, Flugzeug oder Schiff eingesetzt werden und ist damit Teil der Energiewende im Verkehr. Dabei kann Wasserstoff entweder in Verbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen, in denen Strom zum Betrieb von Elektromotoren erzeugt wird, verwendet werden (siehe Frage 3). In diesem FAQ wird Wasserstoff insbesondere im Rahmen der Energiewende im Verkehr diskutiert. Zur Erreichung der Klimaschutzziele im Verkehr ist gleichzeitig die Umsetzung einer Verkehrswende notwendig, durch die Verkehr vermieden wird, Verkehr auf umweltverträgliche Verkehrsmittel verlagert wird und Fahrzeuge sowie das Verkehrssystem effizienter werden.

Wird Wasserstoff in Brennstoffzellen genutzt, entstehen zumindest lokal keine schädlichen Abgase. Kommerziell nutzbare Schiffe und Flugzeuge mit Brennstoffzellen zur Nutzung von Wasserstoff sind jedoch erst im Entwicklungsstadium. Im Pkw-Bereich gab und gibt es Serienproduktionen mit insgesamt nur kleinen Stückzahlen von einigen Zehntausend Fahrzeugen. Fahrzeuge mit Elektromotoren müssten daher in den verschiedenen Bereichen erst einmal stärker in den Markt kommen, bevor Wasserstoff auf diesem Wege im Verkehr genutzt werden kann. Zur Erreichung der Klimaschutzziele 2030 für den Verkehrssektor kann Wasserstoff als Kraftstoff selbst unter optimistischen Bedingungen nur einen geringen Beitrag leisten. In mobilen Anwendungen muss der Wasserstoff zudem in Tanks gespeichert werden. Hierzu muss er aufwändig unter Energieverbrauch komprimiert oder durch Abkühlung verflüssigt werden.
Im Vergleich zur Nutzung von grünem Wasserstoff im Verkehr ist die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom in batterieelektrischen Fahrzeugen energieeffizienter, kostengünstiger und klimafreundlicher. Im Straßenverkehr ist die Nutzung von grünem Wasserstoff sogar die volkswirtschaftlich teuerste Option aller postfossilen Antriebe und Kraftstoffe, die langfristig einen treibhausgasneutralen Verkehr ermöglichen. Wasserstoff im Verkehr sollte daher, wenn überhaupt nur in den Bereichen eingesetzt werden, in denen eine direkte Nutzung von erneuerbarem Strom nicht möglich ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein hoher Energiebedarf oder große Reichweiten erforderlich sind, wie beispielsweise im Seeverkehr, im internationalen Flugverkehr oder unter bestimmten Umständen im Straßengüterfernverkehr. Der Schienenverkehr kann mindestens mittelfristig nahezu vollelektrisch betrieben werden – ein Markthochlauf des Einsatzes von grünem Wasserstoff oder der Brennstoffzelle ist hier nicht notwendig.

Eine andere Art der Nutzung von Wasserstoff im Verkehr stellt die Herstellung von synthetischen gasförmigen und flüssigen Kraftstoffen dar. Wasserstoff wird dann als Zwischenprodukt zur Herstellung von synthetischem Methan (Power-to-Gas-Methan/⁠PtG⁠-Methan), E-Fuels (auch Power-to-Liquids/⁠PtL⁠) oder Ammoniak verwendet. Zur Erreichung der Klimaschutzziele im Jahr 2030, aber insbesondere auch der Ziele 2050 für den Luft- und Seeverkehr sind diese Nutzungen von Wasserstoff die vielversprechendere Option (siehe Fragen 11 und 12).

Ein ganz anderer Weg, „grünen“ Wasserstoff zu verwenden, ist der Einsatz in Erdölraffinerien zur Herstellung von konventionellem Benzin, Diesel und Kerosin. Heute wird dabei fossiler Wasserstoff genutzt (siehe Frage 14). Diesen zu ersetzen würde sich indirekt über die Treibhausgasminderung im Industriesektor bei der Erreichung der deutschen Klimaschutzziele bemerkbar machen.

Frage 2: Was ist Wasserstoff? Worin unterscheiden sich grüner, blauer, türkiser und grauer Wasserstoff?

Wasserstoff ist farblos, geruchlos und unter Normbedingungen gasförmig. Er kommt im Allgemeinen nicht als atomarer Wasserstoff (kurz: H), sondern als Molekül von zwei gebundenen Wasserstoffatome (kurz: H2) vor. Wasserstoff ist Bestandteil des Wassers und nahezu aller organischer Verbindungen. Die Herstellung von Wasserstoff kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Dabei verursacht die Wasserstoffherstellung unterschiedliche direkte und indirekte Treibhausgasemissionen, Schadstoffemissionen, Energie- und Ressourcenverbräuche. Ob und wenn ja wie stark Wasserstoff zum ⁠Klimaschutz⁠ und allgemein zu einer nachhaltigen Entwicklung der Mobilität beitragen kann, hängt damit von Herstellungsweg ab.

Im Zentrum einer treibhausgasneutralen und nachhaltigen Entwicklung steht grüner Wasserstoff, der ausschließlich mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wird. Dabei empfiehlt das ⁠UBA⁠ dringend, auf eine Bereitstellung von Strom durch die Nutzung von Bioenergie weitgehend zu verzichten und derart erzeugten Strom nicht für die Herstellung von Wasserstoff oder PtX zuzulassen. In einer Elektrolyse wird mit Strom Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten. Diese Art der Wasserstofferzeugung kennen viele aus der Schule – industriell wird Wasserstoff schon heute großtechnisch in Elektrolyseuren hergestellt, auch wenn fossil hergestellter Wasserstoff noch viel häufiger genutzt wird. Es ist zu erwarten, dass Wasserstoff in Zukunft durch weiteren technischen Fortschritt noch effizienter hergestellt werden kann. In diesem Fall würde pro eingesetzter Kilowattstunde Strom mehr Wasserstoff hergestellt werden können.

Wasserstoff aus fossilen Energiequellen wird als grauer Wasserstoff bezeichnet und wird beispielsweise durch die Dampfreformierung aus Erdgas oder durch die Elektrolyse mit Strom aus dem allgemeinen Stromnetz hergestellt. In den letzten Jahren sind auch blauer und türkiser Wasserstoff in der Diskussion. Eine ausführliche Beschreibung und Bewertung der verschiedenen Herstellungswege von Wasserstoff finden Sie auf der UBA-Themenseite „Wasserstoff - Schlüssel im zukünftigen Energiesystem“.

Frage 3: Wie funktionieren Wasserstoffautos?

Autos können auf zwei Arten Wasserstoff nutzen. In der ersten Variante wird der im Fahrzeug mitgeführte Wasserstoff direkt in einem Verbrennungsmotor verbrannt. Der maximale Wirkungsgrad des Wasserstoffverbrennungsmotors liegt zwischen dem von Benzin- und Dieselmotoren bei rund 35 Prozent. Verluste im Rahmen der Herstellung von grünem Wasserstoff sind darin noch nicht einmal enthalten. Im Vergleich zu einem Elektroauto mit einem ⁠Gesamtwirkungsgrad⁠ von 75 Prozent ist diese Art, von aus Strom hergestellten Wasserstoff zu nutzen ineffizient und ökologisch wenig sinnvoll. Auch entstehen dann durch die Verbrennung von Wasserstoff im Motor schädliche Stickstoffoxide als Abgas. Weitere Schadstoffe können in sehr geringen Mengen durch notwendige Schmieröle ausgestoßen werden.

Etwas sinnvoller wäre deshalb die zweite Variante, nämlich Wasserstoff in Brennstoffzellen zu nutzen. Bei Autos mit Brennstoffzellen handelt es sich grundsätzlich auch um Elektrofahrzeuge (engl. fuel cell electric vehicle, FCEV), die allerdings den Strom für den Antrieb des Fahrzeuges während der Fahrt aus dem mitgeführten Wasserstoff selbst erzeugen. In den Brennstoffzellen findet die Umkehrung der Elektrolyse statt. Heute kommen sogenannte PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran)-Brennstoffzellen zum Einsatz. Der Wasserstoff (H2) reagiert in der Brennstoffzelle mit Luftsauerstoff (O2). Dabei entsteht Wasser bzw. Wasserdampf (H2O). Die Brennstoffzellen selbst können Wirkungsgrade von bis zu 60 Prozent erreichen. Berücksichtigt werden müssen jedoch weitere Verluste durch Elektromotor und Getriebe und Stromverluste bei der Herstellung des grünen Wasserstoffs (siehe auch Frage 5).

In Brennstoffzellen-Autos ist auch ein kleinerer Akku verbaut (Kapazität von ca. 1-2 kWh), ergänzend zu Brennstoffzelle, Wasserstofftank und Elektromotor. Dieser Akku puffert Strom und deckt Lastspitzen ab. Er wird gebraucht, wenn eine kurze, starke Beschleunigung notwendig ist und ermöglicht zudem die Rekuperation von Bremsenergie. Ein Vorteil von Wasserstoff-Fahrzeugen mit Brennstoffzellen ist, dass sie lokal keine schädlichen Abgase ausstoßen. Emissionen von Brems- und Reifenabrieb, Lärm und Flächeninanspruchnahme bleiben jedoch. Gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen haben sie den Vorteil von hohen Reichweiten ohne Tanken bzw. Laden und ermöglichen damit eine Nutzung, die der heutiger Verbrennern ähnlich ist.

Die Speicherung des Wasserstoffs im Fahrzeug erfolgt entweder tiefkalt flüssig (-253 Grad Celsius) oder gasförmig unter hohem Druck (350-700 bar). In Pkw kommen in der Regel Tanks für gasförmigen Wasserstoff zum Einsatz. Bei Lkw sind beide Optionen in der Diskussion. Die Tanks für die Verflüssigung sind doppelwandig und extrem isoliert, um die Abdampfverluste zu reduzieren.

Frage 4: Wie viele Wasserstoff-Autos gibt es heute? Wo können die Autos tanken? Welche Förderungen gibt es für Wasserstoff-Autos bereits heute?

Aktuell sind nur zwei Fahrzeugmodelle mit Brennstoffzelle serienmäßig als Neuwagen in Deutschland erhältlich: Toyota Mirai und Hyundai Nexo. Andere Fahrzeughersteller boten in der Vergangenheit lediglich Fahrzeuge aus Kleinserien an (z. B. Mercedes SUV GLC F-Cell). In den letzten zehn Jahren betrug die Zahl der Neuzulassungen in Deutschland weniger als 1.000 Wasserstoffautos. Im Vergleich: Allein im Jahr 2020 wurden rund 395.000 Elektrofahrzeuge als Plug-in-Hybride oder batterieelektrische Fahrzeuge zugelassen.

Grundsätzlich profitieren auch Fahrzeuge mit Brennstoffzellen wie batterieelektrische Fahrzeuge vom Umweltbonus und erhalten abhängig vom Nettolistenpreis eine Förderung von 5.000 oder 6.000 Euro vom Staat. Der Hyundai Nexo und die neuen Modelle des Toyota Mirai werden gefördert, da sie unter der Grenze des Nettolistenpreises für das Basismodell von 65.000 Euro liegen.

Die Anzahl von Wasserstofftankstellen ist in Deutschland im Vergleich mit dem europäischen Ausland hoch. Von einer Abdeckung mit Tankstellen, wie wir sie heute für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor kennen, sind wir beim Wasserstoff aber selbst in Deutschland noch weit entfernt. Aktuell gibt es in Deutschland 92 Wasserstofftankstellen (Stand 23.04.2021); insgesamt gibt es aktuell mehr als 14.000 Tankstellen für konventionelle und alternative Kraftstoffe (MWV-Jahresbericht 2020, Seite 55). Weitere Tankstellen sind in Planung bzw. stehen kurz vor Inbetriebnahme. Bis Ende 2021 soll die Zahl von 130 Tankstellen erreicht werden. Der Aufbau der Tankstellen ist Teil der nationalen Umsetzung der europäischen Richtlinie 2014/94/EU über den Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe. Außerhalb von Deutschland ist die Infrastruktur viel schlechter: Nur rund 50 Wasserstoff-Tankstellen stehen im gesamten europäischen Ausland zur Verfügung.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung einer Wasserstoffinfrastruktur werden auch Fragen zur Sicherheit gestellt. In Deutschland wird Wasserstoff schon seit Jahrzehnten angewendet und es gibt ein ausgereiftes Regelwerk für den sicheren Betrieb von Tankstellen. Dieses Regelwerk wird im Rahmen der Genehmigung von Tankstellen angewendet und regelmäßig aktualisiert und erweitert. Das Bundeswirtschaftsministerium hat hierzu den Leitfaden „Portal Green“ veröffentlicht.

Frage 5: Wie energieeffizient sind Wasserstoff-Autos?

Soll grüner Wasserstoff energieeffizient im Pkw eingesetzt werden, führt kein Weg an Brennstoffzellen-Autos vorbei. Brennstoffzellen-Fahrzeuge verbrauchen nur rund die Hälfte des Wasserstoffs im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren (siehe Frage 3). Trotzdem ist die Umwandlung von Strom in grünen Wasserstoff und dann die erneute Umwandlung in der Brennstoffzelle in Strom für den Elektromotor weniger energieeffizient als die Speicherung von Strom in der Batterie und die direkte Nutzung im Elektroauto.

Während die Stromverluste bei der Ladung der Batterie bei einem E-Auto rund 10 Prozent betragen, sind beim Wasserstoff-Auto die Verluste beim Elektrolyseur von rund 25 Prozent, beim Wasserstofftransport (inkl. Transport, Kompression oder Verflüssigung) von rund 10 Prozent und in der Brennstoffzelle von rund 45 Prozent zu berücksichtigen (vgl. EU-KOM/JRC117560, UBA 2019 "Roadmap Gas" und UBA 2019 "RESCUE"). Beim batterieelektrischen Pkw ergibt sich ein ⁠Gesamtwirkungsgrad⁠ von 62 Prozent. Beim Wasserstoff-Auto mit Brennstoffzelle und grünen Wasserstoff (komprimiert) beträgt der Wirkungsgrad nur 28 Prozent. Dabei sind jeweils eingerechnet die Verluste bei der Stromübertragung (ca. 5 Prozent), die Verluste des Elektromotors (ca. 20 Prozent) und mechanische Verluste im Fahrzeug (ca. 5 Prozent)(vgl. EU-KOM/JRC 119036). Während also beim E-Auto mit Batterie nur 30 Prozent des produzierten Stroms nicht zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden kann, sind es beim Brennstoffzellen-Auto fast drei Viertel des Stroms. Oder anders ausgedrückt: Ein Brennstoffzellen-Auto mit grünem Wasserstoff braucht für jeden zurückgelegten Kilometer zwei- bis dreimal so viel Strom wie ein batterieelektrischer Pkw.

Wie die folgende Abbildung zeigt, ist heute für Mittelklassewagen von einem dreimal höheren Stromverbrauch bei Brennstoffzellen-Autos (54 Kilowattstunden pro 100 Kilometer) im Vergleich mit batterieelektrischen Autos (18 Kilowattstunden pro 100 Kilometer) auszugehen. Ein Mehrverbrauch in Richtung Faktor zwei wäre bei Brennstoffzellen-Autos übrigens nur dann möglich, wenn der Wasserstoff für den Transport nicht verflüssigt werden muss, sondern komprimiert genutzt wird. Von einer Verflüssigung ist allerdings heute auszugehen, wenn grüner Wasserstoff, wie in der nationalen Wasserstoffstrategie skizziert, zunehmend importiert wird.

Die Abbildung zeigt, dass der Einsatz von Power-to-Gas-Methan (⁠PtG⁠-Methan) und Power-to-Liquid (⁠PtL⁠) in Verbrennungsmotoren von Pkw energetisch hochgradig ineffizient ist. Da erneuerbarer Strom, beispielsweise aus Wind und Photovoltaik, und die notwendigen Ressourcenbedarfe für die Energieanlagen nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen, muss auch mit erneuerbaren Energien sparsam umgegangen werden. Daher sollte erneuerbarer Strom wo immer möglichdirekt in batterieelektrischen Fahrzeugen eingesetzt werden.

Frage 6: Wie fällt die Klimabilanz für Wasserstoff bei Pkw aus?

Brennstoffzellen-Fahrzeuge (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) sind in der Herstellung und Entsorgung gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren aufwändiger und damit auch klimaschädlicher. Gründe sind vor allem die aufwändige Herstellung der Brennstoffzelle, des Tanksystems und des – wenn auch kleinen – Akkus (siehe Frage 3). Die ⁠Klimawirkung⁠ ist bei batterieelektrischen Autos (Battery Electric Vehicle, BEV) ähnlich: Deren Klimawirkung in der Herstellung und Entsorgung liegt auch höher als bei Verbrennern und kann je nach Akku-Größe auch größer ausfallen als bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Allerdings ist der Unterschied zwischen einem Elektro- und einem Brennstoffenzellen-Auto kleiner als gedacht: Ein Mittelklasse-BEV mit ausreichend dimensioniertem Akku (35 Kilowattstunden) kommt heute mit Herstellung und Entsorgung auf Treibhausgasemissionen in der Größenordnung von 13,2 t ⁠CO2⁠-Äquivalenten, ein Auto mit Brennstoffzellen auf rund 12,9 t CO2-Äquivalenten. Verbrenner der Mittelklasse liegen heute bei 7,5 t CO2-Äquivalenten. Ein batterieelektrisches Auto, das auf lange Autobahnfahrten ausgelegt ist, kommt bei der Herstellung und Entsorgung auf höhere Treibhaugasemissionen als ein Brennstoffzellen-Auto. Bei einer Batteriegröße von 60 kWh liegen die Treibhausgasemissionen dann für ein Elektroauto bei 17,4 t CO2-Äquivalenten.

Entscheidend ist aber die Gesamt-Klimabilanz, die neben der Fahrzeugherstellung und entsorgung auch die Pkw-Nutzung und damit die Treibhausgasemissionen durch die Stromherstellung berücksichtigt. Mittelfristig ist die Stromerzeugung in Deutschland noch nicht zu 100 Prozent erneuerbar; es entstehen daher Treibhausgasemissionen. Geht man von einer durchschnittlichen Nutzungsdauer von 12 Jahren aus, sinken aber durch den ansteigenden Anteil von erneuerbaren Energien die Treibhausgasemissionen von Jahr zu Jahr – dies gilt bei der Stromnutzung aus dem allgemeinen Stromnetz im batterieelektrischen Auto und der Wasserstofferzeugung für Brennstoffzellen-Autos.

Batterieelektrische Autos können daher ihren ⁠Klima⁠-Nachteil bei der Fahrzeugherstellung und entsorgung in der Nutzungsphase schnell aufholen und sind nach einigen 10.000 km gegenüber den Verbrennern im Vorteil. Brennstoffzellen-Autos, die ebenfalls den deutschen Strommix zur Wasserstoffherstellung (Power-to-Gas-Wasserstoff, ⁠PtG⁠-H2) nutzen, stoßen durchschnittlich pro gefahrenem Kilometer jedoch ähnlich viele klimaschädliche Emissionen aus wie aktuelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. In der typischen Nutzungsdauer von 12 Jahren (bis 2030) und einer Lebensfahrleistung von 150.000 Kilometern ist ein Mittelklasse-Pkw mit Brennstoffzelle inklusive Fahrzeugherstellung, -entsorgung und Nutzung rund 75 Prozent klimaschädlicher als ein vergleichbares batterie-elektrisches Auto. Selbst im Vergleich zu einem Elektroauto, dass mit einer 60 Kilowattstunden großen Batterie auf Autobahnfahrten ausgelegt ist, emittiert das Brennstoffzellen-Auto mit PtG-Wasserstoff nach einer für diesen Einsatzzweck typischen Lebensfahrleistung von 200.000 km rund 56 Prozent mehr Treibhausgase. Brennstoffzellen-Autos mit grauem Wasserstoff (Elektrolyse im Strommix) können damit bis 2030 anders als batterieelektrische Autos keinen nennenswerten Beitrag zum ⁠Klimaschutz⁠ leisten.

Aufgrund der schlechteren Klimabilanz und des Mehrbedarfes an erneuerbarem Strom von Brennstoffzellen-Fahrzeugen sollte im Pkw-Bereich auf die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom in batterieelektrischen Fahrzeugen gesetzt werden. Wenn man im Vergleich zu E-Autos von einem „sauberen“ Brennstoffenzellen-Fahrzeug spricht, ist dies aus Sicht des Klimaschutzes mehr als irreführend.

Siehe hierzu Agora Verkehrswende (2019) "Klimabilanz von strombasierten Antrieben und Kraftstoffen": Niedrigere Mehremissionen für das FCEV von 56 Prozent ergeben sich gegenüber dem BEV mit größerem Akku (60 kWh) und Autobahnbetrieb nach 200.000 km Lebensfahrleistung. Höhere Mehremissionen im Falle eines Vergleiches mit einem BEV mit kleinerem Akku und gemischter Nutzung nach 150.000 km. In beiden Fällen wurde ein Fahrzeug der Kompaktklasse zu Grunde gelegt. Der zunehmende Anteil von erneuerbarem Strom wird in der Studie berücksichtigt.

Frage 7: Welche Bedarfe ergeben sich bei Rohstoffen? Was ist mit weiteren Umweltwirkungen?

Brennstoffzellen-Fahrzeuge benötigen verschiedene Rohstoffe, die in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren nicht notwendig sind. Für den Elektromotor werden Seltene Erden benötigt. Auch die kleineren Akkus in Brennstoffzellen-Autos führen zu einem Bedarf an Batterie-Rohstoffen (z. B. Lithium und Kobalt), der jedoch aufgrund der geringen Akku-Größe nur rund einem Vierzigstel des Bedarfes eines batterieelektrischen Pkw entspricht (siehe hierzu Agora Verkehrswende (2019): Niedrigere Mehremissionen für das FCEV von 56 Prozent ergeben sich gegenüber dem BEV mit größerem Akku (60 kWh) und Autobahnbetrieb nach 200.000 km Lebensfahrleistung. Höhere Mehremissionen im Falle eines Vergleiches mit einem BEV mit kleinerem Akku und gemischter Nutzung nach 150.000 km. In beiden Fällen wurde ein Fahrzeug der Kompaktklasse zu Grunde gelegt. Der zunehmende Anteil von erneuerbarem Strom wird in der Studie berücksichtigt.) Für die Brennstoffzelle werden zusätzlich erhebliche Mengen an Platin benötigt (vgl. Alonso et al. (2012)). In der folgenden Abbildung wird der Bedarf an Rohstoffen für Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit dem von batterieelektrischen Pkw und Pkw mit Verbrennungsmotor für verschiedene Metalle dargestellt. 

Werden Brennstoffzellen nur ergänzend zu batterieelektrischen Antrieben eingesetzt, stellen also nur einen geringen Anteil an den Neuzulassungen dar, können Versorgungsrisiken für Platin aufgrund von Nachfragepeaks besser begrenzt werden (vgl. Öko-Institut (2017)). Dennoch würde die Nachfrage nach Platin bei nur ca. 10 Prozent Anteil von Brennstoffzellenfahrzeugen an den globalen Pkw-Neuzulassungsanteilen und geringen Neuzulassungsanteilen bei Lkw und Bussen im Jahr 2050 schon leicht über dem Niveau der Primärförderung von Platin im Jahr 2015 liegen. Bei einer starken Fokussierung auf Brennstoffzellen, wäre die Rohstoffinanspruchnahme entsprechend höher und Produktionskapazitäten müssten demensprechend erhöht werden. Wenngleich die derzeitigen Platinreserven aus Sicht der ExpertInnen auch bei einer gestiegenen Nachfrage ausreichend vorhanden sind, ergeben sich aus Sicht Europas mögliche Versorgungsrisiken auch durch eine hohe geographischen Konzentration des Platinangebots in wenigen Ländern (Südafrika und Russland) sowie einem hohen Energiebedarf und weiteren Umweltrisiken bei der Förderung des Rohstoffs (vgl. UBA (2020)). Auch batterieelektrische Fahrzeuge haben einen großen Bedarf an Batterie-Rohstoffen (z. B. Kobalt, Lithium), mit umfangreichen negativen Umweltwirkungen und sozialen Folgen – siehe hierzu auch Brot für die Welt (2018). Aufgrund der deutlich größeren Akkus, fällt dieser höher aus als bei Brennstoffzellenfahrzeugen.

Die Herstellung und Weiterverarbeitung des Platins trägt maßgeblich zu den zusätzlichen Treibhausgasemissionen und vielen weiteren negativen Umweltwirkungen im Rahmen der Herstellung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen und im Vergleich zum Fahrzeug mit Verbrennungsmotor bei. Umwelt- und klimaseitig relevant ist auch die Herstellung der Wasserstofftanks, die im Allgemeinen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff bestehen.

Die gesamten Umweltwirkungen von Brennstoffzellen-Autos werden wie auch bei anderen Autos nicht nur von der Fahrzeugherstellung, sondern auch von Nutzungsphase bestimmt, vor allem von der Kraftstoffbereitstellung. Selbst wenn man auf grünen Wasserstoff setzt, verbleiben deutliche Umweltwirkungen in den verschiedenen Umweltwirkungskategorien. Im Gegensatz zum Treibhauspotenzial zeigen in UBA (2020) untersuchten Bereitstellungspfade selbst im Jahr 2050 in den meisten Umweltwirkungskategorien abgesehen von der ⁠Klimawirkung⁠ eine deutliche höhere Umweltbelastung im Vergleich zur fossilen Referenz. Auch wenn am Fahrzeug selbst keine schädlichen Abgase entstehen, treten relevante Umweltwirkungen sowie Materialinanspruchnahmen vor allem beim Bau von Windkraft- oder Photovoltaik-Anlagen und Anlagen zur Wasserstoffherstellung sowie für den Transport des Energieträgers auf. Daher fallen diese geringer aus, je geringer der Energiebedarf der Fahrzeuge ist und je weniger Umwandlungsschritte notwendig sind. Die energieeffiziente, direkte Stromnutzung in batterieelektrischen Fahrzeugen kann also auch helfen, den Rohstoffeinsatz der mit der Energiebereitstellung in der ⁠Vorkette⁠ verbunden ist zu senken.

Für einen umfassende Bewertung der Umweltwirkungen durch die Rohstoffinanspruchnahme bzw. den weiteren Ressourcenbedarf (Wasser, Fläche, Boden, Luft, etc.) von Fahrzeugen mit verschiedenen alternativen Antrieben und Kraftstoffen sind weitere Forschungsarbeiten notwendig. Neben der Klimawirkung sind auch andere Umweltwirkungen zu beachten und Entwicklungen in den verschiedenen Bereichen der Herstellung der Fahrzeuge bzw. der Bereitstellung der Kraftstoffe umfänglicher zu untersuchen. Aus Gründen des Ressourcenschutzes muss das Ziel sein, dass wir zukünftig möglichst mit weniger (privaten) Autos gleich mobil sind wie heute und die Fahrzeuge auch länger genutzt werden. Die Vorstellung, heutige Verbrenner eins zu eins durch Elektrofahrzeuge oder Brennstoffzellenfahrzeuge zu ersetzen, ist daher nicht nachhaltig.

Frage 8: Welche Bedeutung kann Wasserstoff bei Lkw und Bussen haben? Wie fällt dort die Umwelt- und insbesondere die Klimabilanz aus?

Lkw und Busse werden im Stadt-, Regional- und Fernverkehr eingesetzt und müssen die dort gestellten Anforderungen an Reichweite und Nutzlast erfüllen. Entsprechend dieser Anforderungen sind die einsetzbaren postfossilen Kraftstoffe und Antriebe bei Lkw und Bussen sehr unterschiedlich.

Für Lkw im Stadt- und Regionalverkehr und Linienbusse ist eine Elektrifizierung mit Batterien oftmals technisch möglich. Die Anforderungen an die Reichweite bzw. bei Linienbussen auch die Möglichkeit, diese im Betrieb zwischenzuladen, sind schon heute gut und mit zukünftiger Akkutechnik wahrscheinlich noch besser erfüllbar. Ähnlich wie bei Pkw ist dann die Klimabilanz bei der direkten Nutzung von erneuerbarem Strom bei batterieelektrischen Fahrzeugen besser als die Nutzung von Wasserstoff. Bei Brennstoffzellen-Lkw und -Bussen im Stadt- und Regionalverkehr, die grünem Wasserstoff nutzen, ist wie bei Pkw die geringere Energieeffizienz gegenüber der direkten Nutzung von Strom in batterieelektrischen Fahrzeugen bei der Klimabilanz ein Nachteil. Zu Beginn des Jahres 2020 waren in Deutschland 24 Brennstoffzellenomnibusse auf den Straßen unterwegs – bei den batterieelektrischen Bussen waren es immerhin schon 385 Fahrzeuge. Anders als im Stadt- und Regionalverkehr wird im Fernverkehr bei Lkw oder Bussen der Einsatz von Brennstoffzellen intensiver diskutiert. Ein Grund ist, dass ein reiner Akku-Betrieb von Fernverkehrs-Lkw bzw. Reise- und Fernbussen in den nächsten Jahren eher unwahrscheinlich ist, auch wenn die raschen Fortschritte bei den Akkus einen Einsatz von batterieelektrischen Fahrzeugen auch hier deutlich näher an eine realistische Umsetzung gebracht haben. Als Alternativen zum Wasserstoff werden für den Fernverkehrs-Lkw auch Oberleitungs-Systeme diskutiert. Die Lkw wären als Hybrid-Fahrzeuge ausgelegt. Auf den am meisten befahrenen Autobahnabschnitten erhalten die Lkw über eine neu aufzubauende Oberleitung den Strom für den Elektromotor. Auf den übrigen Autobahnen und abseits von Autobahnen versorgt eine Batterie, ein Verbrennungsmotor mit Generator oder eine Brennstoffzelle den Elektromotor mit Strom.

Aufgrund der intensiveren Nutzung der Fahrzeuge und der damit größeren Lebensfahrleistung dominieren die Umweltwirkungen der Nutzungsphase die Klimabilanz – die Treibhausgasemissionen bei Herstellung, Wartung und Entsorgung der Fahrzeuge fallen damit weniger ins Gewicht als beim Pkw. Daher ist es für eine erste Bewertung ausreichend, die ⁠Klimawirkung⁠ der Nutzungsphase zu vergleichen. Batterieelektrische Lkw und Oberleitungshybrid-Lkw sind gegenüber konventionellen Diesel-Lkw im aktuellen Kraftstoffmix, d. h. mit geringen Beimischungen von Biokraftstoffen, in 2025 um ca. 39 Prozent (BEV) bzw. 22 Prozent (O-HEV) klimafreundlicher (vgl. Hacker/Görz (2018) und Hacker et al. (2020); batterieelektrische Lkw wurden hier entsprechend der genannten Quellen mit aufgenommen, auch wenn entsprechende Lkw heute noch nicht kommerziell erhältlich sind). In 2030 steigt der Klimavorteil durch die abzusehende weitere Energiewende in der Strombereitstellung auf 49 Prozent (BEV) bzw. 28 Prozent (O-HEV). Brennstoffzellen-Lkw, die ⁠PtG⁠-Wasserstoff, hergestellt mit Strom aus dem deutschen Netz des jeweiligen Jahres nutzen, sind um 25 Prozent (2025) bzw. 13 Prozent (2030) klimaschädlicher als konventionelle Lkw und damit deutlich schlechter als BEV- und O-HEV-Lkw.

Oberleitungshybrid-Lkw befinden sich aktuell in Deutschland, Schweden und USA in der praktischen Erprobung. Die Infrastruktur, bspw. entlang von stark befahrenen Autobahnen, fehlt noch. Dies gilt für Wasserstoff-Lkw in ähnlichem Maße: Nur eine kleine Anzahl von Fahrzeugen sind weltweit in Erprobung und Wasserstoff-Tankstellen müssten ebenfalls neu aufgebaut werden. Daher werden auch die Nutzungen von strombasiertem Flüssigkraftstoffen (⁠PtL⁠) oder strombasiertem Methan (PtG-Methan) in Verbrennungsmotoren für Lkw und Busse im Fernverkehr diskutiert.

Eine Entscheidung für oder gegen eine der postfossilen Optionen bei Lkw bzw. Bussen im Fernverkehr sollte von deren ⁠Klima⁠- und Umweltbilanzen abhängen. Die Wege über grünen Wasserstoff oder aus diesem hergestellte andere synthetische Kraftstoffe (PtG-Methan oder PtL) führen im Vergleich zum Oberleitungshybrid-Lkw zu einem deutlich höheren Bedarf an erneuerbarem Strom mit entsprechenden negativen Auswirkungen auf die Klima- und Umweltbilanzen. Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren für PtG-Methan oder PtL sind Brennstoffzellen aber energieeffizienter. Da Wasserstoff bei Lkw jedoch oftmals verflüssigt und dazu stark abgekühlt werden muss, wird ein Teil des Effizienzvorteils wieder kompensiert. Der ⁠Gesamtwirkungsgrad⁠ ausgehend vom erneuerbaren Strom liegt beim Diesel-Lkw mit PtL nur bei 21 Prozent, beim Brennstoffzellen-Lkw mit PtG-Wasserstoff bei 31 Prozent und beim Elektro-Lkw (BEV oder O-HEV im Elektromodus) bei 73 Prozent (vgl. Öko-Institut (2020); es wird dort davon ausgegangen, dass Effizienzpotentiale bei Elektrolyse, Kraftstoffsynthese und Brennstoffzelle schon erschlossen wurden). Energieeffizienz, Klima- und Umweltbilanz zur Umstellung hin zu einem treibhausgasneutralen Verkehr sprechen für den Oberleitungshybrid-Lkw. Auch bei den Kosten liegt der Oberleitungshybrid-Lkw vorn: Die Umstellung auf Brennstoffzellen-Lkw mit grünem Wasserstoff wäre die teuerste postfossile Option (siehe Fragen 9 und 10 und NPM (2020)).

Derzeit ist noch nicht absehbar, ob sich der Oberleitungshybrid-Lkw durchsetzt, da dieses System nicht ein Staat allein einführen kann. Die Europäische Union wurde hierzu bisher kaum aktiv. Brennstoffzellen-Lkw könnten daher eine Alternative sein, die zwar bei Klima- und Umweltbilanz besser abschneidet als PtG-Methan oder PtL, aber auch für Nutzer bzw. volkswirtschaftlich die teuerste Option wären. Gerade bei Fernverkehrs-Lkw wie auch Reise- und Fernbussen besteht noch weitergehender Forschungsbedarf und Bedarf bei der Sammlung weiterer praktischer Erfahrungen bei der Nutzung der verschiedenen postfossilen Antriebe und Kraftstoffe.

Frage 9: Wie teuer käme Nutzern der Einsatz von Wasserstoff im Straßenverkehr? Wie könnten sich die Preise zukünftig entwickeln?

Heute an Tankstellen angebotener Wasserstoff ist fast ausschließlich fossilen Ursprungs. Er wird aus der Dampfreformierung von Erdgas gewonnen und zu Kosten von ca. 9-10 Cent pro Kilowattstunde (ct/kWh) bereitgestellt – sowohl flüssig als auch gasförmig. Langfristig kann man von leicht ansteigenden Bereitstellungskosten (ohne Berücksichtigung von Verbrauchssteuern und steuerähnlichen Abgaben) für fossilen Wasserstoff ausgehen, sodass 2050 ca. 10-12 ct/kWh erreicht sein werden (siehe UBA (2019)).

Die Bereitstellungskosten sind nicht die Tankstellenpreise, denn sie enthalten noch keine staatlich bestimmten Abgaben, wie Steuern, sowie Margen der Unternehmen. Bei einem heute üblichen durchschnittlichen Verbrauch von 1 kg Wasserstoff je 100 Kilometer Fahrt für einen Pkw ergeben sich für diese Strecke selbst für grauen Wasserstoff allein auf Basis der Bereitstellungskosten, Treibstoffkosten in Höhe von 3,75 €. An der Tankstelle bezahlt man aktuell jedoch mit 9,50 € pro kg Wasserstoff bzw. pro 100 Kilometer noch deutlich mehr. Die Kosten an der Tankstelle sind damit in etwa ähnlich hoch wie bei einem durchschnittlichen Benzin-Pkw mit einem Realverbrauch von ca. 7 Litern Benzin.

Heutige Bereitstellungskosten für importierten Wasserstoff aus erneuerbaren Energien lägen mit ca. 20-22 ct/kWh aber noch einmal deutlich höher. Gründe sind zum einen die große Menge benötigten erneuerbaren Stroms, zum anderen die zum Transport des Wasserstoffs notwendige Verflüssigung. Außerdem sind effiziente Elektrolyseverfahren noch nicht großtechnisch entwickelt. Langfristig kann man von Kostendegressionen bei den Investitionskosten der Stromerzeugungsanlagen ausgehen – insbesondere bei Fotovoltaik, aber auch bei der Windkraft. Außerdem ist eine Kostendegression bei der Elektrolysetechnik möglich und zugleich könnte ein Wechsel auf die effizientere Hochtemperaturelektrolyse vonstattengehen, was mit steigenden Wirkungsgraden verbunden wäre. Die Bereitstellungskosten von grünem Wasserstoff an der Tankstelle könnten daher bis 2050 auf rund 14-17 ct/kWh sinken.

Entscheidend sind jedoch nicht nur die Energiekosten, sondern vor allem auch die Kosten für die Fahrzeuganschaffung sowie Wartungs- und Reparaturkosten. Für das Jahr 2030 wird erwartet, dass aus Perspektive der Gesamtkosten des Betriebs (Total Cost of Ownership, TCO) ohne staatliche Steuerungsinstrumente für einen Brennstoffzellen-Lkw Mehrkosten von rund 60 Prozent gegenüber einem batterieelektrischen Lkw (BEV-Lkw) bzw. 85 Prozent gegenüber Oberleitungshybrid-Lkw (OH-Lkw) anfallen würden (vgl. NPM (2020)). Dies resultiert aus ähnlich hohen bzw. noch höheren Kosten für die Fahrzeuganschaffung und insbesondere aus den Energiekosten, die ca. dreimal (BEV-Lkw) bzw. fünfmal (FCEV) so hoch sind. In der Folge ergeben sich auch fast dreimal so große ⁠CO2⁠-Vermeidungskosten pro Tonne CO2 von mehr als 1000 € für Brennstoffzellen-Lkw (vgl. ENCON (2018)).

Frage 10: Wie hoch sind die volkswirtschaftlichen Umstellungskosten auf Wasserstoff im Straßenverkehr?

Die kostengünstigste Option für die Umstellung des Verkehrs auf Treibhausgasneutralität ist die Elektromobilität. Unter Elektromobilität wird in dieser Betrachtung die direkte Nutzung von Strom durch batterieelektrische Fahrzeuge, Plug-in-Hybride oder Oberleitungshybrid Fahrzeuge verstanden. Dies sind Ergebnisse einer Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes, die die volkswirtschaftlichen Kosten der Elektromobilität und anderer treibhausgasneutraler Antriebe und Kraftstoffe vergleicht und dazu die Kosten für die Anschaffung der Fahrzeuge, den Aufbau der Tankstellen- und Ladeinfrastruktur sowie die Energiebereitstellung kumuliert für den gesamten Zeitraum von 2020 bis 2050 analysiert.

Der volkswirtschaftlich teuerste Weg für eine Energiewende im Verkehr wäre ein Umstieg auf Brennstoffzellenfahrzeuge, die Wasserstoff nutzen. Dieser ist zunächst noch grauer Wasserstoff, wird aber bis 2050 auf grünen Wasserstoff umgestellt. Sowohl bei der Bereitstellung des Wasserstoffes, beim Aufbau und Betrieb der Infrastruktur zur Wasserstoffversorgung als auch bei der Fahrzeuganschaffung treten im Vergleich zu den anderen Optionen – auch im Vergleich zum Einsatz von ⁠PtG⁠-Methan oder ⁠PtL⁠ in Verbrennern – tendenziell höhere volkswirtschaftliche Gesamtkosten auf. Dies gilt für Pkw wie auch für leichte und schwere Nutzfahrzeuge gleichermaßen. Im Zeitraum 2020 bis 2050 liegen die Mehrkosten für Wasserstoff gegenüber der direkten Nutzung von Strom in Elektrofahrzeugen für die deutsche Volkswirtschaft zwischen 540 und 630 Milliarden Euro. Allein die Umstellung der schweren Nutzfahrzeuge im Fernverkehr und Reisebusse auf Wasserstoff würde bis 2050, im Vergleich zu einer stärkeren Elektrifizierung Mehrkosten, von rund 100 Milliarden Euro verursachen (siehe „Straßenfernverkehr“ in folgender Abbildung).

Frage 11: Wie kann Wasserstoff im Luftverkehr eingesetzt werden?

Wasserstoff kann auch in Flugzeugen auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Beispielsweise kann er in konventionellen Triebwerken direkt verbrannt werden. Bei der Verbrennung entsteht zwar kein ⁠Kohlendioxid (CO2)⁠, da Wasserstoff als Treibstoff keinen Kohlenstoff enthält. Andere Abgase wie beispielsweise Stickoxide entstehen jedoch weiterhin. Ebenso ist die „kalte Verbrennung“ von Wasserstoff in Brennstoffzellen perspektivisch auch in Flugzeugen denkbar. Dabei wird mit Hilfe von Sauerstoff und Wasserstoff elektrische Energie gewonnen, die über Elektromotoren dann Propeller antreiben kann. In diesem Fall entsteht nur Wasserdampf. Um genügend Leistung für den Start zu erzeugen, müssten Brennstoffzellen-Flugzeuge jedoch voraussichtlich zusätzlich mit einer Gasturbine zur Wasserstoffdirektverbrennung ausgestattet werden.

Bei einer Nutzung von grünem Wasserstoff wird bei beiden Konzepten zwar kein zusätzliches CO2 in die ⁠Atmosphäre⁠ emittiert, allerdings wird in noch größeren Mengen als bei Kerosin Wasserdampf ausgestoßen. Dieser trägt in bestimmten Höhen und bei bestimmten Wetterbedingungen ebenfalls zur Erwärmung der Atmosphäre bei. Die Quantifizierung dieses und weiterer Nicht-CO2-Effekte des Luftverkehrs bleibt jedoch schwierig und ist aktuell Gegenstand vieler wissenschaftlicher Betrachtungen.

Für die Nutzung von Wasserstoff ist bei beiden Konzepten – dem Einsatz im Triebwerk oder in der Brennstoffzelle – eine grundsätzliche Überarbeitung am Flugzeugentwurf notwendig. Ein Wechsel zu Brennstoffzellen erfordert dabei die weitestreichenden Veränderungen des Flugzeugdesigns, ermöglicht jedoch auch einen höheren ⁠Gesamtwirkungsgrad⁠ im Vergleich zur Direktverbrennung. Der Wasserstoff müsste bei beiden Konzepten unter hohem Druck und bei sehr tiefen Temperaturen in speziellen Tanks im Flugzeug mitgeführt werden. Selbst unter diesen technologisch extrem herausfordernden Bedingungen braucht jedoch bereits der reine Kraftstoff mindestens viermal so viel Volumen pro Energieeinheit wie konventionelles Kerosin. Entsprechend reduziert sich der nutzbare Raum für den Transport von Personen oder Gütern.

Eine direkte Nutzung von Wasserstoff würde auch viel Zeit brauchen. Die notwendige Forschung, Entwicklung, und Zulassung neuer Wasserstoff-Flugzeuge sowie der vollständige Austausch aller konventionellen Flugzeuge im Massenmarkt durch diese neuen Flugzeuge erscheint selbst bis Mitte des Jahrhunderts als unrealistisch. Ein Wasserstoff-Prototyp für ein Regionalflugzeug könnte womöglich bis 2030/2035 fliegen, die Flottenerneuerungszyklen bewegen sich vor dem Hintergrund aktueller Flugzeuglebensdauern aber im Bereich von Jahrzehnten. Die anzustrebende Nutzung von Brennstoffzellen hat dabei noch weit größere Zeithorizonte als die Direktverbrennung. Welche Art der direkten Nutzung von Wasserstoff in Flugzeugen aber auch immer umgesetzt würde, Wasserstoff wird keinen ausreichend großen Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele 2030 und 2050 leisten können.

Der Einsatz von aus erneuerbarem Strom hergestelltem Power-to-Liquid-Kerosin (auch E-Kerosin, E-Fuels oder kurz ⁠PtL⁠ genannt) in konventionellen Flugzeugen, die schon im Markt sind oder gerade entwickelt werden, stellt die einzige realistische Möglichkeit zur Dekarbonisierung des Luftverkehrs bis 2050 dar. Die Bundesregierung plant daher bis 2030 eine PtL-Beimischungsquote von 2 Prozent für in Deutschland getanktes Kerosin im Rahmen der sogenannten THG-Quote vorzuschreiben.

Bei der Herstellung von PtL-Kerosin wird grüner Wasserstoff als Zwischenprodukt eingesetzt, er spielt damit indirekt eine entscheidende Rolle beim ⁠Klimaschutz⁠ im Luftverkehr. Für einen treibhausgasneutralen Kraftstoff muss allerdings zusätzlich der Kohlenstoff zur PtL-Kerosin-Produktion treibhausgasneutral sein. Das ist er, falls er mittels CO2-Abscheidung aus der Luft gewonnen wird. Wie beim fossilen Kerosin entstehen auch durch die Verbrennung von PtL in Triebwerken zusätzlich Wasserdampf und – wenn auch etwas weniger – Luftschadstoffe. Diese Emissionen tragen auch zu den Nicht-CO2-Effekten des Luftverkehrs bei. PtL ist somit ein treibhausgasneutraler, aber noch kein klimaneutraler Kraftstoff für den Luftverkehr. Auch mit PtL sind somit weitergehende Maßnahmen – z. B. ein klimaoptimales Routing – zur Reduzierung der Nicht-CO2-Effekte notwendig.

Frage 12: Könnte der internationale Seeverkehr künftig auf Wasserstoff setzen?

Die Internationale ⁠UN⁠-Seeschifffahrtsorganisation (IMO) will die absoluten Treibhausgasemissionen des Sektors bis 2050 um mindestens 50 Prozent gegenüber 2008 mindern. Je ⁠Tonnenkilometer⁠ sollen die Emissionen bis 2030 um mindestens 40 Prozent und bis 2050 um 70 Prozent gegenüber 2008 gesenkt werden. Um kompatibel mit den Zielen aus dem Klimaabkommen von Paris zu sein, sind jedoch Treibhausgasminderungen auch im Schiffverkehr bis 2050 um 70-100 Prozent gegenüber 2008 nötig. Das ist nur mit postfossilen, treibhausgasneutralen Kraftstoffen erreichbar.

Derzeit ist noch nicht absehbar, welche treibhausgasneutralen Kraftstoffe und Antriebe im Seeverkehr zukünftig eingesetzt werden. Die Schifffahrtsbranche verfolgt unterschiedliche Ansätze, bislang basieren diese aber überwiegend noch auf fossilen Quellen. So werden heute etwa 760 Schiffe mit Liquified Natural Gas (⁠LNG⁠) betrieben, in erster Linie um die Luftschadstoffemissionen zu mindern. Dies ist jedoch weiterhin ein fossiler Kraftstoff, der aufgrund der Methanemissionen nicht nennenswert zu einer ⁠Treibhausgas⁠-Minderung führt – unter bestimmten Umständen hat LNG sogar Mehremissionen zur Folge. Als zukünftige Kraftstoffe in der Diskussion sind neben E-LNG (verflüssigtes ⁠PtG⁠-Methan) auch Wasserstoff und Methanol, biogene flüssige und gasförmige Kraftstoffe, sowie weitere strombasierte Kraftstoffe, wie z. B. DME (Dimethylether), E-Diesel und Ammoniak, die in der Übergangsphase jedoch noch aus fossilen Quellen stammen. Einige dieser Kraftstoffe werden zurzeit schon in ersten Projekten eingesetzt. Die strombasierten synthetischen Kraftstoffe könnten perspektivisch treibhausgasneutral werden, falls der Strom und ggf. der benötigte Kohlenstoff zur Herstellung der Kraftstoffe aus erneuerbaren Quellen stammen.

Wasserstoff als Kraftstoff könnte auf Schiffen in Verbrennungsmotoren, in Brennstoffzellen und perspektivisch in Gasturbinen genutzt werden. Als Anwendung von Wasserstoff im Verbrennungsmotor ist nur ein kleiner Katamaran bekannt. Zur Nutzung von Wasserstoff in PEM-Brennstoffzellen gibt es mehrere nicht-kommerzielle Projekte, vor allem auf Fähren. Im Jahr 2021 soll auf einem Kreuzfahrtschiff eine erste Versuchsanlage mit einer Brennstoffzelle installiert werden, die einen Teil des Energiebedarfs erzeugen soll.

Für Schiffsneubauten mit Verbrennungsmotoren, die mit Wasserstoff betrieben werden, fallen höhere Investitionskosten an als für alle anderen postfossilen Kraftstoffe; Wasserstoff muss tiefkalt flüssig gespeichert werden. Hierzu bedarf es besonderer Ventile, Schläuche und Rohre sowie gut gedämmter Tanks. Die volumenbezogene Energiedichte von verflüssigtem Wasserstoff ist zudem rund viermal geringer als bei konventionellen flüssigen Kraftstoffen, so dass größere Tanks an Bord benötigt werden. Damit verbleibt weniger Raum für den Transport von Waren oder Personen. Bislang hat weltweit kein Hafen eine Lager- und Verteilerinfrastruktur für Wasserstoff. Unter den postfossilen, treibhausgasneutralen Kraftstoffen hat grüner Wasserstoff in der Herstellung deutliche Vorteile: Es treten die geringsten Energieverluste auf, da nur wenige Verfahrensschritte erforderlich sind. Die Verfahren zur Wasserstofferzeugung sind technisch ausgereift und es braucht keine energieaufwändige ⁠CO2⁠-Bereitstellung. Diese Vorteile führen auch zu geringeren Produktionskosten. Die Herstellung postfossilen Wasserstoffs könnte vergleichsweise schnell hochgefahren werden.

Wasserstoff als Schiffskraftstoff dürfte zukünftig am ehesten in Brennstoffzellen genutzt werden, auf Routen, die häufigeres Tanken ermöglichen. Ganz gleich, welche anderen, nicht-biogenen postfossilen Kraftstoffe sich durchsetzen werden (z. B. ⁠PtL⁠-Diesel, e LNG oder Ammoniak) – die Basis zur Herstellung ist immer Wasserstoff aus erneuerbarem Strom. Grüner Wasserstoff spielt damit zumindest als Zwischenprodukt auch zur Dekarbonisierung des Seeverkehrs eine entscheidende Rolle.

Frage 13: Welche Bedeutung hat Wasserstoff im Schienenverkehr?

Wasserstoff hat derzeit nur eine sehr geringe Bedeutung für den Schienenverkehr, da die direkte Nutzung von Strom effizienter und kostengünstiger ist. Zudem bestehen gute Bedingungen zum Laden batterie-elektrischer Antriebe, denn 63 Prozent des Schienennetzes in Deutschland sind bereits mit Oberleitungen ausgestattet. Darüber hinaus beträgt der Anteil der ⁠Verkehrsleistung⁠ auf der Schiene, der durch elektrischen Antrieb erbracht wird, bereits heute im Personenfernverkehr 99, im Personennahverkehr 81 und im Güterverkehr 97 Prozent. Wasserstoff als Energieversorgungsoption wird vor allem für Anwendungen im Schienenverkehr diskutiert, bei denen heute noch Dieselfahrzeuge eingesetzt werden und für die auch kein Ausbau einer Oberleitung geplant ist. Dies ist insbesondere im Schienenpersonennahverkehr der Fall.

Die direkte Nutzung von Strom über Oberleitungen ist für viele Bereiche des Schienennetzes ökonomisch sinnvoll. Der Anteil an elektrifizierten Strecken sollte von derzeit 63 Prozent weiter erhöht werden. Im Koalitionsvertrag (2021) hat sich die Bundesregierung die Elektrifizierung von 75 Prozent des Schienennetzes bis 2030 als Ziel gesetzt. Im Falle mittelfristig höherer Kosten für die zum ⁠Klimaschutz⁠ beitragenden Energieträger, wie beispielweise grünem Wasserstoff oder PtX-Kraftstoff, kann auch die Elektrifizierung von deutlich mehr Streckenkilometern ökonomisch sinnvoll sein. Dies gilt es in den Planungen des Bundes angemessen zu berücksichtigen.

Die Ladung von batterie-elektrischen Zügen während der Fahrt auf Strecken, die größtenteils, aber nicht vollständig mit Oberleitungen ausgestattet sind, ermöglicht es, deren Energiespeicher kleiner auszulegen, als dies beim ausschließlichen Laden im Stillstand unter einer Oberleitungsanlage der Fall wäre. Die regelmäßigen Fahrmuster im Schienenverkehr machen die Optimierung von Akkugröße und Zwischenladebedarf einfacher als beispielsweise im Straßenverkehr. Sowohl der oberleitungs-elektrische als auch der batterie-elektrische Betrieb zeichnen sich durch eine hohe Well-to-wheel-Energieeffizienz (Analyse von der Gewinnung und Bereitstellung der Antriebsenergie bis zur Umwandlung in kinetische Energie) aus. Wie auch bei anderen Verkehrsmitteln hat Wasserstoff bei der Energieeffizienz und den damit verbundenen höheren Kosten zur Treibhausgasminderung deutliche Nachteile (siehe Frage 1).

Bis zum Jahr 2030 sind aus oben genannten Gründen keine Förderinstrumente zum Markthochlauf von Wasserstoff im Schienenverkehr sinnvoll. Mit der beschleunigten Elektrifizierung von Strecken und dem Einsatz von batterie-elektrischen Zügen können die in diesem Zeitraum notwendigen Treibhausgasminderungen deutlich effizienter erreicht werden. Nach 2030 kann neu abgewogen werden, welches System zur Energieversorgung des Schienenpersonennahverkehrs darüber hinaus bzw. in Ergänzung besonders geeignet ist, welche technischen Entwicklungen bei Batteriespeichertechnologien erreicht wurden bzw. noch werden können und ob grüner Wasserstoff als Energieträger eine Rolle spielen kann. Siehe hierzu beispielsweise: Alternative Antriebe im Schienenverkehr.

Frage 14: Wie kann grüner Wasserstoff in Raffinerien einen Beitrag zum Klimaschutz im Verkehr leisten?

In Erdölraffinerien wird zur Herstellung von Benzin, Diesel, Kerosin und Paraffinen Wasserstoff benötigt. Der Bedarf an Wasserstoff besteht in einer Vielzahl an Raffinerieprozessen, etwa nach dem Cracken der langkettigen Kohlenwasserstoffe beim Sättigen der Kohlenstoffbindungen und der Entschwefelung. Etwa 60 Prozent des benötigten Wasserstoffs wird raffinerieintern aus anderen Prozessschritten bereitgestellt. Der restliche Anteil (in deutschen Raffinerien derzeit rund 177.000 t Wasserstoff pro Jahr) muss jedoch extern zugeführt werden. Die genaue Menge hängt von der Beschaffenheit des Rohöls und der Menge der jeweiligen Endprodukte ab. Dieser externe Anteil wird bisher aus der Dampfreformierung von Erdgas bereitgestellt. Damit beruht der Herstellungsprozess für Erdölprodukte derzeit vollständig auf fossilem Wasserstoff.

Anstelle des Wasserstoffs aus Erdgas lässt sich technisch auch grüner Wasserstoff – hergestellt aus der Wasserelektrolyse mit erneuerbarem Strom – verwenden. Damit entfielen die ⁠CO2⁠-Emissionen aus dem Erdgas für die Dampfreformierung und es entständen weniger Treibhausgase bei der Herstellung der Erdölprodukte. Dies ist ein technisch leicht umsetzbarer Weg, um fossile Erdölprodukte zumindest etwas zu dekarbonisieren.

Die neugefasste Erneuerbare-Energien-Richtlinie (EU) 2018/2001 (RED II) setzt Vorgaben für 2021 bis 2030 für den Einsatz erneuerbarer Energien auch im Verkehrsbereich. Im Entwurf zur Umsetzung der Richtlinie in deutsches Recht ist der Einsatz grünen Wasserstoffs in Raffinerien eine der möglichen Erfüllungsoptionen, die die verpflichteten Inverkehrbringer von Kraftstoffen nutzen können um 2030 die vorgesehenen 28 Prozent Anteil erneuerbarer Energien im Verkehrssektor zu erreichen. Der Einsatz von grünem Wasserstoff in Raffinerien wird mit dem doppelten seines Energiegehalts angerechnet und so besonders gefördert. Die konkreten Regelungen und Anrechnungen von grünem Wasserstoff im Sinne der RED II sind nach derzeitigem Stand noch offen. Die Umsetzung und Regelungen der RED II in Rechtsakte ist noch nicht abgeschlossen.