Wasserstoff

Wasserstoff in der Mobilität

Das Bundesland Baden-Württemberg (bis 2040), die Bundesrepublik Deutschland (bis 2045) sowie die Europäische Kommission (bis 2050) haben sich das Ziel der Klimaneutralität gesetzt. Dies erfordert unter anderem die Dekarbonisierung des Verkehrssektors. Es gilt die konventionellen Antriebe mit fossilen Energieträgern (Diesel, Benzin) durch effiziente und klimaschonende Antriebe zu ersetzen. Hierfür stellt die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie, insbesondere für lange Strecken, für große und schwere Fahrzeuge, für Züge, aber auch für den Schiffs- und Flugverkehr eine vielversprechende Alternative dar. Der Fokus dieses Artikels liegt dabei auf Nutzfahrzeugen im Landverkehr und der dafür benötigten Tankinfrastruktur sowie auf Flurförderzeuge in der Intralogistik.

Wasserstoff als Kraftstoff

Wasserstoff (H2) ist ein Sekundärenergieträger und muss zunächst unter Einsatz von Energie erzeugt werden. In der Natur kommt H2 fast ausschließlich in gebundener Form vor, ist nahezu unbegrenzt verfügbar und kann mit unterschiedlichsten Verfahren (Elektrolyse, Vergasung und Vergärung von Biomasse, Reformierung von Biogas, Erzeugung aus Grünalgen) CO2-neutral hergestellt werden. Für die Nutzung in der Mobilität wird H2 meist mittels Wasser-Elektrolyse unter Einsatz von regenerativem Strom aus Wasserkraftwerken oder Photovoltaik-Anlagen erzeugt. Dabei wird Wasser durch Elektrolyse in seine Bestandteile, Wasser- und Sauerstoff, aufgespalten. Im Rahmen dieses Prozesses entsteht lediglich Wärme jedoch keine CO2-Emissionen. Dieser klimaneutral hergestellte „grüne“ Wasserstoff wird komprimiert gespeichert und in den verschiedensten Anwendungsfeldern als Endenergie verwendet. Von allen Brenn- und Kraftstoffen hat Wasserstoff bezogen auf die Masse die höchste Energiedichte. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält so viel Energie wie 2,8 Kilogramm Benzin.
Die Herstellungskosten für „grünen“ Wasserstoff hängen dabei im Wesentlichen von den Investitionskosten für den Elektrolyseur, dessen jährliche Betriebsstunden und den Stromgestehungskosten des eingesetzten Stroms ab. Zusätzlich wird der Transport zum Endverbraucher, der für den Transport und die weitere Nutzung erforderliche Aggregatzustand (Druckgas, verflüssigt oder kryogen) und die potenziellen Transportverluste die Kosten von Wasserstoff maßgeblich beeinflussen. Wasserstoff kann auch als Ammoniak, Methanol oder anderweitig chemisch gebunden transportiert werden. Beispiele für den Transport von chemisch gebundenem Wasserstoff in organischen Substanzen werden als LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) zusammengefasst. Welche Transportoption sich zukünftig durchsetzen wird, ist aktuell noch offen.
Die Vorteile von Wasserstoff als Kraftstoff werden fahrzeugseitig in den kurzen Betankungszeiten und den hohen erzielbaren Reichweiten (bis zu 1.000 km) gesehen. Auf der Seite der Kraftstoffinfrastruktur sind die potenziell CO2-neutrale Bereitstellung sowie die gute Speicher- und Transportierbarkeit des Kraftstoffs wichtige Argumente.

Antriebskonzepte mit Wasserstoff

Aktuell stehen zwei wasserstoffbetriebene Antriebsarten im Fokus - der Wasserstoffmotor (H2-Motor) sowie die Wasserstoff-Brennstoffzelle (H2-BZ). Beide Antriebskonzepte weisen Potentiale als adäquater Ersatz für Fahrzeuge mit konventionellen Antrieben auf. Sie sind ebenfalls für Fahrzeuge mit höheren Anforderungen an Leistung, Reichweite und Flexibilität geeignet. Für beide Varianten werden ein Tanksystem im Fahrzeug und eine H2-Tankinfrastruktur benötigt.
Neben der Wasserstofftechnologie gibt es weitere wichtige Technologien, wie bspw. batterieelektrische Antriebe, Oberleitungs-LKWs oder der Einsatz synthetischer Kraftstoffe. Diese sind ebenfalls zentrale Bestandteile der Antriebswende, werden in diesem Artikel aber nicht näher betrachtet.

H2-Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle nutzt die im Wasserstoff gespeicherte chemische Energie und wandelte diese durch Verbrennung in Strom um. Dabei entsteht neben Wärme ausschließlich Wasser. Der durch die Brennstoffzelle erzeugte Strom speist beispielsweise einen Elektromotor, der somit den klimaneutralen Antrieb ermöglicht. So kann die Brennstoffzellentechnologie ein weitgehend CO2-freies Verkehrssystem ermöglichen.
Mit einer Brennstoffzelle angetriebene Fahrzeuge benötigen in der Regel eine hohe H2-Qualität. Aufgrund der Katalysatoren spielt der Reinheitsgrad des Wasserstoffs eine wichtige Rolle. Durch verschiedenste Verunreinigungen im Wasserstoff können die Katalysatoren reversibel oder irreversibel vergiftet werden. Dies führt zu Leistungsverlust und einer schnelleren Alterung der Katalysatoren.
Im Bereich der Nutzfahrzeuge fertigen verschiedene Hersteller (bspw. Hyundai Motors/seit 2020, Faun Enginius/seit 2023, Paul Nutzfahrzeuge/ab 2024, MAN Truck & Bus/ab 2025, Iveco Group/ab 2025, etc.) bereits Kleinserien. Entsprechend überschaubar ist aktuell die Anzahl dieser Fahrzeuge auf deutschen und europäischen Straßen.

H2-Motor

Der H2-Motor wandelt die chemische Energie des Wasserstoffs durch Verbrennung in mechanische Arbeit um. Voraussetzung hierfür ist die Knallgasreaktion beispielsweise in einem Hubkolben-Verbrennungsmotor. Meist werden Hubkolbenmotoren eingesetzt, die nach dem Ottoprinzip arbeiten. Es gibt aber auch Wasserstoff­verbrennungsmotoren, die nach dem Dieselprinzip arbeiten. Beim H2-Motor werden durch den Verbrennungsprozess weiterhin Luftschadstoffe wie Stickoxide (NOX) freigesetzt, die allerdings durch eine Abgasnachbehandlung auf das gesetzlich geforderte Niveau reduziert werden können. Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid- und Partikelemissionen sind zwar nachweisbar, bleiben aber deutlich unter den gesetzlichen Grenzwerten. Im Vergleich zu herkömmlichen Diesel-Fahrzeugen spart der H2-Motor bis zu 98% der betriebsbedingten CO2-Emissionen ein.
Bislang gibt es den H2-Motor nicht in Serie, er kann aber in verschiedenen Konstellationen die geforderte Leistungs- und Drehmomentcharakteristik bereitstellen. Beim H2-Motor spielt die Reinheit oder Qualität des Wasserstoffs und der Luft eine eher untergeordnete Rolle. Mittlerweile können auch bestehende Dieselmotoren für den Betrieb mit Wasserstoff modifiziert werden (bspw. KEYOU GmbH). Hierzu werden dieselben Basiskomponenten verwendet und lediglich die für einen optimalen Wasserstoffverbrennungsbetrieb erforderlichen Systeme umgerüstet.

Wasserstoff in der Intralogistik

Nicht nur für große Nutzfahrzeuge, Flugzeuge oder Schiffe ist H2 ein vielversprechender Energieträger bzw. Kraftstoff. Auch im Bereich der Intralogistik stellt der Einsatz von H2 zukünftig eine Alternative dar. Flurförderzeuge (Stapler, Hubwagen, Kommissionierer, etc.) mit Brennstoffzellensystemen dienen der Dekarbonisierung innerbetrieblicher Mobilität und bieten weitere Vorteile:
  • Schnelle Betankung
    Die Betankung dauert, je nach Tankgröße, nur 2-3 Minuten (inkl. Nebenzeiten für Auf-/Absteigen) und ist jederzeit möglich - unabhängig vom Ladezustand bzw. Füllstand.
  • Geringer Platzbedarf
    Eine Zapfsäule benötigt nur ca. 2qm Fläche und kann bis zu 70 Flurförderzeuge bewirtschaften. Batterieladeflächen entfallen und können für Produktions- oder Lagerflächen genutzt werden, wenn der zentrale Wasserstoffspeicher und Verdichter im Außenbereich platziert wird.
  • Kontinuierliche Leistungsabgabe
    Brennstoffzellensysteme stellen eine konstante Leistung zur Verfügung – unabhängig vom “Ladezustand” (Füllpegel) und Umgebungstemperaturen. Auch bei Minusgraden können ausgewählte Brennstoffzellensysteme in Lagertechnikfahrzeugen im Wechselbetrieb eingesetzt werden.
  • Keine Lastspitzen durch Ladevorgänge
    Wasserstoff als Energieträger ersetzt den Strombedarf aus dem öffentlichen Netz. Lastspitzen können damit nivelliert sowie eine Autarkie gegen Stromausfälle erreicht werden.
  • Zero-Emission (mit “grünem” Wasserstoff)
    Wenn der Wasserstoff aus regenerativer Energie hergestellt wird, ist er und die damit betriebenen Flurförderzeuge CO2-neutral.
Der Einsatz von H2 in der Intralogistik erfordert sowohl die Betrachtung der Fahrzeuge als auch der notwendigen Infrastruktur. Diese besteht grundsätzlich aus:
  • Fahrzeuge mit Brennstoffzelle
  • Wasserstoff-Tankstelle (Dispenser)
  • Wasserstoff-Speicherung/Lagerung
  • Wasserstoff-Bereitstellung, z. B. durch Anlieferung oder die eigene Produktion (Elektrolyse)

Tankinfrastruktur

Damit sich die Wasserstoff-Technologie im Mobilitätssektor – insbesondere im Segment der schweren Nutzfahrzeuge – etablieren kann, muss ein flächendeckendes Tankstellennetz entwickelt werden. Aber nicht nur die Verfügbarkeit von Tankstellen per se, sondern auch die zuverlässige Bereitstellung von H2 sowie die Kapazitäten (Tonnen H2 pro Tag) zur Betankung sind wichtige Voraussetzung für den Markthochlauf.
Grundsätzlich ergeben sich drei Versorgungsoptionen:
  • Öffentliche H2-Tankstellen (mit oder ohne Wasserstoff Produktion vor Ort)
  • Nicht-öffentliche H2-Tankstellen – bspw. auf einem Firmengelände/Betriebshof (mit oder ohne Wasserstoff Produktion vor Ort)
  • Mobile Betankungsanlagen
    In den vergangenen Jahren wurden bereits mobile H2-Füllanlagen konzipiert, die heute von verschiedenen Herstellern unter anderem als Container- und Trailer-Betankungslösungen angeboten werden. Je nach Fahrzeug und H2-Bedarf bzw. Druckniveau bieten die Anlagen die Möglichkeit, unterschiedliche Fahrzeuge örtlich flexibel mit Wasserstoff zu versorgen. Diese Konzepte sind insbesondere in der frühen Einführungsphase von Bedeutung. Sie ermöglichen Endanwendern erste Erfahrungen mit der neuen Technologie zu sammeln und so gegebenenfalls bestehende Vorbehalte zu überwinden.
Jede H2-Tankstelle (HRS) benötigt Anlagen zur Bevorratung (Speicherung) und Vorkonditionierung (Kühlung, Komprimierung) des Wasserstoffs sowie eine integrierte Tanksäule bestehend aus Dispenser und Füllkupplung. Bei einer H2-Produktion vor Ort bestehen die Anlagen zusätzlich aus einem Elektrolyseur. Bei Liefertankstellen wird der Wasserstoff, wie an konventionellen Tankstellen, per Tanklastwagen/Trailer angeliefert. Künftig könnten H2-Tankstellen, je nach Standort und Größe der Tankstelle, an H2-Gasleitungsnetze (Pipelines) angeschlossen werden.
HRS: engl. Hydrogen-Refueling-Station (Wasserstofftankstelle)
Aktuell sind im gesamten Gebiet der Bundesrepublik Deutschland rund 90 öffentlich zugängliche H2-Tankstellen in Betrieb (Stand: Mai 2024, gemäß H2.LIVE). Diese sind vorwiegend zur Betankung von Pkw konzipiert sowie gebaut worden und weisen häufig nur geringe Betankungskapazität auf. Die benötigte Kapazität je Tankstelle wird während der Hochlaufphase kontinuierlich ansteigen. Entsprechend müssten in gewissem Maße zunächst Überkapazitäten installiert werden und/oder eine modulare bedarfsabhängige Kapazitätserweiterung stattfinden.
In den drei Landkreisen Konstanz, Waldshut und Lörrach ist aktuell (Stand: Mai 2024) noch keine öffentlich zugängliche H2-Tankstelle in Betrieb. Die nächstgelegenen H2-Tankstellen befinden sich in:
  • 78187 Geisingen, Bodenseestraße 19 (Shell)
  • 79108 Freiburg, Gundelfinger Str. 27 (TotalEnergies)
oder in der Schweiz:
  • CH-4133 Pratteln, Muttenzerstrasse 139 (AVIA)
  • CH-4402 Frenkendorf, Rheinstrasse 113d (Coop)
  • CH-9000 St. Gallen, Oberstraße 141 (AVIA)
Die aktuell in Betrieb oder in Planung befindlichen H2-Tankstellen in Deutschland und ganz Europa können über Online-Portale ermittelt werden. Unter nachfolgender Verlinkung finden Sie eine Auswahl von Online-Portalen, die Informationen (Adresse, Öffnungszeiten, Betankungsarten, ggf. Preise, etc.) zu den einzelnen Standorten zur Verfügung stellen.

H2-Tankstellen (Deutschland, Europa und weltweit)

Betankungstechnologien

Wasserstoff kann in drei unterschiedlichen Speicherarten vorgehalten und als Kraftstoff an Tankstellen bereitgestellt werden:
  • Gasförmig unter Druck - Druckwasserstoff (CGH2)
    CGH2 bei 350 bar (35 MPa) ist derzeit üblich für Busse und erste LKW-Anwendungen im Regionalverkehr.
    CGH2 bei 700 bar (70 MPa) ist der Standard für BZ-PKW, daher arbeiten die meisten H2-Tankstellen in Europa mit diesem Druckniveau. Es ist davon auszugehen, dass künftig diese Technologie auch bei schweren Nutzfahrzeugen im Fernverkehr zum Einsatz kommt, da hier unterschiedliche Hersteller bereits Vorserienfahrzeuge erproben.
  • Flüssigwasserstoff (LH2)
    Flüssigwasserstoff-Tanks bei Niederdruck (um etwa 5 bar) wurden bereits um die 2000erJahre entwickelt und als Tanksystem in Fahrzeugen mit H2-Motor eingesetzt. Die benötigte hochwirksame thermische Isolierung bei LH2-Fahrzeugtanks ist nach wie vor eine große Herausforderung. Da für die Verflüssigung von Wasserstoff beim heutigen Stand der Technik etwa 30% des H2-Energieinhalts aufgewendet werden müssen, sind die Kosten für die LH2-Technologie in der Kraftstoffbereitstellung zu beachten. Zukünftig könnte der Energiebedarf für die Verflüssigung bei 20% und darunter liegen. Um Flüssigwasserstoff zur Kraftstoffbereitstellung künftig nutzen zu können, müssen die Verflüssigungskapazitäten in Deutschland und Europa massiv ausgebaut werden, da aktuell nur eine geringe Kapazität vorhanden und diese bereits ausgelastet ist.
  • Verdichteter, tiefkalter „kryogener“ Wasserstoff (CcH2)
    Eine noch höhere Energiedichte als LH2-Speicher erreicht eine Kombination aus tiefkaltem und mit hohem Druck komprimierten Wasserstoff im kryogenen Druckspeicher (CcH2). Diese Technologie bietet nach dem Phasendiagramm von Wasserstoff die höchste Speicherdichte.
Genehmigungsverfahren für H2-Tankstellen
Abhängig von der Menge des H2-Inventars (zum Beispiel H2 in Speichern und Rohrleitungen) an der Tankstelle müssen unterschiedliche Genehmigungsverfahren durchgeführt werden. Für bis zu drei Tonnen Wasserstoff ist keine Genehmigung nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) erforderlich. Ab drei Tonnen ist ein vereinfachtes Verfahren, ab 30 Tonnen ein förmliches Verfahren erforderlich. Ein förmliches Verfahren kann schon durch die Nutzung einer Elektrolyseanlage erforderlich werden. Weiterhin ist bei einer Lagerung von mehr als fünf Tonnen Wasserstoff die Störfall-Verordnung des 12. BImSchG zu beachten. Weitere Details können dem „Genehmigungsleitfaden Wasserstoff-Tankstellen“ entnommen werden. Die Art des erforderlichen Genehmigungsverfahrens hat entsprechend Einfluss auf die Genehmigungsdauer.

EU-Verordnung über den Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe (AFIR)

Gemäß den bisherigen Vorgaben aus der AFIR (Alternative Fuel Infrastructure Regulation) muss ab 2030 eine sowohl für Pkw als auch Lkw geeignete Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur an allen städtischen Knoten sowie alle 200 km auf den Strecken des Kernnetzes des Transeuropäischen Verkehrsnetzes (TEN-V) errichtet werden, um ein ausreichend dichtes Netz für Fahrten mit Wasserstoff-Fahrzeugen innerhalb der gesamten EU zu gewährleisten. Das TEN-V-Gesamtnetz ist in Baden-Württemberg weitgehend identisch mit den bestehenden Bundesautobahnen. Kleinere Abweichungen gibt es, zum Beispiel gehören die Teilstücke der BAB 98 an der Grenze zur Schweiz nicht zum berücksichtigten Straßennetz.
Auf Basis des ursprünglichen Kommissionsvorschlags müssten EU-weit etwa 1.100 H2-Tankstellen errichtet werden. Dies ist nach Ansicht des H2-Lobbyverbandes „Hydrogen Europe“ deutlich zu wenig. Deshalb schlugen sie ambitioniertere Ziele vor, wie bspw. eine H2-Tankstelle mit 350 und 700 bar-Betankungsmöglichkeit mindestens alle 100 km bis 2030, sowie eine LH2-Betankungsmöglichkeit alle 300 km. Ferner soll die Anzahl der Tankstellen in jedem städtischen Knoten auf zwei angehoben werden. Die vorgeschlagenen Verschärfungen sollten in etwa zu einer Verdopplung der erforderlichen H2-Tankstellen führen.
Die Länge der Bundesautobahnen in Baden-Württemberg beträgt etwa 1.000 km. Entsprechend sollten die von der Kommission vorgeschlagenen Infrastrukturausbauverpflichtungen zu etwa zehn bis 20 H2-Tankstellen entlang der Autobahnen führen. Die genaue Anzahl ist zum Beispiel abhängig von den Tankstellenstandorten in benachbarten Ländern und Bundesländern sowie von der Erreichbarkeit der Betankungsinfrastruktur aus nur einer oder aus beiden Fahrtrichtungen. Da größere Abstände zwischen Tankstellen mit LH2-Abgabe definiert sind, ist davon auszugehen, dass nur einige wenige Standorte an Autobahnen mit dieser Kraftstoffoption ausgerüstet werden müssen. Eine Vorgabe für CcH2-Kraftstoff ist im Verordnungsentwurf nicht enthalten.
Die Rolle von AFIR ist aus europäischer Sicht von großer Bedeutung, denn sie erlaubt einen Betrieb über Landesgrenzen hinweg und ist für Länder ohne moderne H2-Infrastruktur ein bedeutender Anschub.

Studien, Analysen & Leitfäden

Nachfolgende Verlinkungen führen Sie zu informativen Artikeln rund um das Thema Wasserstoff. Hier finden Sie auch weiterführende Informationen zum Themenbereich “Wasserstoff in der Mobilität”.
Studien & Analysen
(bspw. zur H2-Infrastruktur für Nutzfahrzeuge im Fernverkehr oder zu Potenzialen in der H2-Tankstellentechnologie)
Leitfäden
(bspw. zur Genehmigung und Überwachung von Elektrolyseuren oder von Wasserstoff-Tankstellen)

Förderungen

Für Wasserstoffprojekte existieren zahlreiche Förderprogramme auf europäischer, nationaler, Landes- und regionaler Ebene. Diese reichen von finanzieller Unterstützung bis hin zu Beratungsleistungen. Unter nachfolgendem Link finden Sie eine Auflistung mit Möglichkeiten zur Recherche oder konkrete Förderprogramme im Bereich der Mobilität.
Förderungen

Kompetenzatlas: Experten für neue Mobilitätslösungen in Baden-Württemberg

Der Kompetenzatlas ist ein gemeinsames Nachschlagewerk des “Clusters Elektromobilität Süd-West” und des “Clusters Brennstoffzelle BW” der e-mobil BW GmbH. Er bietet wertvolle Einblicke in die Kompetenz beider Cluster-Initiativen und unterstützt bei der Suche nach geeigneten Kooperationspartnern.

Veranstaltung „H2 in der Logistik“

Am 13.03.2024 trafen sich ca. 80 Vertreter/innen aus der Wirtschaft, insbesondere der Transport- und Logistikbranche, in Titisee, um über die Potenziale und Herausforderungen von Wasserstoff in der Logistik zu diskutieren und sich zu vernetzen. Unter nachfolgendem Link finden Sie die freigegebenen Präsentationen mit interessanten Informationen.
Veranstaltung „H2 in der Logistik“ 

Quellen

  • e-mobil BW GmbH, „Systemvergleich zwischen Wasserstoffverbrennungsmotor und Brennstoffzelle im schweren Nutzfahrzeug“, 2021.
  • e-mobil BW GmbH, „H2-Infrastruktur für Nutzfahrzeuge im Fernverkehr“, 2023.
  • Europäische Kommission, „Vorschlag für eine Verordnung des Europäischen Parlaments und des Rates über den Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe und zur Aufhebung der Richtlinie 2014/94/EU des Europäischen Parlaments und des Rates, COM(2021) 559 final“, 2021.
  • H2.LIVE, Zugriff 29.05.2024 [Online]. URL: https://h2.live/.
  • Hydrogen Europe/Industry, „Open Letter raising concern on the lack of ambition in Article 6 (hydrogen refuelling)“, 2022.
  • Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg, „Herausforderungen beim Hochlauf von Zero-Emission-Nutzfahrzeugen in Baden-Württemberg – Fokus Brennstoffzellenantriebe“, 2023.
  • NOW GmbH, „Genehmigungsleitfaden Wasserstoff-Tankstellen“, 2022.