Der wasserstoffgetriebene Toyota Mirai versus Elektromobil von Tesla

Der Tank eines Autos mit wasserstoffbasiertem Antrieb lässt sich in drei Minuten befüllen, dafür gibt es bundesweit nur etwa 15 Tankstellen. Für Elektromobile hingegen stehen inzwischen genügend Tankstellen bereit, dafür muss der Fahrer für eine Befüllung jedoch etwa zwanzig Stunden warten. ke NEXT hat sich auf der diesjährigen Hannover Messe umgesehen, wie alltagstauglich beide Technologien sind.

Bei der Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen prallen Grundlagenforschung und Markteinführungsprogramme neuer Techniken aufeinander. Doch gerade bei der individuellen Mobilität sind rasche Erfolge gefragt. Denn wenn man die Folgen des Klimawandels nicht in Kauf nehmen will, braucht man emissionsarme Autos, andernfalls müsste sich unsere Gesellschaft in ihrer Mobilität massiv verändern.

Gesucht wird, mit großem Entwicklungsaufwand, ein Träger für die fluktuierend anfallenden, elektrischen Energien aus erneuerbaren Quellen.
Ein Energieträger, der zur Diskussion steht, ist Wasserstoff. Er kann zum Beispiel durch die Elektrolyse von Wasser oder durch – an die Photosynthese grüner Blätter angelehnte – Reaktionen produziert werden. Dies ist Bestandteil der derzeitigen internationalen Spitzenforschung.

In der Brennstoffzelle vereinigen sich Wasserstoff und Sauerstoff unter Freisetzung von elektrischer Energie, die im Fahrzeugbereich dann Elektromotoren antreibt. Ebenso kann die fluktuierend anfallende, regenerative Energie aus erneuerbaren Quellen in Batterien gespeichert werden. Diskussionen, Präsentationen und Ausstellungen hierzu waren ein Schwerpunkt der diesjährigen Hannover Messe.

Premiere in Hannover

Bild: Dr. Thomas Isenburg

So gab es die Deutschlandpremiere des Toyotas Mirai, einem Auto mit wasserstoffbasiertem Antriebskonzept. Nachdem Toyota bereits 1997 mit dem Hybridantrieb des Prius beim Wettlauf um kohlendioxidarme Antriebskonzepte die Nase vorne hatte und ein neues Stück Automobilgeschichte schrieb, wollen die Autobauer aus dem Land der aufgehenden Sonne nun erneut Maßstäbe setzen. Mirai ist das japanische Wort für Zukunft. Sein Antriebskonzept basiert auf dem Energieträger Wasserstoff. Über eine Brennstoffzelle wird die in ihm gespeicherte Energie in einen Elektromotor überführt, der dann für den Antrieb der Limousine sorgt. Die technischen Daten überzeugen auf den ersten Blick: Das mit Wasserstoff betriebene Fahrzeug erreicht eine maximale Leistung von 114 Kilowatt.

Bild: Dr. Thomas Isenburg

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Hierzu erzeugen die Brennstoffzellen eine Spannung von 650 Volt. Dies lässt einen kleinen Elektromotor zu. Das Hochleistungsbrennstoffzellen-System ist auf Kostenreduktion ausgelegt. Dabei beschleunigt das Auto von 0 auf 100 in 9,6 Sekunden bei einer Höchstgeschwindigkeit von 178 Stundenkilometern.

Toyota hält das Brennstoffzellen-System für energieeffizienter als Verbrennungsmotoren. Auch emittiere diese Antriebstechnik beim Betrieb kein Kohlendioxid, so die Autobauer aus Japan. Dabei lässt sich der Tank innerhalb von drei Minuten mit Wasserstoff befüllen, ein deutlicher Vorteil gegenüber Elektroantrieben mit erheblich längeren Zeiten zur vollständigen Ladung der Batterien. Mit einer Tankfüllung fährt das wasserstoffbetriebene Auto dann etwa 500 Kilometer weit. „In Japan ist das Fahrzeug bereits im Markt und wir haben 1600 Verträge unterzeichnet“, so Andreas Fuchs, Leiter der Konzernrepräsentanz Toyota Motor Europe auf der Messe in Hannover.

Modell eines wasserstoffgetriebenen Autos, das aus einem Wasserstofftank, einer Brennstoffzelle und einem Elektromotor besteht. In der Brennstoffzelle vereinigen sich Wasserstoff und Sauerstoff unter Freisetzung von elektrischer Energie, die den Motor antreibt. Bild: Dr. Thomas Isenburg

Das Fahrzeug scheint den Geschmack der japanischen Kunden zu treffen. 1,4 Millionen Besucher waren schon auf der Homepage des Fahrzeugherstellers. Auch sollen sich etwa 14.000 Amerikaner für den Mirai interessieren. Toyota schuf extra ein eigenes Design, damit die Technik einen entsprechenden Auftritt hat, denn der Kunde will mit dem außergewöhnlichen Produkt gesehen werden. Bislang wurden die Erwartungen von Toyota übertroffen, so Fuchs.

Pro Jahr sollen nach Planungen von Toyota nur 700 Autos gebaut werden, jedoch will man in Anbetracht der vielen Verträge bereits jetzt die Produktion auf 2000 bis 3000 Einheiten erhöhen. Zum Vergleich führt Toyota das hybridgetriebene Fahrzeug Prius heran. Hier hat es etwa zehn Jahre gedauert, bis eine Million Fahrzeuge verkauft waren. Die Preise für das Fahrzeug variieren zwischen 45.000 und 70.000 Euro je nach Land. Vor wenigen Jahren lagen die Preise von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen noch zwischen 100.000 und einer Million Euro.

Manko Wasserstofftankstellen

Jedoch gibt es in Deutschland nur etwa 15 Wasserstofftankstellen. Geplant waren bis Ende des Jahres einmal um die 50. Zur Förderung vergibt Toyota Kredite für den weiteren Ausbau. Besser ist die Situation für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge in Kalifornien, denn in dem amerikanischen Bundesstaat soll es schon bald 100 Tankstellen geben. Dass sich die Wasserstofftechnik in Deutschland noch schwer tut, zeigt auch das Beispiel Alsterschiff. Mit einer von Linde betriebenen Wasserstofftankstelle an der Alster wurde ein Schiff mit Wasserstoff betrieben. Diese hat wegen der fehlenden Rentabilität ihren Betrieb wieder eingestellt. Jedoch geht es im Automobilbereich den Unternehmen darum, Fahrzeuge mit möglichst geringer Kohlendioxidemission zu schaffen, eine gesellschaftliche Forderung, meint der Toyota-Manager Fuchs.

Elektromobil aus dem Silicon Valley

Als Vorreiter im Bereich der Elektromobilität gilt das amerikanische Unternehmen Tesla. Ansässig am bedeutendsten Standort für IT und High-Tech-Industrien im Silicon Valley, beschäftigen sich dort 10.161 Mitarbeiter mit der Weiterentwicklung von emissionsfreien Autos. CEO Elon Musk hat sich dem Wandel der Verbrennungswirtschaft hin zu einer Solar- und Elektrowirtschaft verschrieben. Bislang ist das Model S der Verkaufsschlager. Es ist seit 2012 auf dem Markt und seit 2013 auch in Europa zu haben.

Aus der Modellebene in die Realität: Toyota hat auf der diesjährigen Hannover Messe mit dem Mirai ein wasserstoffgetriebenes Auto vorgestellt, das insbesondere in Japan und den USA auf großes Interesse stößt. Deshalb will das Unternehmen die Produktion des Autos erhöhen.

Von 0 auf 100 beschleunigt das Spitzenmodell in 3,3 Sekunden. Mit einer voll geladenen Batterie kann es bis zu 480 Kilometer weit fahren und dabei eine Höchstgeschwindigkeit von 250 Stundenkilometern erreichen. Im ersten Quartal diesen Jahres verkaufte Tesla hiervon bereits 10.000 Exemplare. Zudem soll bis 2017 ein Elektromobil zum Preis von 35.000 US-Dollar auf den Markt kommen. Dieses ist dann halb so teuer wie das Flaggschiffmodell S. Damit können neue Käuferschichten erobert werden.

Ein klarer Vorteil für die Elektromobilität ist sicher das wesentlich dichtere Tankstellennetz. Dies ist auch Bestandteil des Marketingkonzepts von Tesla. So verkündete Unternehmensgründer Musk bereits 2013, dass er viel Geld in Deutschland investieren will, indem er auf seine Kosten Schnellladestationen bauen wolle.

Die Supercharger genannten Schnellladestationen sind nun installiert. An 35 Superchargern können Teslafahrer die Batterie ihres Autos kostenlos aufladen. Innerhalb von 20 Minuten ist das Modell S wieder zur Hälfte aufgeladen. Um den Akku mit 85 Kilowattstunden vollständig zu füllen, braucht man an der heimischen 230-Volt-Steckdose 20 Stunden. Dabei hat der Lithiumakku ein Gewicht von 1000 kg. Ein Hemmschuh: Bislang verdient Tesla noch kein Geld mit seinen Sportwagen – im Gegenteil: Der Verlust verdreifachte sich im abgelaufenen Quartal bei einem Rekordumsatz, denn im gesamten Jahr 2015 sollen 55.000 Fahrzeuge ausgeliefert werden.

Vorbild US-amerikanisches Punktesystem

In Deutschland strebt man zwar bis 2020 bekanntlich das Ziel an, eine Millionen Elektrofahrzeuge auf den Straßen zu haben, jedoch gewährt der Staat lediglich eine zehnjährige Befreiung von der Kfz-Steuer, die ab Januar 2016 auf fünf Jahre verkürzt werden soll. Dagegen verlangt der Gesetzgeber in Kalifornien, dass mittlere und größere Autohersteller eine gewisse Anzahl emissionsarmer Fahrzeuge, so genannte Zero Emissions Vehicles (ZEV), auf dem Markt haben müssen. Dies basiert auf einem Punktesystem. Hier kann Tesla wegen der geringen Emissionen Punkte sammeln und verkauft diese an Hersteller, die die vorgeschriebene Punktezahl nicht erreichen. Dies bescherte dem Unternehmen einen Gewinn um die 130 Millionen Dollar. Leistungsfähige Energiespeicher sind das Herzstück dieser Technik, in dessen Umfeld es nun weitere Entwicklungen gibt.

Hannover Messe 2015: Der große Besucherandrang bei Podiumsdiskussionen und Vorträgen zeigte, wie groß das Interesse an Energiespeichertechniken ist. Bild: Dr. Thomas Isenburg

Tesla hat gerade für Haushalte das Speichersystem Powerwall zum Speichern von Strom aus Solaranlagen auf den Markt gebracht. Mit einer Leistung von zehn Kilowattstunden kann es vier Fünftel der Leistung einer vierköpfigen Familie abdecken. Das Modell ist etwa 1,30 Meter hoch, 90 Zentimeter breit und 20 Zentimeter tief. Der Akku soll etwa 3100 Dollar kosten und ist ab Sommer in den USA zu haben. Noch ist der Markt für Batteriespeicher klein. Experten aus den USA erwarten jedoch ein rasantes Marktwachstum. Im Jahr 2020 sollen die jährlichen Investitionen im stationären Netz auf 5,1 Milliarden US-Dollar wachsen.

Zum Thema Energiespeicher gab es im März dieses Jahres eine Studie des Bundesverbands Erneuerbare Energien, die auf der Hannover Messe veröffentlicht wurde. Durchgeführt wurde sie von einem Experten für Power-to-gas, Professor Michael Sterner von der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg, sowie der Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES). „Rein technisch betrachtet sind in Deutschland ausreichende Speicherkapazitäten für die Energiewende vorhanden: das Speicherproblem ist technisch gelöst“, heißt es.

Und weiter: „Diese Speicherkapazitäten sind jedoch wenig erschlossen, was vorwiegend an der fehlenden Wirtschaftlichkeit liegt, welche wiederum durch die Rahmenbedingungen bestimmt ist.“ Aufgrund stark sinkender Batteriepreise geht die Studie von einer Wirtschaftlichkeit in naher Zukunft aus. Als Entwicklungstreiber wird hier die Elektromobilität genannt. Seit Mai 2013 existiert für die Förderung ein Progamm der KfW-Bank. Gefördert werden soll zum Beispiel auch mit Kopernikus-Projekten durch die Bundesregierung. Ausgangspunkt ist die „Flexible Nutzung erneuerbarer Energien zu Power-to-X“. Der Schwerpunkt liegt auf der Erforschung und Weiterentwicklung von Verfahren zur Umwandlung von Strom in Energieträger, in gasförmige Substanzen wie Wasserstoff oder Methan (Power-to-Gas) oder in flüssige Substanzen wie Kraftstoffe (Power-to-Liquid) für den Verkehr.

An Produkten, Konzepten und Geschäftsmodellen beim emissionsarmen Antrieb mangelt es nicht. Man darf auf den weiteren Markteintritt, auf die Geschwindigkeit der Neuerungen sowie auf die Entwicklungen der Player gespannt sein.

Autor: Dr. Thomas Isenburg, freier Autor für ke NEXT

Das bleibt hängen

Was Mirai und Tesla können

- Der Toyota Mirai (das Wort Mirai bedeutet auf japanisch Zukunft) feierte auf der diesjährigen Hannover Messe Deutschlandpremiere.

- Das mit Wasserstoff betriebene Fahrzeug erreicht eine maximale Leistung von 114 Kilowatt. Hierzu erzeugen die Brennstoffzellen eine Spannung von 650 Volt.

- Dabei beschleunigt das Auto von 0 auf 100 in 9,6 Sekunden bei einer Höchstgeschwindigkeit von 178 Stundenkilometern.

- Der Tank lässt sich innerhalb von drei Minuten mit Wasserstoff befüllen.

- Mit einer Tankfüllung fährt das wasserstoffbetriebene Auto dann etwa 500 Kilometer weit.

- Die Preise für das Fahrzeug variieren zwischen 45.000 und 70.000 Euro, je nach Land. Vor wenigen Jahren lagen die Preise von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen noch zwischen 100.000 und 1 Million Euro.

- Das Model S des Tesla ist seit 2012 auf dem Markt und seit 2013 auch in Europa zu haben.

- Von 0 auf 100 beschleunigt das Spitzenmodell in 3,3 Sekunden.

- Mit einer voll geladenen Batterie kann bis zu 480 Kilometer weit gefahren und dabei eine Höchstgeschwindigkeit von 250 Stundenkilometern erreicht werden. An 35 Schnellladestationen sollen deutsche Teslafahrer die Batterie ihres Autos kostenlos aufladen können. Innerhalb von 20 Minuten ist das Modell S wieder zur Hälfte aufgeladen.

- Um den Akku mit 85 Kilowattstunden vollständig zu füllen, braucht man an der 230-Volt-Steckdose 20 Stunden. Dabei hat der Lithiumakku ein Gewicht von 1000 kg.

- Bis 2017 soll ein Elektromobil zum Preis von 35.000 US-Dollar auf den Markt kommen. Dieses ist dann halb so teuer wie das Flaggschiffmodell S.