Wasserstoff wird getankt

13.07.21 Die Brennstoffzelle wird ein Game Changer sein Autor*in: Florian Brandau, Marc Sens, Ralf Wascheck • Lesedauer: 3 min.

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Zusammenfassung

Die vom Verkehrssektor verursachten CO-Emissionen müssen deutlich sinken. Neben der öffentlichen und politischen Debatte mit Fokussierung auf das rein batterieelektrische Fahrzeug gibt es weitere Optionen für die Energieträger im Verkehr der Zukunft. Mittlerweile wird die Diskussion um Wasserstoff bereits industriepolitisch von der EU und anderen Ländern wie z. B. Japan und Südkorea geführt. Ein klarer Fokus liegt dabei zudem auf der Ausbalancierung der Energieströme durch Speicherung in Energieträgern wie, ganz klar: Wasserstoff.

Florian Brandau, Marc Sens, Ralf Wascheck

Klimaziele, Kundenerwartungen, Kapital: Mehrere Faktoren sorgen für Bewegung im Mobilitätsmarkt. Der Wettbewerb um die beste Zero-Emission-Technologie spielt sich primär zwischen batterieelektrischen (BEV – Battery Electric Vehicles) und brennstoffzellenelektrischen Fahrzeugen (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicles) ab. Dazu kommt die Diskussion über synthetische Kraftstoffe, die häufig auf Wasserstoff als Grundstoff bauen. Hier liegt aber auch schon der Knackpunkt: Für synthetische Kraftstoffe ist die Prozesskette länger und teurer als für Wasserstoff. Synthetische Kraftstoffe finden ihre Anwendung somit vermutlich nur dort, wo hohe Energiedichten benötigt werden, also zum Beispiel in Schiffen und Flugzeugen.

Mit Blick auf den Straßenverkehr setzen die meisten Fahrzeughersteller vorrangig auf BEVs für den Individualverkehr. Aber wir alle kennen die Diskussion um die Reichweite von Elektrofahrzeugen. Bereits in schwereren Pkws und leichten Nutzfahrzeugen wird die wasserstoffbasierte Brennstoffzelle eine interessante Alternative. Hier liegt der Nutzerfokus häufig auf langen Einsatzzeiten (wie bei Kurierdiensten) und hohen Tageskilometerleistungen (wie bei Dienstwagen oder Vertreterfahrzeugen, die zudem eine schnelle Energiezuführung beim Tanken benötigen).

Im Bereich der Nutzfahrzeuge über zwölf Tonnen steht bei der Wahl des Antriebssystems jeweils die Anwendung und die spezifische Fahrzeuglösung im Vordergrund. Das Hauptkriterium ist hier neben dem umweltfreundlichen Antrieb der Kostenfaktor, häufig beschrieben als TCO (Total Cost of Ownership) bzw. Gesamtbetriebskosten des Fahrzeugs.

Wasserstoff: hohe Reichweiten bei kurzen Tankzeiten

Neue Zero-Emission-Technologien sind in vielen Bereichen schon reif und ermöglichen einen wirtschaftlichen Einsatz in Nutzfahrzeugen. Auf kurzen Strecken haben sich E-Antriebe bereits bewährt, und auch für überregionale Transporte mit 200 bis 300 Kilometern Entfernung gibt es erste Lösungen. Selbst schwere Nutzfahrzeuge lassen sich dank steigender Energiedichte der Batterien künftig mit batterieelektrischen Antrieben auf längeren Strecken betreiben. Voraussetzung ist allerdings, dass die nötige Hochleistungs-Ladeinfrastruktur vorhanden ist und das Einsatzszenario genügend Ruhepausen fürs Nachladen lässt.

Daneben steht eine weitere Zero-Emission-Technologie in den Startlöchern und befindet sich an der Schwelle der Wirtschaftlichkeit: die Brennstoffzelle. Sie wird der „Game Changer“ sein. Denn Wasserstoff ermöglicht als Energieträger sehr hohe Reichweiten bei kurzen Tankzeiten und eine hohe Flexibilität in der Nutzung. Neben der Brennstoffzelle sind auch Wasserstoff-Verbrennungsmotoren reizvoll, weil diese Technologie einen weiteren Pfad für den Einstieg in die H2-Mobilität eröffnet.

Florian Brandau, Marc Sens, Ralf Wascheck

Die Vorteile von Wasserstoff liegen dabei auf der Hand: Er bietet uns eine der besten und saubersten Lösungen, regenerative Energien zu speichern. Solche Speicherlösungen werden in Zukunft immer wichtiger sein, wenn wir die Energieflüsse aus erneuerbaren Energien verstetigen wollen. Darum wird in den kommenden Jahren sehr viel in Stromnetze, Wasserstofferzeugung und -Logistik investiert. Auch die globale Verkettung im Energie- und Treibstoffhandel wird sich stark wandeln. Dabei bietet sich die direkte, dezentrale Nutzung von Wasserstoff in Fahrzeugen zweifelsfrei an.

Objektiver Überblick über verschiedene Antriebsvarianten

Wir haben für wesentliche Fahrzeugklassen eine umfangreiche Studie durchgeführt, die einen objektiven Überblick über verschiedene Antriebsvarianten und die Bereitstellung der dafür benötigten Energie bzw. des Treibstoffes gibt. IAV-Experten haben dafür den anzunehmenden CO₂-Footprint dreier Fahrzeugklassen (mittelschweres SUV, leichtes Nfz und schweres Nfz) im Jahr 2030 untersucht – also die CO₂-Äquivalente, die bei der Verwendung eines rein batterieelektrischen Antriebs, einer Brennstoffzelle und eines Wasserstoffverbrennungsmotors anfallen würden. Die Berechnungen erfolgten gemäß einer Tank-to-Wheel-, Well-to-Wheel- und Lebenszyklus-Betrachtungsweise (Lifecycle Assessment, LCA). Für letztere wurde der komplette Zyklus eines Fahrzeugs analysiert – von der Rohstoffgewinnung über die Logistikkette, Produktion, Montage und Nutzung bis hin zum Recycling.

Wasserstoff Truck

Das Ergebnis: Mit allen drei untersuchten Antriebsvarianten ließe sich unter konsequenter LCA-Betrachtung der CO₂-Footprint im Verkehrssektor im Jahr 2030 deutlich reduzieren. Dabei ist ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb je nach untersuchter Fahrzeugklasse ähnlich klimafreundlich wie ein rein batterieelektrisches Mobil – und damit eine sinnvolle Ergänzung im Flottenmix.

Wichtig ist: Man kann hier natürlich nicht jedes individuelle Nutzerprofil betrachten, sondern muss viele Annahmen treffen. Ein Beispiel: Es gibt aktuell bei konventionellen Pkw zwar eine Vielzahl von Varianten, grundsätzlich erfüllen dabei aber alle Fahrzeugantriebe annähernd alle Einsatzprofile: Kurzstrecke, Langstrecke, Stadt, Landstraße und Autobahn. Sobald man sein persönliches Einsatzprofil hinterfragt, fällt jedoch meistens eines auf: Man lässt sich bei der Wahl des Fahrzeugs nicht so sehr von persönlichen Nutzungsbedingungen leiten, stattdessen stehen andere Faktoren wie Prestige, Emotion und zudem eine gewisse Lenkungswirkung durch Marketing deutlich im Vordergrund. Im Zuge des technologischen Wandels hin zu emissionsfreien Antrieben lassen sich bedeutende Effekte hinsichtlich der persönlichen Mobilitätskosten und konsequenterweise auch des eigenen CO2-Fußabdrucks realisieren, wenn das gewählte Fahrzeug zur wirklichen Anwendung passt.

Emissionen senken durch Retrofits

Für Nutzfahrzeuge zeichnet sich noch ein weiterer Trend ab: Retrofits, also der Austausch konventioneller Antriebstechnik gegen batterieelektrische oder brennstoffzellenelektrische Antriebe. Dabei werden – gemäß den Regeln der Kreislaufwirtschaft – das Basisfahrzeug erhalten und verschleißbehaftete Komponenten durch emissionsfreie Technologie ersetzt. Dadurch werden nicht nur Kosten reduziert, sondern in hohem Maße auch Emissionen in der Fahrzeugproduktion vermieden.

Florian Brandau, Marc Sens, Ralf Wascheck

Klar ist: Es wird auch weiterhin eine Antriebsvielfalt geben, und der Zuschnitt auf die individuellen Bedürfnisse der Kunden muss weiter intensiviert werden. Einer der Treiber sind die ambitionierten Klimaziele – schließlich will die EU bis 2050 CO₂-neutral wirtschaften, und wir wollen unseren Nachfolgegenerationen einen intakten Planeten übergeben.


Weiterführende Informationen

IAV ist mit mehr als 8.000 Mitarbeitern einer der weltweit führenden Engineering-Partner der Automobilindustrie. Das Unternehmen entwickelt seit über 35 Jahren innovative Konzepte und Technologien für zukünftige Fahrzeuge und setzte 2020 rund 896 Millionen Euro um. Zu den Kunden zählen weltweit alle namhaften Automobilhersteller und Zulieferer. Neben Fahrzeug- und Antriebsentwicklung ist IAV bereits frühzeitig in die Elektromobilität und das autonome Fahren eingestiegen und ist heute einer der führenden Entwicklungsdienstleister auf diesen Gebieten. Neben den Entwicklungszentren in Berlin, Gifhorn und Chemnitz/Stollberg verfügt IAV über weitere Standorte u. a. in München, Sindelfingen und Ingolstadt sowie in Europa, Asien als auch in Nord- und Südamerika.

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