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Well-to-Wheel Betrachtung von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen

Erstellt am: 04.11.2010 | Stand des Wissens: 21.01.2019
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Wasserstoff als Energieträger erlaubt eine lokal emissionsfreie Mobilität (TtW System) [Grue06, S. 60f.]. Obwohl Wasserstoff auch als Treibstoff für Fahrzeuge mit konventionellen Verbrennungsmotoren verwendet werden kann, ist dieser Betrieb nicht vorteilhaft [Grue06, S. 135]. Mit seiner geringen Energiedichte muss Wasserstoff entweder bei sehr hohem Druck verdichtet (Compressed Hydrogen, CH2) oder bei niedrigen Temperaturen verflüssigt (Liquid Hydrogen, LH2) werden. Sowohl die Verflüssigung als auch die Komprimierung des gasförmigen Wasserstoffs sind mit einem hohen energetischen Aufwand verbunden [Grue06, S. 109f.]. Um in bedeutenden Größen gespeichert werden zu können, verlangt es auch deswegen nach einem effizienten Verbraucher wie der Brennstoffzelle [EuCo07, S. 44]. Alternativ können Brennstoffzellen mit kohlenstoffbasierten Energieträgern wie Ethanol betrieben werden. Es entstehen hier lokale Emissionen, die Speicherung von Ethanol ist aber aufgrund der höheren Energiedichte vergleichbar mit heutigen Treibstoffen [RiFu15].

Da Wasserstoff ein Sekundärenergieträger ist, sind die Treibstoffvorketten entscheidend für die Treibhausgasemissionen im WtT System. Auch die damit verbundenen Kosten hängen direkt von den Kosten der Herstellung und der Bereitstellung des Wasserstoffs ab. Die Bilanz der Emissionen, und vor allem das Ergebnis der WtW Betrachtung ist somit abhängig vom gewählten Primärenergieträger und dem jeweiligen Herstellungspfad. Es existieren viele verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung, die sich auch deutlich in ihren Kosten unterscheiden [EuCo07, S. 44]. Die CO2-arme Herstellung ist mit folgenden Pfaden denkbar:
  •     Dampfreformierung aus Erdgas mit CO2-Abscheidung,
  •     Kohlevergasung mit CO2-Abscheidung,
  •     direkte Erzeugung aus Biomasse mittels Vergasung,
  •     Elektrolyse mittels Strom aus erneuerbaren Energien,
  •     Elektrolyse mittels Strom aus fossilen Quellen mit CO2-Abscheidung,
  •     Elektrolyse mittels Strom aus Kernenergie.

[Grue06] analysiert das WtW Gesamtsystem für das Jahr 2020. In Abbildung 1 sind die WtW Bilanzen für Brennstoffzellenfahrzeuge mit verschiedenen Pfaden zur Herstellung von Wasserstoff dargestellt. Weiterhin wurden zur Veranschaulichung zwei Beispiele für die Reformierung von Erdgas, das über eine Strecke von 4.000 Kilometern transportiert wurde, ausgewählt. Einmal wird Wasserstoff in komprimierter Form dezentral hergestellt, als zweite Variante wird Wasserstoff zentral produziert, verflüssigt und zu den Tankstellen transportiert. Deutlich wird, dass aufgrund der hohen Emissionen in der Treibstoffvorkette aus Erdgas bereitgestellter Wasserstoff keinen signifikanten Treibhausgasvorteil gegenüber dem direkten Einsatz von Erdgas hat [WoLu16].



Well-to-Wheel BrennstoffzelleAbb. 1: WtW-Betrachtung für Pkw mit Brennstoffzellenantrieb 2020 [Grue06, S. 142] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

Wird Wasserstoff über Elektrolyse auf Basis des europäischen Strommixes im Jahr 2010 erzeugt und dann in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt, so fällt die Bilanz gegenüber der Nutzung von fossilen Treibstoffen und konventionellen Verbrennungsmotoren negativ aus. Wird der Wasserstoff dagegen aus Wasser und regenerativem Strom per Elektrolyse hergestellt, so hat er vergleichsweise niedrige Treibhausgasemissionen. Insofern ist bei zukünftigen Einsatzkonzepten für Wasserstoff darauf zu achten, dass der Wasserstoff aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, um eine niedrigere CO2-Emissionsbilanz gegenüber konventionellen Fahrzeugen zu erreichen. Laut des Energiekonzepts für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung ist in Deutschland eine Senkung der Treibhausgasemissionen von mindestens 80 Prozent im Jahr 2050 im Vergleich zum Jahr 1990 vorgesehen [BMWi10d]. Dies bedeutet, dass im Verkehrs-, Wärme- und Stromsektor erhebliche CO2-Einsparungen nötig sind, die teilweise durch die verstärkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen erreicht werden können. Unter dem Konzept "Power-to-X" wird daher derzeit diskutiert, welche Chancen und Herausforderungen sich bei einer Substitution von Technologien, die auf fossilen Energieträgern beruhen, durch strombasierte Anwendungen ergeben. Hierzu zählt auch die Nutzung der Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff anstelle von konventionellen Verfahren wie der Erdgasreformierung.

Falls die CO2-Sequestrierung (Abtrennung und Endlagerung von CO2 aus den Emissionen der fossilen Brennstoffe) technisch so weit optimiert werden kann, dass sie auch unter ökonomischen Gesichtspunkten konkurrenzfähig ist, und ausreichend Speicherkapazitäten für die Deponierung zur Verfügung stehen, so können übergangsweise auch die Wasserstoffpfade 'Reformierung von Erdgas' und 'Kohlevergasung' für die Erreichung von Klimaschutzzielen im Verkehrsbereich interessant werden [Grue06, S. 141f.]. In Deutschland wird die untertägige CO2-Speicherung jedoch in der Bevölkerung teils kritisch gesehen [DuWo15].

Die Nutzung von Biomasse zur Wasserstoffherstellung ist geeignet, um Wasserstoff CO2-arm zu gewinnen und stellt eines der kostengünstigsten Verfahren dar [WiAr10, S. 312]. Das Verfahren kann zukünftig eine wettbewerbsfähige Alternative gegenüber der Produktion von Wasserstoff aus fossilen Ressourcen darstellen [BaKi10]. Aufgrund begrenzter Potenziale und der Nutzungskonkurrenz um Biomasse, die auch zur Strom- oder Wärmegewinnung geeignet ist, ist das Wasserstoffpotenzial aus Biomasse jedoch limitiert [WiAr10, S. 313]. Aus diesem Grund wird derzeit die Elektrolysetechnologie intensiv erforscht, da die CO2-arme Wasserstoffproduktion hierbei in erster Linie von der Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom abhängt, der aus verschiedensten Quellen gewonnen werden kann. Wenn die Anlagen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien weiter ausgebaut werden, ergibt sich für die Elektrolyse tendenziell ein größeres Potenzial zur Wasserstoffherstellung.

Insgesamt zeigt die WtW-Analyse die starke Abhängigkeit der Treibhausgasbilanz vom WtT-System bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen (Fuel Cell Electric Vehicles, FCEV). Mithilfe innovativer Herstellungsverfahren für Wasserstoff und dem Einsatz erneuerbarer Energien in der Produktion kann in Zukunft eine sehr gute WtW-Bilanz von FCEV erzielt werden [MuZe14].
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Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Antriebstechnologien im Straßenverkehr (Stand des Wissens: 21.01.2019)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?298940
Literatur
[BaKi10] Havva Balat, Elif Kirtay Hydrogen from biomass - Present scenario and future prospects. , 2010/04
[BMWi10d] Die Bundesregierung Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung, 2010/09/28
[DuWo15] Dütschke, Elisabeth , Wohlfarth, Katharina , Schumann, Diana , Pietzner, Katja , Carpantier, Rike , Schwarz, André , von Winterfeld, Uta Chancen für und Grenzen der Akzeptanz von CCS in Deutschland CCS-Chancen, 2015
[EuCo07] EUCAR, CONCAWE, JRC/IES Well-to-Wheels Analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context (WELL-to-TANK Report), 2007
[Grue06] Grünwald, Reinhard Perspektiven eines CO2- und emissionsarmen Verkehrs- Kraftstoffe und Antriebe im Überblick, 2006
[MuZe14] Franziska Müller-Langer, Konstantin Zech, Stefan Rönsch, Katja Oehmichen, Julia Michaelis, Simon Funke, Elias Grasemann Assessment of Selected Concepts for Hydrogen Production Based on Biomass, in Hydrogen Science and Engineering : Materials, Processes, Systems and Technology, veröffentlicht in Hydrogen Science and Engineering : Materials, Processes, Systems and Technology, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany, 2014, ISBN/ISSN 9783527332380
[RiFu15] Bernhard Rieder, Simon Funke Techno-economic evaluation of methanol fuel cell range-extended electric vehicles, 2015
[WiAr10] Wietschel, Martin , Arens, Marlene , Dötsch, Christian , Herkel, Sebastian , Krewitt, Wolfram, Markewitz, Peter , Möst, Dominik , Scheufen, Martin (Hrsg.) Energietechnologien 2050 - Schwerpunkte für Forschung und Entwicklung, 2010
[WoLu16] Paul Wolfram, Nic Lutsey Electric vehicles: Literature review of technology costs and carbon emissions, 2016/07/15, Online-Referenz http://www.theicct.org/lit-review-ev-tech-costs-co2-emissions-2016
Glossar
Biomasse Biomasse umfasst:
  • Reststoffe wie z.B. Restholz, organische Abfälle (Biomüll, Gülle etc.), Stroh sowie
  • Energiepflanzen wie z.B. Raps, schnell wachsende Baumarten, Energiegetreide, Miscanthus.
CO
= Kohlenstoffmonoxid. CO ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffdioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide. Es ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Kohlenstoffmonoxid beeinträchtigt die Sauerstoffaufnahme von Menschen und Tieren. Schon kleine Mengen dieses Atemgiftes haben Auswirkungen auf das Zentralnervensystem.
Es entsteht bei der unvollständigen Oxidation von kohlenstoffhaltigen Substanzen. Dies erfolgt zum Beispiel beim Verbrennen dieser Stoffe, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht oder die Verbrennung bei hohen Temperaturen stattfindet. Kohlenstoffmonoxid selbst ist brennbar und verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Hauptquelle für die CO-Belastung der Luft ist der Kfz-Verkehr.
FCEV Brennstoffzellenfahrzeug; Die Brennstoffzelle fungiert als Energiewandler, der chemische in elektrische Energie umwandelt und damit die Batterie, bzw. indirekt den Elektromotor betreibt. Der optimale Energieträger ist Wasserstoff, der eine lokale emissionsfreie Mobilität ermöglicht.
TtW Tank-to-Wheel; Teilsystem der Well-to-Wheel Analyse, die die Treibhausgasemissionen des Fahrzeugbetriebs erfasst.
WtT Well-to-Tank, Teilsystem der Well-to-Wheel Analyse, die die Treibhausgasemissionen der Kraftstoffvorketten erfasst.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
WtW Well-to-Wheel; Analyseverfahren, das zur Bewertung und zum Vergleich von konventionellen und alternativen Antriebstechnologien die vollständigen Kraftstoffzyklen erfasst. Das Gesamtsystem besteht aus den Teilsystemen Well-to-Tank und Tank-to-Wheel.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?332868

Gedruckt am Donnerstag, 29. September 2022 04:27:32