Brennstoffzellenfahrzeuge als Variante der elektrischen Fahrzeuge
Erstellt am: 08.11.2023 | Stand des Wissens: 08.11.2023
Synthesebericht gehört zu:
Fahrzeuge mit Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff angetrieben, welcher vorwiegend mit dem Elektrolyseverfahren hergestellt wird. Mittels Elektrolyse lässt sich elektrische Energie in chemische Energie umwandeln. So kann im Fall von Brennstoffzellenfahrzeugen Wasser unter Einsatz von Strom in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten werden, um die Energie im Wasserstoff zu speichern [Kur18].
Funktionsprinzip des Antriebs
Ähnlich einer Batterie, wird in Brennstoffzellenfahrzeugen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und dem Elektromotor bereitgestellt, der das Fahrzeug antreibt. Der wesentliche Unterschied zum batterieelektrischen Antrieb ist, dass der Strom nicht vor der Fahrt zugeladen wird. Stattdessen wird der Wasserstoff mittels einem chemischen Prozesses innerhalb der Brennstoffzelle in Strom umgewandelt und anschließend in der Batterie zwischengespeichert. Die Abbildung 11 stellt das Antriebskonzept von Brennstoffzellenfahrzeugen schematisch dar [EnBW22a].
Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Brennstoffzellenfahrzeugs (eigene Darstellung in Anlehnung an EnBW22a; ACEA22; Bay19)
Ähnlich einer Batterie, wird in Brennstoffzellenfahrzeugen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und dem Elektromotor bereitgestellt, der das Fahrzeug antreibt. Der wesentliche Unterschied zum batterieelektrischen Antrieb ist, dass der Strom nicht vor der Fahrt zugeladen wird. Stattdessen wird der Wasserstoff mittels einem chemischen Prozesses innerhalb der Brennstoffzelle in Strom umgewandelt und anschließend in der Batterie zwischengespeichert. Die Abbildung 11 stellt das Antriebskonzept von Brennstoffzellenfahrzeugen schematisch dar [EnBW22a].
Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Brennstoffzellenfahrzeugs (eigene Darstellung in Anlehnung an EnBW22a; ACEA22; Bay19)Ressourcenverfügbarkeit
In Bezug auf die Ressourcenverfügbarkeit bietet Wasserstoff die Aussicht auf einen nicht-endlichen Kraftstoff, da er bei der Elektrolyse direkt aus Wasser gewonnen werden kann. Dies ist zum Beispiel sinnvoll, wenn überschüssiger Strom aus Solar- oder Windkraftanlagen verwendet wird, um Wasserstoff herzustellen, und somit nicht verloren geht. Im heutigen Betrieb werden solche Anlagen für erneuerbare Energien pausiert beziehungsweise angehalten, um eine Überlastung des Stromnetzes zu vermeiden. Dieser so gewonnene grüne Wasserstoff kann allerdings nicht in den Mengen bereitgestellt werden, die es für einen flächendeckenden Einsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen bedarf. Die Bereitstellung von ausreichend Wasserstoff, insbesondere von nachhaltigem grünem Wasserstoff, stellt somit eine zentrale Herausforderung dar. Der Import von Wasserstoff aus Ländern mit einem hohen Aufkommen erneuerbarer Energien, beispielweise durch Wasserkraft aus Norwegen oder Sonnenenergie aus Marokko, könnte eine Alternative darstellen [Ben22; Rus22; BMWK23d].
In Bezug auf die Ressourcenverfügbarkeit bietet Wasserstoff die Aussicht auf einen nicht-endlichen Kraftstoff, da er bei der Elektrolyse direkt aus Wasser gewonnen werden kann. Dies ist zum Beispiel sinnvoll, wenn überschüssiger Strom aus Solar- oder Windkraftanlagen verwendet wird, um Wasserstoff herzustellen, und somit nicht verloren geht. Im heutigen Betrieb werden solche Anlagen für erneuerbare Energien pausiert beziehungsweise angehalten, um eine Überlastung des Stromnetzes zu vermeiden. Dieser so gewonnene grüne Wasserstoff kann allerdings nicht in den Mengen bereitgestellt werden, die es für einen flächendeckenden Einsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen bedarf. Die Bereitstellung von ausreichend Wasserstoff, insbesondere von nachhaltigem grünem Wasserstoff, stellt somit eine zentrale Herausforderung dar. Der Import von Wasserstoff aus Ländern mit einem hohen Aufkommen erneuerbarer Energien, beispielweise durch Wasserkraft aus Norwegen oder Sonnenenergie aus Marokko, könnte eine Alternative darstellen [Ben22; Rus22; BMWK23d].
Tankinfrastruktur
Des Weiteren stellt die Kompatibilität von Tankstellen für Brennstoffzellen-Personenkraftwagen (Pkw) und Brennstoffzellen-Lastkraftwagen (Lkw), in Bezug auf die Befahrbarkeit der Tankplätze und die Abgabeleistung der Zapfsäulen, eine Schwierigkeit dar. Im Vergleich werden insbesondere für Lkw mit hoher Nutzlast für den Tankvorgang deutlich größere Tankmengen benötigt, welche in einer bestimmten Zeit zur Verfügung gestellt werden müssen. Für Brennstoffzellen-Lkw im deutschen Fernverkehr würden 140 Tankstellen ausreichen, welche auf dem deutschen Autobahnnetz positioniert werden müssten [Ros20]. Im Februar 2023 existieren 161 Wasserstofftankstellen in Deutschland, von denen allerdings nur wenige für Lkw ausgelegt sind [H2M23a]. Durch die Alternative Fuel Infrastructure Directive (AFID) der Europäischen Union soll ein europaweit flächendeckendes Netzwerk an Wasserstofftankstellen aufgebaut werden. Bis zum Jahr 2025 sollen demnach 300 Lkw-geeignete Wasserstofftankstellen in Europa geschaffen werden, davon 85 in Deutschland. Bis zum Jahr 2030 soll das Netz auf 1.000 Tankstellen europaweit, beziehungsweise 300 Tankstellen im deutschen Raum ausgebaut werden. Weiterhin sieht die Richtlinie vor, dass auf dem Fernverkehrsnetz alle 200 Kilometer eine Wasserstofftankstelle verfügbar ist [Richtlinie 2014/94/EU]. Trotzdem ist zum heutigen Zeitpunkt festzuhalten, dass die bestehende Infrastruktur an Wasserstofftankstellen für einen weitreichenden und wirtschaftlich sinnvollen Einsatz von Brennstoffzellen-Lkw, insbesondere im Fernverkehr, nicht vorhanden ist.
Des Weiteren stellt die Kompatibilität von Tankstellen für Brennstoffzellen-Personenkraftwagen (Pkw) und Brennstoffzellen-Lastkraftwagen (Lkw), in Bezug auf die Befahrbarkeit der Tankplätze und die Abgabeleistung der Zapfsäulen, eine Schwierigkeit dar. Im Vergleich werden insbesondere für Lkw mit hoher Nutzlast für den Tankvorgang deutlich größere Tankmengen benötigt, welche in einer bestimmten Zeit zur Verfügung gestellt werden müssen. Für Brennstoffzellen-Lkw im deutschen Fernverkehr würden 140 Tankstellen ausreichen, welche auf dem deutschen Autobahnnetz positioniert werden müssten [Ros20]. Im Februar 2023 existieren 161 Wasserstofftankstellen in Deutschland, von denen allerdings nur wenige für Lkw ausgelegt sind [H2M23a]. Durch die Alternative Fuel Infrastructure Directive (AFID) der Europäischen Union soll ein europaweit flächendeckendes Netzwerk an Wasserstofftankstellen aufgebaut werden. Bis zum Jahr 2025 sollen demnach 300 Lkw-geeignete Wasserstofftankstellen in Europa geschaffen werden, davon 85 in Deutschland. Bis zum Jahr 2030 soll das Netz auf 1.000 Tankstellen europaweit, beziehungsweise 300 Tankstellen im deutschen Raum ausgebaut werden. Weiterhin sieht die Richtlinie vor, dass auf dem Fernverkehrsnetz alle 200 Kilometer eine Wasserstofftankstelle verfügbar ist [Richtlinie 2014/94/EU]. Trotzdem ist zum heutigen Zeitpunkt festzuhalten, dass die bestehende Infrastruktur an Wasserstofftankstellen für einen weitreichenden und wirtschaftlich sinnvollen Einsatz von Brennstoffzellen-Lkw, insbesondere im Fernverkehr, nicht vorhanden ist.
Reichweite und Nutzungsszenarien
Der Brennstoffzellenantrieb findet bereits Anwendung in anderen Fahrzeugklassen beziehungsweise Transportmitteln. So existieren seit mehreren Jahren Pkw, Omnibusse und Triebzüge mit Brennstoffzellen [Fra17; Als21]. Besonders die Erkenntnisse des Brennstoffzellenantriebs für Busse weisen aufgrund des Fahrzeuggewichts die größten Übereinstimmungen in der Übertragbarkeit auf den Brennstoffzellenantrieb für Lkw auf. Somit ist die Anwendbarkeit des Antriebs für Nutzfahrzeuge absehbar. Speicherkapazitäten von 25 Kilogramm Wasserstoff sollten für eine Vielzahl an Nutzungsszenarien im Nah- und Regionalverkehr ausreichend sein. Für den Langstreckeneinsatz hingegen wird das Maximum der Tankkapazität benötigt werden, welches nach heutigem Stand bei bis zu 70 Kilogramm liegt. Die Integration noch größerer Tanks ist vor allem durch die Längenbegrenzung für Zugmaschinen durch Regularien der Europäischen Union verhindert. Bei einem Verbrauch von circa 7 Kilogramm Wasserstoff auf 100 Kilometern lässt sich somit von einer maximalen Reichweite von ungefähr 1.000 Kilometern ausgehen [Ben22]. Grundsätzlich können somit sowohl Nutzungsszenarien im Nah- und Regionalverkehr, als auch im Fernverkehr mit Brennstoffzellenfahrzeugen realisiert werden.
Der Brennstoffzellenantrieb findet bereits Anwendung in anderen Fahrzeugklassen beziehungsweise Transportmitteln. So existieren seit mehreren Jahren Pkw, Omnibusse und Triebzüge mit Brennstoffzellen [Fra17; Als21]. Besonders die Erkenntnisse des Brennstoffzellenantriebs für Busse weisen aufgrund des Fahrzeuggewichts die größten Übereinstimmungen in der Übertragbarkeit auf den Brennstoffzellenantrieb für Lkw auf. Somit ist die Anwendbarkeit des Antriebs für Nutzfahrzeuge absehbar. Speicherkapazitäten von 25 Kilogramm Wasserstoff sollten für eine Vielzahl an Nutzungsszenarien im Nah- und Regionalverkehr ausreichend sein. Für den Langstreckeneinsatz hingegen wird das Maximum der Tankkapazität benötigt werden, welches nach heutigem Stand bei bis zu 70 Kilogramm liegt. Die Integration noch größerer Tanks ist vor allem durch die Längenbegrenzung für Zugmaschinen durch Regularien der Europäischen Union verhindert. Bei einem Verbrauch von circa 7 Kilogramm Wasserstoff auf 100 Kilometern lässt sich somit von einer maximalen Reichweite von ungefähr 1.000 Kilometern ausgehen [Ben22]. Grundsätzlich können somit sowohl Nutzungsszenarien im Nah- und Regionalverkehr, als auch im Fernverkehr mit Brennstoffzellenfahrzeugen realisiert werden.
Bewertung von Brennstoffzellenfahrzeuge zur Dekarbonisierung im Straßengüterverkehr
Das Potenzial zur Reduktion von Treibhausgasemissionen für den Straßengüterverkehr für Brennstoffzellen-Lkw, liegt einer Studie des Instituts für Energie- und Umweltforschung Heidelberg zufolge im Jahr 2030 bei 27 Prozent im Vergleich zur Referenztechnologie des Diesel-Lkw. Allerdings unterliegen die Berechnungen der Annahme, dass importierter, vollständig aus erneuerbaren Quellen hergestellter Wasserstoff eingesetzt wird. Brennstoffzellen-Lkw müssen im ersten Schritt wirtschaftlich für die betreffenden Transportunternehmen sinnvoll sein, damit Transportunternehmen diese als Alternative in ihren Fuhrpark integrieren. Erst dann wird die Technologie Treibhausgasemissionen in nennenswertem Umfang reduzieren [Jöh22]. Ähnlich wie bei batterieelektrischen Lkw ist bei Brennstoffzellen-Lkw der Strommix von essentieller Bedeutung. Ohne Herstellung des Wasserstoffs aus erneuerbaren Energien kann die Technologie ihr Potenzial zum Klimaschutz nicht umfänglich entfalten [BaWü20].
Das Potenzial zur Reduktion von Treibhausgasemissionen für den Straßengüterverkehr für Brennstoffzellen-Lkw, liegt einer Studie des Instituts für Energie- und Umweltforschung Heidelberg zufolge im Jahr 2030 bei 27 Prozent im Vergleich zur Referenztechnologie des Diesel-Lkw. Allerdings unterliegen die Berechnungen der Annahme, dass importierter, vollständig aus erneuerbaren Quellen hergestellter Wasserstoff eingesetzt wird. Brennstoffzellen-Lkw müssen im ersten Schritt wirtschaftlich für die betreffenden Transportunternehmen sinnvoll sein, damit Transportunternehmen diese als Alternative in ihren Fuhrpark integrieren. Erst dann wird die Technologie Treibhausgasemissionen in nennenswertem Umfang reduzieren [Jöh22]. Ähnlich wie bei batterieelektrischen Lkw ist bei Brennstoffzellen-Lkw der Strommix von essentieller Bedeutung. Ohne Herstellung des Wasserstoffs aus erneuerbaren Energien kann die Technologie ihr Potenzial zum Klimaschutz nicht umfänglich entfalten [BaWü20].
Bewertung von Brennstoffzellenfahrzeuge hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit
Zum heutigen Zeitpunkt sind Brennstoffzellen-Lkw, insbesondere in der Anschaffung, deutlich teurer als vergleichbare Diesel-Lkw. Eine Untersuchung der Technischen Universität Hamburg und M-FIVE ergab, dass die Total Cost of Ownership (TCO) für Brennstoffzellen-Lkw im Jahr 2030 höher sind als für vergleichbare Dieselfahrzeuge. Für Nutzfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht (zGG) zwischen 12 und 20 Tonnen liegen die erwarteten Kosten um 23 Prozent höher. Für Lkw über einem zGG von 20 Tonnen würden die TCO 25 Prozent mehr betragen und für Sattelzugmaschinen mit 40 Tonnen zGG 24 Prozent mehr. Als Ursache der hohen Kosten wurden vor allem die hohen Energiekosten für den Bezug von Wasserstoff genannt [NPM20b]. Brennstoffzellen-Lkw sind derzeit von der Lkw-Maut in Deutschland ausgenommen. Dies gilt ebenfalls für Erdgas- oder Hybrid-Fahrzeuge und ist nicht an weitere Bedingungen, wie zum Beispiel die elektrische Fahrleistung, gebunden [UBA21ab].
Zum heutigen Zeitpunkt sind Brennstoffzellen-Lkw, insbesondere in der Anschaffung, deutlich teurer als vergleichbare Diesel-Lkw. Eine Untersuchung der Technischen Universität Hamburg und M-FIVE ergab, dass die Total Cost of Ownership (TCO) für Brennstoffzellen-Lkw im Jahr 2030 höher sind als für vergleichbare Dieselfahrzeuge. Für Nutzfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht (zGG) zwischen 12 und 20 Tonnen liegen die erwarteten Kosten um 23 Prozent höher. Für Lkw über einem zGG von 20 Tonnen würden die TCO 25 Prozent mehr betragen und für Sattelzugmaschinen mit 40 Tonnen zGG 24 Prozent mehr. Als Ursache der hohen Kosten wurden vor allem die hohen Energiekosten für den Bezug von Wasserstoff genannt [NPM20b]. Brennstoffzellen-Lkw sind derzeit von der Lkw-Maut in Deutschland ausgenommen. Dies gilt ebenfalls für Erdgas- oder Hybrid-Fahrzeuge und ist nicht an weitere Bedingungen, wie zum Beispiel die elektrische Fahrleistung, gebunden [UBA21ab].
Vorteile & Nachteile von Brennstoffzellenfahrzeugen im Vergleich zu Dieselfahrzeugen
Brennstoffzellen-Lkw bieten aufgrund der positiven Eigenschaften des Kraftstoffs großes Potenzial zur Dekarbonisierung im Straßengüterverkehrs. Die Technologie könnte für eine Reihe von Anwendungsszenarien im Nah-, Regional- und Fernverkehr eingesetzt werden und eignet sich ebenfalls für den Schwerlastverkehr. Die großen Herausforderungen der Technologie bleiben die hohen Anschaffungskosten sowie die preisgünstige Bereitstellung von Wasserstoff. Ohne eine Preisparität zum Diesel-Lkw kann sich die Technologie allerdings nicht durchsetzen. Hinzu kommt, dass der verwendete Wasserstoff aus erneuerbaren Energien hergestellt sein muss, damit Brennstoffzellen-Lkw eine positive Wirkung auf die Klimabilanz des Straßengüterverkehrs nehmen können.
Brennstoffzellen-Lkw bieten aufgrund der positiven Eigenschaften des Kraftstoffs großes Potenzial zur Dekarbonisierung im Straßengüterverkehrs. Die Technologie könnte für eine Reihe von Anwendungsszenarien im Nah-, Regional- und Fernverkehr eingesetzt werden und eignet sich ebenfalls für den Schwerlastverkehr. Die großen Herausforderungen der Technologie bleiben die hohen Anschaffungskosten sowie die preisgünstige Bereitstellung von Wasserstoff. Ohne eine Preisparität zum Diesel-Lkw kann sich die Technologie allerdings nicht durchsetzen. Hinzu kommt, dass der verwendete Wasserstoff aus erneuerbaren Energien hergestellt sein muss, damit Brennstoffzellen-Lkw eine positive Wirkung auf die Klimabilanz des Straßengüterverkehrs nehmen können.
