Brennstoffzelle Wasserstoff Lkw Nutzfahrzeuge

Sieben Gründe, warum Brennstoffzelle und Wasserstoff wichtige Bausteine künftiger Mobilität sind

Copyright Abbildung(en): Bosch

Elektromobilität nimmt immer mehr Fahrt auf. Sie ist ein wichtiger Baustein, um die CO2-Emissionen des Verkehrs zu senken. Aber wie wirtschaftlich ist es, auch Schwerlast-Lkw mit 40 Tonnen Nutzlast über lange Distanzen rein batterieelektrisch zu betreiben? Allein wegen des Batteriegewichts, der langen Ladezeiten und begrenzten Reichweiten sei der Elektroantrieb mit aktueller Batterietechnik für schwere Nutzfahrzeuge nicht die erste Wahl, so der Zulieferer Bosch.

Trotzdem werden auch 40-Tonner in naher Zukunft über tausend Kilometer rein elektrisch unterwegs sein können. Der Schlüssel dazu liegt im Brennstoffzellenantrieb. Dieser ermöglicht bei Einsatz von regenerativ erzeugtem Wasserstoff den klimaneutralen Transport von Waren und Gütern. Bosch entwickelt den Brennstoffzellenantrieb zunächst vor allem mit Fokus auf Lkw und plant, 2022/23 in Serie zu gehen. Ausgehend von den Nutzfahrzeugen sollen Brennstoffzellen-Antriebe in Zukunft dann auch im Pkw vermehrt zum Einsatz kommen und aus guten Gründen fester Bestandteil des Antriebsportfolios der Zukunft sein.

Sieben Gründe, warum Brennstoffzelle und Wasserstoff entscheidende Bausteine künftiger Mobilität sind:

1. Klimaneutralität

In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (O2) aus der Umgebungsluft. Dabei wird der Wasserstoff in elektrische Energie gewandelt, die zum Fahren genutzt wird. Zudem entsteht Wärme und reines Wasser (H2O). Gewonnen wird H2 mittels der sogenannten Elektrolyse, bei der Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt wird. Kommt hierfür regenerativer Strom zum Einsatz, arbeitet der Brennstoffzellenantrieb komplett klimaneutral. Seine CO2-Bilanz ist gerade bei großen, schweren Fahrzeugen besser als beim rein batterieelektrischen Antrieb, wenn man den CO2-Ausstoß für Produktion, Betrieb und Entsorgung zusammenrechnet.

Es genügt in Brennstoffzellen-Fahrzeugen neben dem Wasserstofftank eine deutlich kleinere Batterie als Zwischenpuffer/-speicher. Dies senkt den bei der Herstellung entstehenden CO2-Fußabdruck wesentlich. „Die Brennstoffzelle spielt ihre Vorteile genau in den Bereichen aus, in denen der batterieelektrische Antrieb nicht punkten kann“, erklärt Dr. Uwe Gackstatter, Vorsitzender des Bosch-Geschäftsbereichs Powertrain Solutions. „Brennstoffzelle und Batterie stehen daher nicht im Wettbewerb, sondern ergänzen einander perfekt.“

2. Einsatzmöglichkeiten

Wasserstoff hat eine hohe Energiedichte. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält so viel Energie wie 3,3 Liter Diesel. Für 100 Kilometer genügt einem Pkw rund ein Kilogramm, ein 40-Tonner braucht gut sieben Kilogramm. Ist der Tank leer, kann H2, wie bei einem Diesel oder Benziner, in wenigen Minuten aufgefüllt werden und die Fahrt geht weiter. „Die Brennstoffzelle ist erste Wahl, wenn täglich viele Kilometer und größere Lasten bewegt werden müssen“, fasst Gackstatter die Vorteile zusammen.

Im EU-geförderten Projekt H2Haul baut Bosch derzeit mit anderen Unternehmen eine kleine Flotte von Brennstoffzellen-Lkw auf und bringt sie auf die Straße. Neben den mobilen Anwendungen entwickelt Bosch auch Brennstoffzellen-Stacks für stationäre Anwendungen mit SOFC-Technologie (Festoxid-Brennstoffzelle). Diese sollen unter anderem in Form kleiner dezentraler Kraftwerke in Städten, Rechenzentren und beim Betreiben von Ladesäulen für Elektroautos zum Einsatz kommen. Um die Pariser Klimaschutzziele zu erreichen, soll Wasserstoff künftig nicht nur Pkw und Nutzfahrzeuge antreiben, sondern auch Züge, Flugzeuge und Schiffe. Und auch die Energiewirtschaft und die Stahlindustrie plant mit Wasserstoff.

3. Wirkungsgrad

Entscheidend für Klimafreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit eines Antriebs ist unter anderem dessen Wirkungsgrad. Dieser ist bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen rund ein Viertel höher als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Die Möglichkeit der Rückgewinnung von Bremsenergie erhöht die Effizienz weiter. Noch effizienter arbeiten zwar rein batterieelektrische Fahrzeuge, die Strom direkt im Fahrzeug speichern und zum Vortrieb nutzen können. Da Energieerzeugung und Energienachfrage aber nicht immer zeitlich und räumlich zusammenfallen, bleibt Strom von Wind- und Solaranlagen oftmals ungenutzt, weil er keinen Abnehmer findet und nicht gespeichert werden kann. Hier kann Wasserstoff punkten. Mit dem überschüssigen Strom lässt er sich dezentral erzeugen, flexibel speichern und transportieren.

4. Kosten

Mit dem Aufbau größerer Produktionskapazitäten sowie sinkender Preise für regenerativen Strom werden die Kosten zur Herstellung von grünem Wasserstoff deutlich sinken. So erwartet das Hydrogen Council, ein Verband von über 90 internationalen Unternehmen, bei vielen Wasserstoff-Anwendungen in den kommenden zehn Jahren eine Halbierung der Kosten – und damit die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Technologien. Den Stack, das Herzstück der Brennstoffzelle, entwickelt Bosch derzeit gemeinsam mit dem Start-up Powercell zur Marktreife und wird ihn anschließend in Serie fertigen. Ziel ist eine leistungsfähige Lösung, die sich kostengünstig herstellen lässt. „Mittelfristig wird die Nutzung eines Fahrzeugs mit Brennstoffzelle nicht teurer sein als mit einem konventionellen Antrieb“, sagt Gackstatter.

5. Infrastruktur

Das derzeitige Wasserstofftankstellennetz ist noch nicht flächendeckend verfügbar. Die rund 180 Wasserstofftankstellen in Europa genügen allerdings bereits für einige wichtige Transportrouten. Um den Ausbau weiter voranzutreiben, kooperieren Unternehmen in vielen Ländern, oftmals unterstützt durch staatliche Fördermittel. Auch in Deutschland hat die Politik die Rolle von Wasserstoff als wichtigen Defossilisierungspfad erkannt und in der Nationalen Wasserstoffstrategie verankert. Das Gemeinschaftsunternehmen H2 Mobility zum Beispiel will in Deutschland bis Ende 2020 rund 100 frei zugängliche Tankstellen errichtet haben, und im EU-geförderten Projekt H2Haul werden nicht nur die Lkw, sondern auch die auf den geplanten Routen erforderlichen Tankstellen aufgebaut. In Japan, China oder Südkorea gibt es ebenfalls umfassende Förderprogramme.

6. Sicherheit

Der Einsatz von gasförmigem Wasserstoff in Fahrzeugen ist sicher und nicht gefährlicher als andere Auto-Treibstoffe oder Batterien. Von Wasserstofftanks geht keine erhöhte Explosionsgefahr aus. Zwar brennt H2 in Verbindung mit Sauerstoff und ab einem bestimmten Verhältnis ist ein Gemisch auch explosiv. Aber Wasserstoff ist rund 14-mal leichter als Luft und daher extrem flüchtig. Tritt H2 beispielsweise aus einem Fahrzeugtank aus, steigt es schneller auf, als es sich mit dem Umgebungssauerstoff verbinden kann. In einem Feuertest von US-Forschern im Jahr 2003 kam es beim Brennstoffzellenauto zwar zu einer Stichflamme, sie erlosch jedoch schnell wieder. Das Fahrzeug blieb weitgehend unversehrt.

7. Zeitpunkt

Die Erzeugung von Wasserstoff ist bewährt und technologisch beherrschbar. Bei entsprechender Nachfrage kann die Produktion daher zügig hochgefahren werden. Zudem hat die Brennstoffzelle heute eine technologische Reife zur Industrialisierung und zum Einsatz in der Breite erreicht. Entsprechende Investitionen und politischer Wille vorausgesetzt, kann die Wasserstoffwirtschaft dem Hydrogen Council zufolge in den kommenden zehn Jahren wettbewerbsfähig werden. „Die Zeit für den Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft ist jetzt“, sagt Gackstatter.

Quelle: Bosch – Pressemitteilung vom 02.09.2020

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Nur ein einziger Hinweis zu Punkt 2 im Kommentar von Peter Saar: „Wobei das Gewicht pro kg auch ständig fällt.“

Ich möchte ein paar Punkte des Kommentars von Herrn Saar relativieren:

zu Punkt 0+2)
Sie nehmen 300 bar als Referenz für Wasserstofftanks. Aktuell sind wir jedoch bei einem Standarddruck von 700 bar (z.B. Toyota Mirai), was die Energiedichte pro Liter weit über die von Akkus hebt und auch das Tankvolumen deutlich reduziert.

zu Punkt 3)
Mich würde auch interessieren, wie sie auf 80%-90% Wirkungsgrad bei einem Batteriesystem kommen? Alleine die Ladeverluste betragen üblicherweise schon um die 15%, wie kürzlich vom ADAC nachgewiesen. Hinzu kommen noch mindestens die weiteren Verluste durch den Stromtransport über Hochspannungsleitungen (ca. 6 %), Wandlungsverluste im Elektromotor (ca. 10%).
Des Weiteren liegt der Well-to-Wheel Wirkungsgrad bei einem Wasserstoffauto, je nach Quelle, bei 30-39%. So kommt man auf ein realistischeres Verhältnis von 70% E-Auto zu 35% Wasserstoffauto, was nur halb so schlecht ist, wie von Ihnen dargestellt.

zu Punkt 4)
Wie kommen Sie auf die Zahl von 20kg pro Stunde? Ein Wasserstoffauto ist in 3-5 Minuten vollgetank, bei ca. 5kg Tankinhalt. Selbst wenn man nochmal 5 Minuten für’s bezahlen drauflegt, kommt man auf mindestens 30kg pro Stunde. Zudem ist der Preis pro Zapfstelle deutlich günstiger, wenn mehr als ein Zapfpunkt installiert wird. Somit ist ihre Rechnung nicht sehr realitätsnah…

Natürlich ist Wasserstoff nicht die Lösung aller Probleme, aber es kann zumindest eine sinnvolle Übergangslösung für mittlere und lange Strecken sein. Nur für den Arbeitsweg in der Stadt bin ich auch der Meinung, dass ein Wasserstoffauto keinen wirklichen Sinn macht, hier sind akkubetriebene Elektroautos wahrscheinlich die bessere Wahl.

Zu Punkt 0+3: Also bei allen Veröffentlichungen werben die Hersteller immer mit 350 bar Tanks in LKW. Welche Firma hat denn 700 bar Tanks im LKW?
zu Punkt 3: Gut hier gibt es immer abweichende Berechnungen. Ein Elektromotor hat aber immer 94% Wirkungsgrad. 80% Gesamt-Wirkungsgrad sollten aber immer erreicht werden. Beim Wasserstoff liegen die Berechnungen zwischen 15% und 30% Wirkungsgrad. Ein Faktor ist hier die Verflüssigung des Wasserstoffs für den Transport. Es bleibt aber schon eine große Differenz. Ein BEV braucht im Jahr 2.500 kWh Energie und ein FCEV 10.000 kWh.
Zu Punkt 4: Nachdem ein Fahrzeug getankt hat an der H2-Tankstelle muss wieder Druck aufgebaut werden. Das geschieht durch elektrische Pumpen in der Tankstelle. https://www.heise.de/forum/Autos/Artikel-Foren/E-Mobilitaet-mit-Brennstoffzelle/Das-Weihnachtsmaerchen-vom-schnellen-Betanken-eines-Brennstoffzellenfahrzeuges/posting-31581331/show/

Wenn es nur Wasserstoff geben würde, würde ich ja zustimmen. Aber als große Speicher gibt es doch auch andere Möglichkeiten. Ein Wasser-Speicherkraftwerk wie zum Beispiel der Schluchsee hat einen Wirkungsgrad von 80%. Es gibt eine neue elektrische Hochleistungsverbindung nach Skandinavien. Man kann im Sommer Norwegen mit Solaranergie aus Spanien versorgen und die Stauseen schonen und im Winter Energie aus Norwegen beziehen. Das europäische Verbundnetz ist die Lösung und nicht der marokkanische König. Denn wenn wir mit unserer Energie nicht sparsam umgehen, bleibt uns nur der Import aus Afrika.

Norwegen hat ca. 30 GW Wasserkraft installiert (was fast 100% der Stromerzeugung in Norwegen ist) und produziert damit jährlich ca. 140 TWh. Zusätzliche 20 GW könnten erschlossen werden.
Zum Vergleich hat Deutschland 200 GW installiert und produziert jährlich ca. 500 TWh Strom.
Deutschland wird vermutlich ca. wesentlich mehr als 100 GW und mehr als 100 TWh puffern können müssen, wenn wir vollständig von erneuerbaren Energien abhängig sind.
Norwegen wird daher nicht mal die ganzen deutschen Öko-Stromschwankungen ausgleichen können, schon gar nicht von einem Großteil Europas. Trotzdem hilft Norwegen und leistet mit jedem Seekabel nach Deutschland einen Strompuffer ganz grob in der Größenordnung eines Atomkraftwerks.
Ich sehe keine andere Lösung, als dass wir grünen Wasserstoff importieren müssen – aus Ländern wie Marokko. Jedes Seekabel nach Norwegen, jeder Wasserspeicher und jeder Batteriespeicher (auch mobil in Autos) und jedes Solarpanel und Windrad in Deutschland hilft diese Abhängigkeit zu reduzieren.
https://www.researchgate.net/publication/301214007_Design_of_Future_Pumped_Storage_Hydropower_in_Norway
https://norwegen.ahk.de/kernbereiche/erneuerbare-energien
https://www.energy-charts.de/energy_de.htm?source=all-sources&period=annual&year=2019

Heutzutage importieren wir Öl warum nicht in Zukunft grünen Wasserstoff. Es wird so getan als sei die Abkehr von fossilen Brennstoffen gleichzeitig mit der Autarkie der Strom- und Wärmeproduktion verbunden. Das ist Blödsinn. Ich vermisse in der Diskussion sinnvolle Ideen abseits des Verkehrs wie Wasserstoff sinnvoll eingesetzt werden kann.

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