LKW mit  Tank für Wasserstoff und Brennstoffzellenantrieb

Für Nutzfahrzeuge, die auf langen Strecken eingesetzt werden, bietet sich der Brennstoffzellenantrieb an. Rein batteriebetriebene Nutzfahrzeuge scheinen eher für kürzere Strecken geeignet. Aber auch andere Systeme sind noch im Rennen. (Bild: stock.adobe.com - scharfsinn86)

Martin Pokojski, Vorsitzender des VDI/VDE-Fachausschusses Wasserstoff- und Brennstoffzellenfahrzeuge
(Bild: Pokojski)

"Es gibt zwar Effizienzvorteile für batteriebetriebene Fahrzeuge, aber es gibt eine Reihe von Vorteilen insbesondere für Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge, die aus unserer Sicht die Diskussion eher ausgeglichen gestalten", sagt Martin Pokojski, Vorsitzender des VDI/VDE-Fachausschusses Wasserstoff- und Brennstoffzellenfahrzeuge.

Auf dem Weg zur Klimaneutralität sollen nach EU-Vorgaben die CO2-Emissionen schwerer Nutzfahrzeuge bis 2030 um 30 Prozent verringert werden. Die Frage ist nur, welche Technologie(n) sich dafür am besten eignen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssten rund 200.000 emissionsfreie Lkw bis 2030 in Europa im Einsatz sein, heißt es laut VDI/VDE.

„Bezogen auf den Straßenverkehr machen schwere Nutzfahrzeuge 25 Prozent der CO2-Emissionen innerhalb der EU aus. Mit deren Reduzierung sind wir aber nicht alleine auf der Welt. Vergleichbare Aktivitäten gibt es auch in den USA, Japan und in China", sagt Martin Pokojski, Vorsitzender des VDI/VDE-Fachausschusses Wasserstoff- und Brennstoffzellenfahrzeuge.

Doch auch der Kostenfaktor spielt natürlich eine erhebliche Rolle, wie Remzi Can Samsun, Leiter Reaktoren und Systeme im Forschungszentrum Jülich erläutert: "Die Kostenrelevanz, also die TCO, gilt als maßgebliches Kriterium für die Bewertung der Wirtschaftlichkeit. Dabei akzeptieren Käufer von Nutzfahrzeugen höhere Anschaffungskosten, wenn die variablen Kosten - also die Aufwendungen für Kraftstoffe - geringer sind."

Wichtig dabei sei der Aspekt, dass die Herstellungskosten von Brennstoffzellen und Batterien sinken und auch die Leistungsfähigkeit der Batterien steigen werden. Zu berücksichtigen sei auch der Sachverhalt, dass somit die zukünftigen Technologien günstiger werden, während die aktuellen Technologien teurer werden. Letztlich stellt sich auch die Frage, ob man sich nicht aus Kostengründen für eine Technologie entscheiden müsse.

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Technologiewechsel bedeutet Elektrifizierung

Lediglich die Erhöhung bei der Effizienz von Motoren und Systemen reichten nicht aus. "Wir brauchen vielmehr einen Technologiewechsel – und dieser bedeutet Elektrifizierung", sagt Pokojski. Das sei sowohl über direkt elektrisch betriebene Fahrzeuge als auch über Brennstoffzellenfahrzeuge möglich, bei denen Wasserstoff in Brennstoffzellen in Strom umgewandelt und damit das Fahrzeug angetrieben werde.

"Es gibt zudem sogenannte Catenary Trucks, das sind LKW mit einem Stromabnehmer auf dem Dach. Bei einer vorhandenen Elektrifizierung können diese den Strom direkt zum Fahren nutzen und ihre Batterien an Bord laden", ergänzt Pokojski. Als weitere Option gebe es noch synthetische Energieträger (SYN), bei denen mit Hilfe von erneuerbarem Strom Wasserstoff produziert und in mehreren Schritten anschließend ein synthetischer Diesel erzeugt werde.

"Vergleichen wir diese vier Optionen, stellt man fest, dass Batteriefahrzeuge die höchste Effizienz haben und gegenüber der Brennstoffzelle um den Faktor zwei bis drei höher liegen. Die CAT-Fahrzeuge sind noch effizienter, weil sie einen Großteil ihrer Strecke ohne Batterien fahren und den Strom direkt zum Antrieb nutzen. Am Ende kommen die synthetischen Energieträger", skizziert Pokojski auf.

Effizienzvergleich:

  1. CAT 57 -70 %
  2. BEV 57 - 63 %
  3. FCEV 24 - 29 %
  4. SYN 17 -20 %

Nutzungsgrad: Klare Vorteile bei der Batterie

"Demnach haben wir klare Vorteile für die Batterie. Aber die Frage ist, ob der Nutzungsgrad das einzige Kriterium ist, das zu beachten ist", gibt Pokojski zu Bedenken. So führen LKW heute bis zu 1.600 Kilometer mit einer Tankfüllung. Dies sollte auch mit alternativen Systemen möglich sein. Auch bei den Tankzeiten erwarteten die Nutzfahrzeugbetreiber einen ähnlichen Zeitaufwand wie heutzutage.

„Können wir das nicht leisten, könnte das ein Akzeptanzproblem geben. Ganz wichtig ist auch die Nutzlast, denn wenn ich diese durch die Elektrifizierung reduziere, dann schränke ich auch die Akzeptanz ein", führt Pokojski an. Auch die elektrische Klimatisierung der Fahrerkabine dürfe bei der Berechnung des Stromverbrauchs und die dadurch erfolgte Reichweitenreduzierung nicht außer Acht gelassen werden. Man müsse auch die Randbedingungen beachten und nicht nur die Effizienz.

Demnach lautet Pokojskis Schlussfolgerung: "Es gibt zwar Effizienzvorteile für batteriebetriebene Fahrzeuge, aber es gibt eine Reihe von Vorteilen insbesondere für Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge, die aus unserer Sicht die Diskussion eher ausgeglichen gestalten. Aus der Industrie gibt es übrigens noch keine finale Antwort, ob ein hybrides Fahrzeug die beste Lösung wäre."

Zusammenfassung über das Nutzerverhalten und die Akzeptanz von alternativen Antriebstechnologien sowie die jeweiligen Emissionen:

 

Nutzerverhalten

  • Größtes Potenzial der Nutzfahrzeuge der Klassen N1 (leichte LKW) und N3 (schwere LKW) für alternative Antriebe
  • Akzeptanz vs. Fortsetzung der gewohnten Nutzungsmöglichkeiten beziehungsweise Adaptionsbereitschaft
  • Erwartete Zunahme der Transportentfernungen vs. Reichweite
  • Zeitkritischer Faktor für die Akzeptanz: Lade-und Tankvorgang und deren Integration in die Routenplanung
  • Anforderungen bezüglich Termintreue und Flexibilität

 

Emissionen

  • Vermeidung von CO2-Emissionen durch die Nutzung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen
  • NOx-Emissionen aus Verbrennungsmotoren: Abgasnachbehandlung vs. Kosten
  • Starke Reduktion der Feinstaub-Emissionen durch steigende Anteile von CAT-, BEV-, und FCEV-Technologien bei leichten und schweren Nutzfahrzeugen
  • PFAS-Emissionen: Keine signifikanten Emissionen aus dem bestimmungsgemäßen Gebrauch bei Elektrolyse und Brennstoffzelle

Vergleich von fünf Antriebstypen

Bezogen auf die Kostensicht stellt Samsun einen Vergleich auf - als Basis dient ein 40-Tonner, weil sich gerade diese Fahrzeugtechnologie sehr schwer elektrifizieren lasse. "Wirtschaftliche Vorteile sehen wir für die Brennstoffzelle sowie reine elektrisch betriebene Fahrzeuge. Da kommen wir auch aus Kostensicht für das Jahr 2030 zu ähnlichen Werten. Gleichzeitig haben wir Nachteile für synthetische Kraftstoffe gesehen aufgrund der hohen Aufbereitungskosten und bei Oberleitungs-LKW aufgrund der hohen Neuinvestitionskosten."

Große Unsicherheit gebe es vor allem bezüglich der Kostenentwicklung – insbesondere aufgrund der variablen Kosten. So gibt es laut Samsun noch Preisspannen von mehreren zehn Cent pro Kilometer in der TCO. "Sehr wichtig dabei: Im Transportgewerbe gibt es einen großen Wettbewerbsdruck und es geht um Gewinne im Bereich weniger Cent pro Kilometer. Durch diese Unsicherheit ist die Frage der Investition für Spediteure natürlich existenziell. Von daher ist es derzeit nicht zu beantworten, welche Technologie die optimale ist", resümiert Samsun.

Remzi Can Samsun, Leiter Reaktoren und Systeme im Forschungszentrum Jülich
(Bild: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

"Wirtschaftliche Vorteile sehen wir für die Brennstoffzelle sowie reine elektrisch betriebene Fahrzeuge. Da kommen wir auch aus Kostensicht für das Jahr 2030 zu ähnlichen Werten", sagt Remzi Can Samsun, Leiter Reaktoren und Systeme im Forschungszentrum Jülich.

Thomas Grube vom Institut für Energie- und Klimaforschung am Forschungszentrum Jülich ist auch der Meinung, dass es nicht einfach auszumachen ist, welches System das beste ist. "Die Chancen stehen gut, dass sowohl die Batterie als auch die Brennstoffzelle zum Tragen kommen können. Doch es kommt stark auf das Fahrprofil an", unterstreicht Grube. So würden sich Oberleitungs-LKW für sehr regelmäßige Verkehre zwischen zwei festen Standorten eignen, da die Verluste am geringsten wären.

"Das Batteriefahrzeug kann sehr viel, doch bei längeren Fahrtstrecken oder höherer Flexibilität – Stichwort Transport on demand – wo jede Downtime sozusagen schädlich ist, dann mag sich das mit dem Batterie laden nicht mehr vertragen. Für solche Einsatzzwecke ist die Brennstoffzelle vermutlich besser geeignet", denkt Grube.

Die Bioenergie wiederum sei im Potenzial begrenzt, Grube geht nicht davon aus, dass sie im Bereich des Verkehrs einen substantiell großen Beitrag leisten werde. "Es stellt sich vielmehr die Frage, wo denn die wohlgemerkt kohlenstoffhaltigen Bioenergien am sinnvollsten aufgehoben sind – das kann im Verkehr sein, es können aber auch andere Prozesse in der Industrie sein", gibt Grube zu verstehen.

Thomas Grube, Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich
(Bild: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

"Die Chancen stehen gut, dass sowohl die Batterie als auch die Brennstoffzelle zum Tragen kommen können. Doch es kommt stark auf das Fahrprofil an", sagt Thomas Grube, Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich.

Entscheidung für nur eine Technologie aus Kostengründen?

Mit Blick auf die Kosten kommt zwangsläufig der Gedanke auf, inwieweit es überhaupt finanzierbar ist, auf mehrere Technologien nebst der zugehörigen Infrastruktur zu setzen. Dazu erklärt Pokojski: "Das kann ein weise Entscheidung sein, wenn ich weiß, dass ich auf dem richtigen Weg bin. Aber wir sind nicht in der Lage zu sagen, welcher der richtig Weg ist. So forschen und arbeiten auch deutsche Nutzfahrzeughersteller an beiden Systemen."

Denn was solle man machen, wenn man in der zweiten Phase scheitert, aber nur auf eine Technologie gesetzt hat, denkt Pokojski laut nach. "Das halte ich für sehr gefährlich, für eine Gesellschaft, aber auch für ein Unternehmen, nur auf eine Technologie zu setzen. Auch wenn es mehr Geld kostet, ist Diversifizierung der richtige Weg", positioniert sich Pokojski eindeutig.

Zusammenfassung zu Aspekten der Handhabung alternativer Antriebstechnologien:

 

Speichern

  • BEV/CAT: Stromspeicherung mit Lithium-Ionen-Batterien –langfristig Batterien mit festen Elektrolyten (schnelleres laden und größere Speicherdichte) Reichweiten von 300 km und mehr
  • FCEV: Gasförmige beziehungsweise flüssige H2-Speicherung -Integration großer Tanks schwierig, langfristig Cryo-Compressed-Speicher -Reichweiten von 1.000 km und mehr möglich.

Laden/Tanken

  • Über 16.100 Ladepunkte vorhanden; nur 25 für E-Lkw geeignet -Aufbau von Schnellladestationen notwendig (Netz von 260 Ladeorten mit 1.030 Ladepunkten und Dauerladeleistungen von 350 kW)
  • Mehr als neunzig 700 bar-Tankstellen vorhanden, aber nur bedingt für Lkw geeignet –Ausbau des Tankstellennetzes erforderlich

Sicherheit

  • Sicherheit von FCEV durch Prüfungen und praktischer Erfahrungen bewiesen
  • Gefährdungspotenzial nicht höher als bei konventionellen Kraftstoffen.

Kosten für die Infrastruktur vergleichsweise gering

Zum Thema Kosten für die Infrastruktur meint Grube, dass "die Infrastruktur dann sinnvoll errichtet ist, wenn sie genutzt wird. Beide Technologien sind auch durchaus bezahlbar und für beide Varianten kommt auch ein bezahlbarer Kraftstoff heraus, der mehr oder weniger identisch ist."

Die Infrastrukturkosten für die Energie sei gering bezogen auf die Gesamtkosten, die der Verkehr verursache. "Man kann sich beide leisten – sie müssen nur ausgelastet sein. Für LKW stellt sich das besonders günstig dar, da ich die notwendige Infrastruktur stark konzentrieren kann – beispielsweise an den Autobahnraststätten und Autohöfen. Solch eine Infrastruktur wäre schnell zu realisieren und aufgrund der guten Auslastung kostengünstig zu betreiben", prognostiziert Grube.

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