Wasser­stoff und Brenn­stoff­zelle für klima­neu­tralen Schwer­last­verkehr

Mitte September hat die Daimler AG, weltweit größter Hersteller von Nutzfahrzeugen, im Rahmen eines großen Events einen Konzept-Lkw mit einem Wasserstoffantrieb vorgestellt. Geplanter Marktstart für den GenH2 Truck: Zweite Hälfte des laufenden Jahrzehnts. Die Dekarbonisierung des Schwerlastverkehrs auf Basis der Wasserstofftechnologie ist also offenbar ein Prozess, der die nächsten Jahrzehnte in Anspruch nehmen wird. Aber warum eignet sich Wasserstoff eigentlich besonders für diesen Verkehrsbereich, also für Lkw, Busse, Bau- und Nutzfahrzeuge usw., während für Pkw eher batterieelektrische Systeme bevorzugt werden? Hier eine Zusammenfassung der aktuellen Erkenntnisse.

Wasserstoff: wichtige Säule der Energiewende

Das Gas Wasserstoff besitzt Eigenschaften, die es zu einer wichtigen Säule der Energieversorgung unter den Maßgaben des Klimaschutzes machen. 

1. Wasserstoff kann unter Einsatz von Strom nahezu in beliebiger Menge hergestellt werden, falls ausreichend Strom vorhanden ist. Voraussetzung: Nur wenn der Strom aus erneuerbarer Erzeugung stammt (Wasser, Wind, Sonne), wird Wasserstoff klimaneutral produziert. Nachteil: Die Verluste bei diesem Prozess der Energieumwandlung sind beträchtlich – etwa ein Drittel der eingesetzten Energie geht verloren.
2. Wasserstoff ist als Gas oder unter hohem Druck in flüssiger Form speicher- und transportierbar. Für das gasförmige Format können unter gewissen Voraussetzungen bestehende Gasnetze genutzt werden.
3. Wasserstoff hat eine hohe Energiedichte. Wenig Gewicht enthält also viel Energie.
4. Wasserstoff kann durch Nutzung einer Brennstoffzelle wieder in Strom verwandelt werden. Die Verluste sind hierbei gering.

Wasserstoff eignet sich also vor allem als Speichermedium, wenn Solaranlagen und Windkraftwerke mehr Strom erzeugen, als verbraucht werden kann. Wenn nachts oder bei Windstille kein Strom erzeugt wird, könnte wiederum durch Umwandlung des gespeicherten Wasserstoff das Stromnetz stabilisiert werden. Wasserstoff könnte außerdem in Bereichen, in denen viel Energie benötigt wird (z.B. im Bereich Heizungen oder bei industriellen Prozessen) oder wo viel Energie auf wenig Raum transportiert werden muss, eine wichtige Rolle als primäre Energiequelle spielen – zum Beispiel im Verkehr.

Wasserstoff bei Verkehr und Transport

Neben der Erzeugung von Strom und Wärme gibt es einen weiteren zentralen energiewirtschaftlichen Bereich, der unter dem Aspekt des Klimaschutzes neu organisiert werden muss: Der Transport von Personen und Gütern. Wenn man sich diesen Sektor der Energiewende genauer anschaut, handelt es sich dabei um Teilbereiche mit ganz unterschiedlichen Anforderungen: 

• Pkw: Millionen Fahrzeuge im Individualverkehr
• Lkw: Gütertransport schwerer Lasten
• Schiff: Transport von Gütern im Binnen-, Küsten- oder Hochseeverkehr
• Flugzeug: Energieintensiver Transport von Personen und Gütern
• Nutzfahrzeuge: Bagger, Gabelstapler, Planierraupen usw.
• Busse: Transport von Personengruppen im Nah- oder Fernverkehr
• Bahnen Fernverkehr: Sind zumeist elektrifiziert, also im Prinzip bereits klimaneutral.
• Bahnen Nahverkehr: Noch vieles nicht elektrifiziert…

Generell stehen nicht-schienengebundene Verkehrsmittel vor der Herausforderung, die Energie für die Fortbewegung selbst mitführen zu müssen. Bei konventionellen Antrieben ist diese Aufgabe durch Benzin-, Diesel- oder Öltanks relativ unkompliziert gelöst. Nun, da alle Antriebe elektrisch werden sollen, müssen klimaneutrale Energieträger mitgeführt werden, aus denen elektrische Energie gewonnen werden kann. Die Antwort auf diese Herausforderung fällt in den Teilbereichen der Verkehrsmittel ganz unterschiedlich aus.

Mobilität mit Pkw: am besten batterieelektrisch

Die aktuelle Herausforderung der Energiewende besteht nicht nur darin, Energie klimaneutral zu erzeugen, sondern auch den Verbrauch von Energie so effizient wie möglich zu gestalten. Denn die sauberste Energie ist immer noch die, die weder erzeugt noch verbraucht wird.

Diese Feststellung ist deshalb wichtig, weil die Energiebilanz von Wasserstoff-Pkw nicht sehr effizient ist. Nur etwa 35 % der ursprünglichen Energie wird letztlich im Fahrzeug in Bewegungsenergie umgesetzt. Man muss also, andersherum betrachtet, zunächst dreimal so viel Energie erzeugen, wie man für die Fahrt von A nach B benötigt. Da aktuell eine vollständige Versorgung mit klimaneutralem Strom erst zu etwa 40 % erreicht ist, kann man also von überschüssiger klimaneutraler Energie in den nächsten Jahren nicht ausgehen. Diese wird allerdings benötigt, damit Wasserstoff als klimaneutrales System sinnvoll ist.

Bei Pkw ist die Energieversorgung durch fest verbaute Akkus wesentlich effizienter. 75 % der Energie werden in Antriebskraft umgesetzt. Das System, Sonnenstrom von der eigenen PV-Anlage in einem E-Auto-Akku zu speichern und mit diesem einen Elektromotor zu betreiben, zeichnet sich durch eine unschlagbar hohe Effizienz aus. Allerdings hat diese Technik Grenzen. Diese werden von der Energiedichte der Akkus gesetzt.

Herausforderungen batterieelektrischer Lkw: Akkugewicht und Ladezeiten

So effizient und klimaschonend der batterieelektrische Antrieb ist, so stark beschränkt das Gewicht des Stromspeichers seine Einsatzmöglichkeiten. Entscheidend für das Gewicht ist die gewünschte Kapazität des Akkus in Abhängigkeit von der Energiedichte, also wie viel Energie in ein Kilogramm Akku hineinpasst. Lithium-Ionen-Akkus, wie sie aktuell in Elektroautos eingebaut werden, verfügen über eine durchschnittliche Energiedichte von 200 Wattstunden (Wh) Energie pro Kilogramm Akkugewicht. Diese Zahl ist nicht leicht einzuordnen. Deshalb folgender Vergleich.

Ein Elektroauto der gehobenen Pkw-Mittelklasse verbraucht im Durchschnitt etwa 200 Wh Strom pro Kilometer Fahrtstrecke. Für eine Reichweite von 300 km muss das Fahrzeug also 60.000 Wh Energie mitführen. Bei der oben genannten Energiedichte würden allein die Akkuelemente des Batteriesystems 300 kg wiegen. Das gesamte Akkusystem inklusive Schutzkonstruktion, Kühlung und Wechselrichtern bringt daher 500 bis 600 kg auf die Waage. Das ist bei einem Mittelklassewagen mit einem Gesamtgewicht von etwas mehr als zwei Tonnen noch akzeptabel.

Lkw benötigen viel mehr Antriebsenergie als Pkw und müssen entsprechend mehr Energie mitführen. Im Bereich der Dieselantriebe beträgt der Unterschied zwischen Lkw und Pkw beim Energieverbrauch etwa das drei- bis fünffache ⁽¹⁾. Die ersten verfügbaren Elektro-Lkw von Daimler und Tesla verbrauchen denn auch über 1.000 Wh/km ⁽²⁾. Wenn man von einer akzeptablen Reichweite von Lkw von 500 km ausgeht – aktuelle Diesel-Lkw verfügen im Tank über eine Energiemenge für bis 2.500 km – würden allein die Akkumodule dafür etwa 1,5 Tonnen wiegen. Das gesamte Speichersystem käme dann auf ein Gewicht von 3 bis 4 Tonnen. Der Akku des für 2021 angekündigten Tesla Semi mit 800 km Reichweite soll 4,5 bis 6,4 Tonnen wiegen.

Die größten Lkw haben ein zulässiges Gesamtgewicht von 40 Tonnen, wovon 13 Tonnen auf das Fahrzeug fallen. Speditionen als Betreiber von elektrischen Lkw stehen also zukünftig vor der Herausforderung, nicht nur Energie für die Mitführung eines 4 bis 5 Tonnen schweren Akku zusätzlich aufwenden zu müssen, sondern auch ihre wirtschaftlich verwertbare Ladekapazität ist um diesen Wert vermindert. 

Ein weiterer Nachteil und damit Kostenfaktor sind die notwendigen Ladezeiten batterieelektrischer Fahrzeuge. In dieser Zeit stehen die Lkw still und können nichts transportieren. Selbst wenn man mit hohen Stromstärken beim Laden operiert, muss man mit mehreren Stunden Ladezeit pro Tag rechnen. 

Andererseits könnten Transportfahrzeuge, deren Einsatz immer wieder von Standzeiten geprägt ist, durchaus mit Akkus betrieben werden. Man denke hier nur an Busse im Nahverkehr, die induktiv an den Haltestellen immer wieder Strom laden. Oder Fahrzeuge auf Baustellen oder der Müllabfuhr, die jede Nacht auf dem Hof stehen. Dann könnten auch die Akkus vielleicht etwas kleiner konfiguriert werden, um ein besseres Verhältnis von Gesamtgewicht und Nutzlast zu erreichen. 

Zwischenfazit: Elektrische Lkw mit Akkuspeicher haben zumindest auf der Langstrecke im Fernverkehr erhebliche Herausforderungen zu meistern, die wirtschaftlich nur schwer darstellbar sind.

Wasserstoff im Schwerlastverkehr

Um die Nachteile batterieelektrischer Fahrzeuge beim Gütertransport und bei Nutzfahrzeugen – hohes Gewicht, lange Ladezeiten – aufzulösen, schlagen Fachleute die verstärkte Nutzung von grünem Wasserstoff als Energieträger in diesem Bereich des Verkehrs vor. Wasserstoff bietet den Vorteil, in relativ geringer Masse viel Energie vorzuhalten. Außerdem lässt sich Wasserstoff per Druckbetankung sehr schnell nachladen. 

Mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge verfügen über eine Brennstoffzelle, in der aus dem Gas Strom erzeugt wird. Dieser Strom wird direkt von den Elektromotoren genutzt oder in einem Zwischenakku gespeichert. Der Wasserstoff wird in speziellen Gastanks vorgehalten. Die gesamte Technologie ist erforscht, im Prinzip verfügbar und für die langen Lebenszyklen solcher Fahrzeuge geeignet. 500.000 bis 800.000 Kilometer sind für eine Brennstoffzelle kein Problem, stellten Wissenschaftler bereits 2017 fest ⁽³⁾.

Allerdings benötigt auch die Wasserstoff-Technologie für eine Integration in das Verkehrssystem eine entsprechende Infrastruktur. Diese ist bisher nur lückenhaft vorhanden und muss daher aufgebaut werden. An 130 Tankstellen kann man Wasserstoff aktuell in Deutschland tanken, weitere 50 befinden sich in der Realisierung. ⁽⁴⁾

Andere Länder sind hier bereits weiter. Das gilt insbesondere für Japan oder auch Südkorea, wo die Brennstoffzellentechnologie mit Hochdruck vorangetrieben wird, zum Beispiel im Wärmesektor. Auch die derzeit erhältlichen Wasserstoff-Pkw werden im Wesentlichen von asiatischen Herstellern produziert. Es passt also ins Bild, dass der südkoreanische Hersteller Hyundai mit dem Modell XCIENT den ersten mit einer Brennstoffzelle angetriebenen Schwerlast-Lkw anbietet.⁽⁵⁾ 

Die technischen Daten des XCIENT zeigen vor dem Hintergrund der oben genannten Zahlen, vor welchen Herausforderungen die Brennstoffzellentechnologie noch steht.

• Leistung der Brennstoffzelle: In dem Lkw befinden sich zwei Brennstoffzellen, die jeweils 95 kW elektrische Leistung liefern, zusammen also 190 kW. Das ist ausreichend, um das Fahrzeug mit der benötigten Energie zu versorgen.
• Wasserstoff: Sieben Wasserstofftanks sind im Fahrzeug verbaut. Diese enthalten insgesamt 32 kg Wasserstoff, der mit einem Druck von 350 bar getankt wird. Eine Betankung soll für eine Distanz von etwa 400 km ausreichen. Der Tankvorgang soll 8 bis 20 Minuten dauern.
• Batterie: Auch der XCIENT verfügt über eine Batterie mit einer Kapazität von 73 kWh. Damit werden Leistungsspitzen bedient, denn der Antrieb bringt eine maximale Leistung von 350 kW auf die Straße. Allein mit den 190 kW der Brennstoffzellen kann die komplette Energie für Beschleunigungsvorgänge und die Bewältigung von Steigungen nicht bereitgestellt werden. 
• Gewicht: 36 Tonnen zulässiges Gesamtgewicht bei einem Leergewicht von 19 Tonnen. Auch die Brennstoffzellentechnologie erzeugt Gewicht.

Diese Kennzahlen aus einem realen Fahrzeug zeigen plastisch die Herausforderungen, vor der auch die Wasserstofftechnologie bei schweren Nutzfahrzeugen steht. 

Die Wasserstoffstrategie der Bundesregierung im Bereich Verkehr 

Im Juni 2020 hat die Bundesregierung ihre „Nationale Wasserstoffstrategie“ vorgestellt. Mit einem Fördervolumen von insgesamt 9 Mrd. Euro sollen Bedingungen geschaffen werden, damit sich diese Technologie auch in Deutschland entfalten kann. Neben Fragen der Erzeugung sowie der Infrastruktur ist der Verkehrsbereich ein zentrales Anliegen dieser Initiative. Dabei werden unterschiedliche Handlungsfelder definiert, auf die sich die staatlichen Anstrengungen und Förderungen konzentrieren sollen, weil sie am effektivsten auf die Klimaziele einzahlen. Transport- und Nutzfahrzeuge stehen dabei im Zentrum, denn: „Die wasserstoff- und Power-to-X-basierte Mobilität ist für solche Anwendungen eine Alternative, bei denen der direkte Einsatz von Elektrizität nicht sinnvoll oder technisch nicht machbar ist.“

Die Handlungsfelder im Bereich Mobilität

• Flugverkehr: Flugzeuge benötigen Kraftstoffe mit viel Energie bei wenig Gewicht. Kerosin erfüllt diese Anforderungen, Alternativen sind unbekannt. Um klimafreundliches Kerosin herzustellen, muss Wasserstoff verwendet werden.

• Förderung der Anschaffung von Wasserstoff-Antrieben bei Nutzfahrzeugen und Bussen. Dafür werden 1,6 Mrd. bereitgestellt.

• Aufbau Tankinfrastruktur: Der koordinierte Aufbau einer bedarfsgerechten Tankinfrastruktur zur Versorgung der Fahrzeuge auch im schweren Straßengüterverkehr, im ÖPNV und im Schienenpersonennahverkehr wird gefördert. Um den Einsatz grünen Wasserstoffs im Schwerlastverkehr zu fördern, wird das Wasserstoff-Tankstellennetz ausgebaut.

• Industrielle Grundlagen: Unterstützung des Aufbaus einer wettbewerbsfähigen Zulieferindustrie für Brennstoffzellensysteme (Brennstoffzellen und Komponenten für Brennstoffzellensysteme) einschl. Schaffung einer industriellen Basis für eine großskalige Brennstoffzellen-Stack-Produktion für Fahrzeuganwendungen. 

• Einsatz für die internationale Harmonisierung von Standards bezüglich Mobilitätsanwendungen für Wasserstoff- und Brennstoffzellensysteme (z.B. Betankungsstandards, Wasserstoff-Qualität, Eichung, Wasserstoff-Kfz-Typengenehmigung, Zulassung von Schiffen)

• Dialog der Logistik: Fahrzeughersteller, Infrastruktur-, Energie- sowie Kraftstoffanbieter und Logistikunternehmen sollen ihr Angebot aufeinander abstimmen.

• Ausbau des Wasserstofftankstellennetzes sowohl im Straßenverkehr, an geeigneten Stellen im Schienennetz als auch bei den Wasserstraßen.

Die Wasserstoffstrategie der Bundesregierung nimmt also neben einer direkten Förderung der Anschaffung von Wasserstoff-Lkw und -Nutzfahrzeugen die industriell-technischen Grundlagen ins Visier: Erzeugung von Wasserstoff und dessen Verteilung, die Brennstoffzellentechnik, Angleichung internationaler Industriestandards usw.

Wie geht es weiter mit dem Wasserstoff im Verkehrssektor?

In den nächsten Jahren werden erhebliche Mittel in die Entwicklung der Wasserstofftechnologie, insbesondere im Bereich Schwerlastverkehr, fließen. Der Grund liegt auf der Hand: „Brennstoffzellenfahrzeuge können in Verbindung mit erneuerbarem Strom bei großen, schweren Fahrzeugen mit hohen Reichweitenanforderungen eine sinnvolle Alternative zu batterieelektrischen Fahrzeugen sein, auch weil sie sich sehr schnell wieder betanken lassen.“ ⁽⁶⁾ Auch die deutschen Fahrzeughersteller verstärken inzwischen ihre Anstrengungen, um entsprechende Modelle zu entwickeln. So hat Daimler Mitte September 2020 ein entsprechenden Konzept-Lkw vorgestellt – den GenH2 Truck ⁽⁷⁾. Der soll in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts marktreif sein. Diese etwas desillusionierende Ankündigung des größten Nutzfahrzeughersteller der Welt zeigt überdeutlich, dass der Weg für eine klimaneutrale Mobilität auf Basis von Wasserstoff im Bereich schwerer Lasten und Nutzfahrzeuge noch weit ist.

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Belege
⁽¹⁾ https://www.webfleet.com/de_de/webfleet/blog/so-viel-kraftstoff-verbrauchen-lkw/
⁽²⁾ https://de.wikipedia.org/wiki/Tesla_Semi
⁽³⁾ https://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Artikel/G/MKS/teilstudie-brennstoffzellen-lkw.html
⁽⁴⁾ https://h2.live
⁽⁵⁾ https://www.hyundai.news/eu/brand/hyundai-xcient-fuel-cell-heads-to-europe-for-commercial-use/
⁽⁶⁾ Klimabilanz, Kosten und Potenziale verschiedener Kraftstoffarten und Antriebssysteme für Pkw und Lkw, Fraunhofer ISI, 2019 Download
⁽⁷⁾ https://media.daimler.com/marsMediaSite/de/instance/ko/Daimler-Trucks-praesentiert-Technologiestrategie-fuer-Elektrifizierung–Weltpremiere-des-Mercedes-Benz-Brennstoffzellen-Konzept-Lkw.xhtml