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Wasserstofftechnologie

Wasserstoffverbrennungsmotor vs. Brennstoffzellenantrieb

Neue Studie der e-mobil BW: Technologievergleich zweier Optionen mit dem Potenzial der Klimagasreduktion im Schwerlastverkehr

Die Studie „Systemvergleich Wasserstoffverbrennungsmotor und Brennstoffzelle im schweren Nutzfahrzeug“ wird am 7. Juli digital vorgestellt. (c) AVL List GmbH

Eine neue Studie der e-mobil BW analysiert Pro und Contra des Wasserstoffverbrennungsmotors (H2-Motor) und der Brennstoffzelle (H2-BZ) im Schwerlastverkehr. Der Vergleich zeigt: Beide Technologien haben Potenzial im Fernverkehr. Mittelfristig zeigt sich eine Tendenz für den Einsatz der H2-Brennstoffzelle. Die Studie „Systemvergleich Wasserstoffverbrennungsmotor und Brennstoffzelle im schweren Nutzfahrzeug“ wird am 7. Juli 2021 digital vorgestellt.

 

Thekla Walker MdL, Ministerin für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg: „Damit wir die Klimaschutzziele im Verkehrssektor bis 2030 erreichen, ist es notwendig, auf die Vielfalt nachhaltiger Antriebssysteme zu setzen. Baden-Württemberg hat frühzeitig die Chancen der Wasserstoffwirtschaft erkannt und mit der Wasserstoff-Roadmap BW wichtige Weichen für die weitere Entwicklung in der Forschung und vor allem in der Anwendung gestellt.“

Franz Loogen, Geschäftsführer der e-mobil BW: „Um die Klimaziele auch im Nutzfahrzeugbereich zu erreichen, ist der Energieträger Wasserstoff eine wichtige Option. Beim H2-Verbrennungsmotor und bei H2-Brennstoffzelle wird in den kommenden Jahren der notwendige Reifegrad der Technologie erforscht und entwickelt. Mit dem Cluster Brennstoffzelle BW, der Plattform H2BW und der Landeslotsenstelle Transformationswissen BW unterstützt die e-mobil BW daher Akteure mit Wissenstransfer, Veranstaltungen und Netzwerkbildung.“

 

Steigenden Emissionen im Schwerlastverkehr entgegenwirken

Nutzfahrzeuge mit einem Gesamtgewicht von über 3,5 Tonnen sind für 27% der CO2-Emissionen im Straßenverkehr verantwortlich. Obwohl in den letzten Jahren die Effizienz der Antriebe erhöht wurde, sind die Gesamt-CO2-Emissionen von schweren Nutzfahrzeugen seit 1990 um 25% gestiegen. Daher stehen auch alternative Antriebssysteme, vor allem Wasserstoff als Energieträger, im Fokus. Komprimierter Wasserstoff liefert im Vergleich zur Batterietechnologie dieselbe Menge Energie bei geringerem Gewicht und Volumen. Daher versprechen wasserstoffbasierte Antriebe insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge – mit sehr hohen Anforderungen an Nutzlast, Flexibilität und Reichweite – ein großes Potenzial. Untersuchungsgegenstand der von e-mobil BW in Auftrag gegebenen Studie „Systemvergleich Wasserstoffverbrennungsmotor und Brennstoffzelle im schweren Nutzfahrzeug“ waren 40-Tonnen LKW, die den Löwenanteil der Emissionen bei den Nutzfahrzeugen erzeugen.

 

Parallele Entwicklung beider Technologien als Strategie

Für die H2-BZ konnten im Vergleich geringere Wartungskosten, höhere Effizienz und besseres Kostensenkungspotenzial als klare Vorteile gegenüber dem H2-Motor identifiziert werden. Sofern die entsprechenden Rahmenbedingungen geschaffen werden, verfügt die Brennstoffzelle langfristig über mehr Potenzial, um zur führenden Wasserstofftechnologie im schweren LKW zu werden. Sie weist allerdings noch Entwicklungsrisiken auf. Der H2-Motor hat große Analogien zum konventionellen Verbrennungsmotor. Das verspricht daher geringere Unsicherheiten und eine schnellere Umsetzbarkeit. Sein Kostensenkungspotenzial erscheint begrenzt. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass der H2-Motor kurz- bis mittelfristig eine sinnvolle Ergänzung zum Brennstoffzellenantrieb im schweren Nutzfahrzeug darstellen kann.

 

Weitere Studienergebnisse:

 

Beitrag zum Erreichen der Klimaschutzziele

Im direkten Vergleich werden beim CO2-Reduktionspotenzial der jeweiligen Antriebssysteme nur geringe Unterschiede deutlich: Während die H2-BZ in Bezug auf aktuell definierte Schadstoffe in der Automobilindustrie vollständig emissionsfrei ist, erreicht der H2-Verbrennungsmotor eine CO2-Emissionsminderung von 98%. Ähnliche Ergebnisse zeigt ein Vergleich der weiteren Emissionen. Während die H2-BZ lokal vollständig emissionsfrei ist, werden beim Betrieb des H2-Motors durch den Verbrennungsprozess weiterhin Luftschadstoffe wie beispielsweise Stickoxide freigesetzt.

 

Technische Realisierung beider Antriebsformen bis 2025 möglich

Beide Antriebstechnologien können laut Studienautoren im Zeitraum bis 2025 technisch realisiert werden. Während beim H2-Motor derzeit die Zahl an Zulieferern für Kernkomponenten noch limitiert ist, liegen die größten Herausforderungen der H2-BZ in einer adäquaten Kühlarchitektur sowie den aktuell hohen Kosten für die Brennstoffzellensysteme. Den Studienergebnissen zufolge können die Kosten der H2-BZ durch Skalierung, Industrialisierung der Fertigung und damit Generierung entsprechender Stückzahlen reduziert werden.

 

Geeignete Rahmenbedingungen für die Marktreife fehlen

Bisher haben weder der H2-Motor noch die H2-BZ Marktreife erreicht. So zeigen die Untersuchungen der Gesamtnutzungskosten der e-mobil BW Studie, dass Wasserstoff-Konzepte mit konventionellen Dieselfahrzeugen nur unter entsprechend günstigen Rahmenbedingungen konkurrenzfähig sein werden. Hierfür ist eine flächendeckende Tankstelleninfrastruktur für Wasserstoff und die Verfügbarkeit von klimaneutralem Wasserstoff zu günstigen Kosten entscheidend. Weitere Förderinstrumente zur Unterstützung des Markthochlaufs der Technologien sowie Forschungs- und Entwicklungsförderungen sind notwendig.