September 10 + 11, 2019
Stuttgart, Germany

[DE] Sondernewsletter September 2019

Stuttgart, Deutschland, September 3, 2019

Prof. Dr. Martin Wietschel (links), Leiter des Geschäftsfelds Energiewirtschaft am Competence Center Energietechnologien und Energiesysteme, und Philipp Kluschke, der über das Thema Wasserstoff im schweren Güterverkehr am Fraunhofer ISI promoviert.

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Dekarbonisierung des schweren Straßengüterverkehrs ist essenziell für die Verkehrswende

Fraunhofer ISI empfiehlt 700-Bar-Technologie für die Betankng schwerer BZ-LKW

Prof. Dr. Martin Wietschel, Leiter des Geschäftsfelds Energiewirtschaft am Competence Center Energietechnologien und Energiesysteme, und Philipp Kluschke, beide vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, haben in einer bisher noch nicht veröffentlichten Arbeit untersucht, wie der Infrastrukturaufbau von Wasserstofftankstellen für schwere Nutzfahrzeuge in Deutschland aussehen könnte. Prof. Wietschel wird erste Ergebnisse in seinem Vortrag „Optimal design and cost of a potential hydrogen refueling station network for heavy-duty vehicles in Germany in 2050“ am 11. September auf der f-cell in Stuttgart vorstellen. Die Newsletter-Redaktion sprach mit den beiden Wissenschaftlern über ihre bisherigen Erkenntnisse.

Prof. Wietschel, könnten Sie erläutern, welche Rolle die Brennstoffzelle im Bereich des Schwerverkehrs aus Ihrer Sicht zukünftig spielen wird?

Prof. Wietschel: Der schwere Straßengüterverkehr ist weltweit für mehr als fünf Prozent der CO2-Emissionen verantwortlich. Lange hat man sich hauptsächlich mit dem Pkw-Sektor auseinandergesetzt, jetzt erkennt man zunehmend die Notwendigkeit, auch im Lkw-Bereich die THG-Emissionen zu senken, um die im Paris-Abkommen definierten Klimaziele zu erreichen. Das heißt, wir werden auch im Lkw-Sektor die THG-Emissionen bis 2050 auf nahezu Null fahren müssen. Hier kann die Brennstoffzelle einen signifikanten Beitrag leisten, denn sie ist eine der interessantesten Alternativen zu den mit fossilen Kraftstoffen betriebenen Verbrennungsmotoren. Die Brennstoffzelle punktet vor allem mit hoher Reichweite, kurzer Tankdauer und langer Lebensdauer und erschließt so interessante Einsatzfelder.

Wie beurteilen Sie konkurrierende Konzepte im Bereich des schweren Straßengüterverkehrs?

Prof. Wietschel: Der Oberleitungs-Lkw ist die energieeffizienteste Lösung im schweren Straßengüterverkehr und auch in der Gesamtbetrachtung wirtschaftlich attraktiv. Allerdings muss die Infrastruktur vorfinanziert werden und es gibt möglicherweise Akzeptanzprobleme bei den Lkw-Herstellern, den Nutzern der Autobahnen und den Anwohnern. Die Einführungshürden sind somit eher hoch.

Synthetische Kraftstoffe ließen sich relativ leicht in bestehende Fahrzeugflotten mit Verbrennungsmotoren integrieren. Allerdings wäre aufgrund der sehr niedrigen Effizienz ein überproportional starker Ausbau der Erneuerbaren Energien notwendig. Die benötigte Menge an Erneuerbarer Energie wäre zwei- bis dreimal so hoch wie im Wasserstoff-Szenario.

Batterieelektrische Fahrzeuge sind für den schweren Straßengüterverkehr nur sehr bedingt geeignet. Die relativ kurzen Reichweiten, langen Ladezeiten sowie die Nutzlast- und Volumenverluste durch die Batterie sprechen gegen einen Einsatz im schweren Güterverkehr auf der Langstrecke. Für den Verteilerverkehr sind batterieelektrische Lkw hingegen gut geeignet.

Welches der Konzepte sich in welchem Umfang durchsetzen wird, ist nicht endgültig klar. Alle haben ihre Vor- und Nachteile, auch wenn die Brennstoffzelle zahlreiche Vorteile im Schwerverkehr bietet. In dieser Hinsicht befinden wir uns gerade in einer äußerst spannenden Phase.

Wasserstofftankstellen für Pkw fassen zwischen 200 und 250 Kilogramm Wasserstoff und können rund 40 bis 50 BZ-Pkw pro Tag versorgen. Wie sind Wasserstofftankstellen für den Schwergütertransport im Vergleich dazu dimensioniert? Ist die Speicher- und Betankungstechnik für die Abgabe sehr großer Mengen an Wasserstoff bereits ausgereift und getestet?

Kluschke: Aus der Technologieperspektive sehen wir keine großen Herausforderungen. Die Komponenten sind ausreichend getestet und haben sich gut bewährt. Es gibt bereits über 70 Wasserstoff-Tankstellen alleine in Deutschland. Jedoch sind diese größtenteils für Pkw mit Betankungsmengen von fünf bis maximal zehn Kilogramm ausgelegt. Schwere Lkw, welche zumeist hohe Reichweiten abdecken müssen, haben dagegen einen Bedarf von 50 bis 60 Kilogramm Wasserstoff pro Betankung.

Hinzu kommt, dass die schweren Lkw höchstwahrscheinlich mit 700 bar betankt werden müssen, um die Volumenrestriktionen zu minimieren. Das ist der große Unterschied zur 350-bar-Technologie für Brennstoffzellen-Busse, die auf dem Dach relativ viel Platz für die Wasserstofftanks haben. Bei Zugmaschinen ist das zur Verfügung stehende Volumen relativ klein.

60 Kilogramm Wasserstoff pro Betankungen bei 700 bar schaffen die heutigen Tankstellen unserer Kenntnis nach nicht. Die Tankstellen für schwere Lkw müssen daher leistungsfähiger sein. Sie bräuchten größere Hochdruckspeicher und leistungsstärkere Kompressoren, um das Nachverdichten nach der Betankung zeitnah vornehmen und für den nächsten Lkw eine ausreichende Wasserstoffmenge vorhalten zu können. Da H2-Tankstellen noch nicht das deutsche Autobahnnetz abdecken, empfehlen wir, beim weiteren Ausbau der Wasserstofftankstellen-Infrastruktur das Thema Lkw mitzudenken.

Was sind die wesentlichen Faktoren beim Design einer flächendeckenden HRS-Infrastruktur, um die Kosten möglichst gering zu halten?

Kluschke: Unsere noch nicht veröffentlichte Arbeit zum Einsatz von Wasserstoff im schweren Güterverkehr zeigt, dass wir rund 140 Wasserstofftankstellen an deutschen Autobahnen bräuchten, um den gesamten nationalen schweren Lkw-Verkehr abzudecken. In diesem Szenario wäre ein Großteil der Tankstellen mit Abgabemengen von 30 Tonnen Wasserstoff pro Tag konfrontiert. Geringere Abgabemengen würden entsprechend zusätzliche Tankstellen erfordern. Dies stellt eine große Herausforderung für die Wasserstoffversorgung der Tankstellen dar. Eine lokale Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse würde Transportprobleme lösen und könnte durch eine netzdienliche Auslegung auch finanziell vorteilhaft sein. Es sollte auf jeden Fall eine gesamtheitliche Integration der H2-Tankstellen mit dem Energienetz stattfinden und die Tankstellen inklusive Elektrolyseure entsprechend ausgelegt werden. Dies schließt eine „Überdimensionierung“ der Anlagen ein.

Prof. Wietschel: Lkw-Tankstellen und Brennstoffzellenfahrzeuge haben das Potenzial, wichtige dezentrale und flexible große Nachfrager zu bilden. Gerade in Regionen, die dünn besiedelt sind, aber in denen große Mengen an Erneuerbarer Energie erzeugt werden, kann der Wert einer Wasserstofftankstelle als Flexibilitätsoption eine wesentliche Rolle spielen. Um dies mit konkreten Zahlen zu belegen, bedarf es jedoch weiterer Analysen.

Wie müssen die Wasserstofftankstellen für den Schwerverkehr über die Fläche verteilt sein? Welche Rolle spielen beim Flotteneinsatz H2-Tankstellen auf den Betriebsgeländen der Transport- und Logistikunternehmen, zum Beispiel zur regionalen Versorgung?

Kluschke: Viele Lkw-Fahrer starten am Anfang der Woche und erhalten später wie auf dem Spot-Markt ihre Aufträge, die sie nacheinander abfahren. Daher sind die Routen oft nicht im Voraus bekannt und die schweren Lkw sind zum Großteil auf eine öffentliche Tankstelleninfrastruktur angewiesen – mit Wasserstofftankstellen direkt an oder in der Nähe von Autobahnen. Die Economies of Scale einer öffentlichen Infrastruktur, die von vielen Fahrzeugen genutzt wird, ist darüber hinaus deutlich größer als bei einer kleinen Tankstelle auf dem Betriebshof. Tankstellen auf dem Betriebsgelände sind eher interessant für andere Transportaufgaben, wie Pendel- oder Werksverkehre.

Wie muss der Wasserstoff produziert werden, damit er zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors beiträgt? Sollte konventionell erzeugter Wasserstoff genutzt werden, bis die benötigten Kapazitäten zur Produktion „grünen“ Wasserstoffs aufgebaut sind?

Prof. Wietschel: Das ist natürlich immer eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Der als Nebenprodukt in der Chlor-Alkali-Elektrolyse anfallende oder über Erdgasreformierung hergestellte Wasserstoff ist zurzeit noch deutlich günstiger als „grüner“ Wasserstoff. Doch gerade bei der Erdgasreformierung ist der CO2-Vorteil nur minimal. Wir benötigen – auch aus Akzeptanzgründen – grünen Wasserstoff und müssen darüber nachdenken, ob wir die notwendigen Mengen in Deutschland herstellen können, oder langfristig die Import-Option ziehen. Außerdem müssen wir den Einsatz von Wasserstoff sektorenübergreifend betrachten. Wir benötigen entsprechend große Mengen an Erneuerbarer Energie, um auch in den Sektoren Wärme, Energie und Industrie die fossilen Energieträger zu ersetzen.

Welche Wasserstoffmengen würden in Ihrem Szenario in Deutschland im Jahr 2050 für den Güterverkehr benötigt? Wie könnten die dafür notwendigen Erzeugungs- und Speicherkapazitäten aufgebaut werden?

Prof. Wietschel: Wir haben in unserer Studie errechnet, dass eine jährliche Stromnachfrage von rund 70 Terawattstunden entsteht, wenn wir den schweren Straßengüterverkehr vollständig auf Wasserstoff umstellen. Dies entspricht einer täglichen Nachfrage von rund 10.000 Tonnen Wasserstoff.

Kluschke: In unserer Studie haben wir das deutsche Energiesystem analysiert und festgestellt, dass bereits ein Großteil der von Offshore-Windanlagen produzierten Energie von den anderen Sektoren genutzt wird. Die Energiemengen, die wir im Jahr 2050 für die dezentralen Elektrolyseure an den Tankstellen benötigen, ließen sich nach unseren Analysen alleine über Onshore-Windenergie- und Photovoltaikanlagen abdecken.

Welche Aktivitäten zum Aufbau einer H2-Infrastruktur für den Schwerverkehr gibt es in Europa bzw. in Asien und Nordamerika? Wurden bereits Normen und Standards für „große“ Wasserstofftankstellen entwickelt?

Kluschke: Meines Wissens gibt es im Pkw-Bereich für die H2-Betankung mit 700 bar den internationalen Standard SAE TIR J2601. Für den schweren Güterverkehr und für Busse existiert eine Richtlinie für Tankanlagen mit 350-bar-Technologie (SAE TIR J2601-2). Für die Betankung von Nutzfahrzeugen mit 700 bar gibt es nach unserer Kenntnis aktuell weder einen Standard noch eine Richtlinie. Das US-Unternehmen Nikola Motors, das schwere BZ-Lkw entwickelt, arbeitet zusammen mit der SAE daran, einen Standard für die Betankung schwerer Nutzfahrzeuge mit 700 bar zu entwickeln. Standards und Richtlinien sind von elementarer Bedeutung, um sicherzustellen, dass die Tankstellen und der Betankungsvorgang weltweit einheitlich funktionieren.

Zu den internationalen Aktivitäten beim Aufbau einer H2-Infrastuktur: Nach meiner Erkenntnis setzt das vielbeachtete Coop-Projekt in der Schweiz, das 1.000 BZ-Lkw von Hyundai auf die Straße bringen will, größtenteils auf eine Depot-Infrastruktur. Die Tankstellen werden somit dort errichtet, wo die Fahrzeuge betrieben werden. Weltweit gibt es circa 10 bis 20 Pilotprojekte, die schwere Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb erproben. Mir ist jedoch nicht bekannt, dass parallel dazu bereits öffentliche Infrastrukturen für Lkw errichtet wurden oder sich in der konkreten Planungsphase befinden.

Wie können die Finanzierung und die energiewirtschaftliche Anbindung einer H2-Infrastruktur für den Schwerverkehr erfolgen? Gibt es nationale oder EU-Förderinstrumente und wenn ja, sind diese ausreichend dimensioniert?

Kluschke: Das BMVI fördert verschiedene Vorhaben, die die Dekarbonisierung im Bereich der schweren Nutzfahrzeuge vorantreiben sollen. Dabei wird Wasserstoff immer wieder explizit erwähnt und die Errichtung von Wasserstofftankstellen in „ausreichender Zahl“ ist vorgesehen. Das Thema Wasserstoff scheint somit auf der Agenda der Bundesregierung angekommen zu sein, auch wenn öffentliche Lkw-Tankstellen, z.B. auf den Autobahnen, nicht ausdrücklich genannt werden. Hier ist noch Aufklärungsarbeit von Seiten der Wasserstoff-Community notwendig.

Welche Erwartungen haben Sie an die Impulsveranstaltung f-cell 2019 in Stuttgart? Gibt es Referenten, Themen oder Länder, die Sie besonders interessieren? Welchen Stellenwert hat die f-cell für das Fraunhofer ISI?

Prof. Wietschel: Besonders interessiert mich, wie die Aktivitäten im Lkw- und Bus-Bereich vorangehen. Hier schätze ich das Potenzial der Wasserstoff- und Brennstoffzelletechnologie als sehr hoch ein. Gespannt bin ich auch auf die Berichte aus China, denn dort ist man beim Thema Busse und Lkw mit Brennstoffzellen äußerst aktiv. Die f-cell ist für mich immer eine sehr gute Plattform, um internationale Kontakte zu pflegen. Neben der Anbahnung neuer Partnerschaften ist die f-cell für uns eine ideale Plattform, um dem internationalen Fachpublikum unsere neuesten Forschungsergebnisse zu präsentieren.