Jülicher Expertise: Warum das Elektroauto auch mit Wasserstoff fährt

Im Kontext der Energie- und Verkehrswende werden aktuell Elektroantriebe mit Batterien und Brennstoffzellen sowie der Einsatz strom- und biomassebasierter Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren kontrovers diskutiert. Wissenschaftler des Jülicher Instituts für Techno-ökonomische Systemanalyse untersuchen die verschiedenen Optionen unter ökonomischen Gesichtspunkten. Ein Interview zur Faktenlage mit dem Leiter des Instituts, Prof. Detlef Stolten.

Prof. Detlef Stolten
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

 

Herr Prof. Stolten, Medien und Politik zeigen sich aktuell sehr interessiert an Verkehrslösungen mit Brennstoffzellen. Welches sind aus Ihrer Sicht die wichtigsten Vorteile von Brennstoffzellen-Autos?

Das aktuelle Interesse ist sicherlich auch auf die Einsatzgrenzen der Batterie-Autos zurückzuführen sowie auf die Tatsache, dass Brennstoffzellenfahrzeuge asiatischer Hersteller inzwischen im Markt und vor allem in vielen Anwendungsbereichen sichtbar sind.

Im Vergleich zu Batterien liegen die Vorteile der Brennstoffzellenantriebe zum einen bei einer fünfmal höheren Energiedichte des Stromerzeugungssystems. Darüber hinaus lassen sie sich in drei Minuten betanken und damit mindestens 10 Mal schneller als Batteriefahrzeuge. Diese Eigenschaften ermöglichen hohe Dauerantriebsleistungen, beispielsweise für Pkw mit signifikanten Fahranteilen im Langstreckenverkehr sowie für Lkw, Busse und Züge.

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Aber Brennstoffzellenautos gelten als wenig effizient. Stimmt das?

Nein, das ist falsch: Brennstoffzellenantriebe sind energieeffizient, auch wenn ihr Wirkungsgrad nicht mit dem von Batterieautos mithalten kann. Dafür erbringt der Wasserstoff durch seine Speicherbarkeit aber auch eine »Dienstleistung« in Energiesystemen mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien.

Betrachtet man die sogenannte Well-to-wheel-Bilanz der beiden Antriebsarten, also die gesamte Wirkungsgradkette von der Gewinnung der Primärenergie bis zum Rad des Fahrzeugs, kommen Brennstoffzellen-Pkw auf rund 40 Prozent. Der entsprechende Wert für Batterie-Pkw liegt bei knapp 70 Prozent. Heutige Pkw mit Verbrennungsmotor kommen auf etwa 18 Prozent.

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Zum Vergleich: Flüssige synthetische Kraftstoffe, die mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt werden (Power-to-liquid), kommen in der Well-to-wheel-Bilanz auf etwa 10 Prozent. Dieser niedrige Wert hat mehrere Gründe. Ausgangspunkt ist hier stets die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse, mit einem Wirkungsgrad von heute maximal 70 Prozent. Dazu kommen der Wirkungsgrad der Kraftstoffsynthese sowie die Energie für die Bereitstellung des benötigten Kohlendioxids. Schließlich ist der Antriebswirkungsgrad der Verbrennungsmotoren mit 25 Prozent deutlich geringer als der von Batterie- oder Brennstoffzellenfahrzeugen.

Für die Nutzung von Kraftstoffen aus Biomass-to-Liquid-Prozessen, die über den Weg der Vergasung von Biomasse hergestellt werden, beträgt der Well-to-wheel-Wirkungsgrad rund 13 Prozent.

 

Wir sehen uns heute mit einer starken Umorientierung beim Umgang mit Energie konfrontiert. Wie würde sich aus Ihrer Sicht der Wasserstoff in einem zukünftigen Energiesystem darstellen, das den neuen Anforderungen gerecht wird?

Hier möchte ich auf das Kernelement des Wandels im Energiebereich eingehen, und das ist der Strom aus erneuerbaren Energien. Dieser erfordert aufgrund seiner Unstetigkeit eine deutlich verstärkte Speicherkomponente im Energiesystem. Dabei kann aus »grünem« Strom hergestellter Wasserstoff als saisonaler Energiespeicher wirken. Nicht sofort im Netz benötigter Strom wird also zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt. Dieser kann über lange Zeiträume gelagert werden und steht auch im Falle sogenannter Dunkelflauten zur Verfügung – also wenn aufgrund ungünstiger Wetterlage kein Sonnen- oder Windstrom erzeugt und ins Netz eingespeist wird. Solche Ereignisse, die beispielsweise in Deutschland statistisch alle zehn Jahre bis zu ein oder sogar zwei Wochen andauern können, erfordern großtechnische Speicher, die nach heutigem Stand nur mithilfe chemischer Energieträger – wie eben Wasserstoff – realisiert werden können.

Darüber hinaus ließe sich Wasserstoff auch hervorragend als Transportmedium für den zunehmend ins Spiel gebrachten Import erneuerbarer Energien aus den Sonnen und Windregionen nutzen, zum Beispiel aus Patagonien oder Nordafrika. Damit könnte ein flexibler Wasserstoff-»Pool« aus heimischen und überregionalen Wasserstoffquellen gespeist werden, der Anwendungen im Verkehr und in der Industrie versorgt.

 

Ein häufiger Kritikpunkt an der Brennstoffzelle sind die Kosten. Sind Brennstoffzellenautos marktfähig?

Zumindest die Preise heutiger Systeme sind im Vergleich höher als beispielsweise bei Batterieautos. Wettbewerbsfähige Kosten von Brennstoffzellen-Pkw halten wir mittelfristig für sicher umsetzbar. Brennstoffzellensysteme werden heute nur in relativ geringen Stückzahlen gefertigt. Die Massenproduktion wird die Kosten deutlich reduzieren, das zeigen internationale Studien.

Ein weiterer Kostenfaktor bei der Brennstoffzellentechnologie sind die Katalysatoren, die Edelmetalle benötigen, etwa Platin. Die Entwicklung der vergangenen Jahre hat gezeigt, dass die benötigten Mengen drastisch reduziert werden können, in etwa um den Faktor zehn in den zurückliegenden 15 Jahren. Eine weitere Verringerung um den Faktor vier halte ich für umsetzbar, so dass dann das Niveau heutiger Abgaskatalysatoren von Verbrennungsmotorfahrzeugen erreicht würde. Auch die Kosten des Drucktanks lassen sich durch verbesserte Produktionsverfahren deutlich reduzieren.

Darüber hinaus sinken durch die intensive Weiterentwicklung der batterie- und hybridelektrischen Antriebe die Kosten für den eigentlichen Elektroantrieb, was dann insgesamt den emissionsfreien Konzepten mit Batterien und Brennstoffzellen zugutekommt. Ein dabei zu berücksichtigender Trend ist, dass die Kosten für Pkw mit Verbrennungsmotoren, etwa durch strengere Abgasstandards und die geforderten Effizienzsteigerungen mittel- bis langfristig deutlich steigen werden. Vermutlich sind Autos mit Brennstoffzelle oder Batterie langfristig die günstigere Alternative.

 

Die Diskussionen über Batterie und Brennstoffzelle entzünden sich nicht zuletzt an der Frage nach der Betankung: Strom laden oder Wasserstoff tanken. Muss das nicht auch bei der Kostenbetrachtung berücksichtigt werden?

Auf jeden Fall: Beide Versorgungssysteme erfordern neue Investitionen, wobei die Kosten der jeweiligen Infrastruktur stark davon abhängen, wie viele Fahrzeuge versorgt werden müssen. Für Brennstoffzellenautos muss ein Großteil der Infrastruktur erst noch aufgebaut werden – und es muss die Übergangsphase bewältigt werden, in der die Erzeugung und Speicherung von grünem Wasserstoff mithilfe von Überschussstrom ausgebaut und entsprechende Tankstellen flächendeckend aufgebaut werden. Das elektrische Netz dagegen existiert bereits – es fehlt allerdings an einer flächendeckenden öffentlichen Ladeinfrastruktur und, für den Fall höherer Marktanteile von Batterieautos, auch an der Netzverstärkung.

Batteriefahrzeuge können damit vor allem am Anfang der Markteinführung preiswerter geladen werden, während eine Wasserstoffversorgung erst mit zunehmender Marktdurchdringung günstiger wird. In einer Studie haben wir festgestellt, dass bei 20 Millionen Autos die Kosten der Wasserstoffversorgung bei etwa 40 Milliarden Euro liegen – im Vergleich dazu kostet eine Ladeinfrastruktur für Batterieautos etwa 40 bis 60 Milliarden Euro. Nimmt man die Mittelwerte, ist die Wasserstoffinfrastruktur 20 Prozent billiger als die Batterieladeinfrastruktur.

 

Wie erklären Sie sich dabei die größere Unsicherheit bei der Ladeinfrastruktur?

Hier ist für uns heute vor allem ungeklärt, wie sich das Ladeverhalten von Autonutzern künftig entwickeln wird: Ob beispielsweise Batteriefahrzeuge bei ausreichender Versorgungsinfrastruktur eher über Nacht geladen werden oder tagsüber an Schnellladesäulen, ist bisher nicht abzusehen. Bei der Wasserstoffbetankung hingegen ist alles wie gehabt, so dass hier auch die Kosten deutlich sicherer angegeben werden können.

Zu beachten ist auch, dass die Kostenanalysen teilweise auf konservativen Annahmen beruhen. Bisher wurde beispielsweise angenommen, dass für die Wasserstoffversorgung der Bau neuer Pipelines notwendig ist. Würden stattdessen vorhandene Erdgas-Pipelines für den Wasserstofftransport umgewidmet, ließen sich die Pipelinekosten im Transmissionsbereich, also über die lange Strecke, um 50 bis 80 Prozent reduzieren. Gleichzeitig, und das halten wir bei der Markteinführung für besonders wichtig, sinken die Vorlaufzeiten für Planung, Genehmigung und Bau um etwa die Hälfte, was der Umsetzung der Energiewende deutlichen Schub verleiht.

 

Ihre Analyse zeigt also, dass es bei beiden Infrastrukturen erheblichen Ausbaubedarf gibt. Wie weit ist denn der Ausbau der Wasserstofftankstellen inzwischen vorangekommen?

Die Wasserstofftankstellen-Infrastruktur in Deutschland ist aktuell entlang von Korridoren ausgelegt und damit für Langstreckenmobilität geeignet. Die Tankstellen sind dabei so dimensioniert, dass auch eine wachsende Nachfrage bedient werden kann. Die derzeit vorhandenen 78 Tankstellen werden bis Anfang 2020 auf zunächst 100 ausgebaut, und in den nächsten Jahren – mit steigender Zahl der Wasserstofffahrzeuge – um weitere 300 Tankstellen. Dies ist immer noch gering im Vergleich zu den für 2050 erwarteten 10.000 Tankstellen, aber es ist ein echter Einstieg in die flächendeckende Versorgung.

 

Abschließend vielleicht noch eine Frage, die die Wirtschaftspolitiker sehr interessieren dürfte: Wie wirken sich Ihrer Einschätzung nach die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnik auf die Wertschöpfung im Automobilland Deutschland aus?

In der Wirtschafts- und Forschungspolitik sowie in der Industrie wird dem Thema Wertschöpfung in Deutschland insgesamt große Aufmerksamkeit gewidmet. Speziell den Wasserstofftechnologien schreiben wir im Moment ein erhebliches regionales Wertschöpfungspotenzial zu. Während der Markt für Batterietechnik weitgehend von China und den USA beherrscht wird, ist das »Rennen« bei der Brennstoffzellentechnik sicherlich noch offen. Deutschland und Europa haben hier gute Chancen, ganz vorne mitzuspielen. Mit Blick auf die Anwendung im Pkw und Lkw muss aber schnell gehandelt werden, da die interessantesten Fahrzeuge derzeit vor allem aus Südkorea und Japan kommen. Wenn es gelingt, hier mit eigenen Modellen Fuß zu fassen, können neue regionale Zulieferketten etabliert und damit auch Arbeitsplätze in der Automobilindustrie gesichert werden.

 

Weitere Informationen:
Institut für Energie- und Klimaforschung, Techno-ökonomische Systemanalyse (IEK-3)
Infrastrukturvergleich: Elektrisches Laden und Wasserstoff-Betankung
Kosteneffiziente und klimagerechte Transformationsstrategien für das deutsche Energiesystem bis zum Jahr 2050

 

Es wird häufiger Wasserstoff getankt

Das Elektroauto ist das Auto der Zukunft – darüber herrscht weitgehende Einigkeit. Doch welche Antriebsart die beste ist, daran scheiden sich noch die Geister. In einer aktuellen Studie empfehlen der ADAC und das Fraunhofer-Institut nun, den Ausbau der Infrastruktur sowohl für Strom als auch für Wasserstoff parallel voranzutreiben. Ein gleichberechtigter Ausbau könnte Kosten von bis zu sechs Milliarden Euro im Jahr einsparen, so die Analysten.

In den vergangenen Jahren ist die Nachfrage nach Wasserstoff an deutschen Tankstellen gestiegen. Im Juni lag der Absatz bei 8,2 Tonnen bundesweit, wie die Grafik zeigt.

71 Wasserstoff-Tankstellen gibt es in Deutschland bisher – bis Ende des Jahres soll die Zahl auf 100 aufgestockt werden, so die Auskunftsseite h2 live. In absoluten Zahlen hat Deutschland damit weltweit die zweitmeisten Wasserstofftankstellen nach Japan. Bei Wasserstoff-Tankstellen pro Einwohner liegt Deutschland an vierter Stelle hinter Dänemark, Norwegen, Japan und Österreich. Frauke Suhr

https://de.statista.com/infografik/18586/absatz-von-wasserstoff-an-deutschen-tankstellen/

 

Energiewende: So wird der Umstieg auf Wasserstoff konkret

Durch den Umstieg auf Brennstoffzellenautos lässt sich der CO2-Ausstoß maßgeblich verringern. Die benötigte Wasserstoff-Infrastruktur könnte sich als Schlüssel erweisen, um fossile Energieträger künftig stärker durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Für den Aufbau der kompletten Infrastruktur für den deutschen Pkw-Straßenverkehr wären Investitionen in der Höhe von 61 Milliarden Euro erforderlich, schätzen Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich.

Zum Vergleich: Über den relevanten Zeitraum von 40 Jahren verteilt lägen die jährlichen Ausgaben damit unter den derzeitigen jährlichen Investitionen in das deutsche Erdgasnetz.

Wind und Sonne liefern weder gleichmäßig Energie, noch zu dem Zeitpunkt, zu dem diese gerade benötigt wird. Der massive Ausbau erneuerbarer Energien erfordert daher Lösungen, um zeitweilige Überschüsse zu verwerten und zu speichern. »Mithilfe von Elektrolyseuren kann man Lastspitzen nutzen, um aus Wasser Wasserstoff herzustellen, der sich ähnlich wie Erdgas unproblematisch und günstig in unterirdischen Salzkavernen lagern lässt«, erläutert Professor Detlef Stolten vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3).

Pipelines in der Länge von 42.000 Kilometer und rund 10.000 neue Wasserstoff-Tankstellen wären nötig, um 75 Prozent der Pkw-Fahrzeuge mit Wasserstoff zu versorgen. Insgesamt müssten für Elektrolyseure, Pipelines, Wasserstoff-Tankstellen und die Erschließung von Kavernen rund 61 Milliarden Euro aufgebracht werden. Verteilt über die gesamte Aufbauphase von 40 Jahren wären die jährlichen Ausgaben damit im Schnitt niedriger als die heutigen Investitionen in das Erdgasnetz: Die 633 Verteilnetzbetreiber in Deutschland haben alleine im Jahr 2013 rund 2 Milliarden Euro für den Erhalt und Ausbau des Erdgasnetzes ausgegeben.

Die Kosten für den Wasserstoff wären vergleichbar mit heutigen Kraftstoffkosten. Sie lägen – abhängig von der Vergütung des genutzten Stroms – umgerechnet nur wenige Cent pro Kilowattstunde unter oder über den heutigen Benzinpreisen. Auch in Sachen Komfort müssten Autofahrer keine Abstriche machen. Innerhalb von drei Minuten ist ein Brennstoffzellen-Pkw vollgetankt. Die Reichweite beträgt bis zu 700 Kilometer.

Investitionsbedarf für Wasserstoff-Infrastruktur
Copyright: Forschungszentrum Jülich

 

Wegbereiter für Fortschritte beim Klimaschutz

»Mithilfe von Wasserstoff als Speicher könnte man einen großen Teil der fossilen Kraftwerke durch Windkraft ersetzen«, erklärt Detlef Stolten. In ihrem Szenario gehen die Forscher von insgesamt 170 Gigawatt elektrischer Leistung onshore und 59 Gigawatt offshore im Jahr 2050 aus.

Zusammen ist das etwa die fünffache Gesamtleistung der Windkraft von 2016, was einer Verringerung der CO2-Emissionen um insgesamt 20 Prozent entspricht. Weitere 6 Prozentpunkte lassen sich durch den Ersatz konventioneller Pkw einsparen. Zugleich könnten auch die aktuell in der Diskussion stehenden Stickoxide und Feinstäube in Städten deutlich reduziert werden. Denn die Abgase von Wasserstoffautos bestehen lediglich aus Wasserdampf. Zusätzliche Einsparungen wären durch die Einführung entsprechender Busse und Kleintransporter möglich.

Niedrigere Anfangskosten

Der Investitionsbedarf für die Infrastruktur hängt in hohem Maße von den kostenintensiven Elektrolyse-Kapazitäten ab. »Für eine anfängliche Flotte von 10.000 Brennstoffzellenfahrzeugen wären zwar schon ein flächendeckendes Tankstellennetz, aber zunächst nur relativ geringe Elektrolysekapazitäten von etwa 23 MW im Jahr 2025 erforderlich«, erläutert Stolten. Denn zunächst würde nur relativ wenig Wasserstoff benötigt.

Potenzielles Wasserstoff-Pipelinenetz
Copyright: Forschungszentrum Jülich

 

Um langfristig 75 Prozent der deutschen Pkw – oder geschätzte 33 Millionen Brennstoffzellenautos – zu versorgen, wäre dagegen ungefähr die tausendfache Elektrolysekapazität mit einer elektrischen Gesamtleistung von 28 Gigawatt erforderlich. Das entspricht in etwa der Leistung von 50 Kohlekraftwerken. Die Forscher haben die Kosten im Rahmen einer technoökonomischen Studie erarbeitet und gemeinsam mit Wissenschaftlern beteiligter Institute als Beitrag für das Virtuelle Institut »Strom zu Gas und Wärme« veröffentlicht, das vom Land Nordrhein-Westfalen gefördert wird.

Fachmesse IRES 2017: Pfandflasche für Wasserstoff

Auf der Fachmesse IRES 2017 präsentieren die Jülicher Forscher laufende Forschungsarbeiten zu einem neuartigen Typ von Elektrolyseur, der perfekt zu den fluktuierenden, erneuerbaren Quellen passt. Sogenannte PEM-Elektrolyseure können sich in Sekundenschnelle an abrupte Stromschwankungen anpassen. Der Gehalt an Edelmetallen ist allerdings noch relativ hoch und soll durch die Verwendung innovativer Elektrodenstrukturen reduziert werden.

Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg (IEK-11) sind ebenfalls vertreten und stellen Arbeiten zu einer Art »Pfandflasche für Wasserstoff« vor: eine organische Trägerflüssigkeit (»liquid organic hydrogen carrier«, kurz LOHC), die mehr als 650 Liter Wasserstoff pro Liter aufnehmen kann und mit der sich Wasserstoff sicher lagern und transportieren lässt.

Szenario mit regenerativem Wasserstoff für den Straßenverkehr
Copyright: Forschungszentrum Jülich

 

Originalpublikationen:
Re-energizing energy supply: Electrolytically-produced hydrogen as a flexible energy storage medium and fuel for road transport
Emonts, B.; Schiebahn, S.; Görner, K.; Lindenberger, D.; Markewitz, P.; Merten, F.; Stolten, D.
Journal of power sources 342, 320 – 326 (2017); DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.12.073
Emonts, B.; Grube, T.; Otto, A.; Robinius, M.; Stolten, D.: Mit Wasserstoff zur bedarfsgerechten und sauberen Energieversorgung; in: Broschüre der EnergieAgentur.NRW, Flexibilität: Eine wichtige Säule der Energiewende, 10/2016, S. 11-13
Robinius, M.: Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff, in RWTH Aachen University. 2015: Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag

Video: Umwandlungstechnologien für eine nachhaltige Energiezukunft

Länge: 2:37 min.

 

 


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