Alternative Antriebe und Kraftstoffe für nachhaltige Mobilität

Im Kurzbericht der Arbeitsgruppe (AG) 2 und auf der Nationalen Plattform «Zukunft der Mobilität» (NPM) in Deutschland, publizieren Experten ihre Betrachtungen und Bewertungen neuer Antriebs- und Kraftstoff-Optionen aus technischer Perspektive. Die Fachgruppen der AG 2 haben sich zum Ziel gesetzt, einen Technologiemix zu finden, der den grösstmöglichen Beitrag zur Senkung des CO2-Ausstosses leisten kann.

In diesem ersten Kurzbericht stehen die technische Machbarkeit und die erwarteten Potenziale von elektrischen Antrieben, wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen und alternativen Kraftstoffen im Vordergrund. In einem weiteren Kurzbericht wird die AG 2 die Rahmenbedingungen betrachten und die daraus resultierenden Hemmnisse und realen Potentiale bewerten. Ein dritter Kurzbericht soll anschliessend die Auswirkungen beleuchten, die verschiedene Antriebs- und Kraftstoffoptionen mit sich bringen. Die Erkenntnisse werden anschliessend in eine Technologie-Roadmap überführt.

Technologische Betrachtungen

In einer nachhaltigen Mobilität bilden die Transformation der Antriebs- und Kraftstofftechnologien eine zentrale Herausforderung. Dazu hat die Arbeitsgruppe technologische Optionen aufgrund aktueller und in Zukunft zu erwartenden Entwicklungsstands unter optimalen Voraussetzungen betrachtet:

  • technologische Elektromobilitätskonzepte
  • Wasserstoff und Brennstoffzellen sowie
  • alternative Kraftstoffe für den Verbrennungsmotor

Die Technologien wurden dabei unabhängig voneinander untersucht.

Die Experten gehen davon aus, dass 2030 7 bis 10,5 Millionen BEV und PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle) in Verkehr sein werden. Je nach Fahrzeugsegment unterscheiden sich auch die Reichweiten: Im Kleinwagensegment bestehen Reichweiten von bis zu 300 km und über 500 km bei Oberklasse-Pkw. Leichte und mittlere Nutzfahrzeuge erzielen Reichweiten zwischen 100 und 250 km. Erste Prototypen für batterieelektrische schwere Nutzfahrzeuge bewältigen vergleichsweise geringe Distanzen. Im Strassengüter-Fernverkehr werden aktuell erste Teststrecken für Oberleitungs-Lkw aufgebaut. In der Schifffahrt wird die Nutzung von Landstrom in Häfen geplant. Auch einige Fähren sind bereits elektrifiziert. Für Flugzeuge gibt es erste Prototypen, die auf lange Sicht eine Reichweite von bis zu 1000 km erreichen können. Im Schienenverkehr testet man Prototypen für batteriebetriebene Züge und Diesel-Hybrid-Rangierlokomotiven.

Unterschiedliche Bestandssituationen

Politiker wünschen sich bei den Brennstoffzellen-Fahrzeugen für 2030 einen Bestand von bis zu 1,4 Millionen Pkw und 400 000 Nutzfahrzeugen. Da sich etliche Autohersteller in Deutschland noch nicht wirklich mit der Produktion grosser Stückzahlen profiliert haben, soll dieser Punkt im zweiten Kurzbericht dargelegt werden. Der aktuelle Entwicklungsstand der Fahrzeuge ist ausserdem sehr unterschiedlich. Er reicht von ersten Prototypen bis hin zu Serienfahrzeugen. Seriengefertigt werden heute vor allem Pkw im Mittel- bzw. Oberklassesegment.

Für Brennstoffzellen-Fahrzeuge ergeben sich vergleichbare Reichweiten wie mit herkömmlichen Fahrzeugen, die mit Verbrennungsmotoren ausgestattet sind. Im Schienenpersonen-Nahverkehr könnten nicht elektrifizierte Strecken durch Wasserstoff betriebene Nahverkehrszüge bedient werden. In der Luftfahrt werden Brennstoffzellen vor allem für elektrische Antriebe und Nebenaggregate eingesetzt. In ersten Entwicklungsprojekten der Schifffahrt werden Binnen- und Fährschiffe mit Brennstoffzellen ausgestattet und nutzen diese Technologie für die Bordstrom-Versorgung.

Wechselseitige Abhängigkeiten

Technologieoptionen neuartiger, alternativer Kraftstoffe konnten bei biomasse- und strombasierten Kraftstoffen identifiziert werden. Diese Kraftstoffe stehen derzeit allerdings nur in geringen Mengen zur Verfügung. Für den Einsatz in Grossanlagen müssen diese Technologien weiterentwickelt werden. Alternative Kraftstoffe sind mit der bestehenden Tankinfrastruktur kompatibel und bieten sich insbesondere für schwere Verkehrsmittel mit langen Reichweiten an.

 

Perspektiven batterieelektrischer Fahrzeuge

Antriebs- und Fahrzeugsysteme
Die Experten gehen davon aus, dass 2030 7 bis 10,5 Millionen batterieelektrische Pkw (BEV und PHEV) in Deutschland unterwegs sein werden. Damit diese Zahlen erreicht werden können, ist die Verfügbarkeit rein batterieelektrischer Fahrzeuge (BEV) sowie Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen (PHEV) in allen Pkw-Marktsegmenten und leichten Nutzfahrzeugen Voraussetzung. Aktuell befinden sich ca. 60 Modelle unterschiedlicher Hersteller für verschiedene Zielgruppen im Markt. Aufgrund der geltenden CO2-Vorgaben der EU für Neuwagenflotten ist ein deutlicher Anstieg in den Bereichen BEV und PHEV ab 2020 zu erwarten. Fahrzeughersteller haben denn auch für 2021 bereits über 200 und für 2025 über 300 BEV-Modelle für den europäischen Markt angekündigt. Für jeden Anwendungsfall soll ein vollelektrisches Fahrzeug angeboten werden.

Verbrauch abhängig von vielen Faktoren

Auffällig sind hierbei die teilweise recht deutlichen Unterschiede im Verbrauch innerhalb der Segmente und die mit grösser werdenden Fahrzeugen steigenden potentiellen Reichweiten. Grössere Traktionsbatterien müssen jedoch nicht zwangsläufig mit einer grösseren Reichweite einhergehen, da dies stark von der Effizienz des Gesamtfahrzeugs abhängt. Der fahrzeugspezifische Energieverbrauch wird, wie bei anderen Antriebsarten auch, vom Fahrzeuggewicht, aber auch vom Luft- und Rollwiderstand und der Effizienz des Antriebes beeinflusst. Für die Elektromobilität ist dies jedoch wichtig, um Reichweiten und Batteriekapazitäten zu optimieren. Aktuelle Fahrzeugankündigungen von PHEV-Modellen zeigen, dass in diesen Autos künftig Batterien für grössere Reichweiten verbaut werden, sodass prinzipiell 80 bis 90 % der Tagesfahrleistung der meisten Nutzer rein elektrisch abgedeckt werden können.

Für die Batterie muss man derzeit davon ausgehen, dass sie den gesamten Lebenszyklus des Fahrzeugs nicht überdauert, da deren Alterung stark abhängig ist vom Nutzungsverhalten. Insbesondere Faktoren wie die Batterietemperatur während des Betriebs, Anzahl und Art der Fahrzyklen, d.h. Voll- oder Teilzyklen, Ladeverhalten, verwendete Ladetechnologie, Betriebstemperatur spielen eine wichtige Rolle. Deshalb kann keine ausreichend begründete, allgemeingültige Aussage über die Lebensdauer von Akkus abgeleitet werden.

Rohstoffverfügbarkeit
Der Ausbau der Elektromobilität bewirkt einen erhöhten Bedarf an Rohstoffen wie Lithium, Kobalt oder Mangan, deren nachhaltige Gewinnung auf internationalen Märkten sichergestellt werden muss. Die Gewinnung, Weiterentwicklung und das Recycling dieser Rohstoffe wird in Deutschland als Innovationschance für die Industrie notwendig, da Förderung und Verarbeitung mit Umweltbelastungen verbunden sind.

Ladeinfrastruktur
Laut dem Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) stehen seit August 2019 in Deutschland 20 650 öffentlich zugängliche Ladepunkte zur Verfügung. Davon sind 12 % (circa 2500) DC-Schnelllader. Hinsichtlich der Dauer von Ladevorgängen gelten, abhängig von der Technologie und der Leistung der Ladepunkte, folgende Zeiten für einen Ladevorgang:

AG2_Ladezeiten_Ladeleistung

Die angegebenen Zeiten sind von der Leistung des Ladepunkts sowie von der im Fahrzeug verfügbaren Technologie abhängig und dienen daher als Orientierungswerte.


Recycling
Ein wesentlicher Bestandteil des nachhaltigen Umgangs mit neuen Technologien ist die Wiederverwendung oder das Recycling, insbesondere der Batterien. Für gealterte Fahrzeugbatterien gilt im Allgemeinen, dass sie ab einem State of Health (SOH) von 70 % als «nicht mehr ausreichend leistungsfähig» für die Verwendung in Elektrofahrzeugen angesehen und daher ausgetauscht werden. Gealterte Fahrzeugbatterien können in Abhängigkeit vom Verwertungsplan entweder dem Recycling oder sogenannten Second-Use-Verwendungen zugeführt werden.

Für das Recycling von Batterien bestehen verschiedene Verfahren. Diese werden teilweise bereits industriell umgesetzt. Bezüglich Recyclingquote können aktuell im Pilotmassstab 70 bis 80 % der Wertstoffe potentiell für die Batterieproduktion recycelt werden. Diese Quote könnte perspektivisch auf 90 % ansteigen. Der Export alter Fahrzeuge ist kritisch zu sehen, da die Batterien dadurch dem Kreislaufprozess nicht mehr zur Verfügung stehen. Dies ist einer der Gründe, weshalb EU-Batterierichtlinien aktuell überarbeitet werden. Neben dem Recycling ist die Verwendung gealterter Fahrzeugbatterien auch für Second-Use-Anwendungen als stationäre Speicher möglich. Die Batterieleistung und -kapazität ist für diesen Anwendungsfall in der Regel noch so gut, dass das vollständige Potential der Batterien ausgenutzt werden kann. Ausserdem lassen sich die CO2-Emissionen bei der Batterieproduktion durch Reduzierung des Rohstoffbedarfs und von Transportaufwänden langfristig reduzieren.

 

Perspektiven von Brennstoffzellen-Fahrzeugen

Antriebs- und Fahrzeugsysteme
Das Thema Wasserstoff wird in mehreren Anwendungen eine bedeutende Rolle erlangen. Neben der Anwendung in der Brennstoffzelle ist Wasserstoff in Verbrennungsmotoren und Turbinen nutzbar und dient als wesentliche Basis für synthetische Kraftstoffe. Brennstoffzellen-Fahrzeuge bieten bis 2030 Entwicklungsperspektiven bei Nutzfahrzeugen (Lkw, Busse), im Pkw-Bereich sowie im Schienenverkehr. Weitere wichtige Anwendungsbereiche finden sich in der Intralogistik sowie bei Binnenschiffen und kleinen Flugzeugen. Der aktuelle Entwicklungsstand ist bei den einzelnen Fahrzeugen sehr unterschiedlich und reicht von ersten Prototypen bis zu Serienfahrzeugen.

Serienanwendungen finden sich auch hier vor allem im Mittel-, bzw. Oberklassesegment. Aktuell sind Fahrzeuge von drei Herstellern in Deutschland erhältlich. Erste Verkehrsbetriebe setzen Brennstoffzellen-Busse ein. Im Güterverkehr befinden sich im Bereich leichter bis schwerer Nutzfahrzeuge verschiedene Fahrzeuge von leichten Transportern bis zu 40-t-Sattelzugmaschinen mit Brennstoffzelle in der Entwicklung.

Die Bereitstellung von Wasserstoff für Verkehrsanwendungen erfolgt bisher hauptsächlich aus Erdgas oder aus chemischen Prozessen (Industriewasserstoff). Die Herstellung aus erneuerbaren Energien mittels Elektrolyse spielt noch eine eher geringe Rolle. Perspektivisch kann Wasserstoff auch aus Biomasse gewonnen werden; es wird auf eine Versorgung mit «grünem» Wasserstoff aus Elektrolyse abgezielt.

Aus klimapolitischer Sicht wäre für 2030 ein Brennstoffzellen-Fahrzeugbestand von bis zu 1,4 Millionen Pkw und 400 000 Nutzfahrzeugen wünschenswert. Bislang gibt es lediglich Ankündigungen von asiatischen Fahrzeugproduzenten, die es als technologisch möglich erscheinen lassen, solche Fahrzeugzahlen in den jeweiligen Märkten auch zu erreichen. Bei einem beispielhaft angenommenen Bestand von 1 Millionen Fahrzeugen (0,8 Millionen Pkw und 0,2 Millionen Nutzfahrzeuge) in 2030 würde sich ein Bedarf von circa 423 000 (extrapolierte Verbrauchsdaten unter der Annahme von Effizienzverbesserungen der Fahrzeugtechnik um 10 % bis 2030) bis circa 470 000 t (reale Verbrauchsdaten auf Basis heutiger Technik) Wasserstoff pro Jahr ergeben. Um diesen Bedarf ausschliesslich mit «grünem» Wasserstoff zu decken, wären 5,7 bis 6,4 GW Elektrolyseleistung bei 3 500 Betriebsstunden mit Windenergie erforderlich. Die Installation dieser Leistung kann nach Einschätzung der Elektrolysehersteller erreicht werden.

Rohstoffverfügbarkeit
Alle Stoffe in der Brennstoffzelle sind mit heutigen industriellen Methoden recyclebar. Eine Recyclingquote von 98 % der Verbundstoffe ist möglich. Der Platinbedarf eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges liegt ab 2020 bei ca. 0,125 g/kW. Bereits heute konnte der Platinbedarf deutlich gesenkt werden. Dieser soll in den nächsten Jahren auf den eines Abgas-Nachbehandlungssystems eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor sinken. Zielsetzung verschiedener Forschungsvorhaben ist sowohl die Reduzierung der Platinbeladung als auch der Ersatz durch andere Materialien. Darüber hinaus sollen durch Recycling von Platin aus Brennstoffzellen sowie durch die Aufarbeitung von Platin aus Autokatalysatoren zusätzliche Mengen erschlossen werden.

Tankinfrastruktur
In Deutschland gibt es derzeit (Stand Juni 2019) 71 öffentliche Wasserstoff-Tankstellen, an denen Pkw mit 700 bar betankt werden können. Ende 2019 sollen insgesamt 100 Tankstellen für eine erste flächendeckende Versorgung in Deutschland zur Verfügung stehen. Die Leistung einer Zapfsäule liegt aktuell bei 2 bis 3 MW. Künftig wird zumindest ein Teil der Wasserstoff-Tankstellen auch für die Versorgung des schweren Güterverkehrs ausgelegt werden müssen. Aufgrund der hohen Energiedichte des Wasserstoffs ist die Betankungsdauer eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs vergleichbar mit der Betankung eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor.

Der Flächenbedarf derzeit realisierter Wasserstoff-Tankstellen mit einer Zapfstelle (inklusive Vorrat, ohne On-site-Produktion) liegt bei 100 m2 pro Tankstelle. Man erwartet, dass rund die Hälfte der Wasserstoff-Tankstellen in bestehende grössere Tankstellenstandorte integriert werden können und für die andere Hälfte neue Wasserstoff-Tankstellen entstehen.

Perspektiven alternativer Kraftstoffe

Kraftstoff- und Fahrzeugsysteme
Der Fahrzeugbestand wird immer langsamer erneuert. Blends mit alternativen, CO2-neutralen Kraftstoffen bieten die wichtige Möglichkeit, CO2 -Emissionen ohne Fahrzeugumrüstungen in der Bestandsflotte zu senken. Alternative Kraftstoffe können im heutigen Pkw- und Lkw-Fahrzeugen, und dabei ebenfalls für Hybridantriebe und Plug-in-Hybridantriebe, eingesetzt werden. Sie sind mit der heutigen Infrastruktur weitestgehend kompatibel. Grosses Einsatzpotential, auch über das Jahr 2030 hinaus, dürften alternative Kraftstoffe in Verbrennungskraftmaschinen haben, die als Antriebe nur schwer zu ersetzen sind. Dazu gehören beispielsweise Langstreckenflüge oder die maritime Schifffahrt.

Aufsummiert beträgt die realisierbare Menge erneuerbarer Kraftstoffe in Deutschland in 2030 bis zu 450 PJ/a (optimistische Annahme des Zuwachses an biomasse- und strombasierten Kraftstoffen unter idealen Voraussetzungen und Einbezug von Importen). Dies entspricht 21 % des Kraftstoffbedarfs in 2030. Die Technologie strombasierter Kraftstoffe befindet sich derzeit noch im Pilot- und Demonstrationsstadium. Dementsprechende Erzeugungskapazitäten müssen erst noch aufgebaut werden. Einige Mitglieder der AG 2 schätzen die im Jahr 2030 verfügbare Menge strombasierter Kraftstoffe deutlich niedriger ein, maximal 35 PJ.

Alternative Kraftstoffe aus fossilen Quellen bezeichnen Kraftstoffe, die nicht aus Rohöl hergestellt werden. Sie umfassen komprimiertes oder verflüssigtes Erdgas (CNG bzw. LNG), konventionell erzeugten Wasserstoff sowie Gas-to-Liquid-Kraftstoffe (GtL). Sowohl CNG als auch LNG weisen einen hohen technischen Entwicklungsstand auf. Sie können in beliebigen Verhältnissen mit regenerativ erzeugtem Methan (Biomethan, SNG oder PtG) gemischt und somit durch dieses ersetzt werden. Die grösste Verbreitung konventioneller alternativer Kraftstoffe weist CNG auf. Relevante Mengen regenerativen Methans könne zeitnah erschlossen werden. Die Meinungen zum Einsatz von alternativen Kraftstoffen divergieren in der AG 2 jedoch. Die jeweiligen Argumente sind nachfolgend aufgelistet:

Argumente_CNG

Verfügbarkeit strombasierter Kraftstoffe
Für strombasierte Kraftstoffe existieren zwei Hauptherstellungswege: Power-to-Gas (PtG, Herstellung von Wasserstoff, Methan oder Syngas) und Power-to-Liquid (Fischer-Tropsch, Methanol, DME/OME). Die Herstellung von Wasserstoff weist eine hohe technische Reife auf. Momentan sind jedoch keine grossen Anlagenkapazitäten für PtX verfügbar. Für Methan besteht über das Erdgasnetz eine nahezu flächendeckende Verteilinfrastruktur.

Wasserstoffmotoren wurden in der Vergangenheit erprobt und stellen ebenfalls eine Alternative dar, sowohl für Fahrzeugantriebe, als auch für stationäre Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen.

Über den Fischer-Tropsch-Prozess können strombasierte flüssige Kraftstoffe wie Benzin, Diesel oder Kerosin erzeugt werden, die vollständig mit der bestehenden Infrastruktur (Fahrzeugantriebe, Tankstellen) kompatibel sind. Für strombasierte flüssige Kraftstoffe existieren noch keine grossen Anlagen. Die Verfügbarkeit von PtL im Jahr 2030 wird von den Experten stark unterschiedlich gewertet. Hersteller von Elektrolyseuren gehen davon aus, dass bis 2030 20 GW Elektrolysekapazität erreicht werden können.

Neben der Fischer-Tropsch-Route können strombasierte Kraftstoffe auch über die sogenannte Methanolroute hergestellt werden. Für diesen Prozess sind bereits heute Anlagenkonzepte mit grossen Kapazitäten auf dem Markt erhältlich. Methanol kann auch als Zwischenprodukt künftiger Kraftstofflogistik-Ketten dienen. Generell können strombasierte Kraftstoffe in Ländern mit grossen Potentialen für Wind- und Solarenergie erzeugt und dann nach Deutschland transportiert werden.

Rohstoffverfügbarkeit /Nachhaltigkeit
Für strombasierte Kraftstoffe werden aktuell keine kritischen Rohstoffe gesehen, die eine Nutzung von PtX beeinflussen könnten. Jedoch muss bei der Herstellung von strombasierten Kraftstoffen auf die Verwendung von zusätzlichem EE-Strom geachtet werden. Dies ist ein wesentliches Nachhaltigkeitskriterium bei der PtX-Produktion, um negative indirekte Effekte auszuschliessen.

Tankinfrastruktur
Für alternative flüssige Kraftstoffe im Strassenverkehr kann die bestehende Tankinfrastruktur genutzt werden. Gegebenenfalls müssen Anpassungen vorgenommen werden, wenn grössere Zumischungen von erfolgen sollen. Für weitere Kraftstoffe (z.B. LNG) befindet sich die Infrastruktur im Aufbau. Im nationalen Strategierahmen sind Ausbauziele festgelegt worden. Aktuell existieren in Deutschland für circa 860 öffentliche Tankstellen und für LNG sieben öffentliche Tankstellen für schwere Nutzfahrzeuge. Stationäre Bunkerstellen für Schiffe gibt es derzeit nicht. Für LNG gibt es Bestrebungen, in den kommenden Jahren die Anzahl auf mindestens 20 Tankstellen zu erhöhen und eine flächendeckende Verfügbarkeit zu realisieren. Aufgrund von Vorgaben durch die EU-Richtlinie zur Schaffung einer Infrastruktur für alternative Kraftstoffe (EU/94/2014) wird für das transeuropäische Verkehrsnetz TEN-V-Kernnetz der Ausbau einer LNG-Infrastruktur bis 2025 für schwere Nutzfahrzeuge sowie Binnen- und Seeschiffe in Seehäfen gefordert; sowie bis 2030 ebenfalls für Binnenhäfen.


Ausblick

Aus technologischer Sicht bieten alle drei Optionen – Elektromobilität, Wasserstoff-Brennstoffzelle sowie Bio- und synthetische Kraftstoffe – ein Potential zur Verringerung von CO2-Emissionen im Verkehr. Die Arbeit der AG 2 und ihrer Fokusgruppen hat allerdings deutlich gemacht, dass sowohl technologische Fragestellungen als auch Fragestellungen, die im Zusammenhang mit der Herstellung der betrachteten Technologieoptionen stehen, nach wie vor offen sind und dringend einer Lösung bedürfen. Die notwendigen Lösungsansätze müssen teils aus Forschung und Entwicklung kommen, teils aus der Politik durch Setzung von Regeln und Standards.

In einer weiteren Arbeit wird betrachtet, wie die drei Optionen in einem technologieoffenen Ansatz weiterverfolgt werden sollten und wo die Einsatzfelder liegen, die eine zügige Realisierung bei gleichzeitig grösstmöglicher Wirkung zur Reduzierung von Treibhausgas-Emissionen versprechen.

Bis 2030 gibt es aus heutiger Sicht keine Einzeltechnologie, die die angestrebten Ziele für die Emissionsminderung allein durch eine beschleunigte Einführung erreichen wird.

Es sind verschiedene Kraftstoff- und Antriebsoptionen für unterschiedliche Anwendungen im Verkehr erforderlich – abhängig auch von Nutzungsintensität und Reichweitenanforderungen und einer möglichen Fahrzeugflotten-Erneuerung. Alle betrachteten Optionen sind nicht nur perspektivisch für das Jahr 2030 zu sehen, sondern auf einen darüber hinausgehenden zeitlichen Rahmen mit noch deutlich stringenteren Energie- und Klimazielen auszurichten. Nicht alle Verkehrsträger können antriebsseitig elektrifiziert werden; das gilt etwa für Binnen- und Seeschiffe, Flugzeuge und (teilweise) den schweren Strassengüterverkehr. Bei allen Optionen sind ausserdem die Effizienzsteigerungspotentiale der fahrzeugseitigen Antriebsstränge zu berücksichtigen. Die Nutzung erneuerbarer Ressourcen im Verkehr muss während der nächsten Dekade technologisch weiterentwickelt und der Markthochlauf begonnen werden. In einem signifikanten Umfang werden neuartige alternative Kraftstoffe jedoch erst nach dem Jahr 2030 im Verkehr etabliert sein.


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Quelle: AG 2+NPM (Auszug aus dem Kurzbericht)
Foto: pixabay

 

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