Mobilität – ein wichtiger Anwendungs­bereich für Wasserstoff

Mit Wasserstoff ist es möglich, erneuerbare Energie langfristig zu speichern und fernab vom Stromerzeuger umweltfreundlich einzusetzen. Hinzu kommt die lokale – und soweit Wasserstoff »grün« hergestellt wird praktisch vollständige – Emissionsfreiheit. Wasserstoff ist damit für den Mobilitätsbereich sehr interessant. Insbesondere, da man auf transportable Energieträger angewiesen ist.

Technologie

Die Automobilindustrie verfolgt bei Power-to-Gas unterschiedliche strategische Ansätze. Der Großteil entwickelt wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Fahrzeuge.

Wirkungsgrad überzeugt mit rund 60%

Brennstoffzellen sind hocheffiziente und saubere elektrochemische Energiewandler. Sie wandeln die chemische Energie des Wasserstoffs direkt in Strom um. Ihr Wirkungsgrad liegt bereits heute bei rund 60%. Das ist doppelt so hoch wie der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors mit etwa 30%. Vor allem asiatische Hersteller, wie Toyota oder Hyundai, haben bereits erste Brennstoffzellenfahrzeuge auf dem Markt. Sie investieren nun verstärkt, um den Massenmarkt zu erobern.

Auch für den öffentlichen Personennahverkehr, etwa für Busse und nicht-elektrifizierte Bahnstrecken, ist Wasserstoff eine interessante Alternative. Weite Strecken können emissionsfrei zurückgelegt werden – ohne Staubpartikel oder Stickoxide, die den Menschen und die Umwelt schädigen.

Im Verkehrssektor werden voraussichtlich zuerst die schweren Nutzfahrzeuge größer 18 Tonnen, die für den Transport von Gütern über weite Strecken eingesetzt werden, die Wirtschaftlichkeit erreichen. Ähnliches gilt für Züge im Personen- und Güterverkehr. Hinzu kommt hier, dass mit dem Schienenverkehr gleichzeitig eine interessante Logistikoption für den Transport von Wasserstoff besteht.

Wasserstoff eignet sich somit besonders gut als Treibstoff für den Transport- und Schwerlastverkehr. Ganze Nutzfahrzeugflotten können so effizient betrieben werden. Mit dezentralen Erzeugungsanlagen und einer Tankstelle vor Ort. Ganz ohne Diesel.

Bei langen Strecken und hohen Nutzlasten haben Wasserstoff­fahrzeuge die Nase vorn.

In 5 Minuten wieder startklar

Das Betanken eines Brennstoffzellen-PKWs nimmt rund 5 Minuten Zeit in Anspruch. Selbst Busse und Bahnen sind innerhalb kürzester Zeit betankt. Lange Ladezeiten, wie bei rein batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen, entfallen. Im Vergleich zum Verbrennungsmotor entstehen damit kaum längere Betankungszeiten.
Während sich also der Batterieantrieb vor allem für leichte Fahrzeuge und kurze Distanzen im Stadtverkehr eignet, überzeugt der Brennstoffzellenantrieb bei schweren Fahrzeugen und langer Strecke.

Herausforderungen

Die Wasserstoff-Technologie muss noch einige Hürden meistern. Im Vergleich zum konkurrierenden und subventionierten Dieselkraftstoff ist sie aktuell recht teuer. Mit ein Grund dafür sind Abgaben, die Betreiber von Elektrolyseanlagen auf den Strompreis entrichten müssen. Und auch die Tankstelleninfrastruktur ist eine Herausforderung. Solange es zu wenig massentaugliche Fahrzeuge auf dem Markt gibt, wird wenig in den Ausbau der Tankstelleninfrastruktur investiert. Die fehlenden Tankstellen wiederum verhindern, dass Brennstoffzellenfahrzeuge gekauft werden.

Ausstieg aus dem »Henne-Ei-Prinzip«

Die dezentrale Versorgung des ÖPNV bzw. gewerblicher Fahrzeugflotten bietet eine exzellente Möglichkeit, Wasserstofftechnologie in sogenannten »H2-Hubs«, sprich dezentralen Keimzellen, zu etablieren und damit weiter voranzutreiben. Dies wäre insbesondere im Logistik- oder Schienensektor mit geringem Aufwand möglich. Mehr Informationen hierzu finden Sie bei 350 bar Markt.

Hohe technische Anforderungen

Außerdem eine Herausforderung: Um mit Wasserstoff in Autos und Zügen auf den Energiegehalt und die Reichweite von konventionellen Treibstoffen zu kommen, muss das Gas entweder bei sehr hohen Drücken von bis zu 700 bar oder flüssig bei minus 253 Grad gespeichert werden. Beides sind extreme Werte, die lange Zeit mit entsprechenden Herausforderungen verbunden waren. Heute sind die Tanks technisch ausgereift und so sicher wie konventionelle Treibstofftanks.

Speicherung

Wasserstoff kann man gasförmig oder flüssig lagern und transportieren - und die gespeicherte Energie bei Bedarf kontrolliert und emissionsfrei wieder freisetzen.

Lange Jahre hat man sich auf die Speicherung von flüssigem Wasserstoff, sogenanntem Kryowasserstoff, konzentriert. Obwohl flüssiger Wasserstoff die größte volumetrische Energiedichte besitzt, geht diese Speicherform mit einigen Schwierigkeiten einher, wie etwa großen Abdampfverlusten. Aufgrund der einfacheren Anwendung konzentriert man sich aktuell im Bereich Mobilität auf die komprimierte, gasförmige Speicherform.

Heutige Fahrzeuge nutzen gasförmigen Wasserstoff in Kombination mit einer Brennstoffzelle. Um den Wasserstoff bei Drücken von 300-800 bar vorzuhalten, kommen Drucktanks aus kohlenstoff­faserverstärktem Kunststoff zum Einsatz. Die Speicherdichte reicht aus, um Reichweiten von mehr als 500 km zu erreichen.

Die volumenbezogene Energiedichte von Flüssigwasserstoff ist zwar deutlich höher als von gasförmigem Wasserstoff. Bei einem Druck von 700 bar entspricht die Dichte von gasförmigem Wasserstoff jedoch bereits 75% der von flüssigem Wasserstoff. Hinzu kommt, dass Druckgas in der Anwendung einfacher ist.

Bis zum Jahr 2035 hat unserer Einschätzung nach der 350 bar Markt und dessen Anwendungen das deutlich attraktivere Potenzial. Mehr Infos zu den Druckstufen.

Zukunft

Wasserstoff geht auf Kurs

Flüssige oder gasförmige Kraftstoffe aus regenerativer Energie werden von der Politik derzeit als Ergänzung zur reinen Elektromobilität angestrebt. Der Anwendungsfokus sollte dabei auf dem Schienenverkehr, dem Straßenverkehr (Güter, Langstrecken) sowie der Binnenschifffahrt liegen. In San-Francisco beispielsweise wird noch in diesem Jahr eine wassersstoffbetriebene Fähre den Betrieb aufnehmen.

Wasserstoff kommt auf die Schiene

Auf dem Weg in eine umweltfreundliche Zukunft spielen innovative und intelligente Verkehrskonzepte eine bedeutende Rolle. In Nordrhein-Westfalen verkehren bereits Wasserstoffzüge auf der Strecke zwischen Bremerhaven und Bremervörde. Auch das Land Baden-Württemberg hat sich der nachhaltigen Mobilität verschrieben und unterstützt entsprechend Konzepte für Straße und Schiene. Anfang 2019 wurde beispielsweise der weltweit erste Brennstoffzellen-Triebzug für den Regionalverkehr im Schwarzwald auf Bergtauglichkeit getestet.

Wasserstoff – eine Option für den Luftverkehr

Auch für den Flugverkehr ist der Einsatz von Wasserstoff beziehungsweise von wasserstoffbasierten flüssigen Kraftstoffen eine Option, selbst wenn dies für Linienflüge anwendungstechnisch noch in weiter Ferne liegt. Eine Kooperation von Airbus, Siemens und Rolls Royce hat das Ziel formuliert, ein Hybridmotor-Flugzeug zu entwickeln. Heute schon gibt es Start-ups, u.a. in Kooperation mit BMW, die sich mit der Anwendung der Brennstoffzellentechnologie im Lufttaxi befassen.

Auch das Land Baden-Württemberg unterstützt Konzepte für Straße und Schiene.

Wasserstoff – eine Entscheidung »von oben«

Aus unserer Sicht kann der Einsatz von Wasserstoff – mit einer Druckstufe von 350 bar – als erstes in den Segmenten Schwerlastverkehr und Schienenverkehr (Züge) wirtschaftlich betrieben werden. In diesen Märken sind jedoch staatliche Eingriffe von großer Bedeutung. Nicht zuletzt ist der deutsche Staat Eigentümer der deutschen Bundesbahn.
Eine nationale oder europäische Wasserstoffstrategie sollte sich aufgrund unserer Erfahrung hieran orientieren und entsprechend Prioritäten setzen. Die Qualität der Wasserstoffstrategie hat direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit der Markteinführung, die volkswirtschaftlichen Kosten, die Akzeptanz sowie die Klimawirksamkeit. Ein wichtiges Signal auf dem Weg zur wirtschaftlichen Erzeugung von grünem Wasserstoff wäre die Abschaffung der EEG-Umlage für den Betrieb der Elektrolyseure.

H2ORIZON – ein großer Fortschritt für die Zukunft der Mobilität in unserer Region: Für die individuelle Fortbewegung genauso wie für den öffentlichen Nahverkehr.

Der »grüne Wasserstoff« des Projekts H2ORIZON unterstützt diese Technologie und wird vorwiegend als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge (PKW, Züge) eingesetzt. Damit leistet H2ORIZON einen wichtigen Beitrag für die Mobilitätsanwendungen sowie die Wasserstoff-Infrastruktur in Baden-Württemberg bzw. Süddeutschland.