Technologieklarheit richtig gedacht: Sinnhaftigkeit einer komplementären Batterie- und Wasserstoffzukunft für die schnelle und nachhaltige Dekarbonisierung des Verkehrs in Deutschland. Gesamtemissionen verschiedener Antriebstechnologien aus Herstellung und Betrieb im Vergleich.
Grasbrunn, 17. März 2021. Die Hynergy GmbH hat in einer aktuellen Berechnung die real anfallenden Emissionen aus Herstellung und Betrieb für verschiedene Antriebstechnologien in verschiedenen Fahrzeugtypen und Antriebsvarianten verglichen. Hierbei wurde auf anerkannten Studien und eigenen Berechnungen aufgebaut.
Das Fazit: Wasserstoff Brennstoffzellenfahrzeuge mit grünem Wasserstoff als Kraftstoff stellen auf absehbare Zeit die Fahrzeugoption mit dem größtmöglichen CO2-Reduzierungspotenzial pro Fahrzeug in allen wichtigen Fahrzeugklassen dar.
Um das Dekarbonisierungspotenzial eines Brennstoffzellen-Regionalbusses mit grünem Wasserstoff als Kraftstoff zu erreichen, bräuchte es in 2021 4 Batteriebusse mit ähnlicher Reichweite. Bei Langstrecken-tauglichen Lkw wären mehr als 5 Batterie-Lkw pro Brennstoffzellen Lkw nötig, um dasselbe Dekarbonisierungsniveau zu erreichen. Und auch bei Pkw schlägt das Pendel klar pro Brennstoffzellenauto aus. Das ergeben Berechnungen, wenn mit Batteriefahrzeugen ähnlicher Reichweite und Speichern mit 60 kWh und mehr verglichen wird.
Die Stromversorgung in Deutschland ist maßgeblich für die Nachhaltigkeit batterieelektrischer Mobilität.
Der deutsche Strommix verursachte im Jahr 2020 etwa 400g CO2/kWh. Für das Jahr 2030 wird eine CO2-Belastung des deutschen Netzes von unter 300g CO2/kWh vorhergesagt. Ein batterieelektrisches Fahrzeug mit einem Energieverbrauch von ca. 18 kWh/100 km bewegt sich in Deutschland somit mit einem CO2-Ausstoß vergleichbar zu einem konventionellen Fahrzeug mit 2,2 Liter Diesel bzw. 2,5 Liter Benzin auf 100 km.
Der vollständige Umstieg auf batterieelektrische Mobilität würde den Strombedarf in Deutschland nahezu verdoppeln, die installierte Leistung vervielfachen.
Sollten alle in Deutschland gemeldeten Pkw (12/2019: 47,17 Mio.), leichte Lkw (12/2019: 2,744 Mio.), schwere Lkw (12/2019: 0,531 Mio.), Sattelzüge (12/2019: 0,219 Mio.) und Busse (12/2019: 0,084 Mio.) auf Batterieantrieb umgestellt werden, müssten für die Herstellung ihrer Batterien und ihren Betrieb 400 – 500 TWh Strom pro Jahr bereitgestellt werden. Das deutsche Stromsystem müsste dafür seine Energieerzeugungskapazität von heute nahezu verdoppeln. Wegen der durch Sonnen- und Windstrom stärker werdenden Fluktuationen in den Netzen geht eine Steigerung der grünen Energieerzeugung mit einer erheblichen Überdimensionierung der installierten Stromerzeugungsleistung einher. Studien des Fraunhofer ISE [1] legen nahe, dass eine Versechsfachung der installierten grünen Stromerzeugungsleistung notwendig würde, um ein gänzlich emissionsfreies Stromsystem in Deutschland zu erreichen. Die signifikante Überdimensionierung der installierten Stromerzeugungsleistung, vornehmlich Windkraft und Photovoltaik, führt zu signifikanten kurzfristigen, mittelfristigen und saisonalen Stromüberschüssen. Für die Pufferung ist faktisch grüner Wasserstoff als Speicher mit ausreichender Leistungsaufnahme- und Speicherkapazität erforderlich. Batterien sind für lange Speicherdauern und hohe Energiemengen keine sinnvolle Alternative.
Der vermeintliche Wirkungsgradvorteil des Batterieautos existiert bestenfalls regional in einem überdimensionierten erneuerbaren Energiesystem.
Richtig ist, dass bei direkter Grünstromnutzung in einem Batteriefahrzeug ein erheblicher Wirkungsgradvorteil in der Gesamtkette von Stromerzeugung und Nutzung besteht, da ein Batteriefahrzeug einen Wirkungsgrad von 75 – 85% aufweist und die Energieverluste der Strombereitstellung durch den Transfer in Mittel- und Hochspannungsleitungen und das Laden in die Fahrzeugbatterie klein bleiben. Dies gilt aber nur, solange der im erneuerbaren Stromsystem hergestellte grüne Strom gleichzeitig ohne Zwischenspeicherung in ein Batteriefahrzeug geladen werden kann. Wegen der erheblichen Fluktuationen von Windkraft und Solarenergie würde dies bedeuten, dass insbesondere in sonnenreichen und windarmen Regionen wie dem Süden Deutschlands nur tagsüber und vorrangig im Sommer gleichzeitig geladen werden könnte. Zur Auflösung des Problems der Gleichzeitigkeit müsste der Strom zwischengespeichert werden. Dies würde den Wirkungsgradvorteil schmälern, wenn eine weitere Batterie als Zwischenspeicher dient. In letzter Konsequenz könnte der Vorteil ganz eliminiert und ins Gegenteil verkehrt werden, sofern grüner Wasserstoff hergestellt werden müsste, da Batterien für große Energiespeicherkapazitäten nicht wirtschaftlich sind.
Die schnellste und nachhaltigste Dekarbonisierung des Verkehrs in Deutschland wäre durch grünen Wasserstoff und Brennstoffzellenfahrzeuge erreichbar.
Für die Herstellung von Brennstoffzellenantrieben wird weniger Energie benötigt als für die Herstellung von Batterieantrieben ab etwa 50 kWh Batteriekapazität. Dies hat die Studie „Treibhausgasemissionen für Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge mit Reichweiten über 300 km“ des Fraunhofer ISE bereits im Jahr 2019 [2] belegt. Der Betrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen ist dabei ein „Game Changer“. Zur Grundlastversorgung mit grünem Strom muss das erneuerbare Energiesystem in Deutschland erheblich überdimensioniert werden. Durch den Einsatz von grünem Wasserstoff aus diesem erneuerbaren Überschussstrom können Emissionen deshalb nur noch aus der Auslieferung des grünen Wasserstoffs im Lkw und den Aufwänden für die Kompression und Vorkühlung an der Tankstelle entstehen. Das heißt: Der CO2-Fußabdruck eines Brennstoffzellen-Lkw mit grünem Wasserstoff sinkt um mehr als 85%, der eines Brennstoffzellen-Regionalbusses um 80% und der eines Brennstoffzellen-Pkw um 75% gegenüber Ihren Pendants mit Diesel- oder Benzin.
Batteriefahrzeuge können das Emissionsniveau von Brennstoffzellenfahrzeugen mit grünem Wasserstoff auf absehbare Zeit nicht erreichen.
Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen weniger Energie in der Herstellung als Batteriefahrzeuge mit hohen Batteriekapazitäten. Grüner Wasserstoff kann mit sehr geringen Emissionen erzeugt, verteilt und vertankt werden. Daraus ergeben sich für Brennstoffzellenfahrzeuge mit grünem Wasserstoff erheblich niedrigere CO2-Fußabdrücke als für Batteriefahrzeuge, die auch nach mehreren hunderttausend Kilometern Fahrleistung Bestand haben. Dies beruht darauf, dass Batteriefahrzeuge heute üblicherweise am (deutschen) Netz mit einer CO2-Belastung von 400g CO2/kWh im DE-Mix beladen werden. In Regionen mit einseitigem erneuerbaren Strommix (z.B. in Regionen mit sehr viel Solarstromerzeugung aber wenig Windstromerzeugung) kann es beim Laden am Netz in ungünstigen Zeiten (z.B. sonnenarmen Zeiten, nachts, im Winter) sogar zu höheren CO2-Belastungen als im DE-Mix kommen. Das Laden mit „Grünstrom“ ist nur dann möglich, wenn eine Gleichzeitigkeit besteht zwischen der Erzeugung von grünem Strom und dem Ladevorgang mit grünem Strom, oder ein geeigneter Pufferspeicher in ausreichender Kapazität verfügbar ist. Nur dann kann der Strom aus einer erneuerbaren Stromquelle bereitgestellt und ein konventionelles Kraftwerk gedrosselt werden. Der Einsatz eines stationären Batteriespeichers als Puffer für den erneuerbaren Strom würde mit Energieverlusten und zusätzlichem CO2-Fußabdruck einhergehen und wäre zudem beschränkt auf sehr kurze Speicherzeiten. Bisher kann daher nur für einen kleinen Teil der Batteriefahrzeuge sichergestellt werden, dass sie direkt mit Grünstrom, z.B. mit PV-Strom aus einer PV-Anlage beladen werden. Folglich wird das Gros der Batteriefahrzeuge mit Netzstrom und damit zu einem bekannten Teil aus nicht-erneuerbaren Quellen geladen.
Der schnelle und nachhaltige Weg der Dekarbonisierung von Strom und Verkehr ist ein komplementärer Ansatz.
Um eine schnellstmögliche Dekarbonisierung des Verkehrs in Deutschland zu garantieren, sollte ein Mix aus Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen mit grünem Wasserstoff eingesetzt werden. Wasserstoff sollte bevorzugt in größeren Fahrzeugen mit hohem Energiebedarf (Lkw, Busse, Langstrecken-Pkw) Einsatz finden. Batteriefahrzeuge sind besonders nachhaltig in kleinen und leichten Fahrzeugen mit geringen Batteriekapazitäten und geringem Stromverbrauch.
Grüner Wasserstoff ist nicht der „Champagner der Energiewende“, sondern „Garant einer erfolgreichen Verkehrswende“.
Oft wird kolportiert, dass grüner Wasserstoff für den Einsatz als Kraftstoff im Straßenfahrzeug zu kostbar sei, vielmehr in der Industrie, im Luft- und Schiffsverkehr eingesetzt werden sollte. Diese Bewertung hält einer genaueren Analyse nicht stand,
- weil der Einsatz von grünem Wasserstoff in der Industrie (z.B. Stahl und Chemie) günstigen grauen Wasserstoff im Kostenbereich zwischen 1 und 2 €/kg ersetzen müsste. Bis grüner Wasserstoff diesen Preis erreichen kann sind noch erhebliche Kostensenkungen in der Erzeugungstechnik (Elektrolyseurtechnologie) erforderlich. Zudem dürfte ausreichend günstiger Strom weniger in Deutschland, als vielmehr in anderen Ländern mit günstigeren erneuerbaren Energiequellen verfügbar sein. Es müsste also erst ein Importsystem für grünen Wasserstoff (Pipelines, Flüssigwasserstoffschiffe) oder die Erzeugung von synthetischen Kraftstoffkreisläufen aufgebaut werden, was kurzfristig nicht zu erwarten ist.
- weil grüner Wasserstoff schon bei Preisen von 5-7 €/kg wettbewerbsfähig zu Benzin und Diesel in Straßenfahrzeugen wird. Deshalb sollte dieser schon aus betriebswirtschaftlicher Sicht hier zuerst eingesetzt werden.
- weil Wasserstoff als Pufferspeicher in einem wachsenden erneuerbaren Stromsystem in Deutschland dezentral erzeugt werden wird und eine Weiterbeförderung zu zentralen Umsetzungsstätten der Industrie nicht wirtschaftlich bewerkstelligt werden kann.
Grüner Wasserstoff wird langfristig in Deutschland in erheblich höheren Energiemengen verfügbar sein als grüner Strom.
Grüner Strom ist über Stromleitungen nur schwer über lange Distanzen zu transportieren. Stromtrassen sind in Deutschland zudem gesellschaftlich wenig akzeptiert, wodurch bereits jetzt erhebliche Verzögerungen im Ausbau des Netzes zwischen Nord- und Süddeutschland drohen. Bei Entfernungen von 1000 km und mehr erlauben Wasserstoff Pipelines den Import grüner Energie langfristig zu günstigeren Kosten. Bei Entfernungen von mehr als 3000 km wird der Transport per Schiff die einzige sinnvolle Transportoption. Die aktuelle Studie „Hydrogen Insights 2021“ von McKinsey und dem Hydrogen Council [3] belegt, dass grüner Wasserstoff bereits im Jahr 2030 zu Preisen zwischen 2 €/kg und 4 €/kg in großen Mengen importierbar sein wird, ähnlich wie heute Gas und Öl. Bei Preisen von unter 5 €/kg für Kunden an der Tankstelle ließen sich Lkw mit 40 ct/km Kraftstoffkosten betreiben und Pkw mit 5 €/100 km.
Fazit.
Grüner Wasserstoff wird bereits in wenig Jahren in ausreichenden Mengen für den Start des Hochlaufs von Brennstoffzellenfahrzeugen aus deutscher Herstellung verfügbar sein. Ein erstes Projekt zur Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Bayern inklusive Verteilung und Nutzung als Kraftstoff für Busse, Lkw und Pkw wird aktuell bereits von der Hy2B Wasserstoff GmbH in der Modellregion HyBayern umgesetzt. Mittelfristig wird grüner Wasserstoff als Energieträger für erneuerbare Energie in nahezu unbegrenzten Mengen zu niedrigen Kosten aus Ländern mit günstiger Sonnen- und Windenergie importiert werden können.
Grüner Wasserstoff ist der universelle Ersatz für Öl und Gas. Als Energieträger, aus Wasser hergestellt und der Natur entliehen wird er bei der Umsetzung in Brennstoffzelle, Gasturbine oder Kolbenmaschine als Wasserdampf der Atmosphäre wieder zurückgegeben. Die Einführung von Wasserstoff wird sich sinnvollerweise an betriebswirtschaftlichen Überlegungen orientieren und deshalb zuerst im Verkehr eingesetzt, wo sein Wert am höchsten ist. Mit sinkenden Kosten und günstigeren Preisen in der grünen Wasserstoffherstellung, -verteilung und -rückwandlung in Strom und Wärme wird er auch andere Sektoren wie die Industrie, den Strommarkt und den Wärmemarkt erobern.
Hynergy GmbH – Green Hydrogen Engineering.
Die Hynergy GmbH ist ein auf grüne Wasserstoffanwendungen und -technologien spezialisiertes Ingenieurbüro aus Grasbrunn bei München. Ziel der Hynergy und ihrer Partnerunternehmen Cryomotive GmbH und HY2B Wasserstoff GmbH ist es, erneuerbare Technologiekonzepte und grüne, emissionsfreie Mobilität zu verbinden.
Die Hy2B Wasserstoff GmbH – Grüner Wasserstoff aus Bayern.
Die Hy2B, im Hynergy-Verbund eine Schwesterfirma der Cryomotive GmbH, investiert und betreibt ab 2022 einen ersten Elektrolyseur in Niederbayern, eine Flotte von Wasserstofftrailern zur Verteilung des grünen Wasserstoffs sowie eine Wasserstoff-Tankstelle für Nutzfahrzeuge.
Ansprechpartner für Medienanfragen
Hynergy GmbH
Manfred Poschenrieder
Presse & Öffentlichkeitsarbeit
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E-Mail: poschenrieder@hynergy.de
Emissionen aus Herstellung und Betrieb von Pkw-Antrieben im Vergleich:
Emissionen aus Herstellung und Betrieb von Regionalbus-Antrieben im Vergleich:
Emissionen aus Herstellung und Betrieb von Langstrecken Lkw-Antrieben im Vergleich:
Berechnungsgrundlagen und Quellen
Referenzen:
[1] Energy-Charts.de, „Installierte Leistung fluktuierender Erneuerbarer Energien (fEE) zur Stromerzeugung“, 2021
[2] Fraunhofer ISE, „Treibhausgasemissionen für Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge mit Reichweiten über 300 km“, 2019
[3] McKinsey & Company und Hydrogen Council, „Hydrogen Insights 2021”, 2021