Infrastruktur fĂŒr H2-Lkw im Fernverkehr

Bildtitel: Vergleich von Betankungsmengen und -dauern verschiedener H2-Kraftstoffe und Fahrzeugtypen
Autor: Jan Zerhusen, Mathias Böhm
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21. August 2023

Infrastruktur fĂŒr H2-Lkw im Fernverkehr

Aktueller Entwicklungsstand und Perspektiven

Im Klimaschutzgesetz von 2021 wurde fĂŒr den deutschen Verkehrsbereich das Ziel einer Reduzierung der Emissionen um 85 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent (Mt CO2 Ă€q) bis 2030 festgelegt. Dies entspricht ungefĂ€hr einer Halbierung der Emissionen in zehn Jahren. Etwa 35 Prozent der Emissionen im Verkehrssektor stammen von Nutzfahrzeugen, und wiederum mehr als die HĂ€lfte dieser Emissionen werden im Fernverkehr verursacht. Wasserstoff gilt als vielversprechender Treibstoff, um den CO2-Ausstoß bei Nutzfahrzeugen im Fernverkehr zu verringern. AusgewĂ€hlte Inhalte einer aktuellen Studie zum Entwicklungsstand und den Perspektiven der H2-Betankungsinfrastruktur fĂŒr Nutzfahrzeuge im Fernverkehr sind im Folgenden zusammengefasst.

Die derzeitigen Prototypen und Kleinflotten von Wasserstoff-Lkw verwenden meist die 350-bar-Druckspeichertechnologie. UrsprĂŒnglich wurde diese fĂŒr Busanwendungen im ÖPNV entwickelt und ist dadurch bereits erprobt und schnell verfĂŒgbar. Diese Speichertechnologie ermöglicht im vorhandenen Bauraum eine Reichweite von etwa 400 km, was fĂŒr viele Anwendungen (z. B. im Verteilverkehr) ausreichend ist.

FĂŒr den Lkw-Fernverkehr sind höhere Reichweiten von etwa 1.000 km gewĂŒnscht. Um diese im vorhandenen Bauraum zu ermöglichen, werden H2-Speichertechnologien mit erhöhter Energiedichte benötigt. Drei alternative H2-Kraftstoffoptionen werden aktuell diskutiert: 700-bar-Druckwasserstoff, tiefkalter FlĂŒssigwasserstoff (sLH2) und tiefkalter Druckwasserstoff (CcH2).

Unterschiedliche Hersteller wie Nikola Motor und Toyota erproben die 700-bar-Technologie bereits in Vorserienfahrzeugen. Es ist daher davon auszugehen, dass diese Technologie fĂŒr den Fernverkehr zur Anwendung kommen wird. Derzeit ist, u. a. aufgrund des frĂŒhen technischen Entwicklungsstadiums, noch nicht einschĂ€tzbar, ob sich eine der beiden anderen Speichertechnologien zusĂ€tzlich am Markt durchsetzen wird.

Hinsichtlich umsetzbarer Betankungsmengen und -geschwindigkeiten unterscheiden sich die drei H2-Kraftstoffoptionen kaum. Eine Betankung von 80 kg Wasserstoff fĂŒr eine Reichweite von 1.000 km kann jeweils innerhalb von 10 bis 15 Minuten durchgefĂŒhrt werden (s. Abb. 1). Allerdings handelt es sich bei den erzielbaren Betankungsgeschwindigkeiten beziehungsweise den Betankungsdauern um Erwartungswerte der Industrie, die zunĂ€chst im realen Betrieb bestĂ€tigt werden mĂŒssen.

Vor der MarkteinfĂŒhrung muss fĂŒr alle drei H2-Kraftstoffoptionen noch der internationale Normierungsprozess, sowohl fĂŒr den Betankungsprozess als auch fĂŒr die Betankungskupplungen, durchlaufen werden. Dadurch wird die InteroperabilitĂ€t zwischen Fahrzeugen und Tankstellen unterschiedlicher Hersteller und LĂ€nder gewĂ€hrleistet. Erste Normierungsprozesse im Rahmen der ISO wurden bereits gestartet.

H2 per Tanklaster, Pipeline oder Elektrolyse vor Ort

Die Versorgung einer Tankstelle mit Wasserstoff sowie einer Betankungsanlage selbst unterscheidet sich fĂŒr die drei H2-Kraftstoffoptionen deutlich (s. Abb. 2). Zur Bereitstellung von 700-bar-Druckwasserstoff kann der Kraftstoff gasförmig oder verflĂŒssigt an die Tankstelle geliefert werden. Liegt er gasförmig vor, erfolgt die Bereitstellung an das Fahrzeug mittels Hochdruckverdichter und Hochdruckspeicher, die mit DrĂŒcken von bis zu 1.000 bar betrieben werden. Die Betankung erfolgt durch Überströmen beziehungsweise durch die direkte Verdichtung in die Fahrzeugtanks durch Booster-Kompressoren.

Wird verflĂŒssigter Wasserstoff angeliefert, erfolgt die Druckerhöhung im verflĂŒssigten Zustand mittels Kryo-Pumpe. Anschließend wird der bereits verdichtete Wasserstoff verdampft und an das Fahrzeug abgegeben. Der elektrische Energiebedarf der Tankstelle ist fĂŒr den FlĂŒssigwasserstoffpfad deutlich geringer als fĂŒr die Verdichtung von gasförmigem Wasserstoff. Allerdings ist die vorgelagerte VerflĂŒssigung von Wasserstoff mit erhöhtem Energiebedarf verbunden.

Soll sLH2– oder CcH2-Kraftstoff angeboten werden, ist die Belieferung der Tankstelle mit FlĂŒssigwasserstoff die erste Wahl. Dieser kann aus dem SpeicherbehĂ€lter der Tankstelle mittels Transfer- oder Kryo-Pumpe direkt in das Fahrzeug getankt werden.

Die VerfĂŒgbarkeit von FlĂŒssigwasserstoff in Europa ist derzeit sehr eingeschrĂ€nkt. Europaweit bestehen drei Standorte mit VerflĂŒssigungskapazitĂ€ten, die jedoch bereits fĂŒr andere Anwendungen genutzt werden. Des Weiteren ist ihre KapazitĂ€t nicht ausreichend, um kĂŒnftige Lkw-Flotten mit Kraftstoff zu versorgen. Dies wird deutlich, wenn man die KapazitĂ€ten heutiger VerflĂŒssiger mit den erwarteten KapazitĂ€ten kĂŒnftiger H2-Tankstellen vergleicht.

Heutige H2-VerflĂŒssiger haben meist eine KapazitĂ€t von 5 bis 30 Tonnen pro Tag. Am einzigen VerflĂŒssigungsstandort in Deutschland, in Leuna, betrĂ€gt die KapazitĂ€t beispielsweise 2 x 5 t/Tag. Mittelfristig werden fĂŒr H2-Tankstellen je Standort KapazitĂ€ten von 1 bis 8 t/Tag erwartet. Unterschiedliche Studien gehen fĂŒr Deutschland von einer H2-Kraftstoffnachfrage in Höhe von 1,2 bis 1,8 Mt/a fĂŒr das Jahr 2045 aus, was grĂ¶ĂŸtenteils durch die Nachfrage aus dem Bereich des Lkw-Fernverkehrs getrieben wird.

Es ist klar erkennbar, dass dafĂŒr die KapazitĂ€t fĂŒr FlĂŒssigwasserstoff deutlich ausgebaut und gegebenenfalls durch den Import von FlĂŒssigwasserstoff ergĂ€nzt werden muss. Dies gilt auch dann, wenn ein Teil der H2-Kraftstoffnachfrage durch die Belieferung mit gasförmigem Wasserstoff gedeckt wird (z. B. zur Versorgung von Fahrzeugen mit 350- oder 700-bar-Speichertechnologie).

Abbildung 3 zeigt zwei unterschiedliche Layouts von Wasserstofftankstellen mit einer AbgabekapazitĂ€t von mehr als 2 t pro Tag. Je nachdem, ob der Wasserstoff gasförmig oder verflĂŒssigt angeliefert wird, unterscheiden sich die benötigten Hauptkomponenten. FĂŒr beide Konzepte sind GasfĂŒhrungskomponenten, Ventile, Sensoren und ein Prozessleitsystem erforderlich.

Sinkende H2-Kosten

Betrachtet man die kilometerbezogenen Kraftstoffkosten, entspricht ein Dieselpreis von 1,4 Euro/l (inkl. Steuern) einem H2-Kraftstoffpreis von etwa 5 Euro/kg. Die Metaauswertung vorliegender Studien ergibt einen RĂŒckgang der H2-Kraftstoffkosten von ĂŒber 10 Euro/kg heute auf einen Bereich von etwa 4 bis 6 Euro/kg (ohne Steuern). StudienabhĂ€ngig wird dieses Kostenniveau bis 2030 oder in den darauffolgenden Jahren erwartet. Die verfĂŒgbaren Kostendaten beziehen sich dabei fast ausschließlich auf 700-bar-Kraftstoff. Kostendaten zu sLH2 und CcH2 sind nur sehr eingeschrĂ€nkt verfĂŒgbar, deuten aber auf ein vergleichbares Kostenniveau hin.

Um diese Kostensenkungen zu erreichen, sind entlang der gesamten H2-Bereitstellungskette, von der H2-Erzeugung bis zur Betankungsanlage, Einspareffekte durch Massenfertigung und Skaleneffekte erforderlich. ZusĂ€tzlich muss die gesamte Bereitstellungsinfrastruktur gut ausgelastet und es mĂŒssen optimierte Versorgungs- und Logistikkonzepte eingesetzt werden. Um fĂŒr den Endanwender eine kilometerbezogene KostenparitĂ€t von Diesel und H2-Kraftstoff zu erreichen, mĂŒssen differenzierte Abgaben und/oder Steuern auf beide Kraftstoffe erhoben werden.

Die Energiesteuer fĂŒr Diesel betrĂ€gt derzeit 0,47 Euro/l. Hinzu kommt bis 2025 eine CO2-Abgabe von etwa 0,15 Euro/l. Mit diesen Abgaben ist perspektivisch eine kilometerbezogene KostenparitĂ€t erreichbar, solange die Steuerbefreiung von H2-Kraftstoff fĂŒr Brennstoffzellenfahrzeuge erhalten bleibt. Wird kĂŒnftig eine Steuer fĂŒr H2-Kraftstoff erhoben, mĂŒssten parallel die Abgaben fĂŒr Diesel erhöht werden, um KostenparitĂ€t der Kraftstoffe weiterhin zu ermöglichen.

Um Brennstoffzellennutzfahrzeuge im Fernverkehr zukĂŒnftig außerhalb von Förderprojekten zu etablieren, dĂŒrfen die Gesamttransportkosten maximal das Niveau fĂŒr konventionelle Lkw mit Dieselantrieb erreichen. Die in der Studie betrachteten Kraftstoffkosten sind dabei nur ein Element. Kostensenkungen bei den Fahrzeugen oder entsprechend gestaltete CO2-Abgaben bzw. emissionsabhĂ€ngige MautgebĂŒhren oder Energiesteuern könnten insgesamt eine KostenparitĂ€t ermöglichen.

Über die Studie

Die Studie entstand im Auftrag der e-mobil BW GmbH und wurde von der Plattform H2BW, die die AktivitĂ€ten im Bereich der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Baden-WĂŒrttemberg bĂŒndelt, herausgegeben. Autoren sind die Firma Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH und das Institut fĂŒr Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums fĂŒr Luft- und Raumfahrt. Im Rahmen dieser Studie wurden der aktuelle Entwicklungsstand und die Perspektiven der H2-Betankungsinfrastruktur fĂŒr Nutzfahrzeuge im Fernverkehr erarbeitet.

Autoren:
Jan Zerhusen, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, MĂŒnchen/Ottobrunn, Jan.Zerhusen@LBST.de

Mathias Böhm, DLR-Institut fĂŒr Fahrzeugkonzepte, Berlin, Mathias.Boehm@dlr.de

Quellenangabe: LBST/DLR

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