Den Straßenverkehr vollständig auf treibhausgasneutrale Energieträger umzustellen, ist notwendig. Nur dadurch lassen sich die im Rahmen des Pariser Klimaschutzabkommens ausgemachten Ziele zur Reduktion von Treibhausgasen bis 2050 erreichen. Für den sogenannten motorisierten Individualverkehr (MIV) wird dazu ein konsequentes Umstellen auf Batterie- und Brennstoffzellen-Pkw diskutiert.
Synthetische und biologische Flüssigkraftstoffe für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren kommen allenfalls ergänzend hinzu. Dazu müssen neue Versorgungs- und Ladepunktpunktstrukturen für Batterie-Pkw beziehungsweise Betankungsinfrastrukturen für Brennstoffzellen-Pkw errichtet werden.
Experten der Ludwig-Bölkow-Stiftung und des Fraunhofer Instituts für Angewandte Systemtechnik haben dazu einmal nicht die vollständige Umstellung auf jeweils eine der beiden Fahrzeugtechnologien untersucht. Stattdessen gingen sie in der Studie „Analyse eines koordinierten Infrastrukturaufbaus zur Versorgung von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen in Deutschland“ (Download des Berichts am Ende des Beitrag oder hier) möglichen Rückwirkungen eines gemeinsamen Ausbaus beider Infrastrukturen auf Stromnetz sowie Betankungsstruktur je nach Bevölkerungs- beziehungsweise Besiedelungsdichte nach.
Aus Sicht der Experten kann das Klimaziel nicht mit rein batteriebetriebenen Fahrzeugen erreicht werden. Dazu berechneten sie in der Studie die Kosten für das Einführen beziehungsweise Ausbauen der Infrastruktur für 40 Millionen Nullemissions-Pkws in Deutschland bis zum Jahr 2050. Um eine Analyse der Schlüsselfaktoren durchführen zu können, die beim Aufbau der Infrastruktur für Batterie- und Brennstoffzellen-Autos zusammenwirken, entwickelten die Fachleute drei Szenarien mit unterschiedlichen Anteilen der beiden Fahrzeugtechnologien.
Szenarien mit nur Batterie- oder Brennstoffzellenfahrzeigen werden nicht betrachtet, da die meisten Experten von einer künftigen Mischung beider Fahrzeugtechnologien ausgehen. Denn ein einseitiger Fokus etwa nur auf Batterie-Pkws ist sehr umstritten. Darüber hinaus bauten die Forscher die Szenarien mehrdimensional auf, indem sie räumlich zwischen Ballungsraum, Kleinstadt, Umland sowie ländlichem Raum differenziert haben.
Die Zukunftsprojektionen verdeutlichen, dass sowohl in den großstädtischen Speckgürteln, in den Kleinstädten als auch im ländlichen Bereich mehr investiert werden muss. Dies ist einerseits darauf zurückzuführen, dass E-Mobilität für eine große Anzahl an Berufspendlern attraktiv sein dürfte. Andererseits sind die Netze in den städtischen Randgebieten und in den ländlichen Regionen schwächer ausgebaut, da die große Zahl von Betrieben mit hohem Tagesstromverbrauch fehlen.
Werden Handlungsoptionen mit unterschiedlichen Anteilen der beiden Fahrzeugtechnologien bewertet, zeigt sich, dass die Brennstoffzelle eine perfekte Ergänzung zur Batterietechnologie ist. Durch das parallele Aufbauen und Nutzen von Wasserstoff könnte der Hauptausbaubedarf des Stromverteilnetzes nach hinten verschoben und verringert werden.
Drei explorative Szenarien
Aktuell legt die deutsche Autoindustrie den Schwerpunkt darauf, batteriegetriebene Pkw zu entwickeln und einzuführen. Daher liegt hier der Schwerpunkt auf der Produktionskapazität und der Entwicklung von Technologien. Darüber hinaus wird die Technologie Brennstoffzelle weiterentwickelt, aber bereits deutlich weniger forciert.
Anders ist die Situation bei den ebenfalls international agierenden Autobauer Honda, Toyota und Hyundai. Diese bieten bereits Brennstoffzellen-Pkw in Serie an und arbeiten verstärkt an deren weiteren Entwicklung sowie den dazu erforderlichen Technologien.
Aus Sicht der Wissenschaftler werden zwar kurzfristig (einschließlich 2020) nur Batterie-Pkw in nennenswerter Stückzahl in Deutschland zugelassen sein. Langfristig (für den Zeitraum von 2040 bis 2050) gehen sie jedoch davon aus, dass Brennstoffzellen-Pkw in hohen Stückzahlen verfügbar beziehungsweise zugelassen werden. In drei Zukunftsszenarien haben die Experten Alternativen (siehe dazu auch Abb. 1) entwickelt:
- Szenario Fokus Batterieelektrischer Antrieb (Batterie Electric Vehicle, BEV): 80 Prozent der Nullemissions-Pkw haben einen batterieelektrischen Antrieb und lediglich 20 Prozent verfügen über eine Brennstoffzelle.
- Szenario Mix: 50 Prozent der Nullemissions-Fahrzeuge verfügen über einen batterieelektrischen Antrieb und 50 Prozent über eine Brennstoffzelle.
- Szenario Fokus Brennstoffzellen Pkw (Fuel Cell Electric Vehicle, FECV): 80 Prozent der Fahrzeuge verfügen über eine Brennstoffzelle und 20 Prozent über einen batterieelektrischen Antrieb.
Diese Anteile gelten ab dem Jahr 2040. Bis einschließlich 2020 wird von ausschließlich Batteriefahrzeugen ausgegangen, die in Deutschland aktuell in deutlich höherer Stückzahl als Brennstoffzellen-Pkw zugelassen sind. Im Zeitintervall von 2020 bis 2040 nähern sich die Anteile von Batterie- und Brennstoffzellen-Pkw linear an die Zielwerte der Szenarien an. Ziel der Szenariotechnik ist es, Ungewissheiten vorauszudenken, ohne die Zukunft vorhersagen zu wollen.
Ein Szenario ist dann „gut entwickelt“, wenn es einen Orientierungsprozess – etwa von Unternehmen – gezielt unterstützt und so zu einer besseren Entscheidung beiträgt. Ziel der drei Szenarien BEV, Mix und FCEV ist es, eine möglichst große Bandbreite theoretischer Zusammensetzungen abzudecken. Dagegen soll nicht die wahrscheinlichste oder kostengünstigste Situation betrachtet werden.
Der Zuwachs der Nullemissions-Pkws bis 2050 basiert in den drei Szenarien auf Annahmen in der „E-fuels“-Studie des Verbands der deutschen Automobilindustrie (VDA). Dazu werden die in der VDA-Studie angenommenen Fahrleistungen der Batterie- und Brennstoffzellen-Pkw addiert – und zwar technologieneutral.
Die sich daraus ergebende Zuwachskurve ist die Grundlage für die Gesamtzahl der Nullemissions-Pkws in den einzelnen Jahren bis 2040. Diese Gesamtzahl wird in den drei Szenarien wie erläutert aufgeteilt (siehe Abb. 2). Die Werte für den spezifischen Energieverbrauch für Batterie- und Brennstoffzellen-Pkws sind ebenfalls der VDA-E-fules-Studie entnommen (siehe Abb. 3).
Dabei handelt es sich nicht um Zahlen anlog dem Worldwide harmonised Light Vehicles Test Procedure (WLTP), sondern um Realwerte. Je nach Szenario liegt 2050 für die 40 Millionen Pkw der jährliche Energiebedarf zwischen 90 und 110 Terrawattstunden (TWh = eine Billion Wattstunden) pro Jahr.
Wasserstoffinfrastruktur für Brennstoffzellen-Pkw-Versorgung
Es ist für einen langfristigen Erfolg von mit einer Brennstoffzelle betriebenen Pkws extrem wichtig, dass H2-Tankstellen flächendeckend und mit ausreichendem Angebot an Wasserstoff errichtet werden. Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist es darüber hinaus erforderlich, dass eine gewisse Mindestgröße erreicht werden kann.
Brennstoffzellen-Busse und -Lkw sowie -Pkw können zum Betanken auf die gleiche H2-Versorgungsinfrastruktur zurückgreifen. Weiterhin ist es für den wirtschaftlichen Betrieb einer Tankstelle erforderlich, dass sie die erforderliche Mindestmenge von 1000 Kilogramm Wasserstoff pro Tag an die genannten Fahrzeugreihen zusammen abgibt. Mittel- bis langfristig steigt die pro Tankstelle abgegebene Wasserstoffmenge von heute unter 200 auf über 1000 Kilogramm/Tag.
Um eine flächendeckende sowie komfortable Wasserstoffversorgung zu gewährleisten, werden langfristig mindestens 2000 H2-Tankstellen benötigt. Selbst bei großer Durchdringung mit Brennstoffzellen-Pkws im Straßenverkehr wird diese Zahl somit signifikant unter dem aktuellen Wert für konventionelle Tankstellen von 14.000 bleiben. Bis 2050 sind je nach Szenario unterschiedliche Steigerungsraten zu erwarten (siehe Abb. 4):
- Szenario Fokus Batterieelektrischer Antrieb (BEV): 2000 Tankstellen mit einer täglichen Abgabemenge von 1400 Kilogramm
- Mix-Szenario: 4.500 Tankstellen mit einer täglichen Durchschnittsabgabe von 1700 Kilogramm
- Szenario Fokus Brennstoffzellen PKW (Fuel Cell Electric Vehicle, FECV): 6000 Tankstellen mit einer durchschnittlichen Abgabemenge von 2000 Kilogramm pro Tag.
Entsprechend der anteiligen Nachfrage an Wasserstoff entfallen zirka 65 Prozent der Betankungskapazitäten auf Brennstoffzellen-Pkws.
Optionen zur Versorgung von Wasserstofftankstellen
Es gibt verschiedene Optionen, Tankstellen mit Wasserstoff zu versorgen. Per Lkw kann Wasserstoff sowohl gasförmig als Druckwasserstoff (CGH2, compressed gas hydrogen) als auch flüssig (LH2, liquid hydrogen) angeliefert werden. Je nach physikalischem Zustand variiert die pro Lkw angelieferte Menge erheblich.
In gasförmigen Zustand bei geringem Druck sind wenige 100 Kilogramm pro Lkw anlieferbar. Dagegen steigt bei hohem Druck im gasförmigen Zustand die pro Lkw anlieferbare Menge auf 1000 Kilogramm pro Fahrzeug. Im flüssigen Aggregatzustand sind 3000 Kilogramm Wasserstoff pro Lkw mit einem einzigen Transport anlieferbar.
Wird dagegen die Tankstelle via Pipeline mit Wasserstoff versorgt, kann eine deutlich größere Menge kontinuierlich geliefert werden. Eine vierte Option ist das Erzeugen von Wasserstoff direkt durch die Tankstelle über Elektrolyse – die sogenannte Onsite-Elektrolyse.
Welche Versorgungsoption für eine Wasserstofftankstelle optimal ist, hängt vom Standort sowie den lokalen Gegebenheiten ab wie der Größe verfügbarer Flächen sowie den daraus resultierenden Investitionskosten und vorhandenem oder zu bauendem Anschluss an das Versorgungsnetz.
Im Stadium des Ausbaus des Wasserstofftankstellennetzes werden Technologien, die hohe Investitionsausgaben fordern, erst mittel- bis langfristig eingesetzt. Es sei denn, es gilt ein Demonstrationsprojekt zu bauen. Mit hohen Ausgaben für Investitionen sind Rohrleitungssysteme sowie Onsite-Elektrolyse verbunden.
Aufgrund der höheren Grundstückkosten sowie der geringeren Verfügbarkeit von Grundstücken werden in der Stadt tendenziell Wasserstofftankstellen errichtet, die mit Flüssigwasserstoff beliefert werden. Dagegen sind aufgrund eines erhöhten Flächenbedarfs Tankstellen mit Onsite-Elektrolyse eher auf dem Land und in den städtischen Randgebieten zu erwarten.
Tankstellen auf dem Land mit tendenziell geringerer Kapazität an täglicher Betankung durch Wasserstoff planen eher mit gasförmiger als flüssiger Belieferung. Dies ist auf die höheren Investitionskosten je Anhänger für flüssigem Wasserstoff von rund 800.000 Euro zurückzuführen.
Im Vergleich dazu sind Investitionskosten für Anhänger mit gasförmigem Wasserstoff mit 680.000 Euro anzusetzen, eine Summe, die bis 2050 aufgrund wachsender Stückzahlen auf 580.000 Euro sinken dürfte. Die Investitionsaufwendungen für eine Zugmaschine sind mit 110.000 Euro bei beiden Varianten gleich hoch.
Aktuell ist gasförmig im Lkw angelieferter Wasserstoff die dominierende Versorgungsoption. Dies wird mittelfristig so bleiben. Allerdings wird sich langfristig die Transportkapazität der Lkw-Anhänger erhöhen, da diese dann mit Hochdruckbehältern von mehr als 50 Megapascal und dadurch höherer Kapazität ausgestattet sein werden.
Flüssigwasserstoff wird mittel- und langfristig eine bedeutende Rolle bei der Verteilung im städtischen Raum spielen. Langfristig kann die Versorgung per Pipeline wichtiger werden. Bereits vorhandene Erdgas- in Wasserstoff-Pipelines umzuwandeln, kann die weiter reduzieren. Auf dem Land wird die Elektrolyse in unmittelbarer Nähe zur Tankstelle die vermutlich beste Option zur Versorgung sein.
Investitionsaufwendungen für Wasserstofftankstellen
Die Kosten einer Wasserstofftankstelle werden auf Basis von Angaben in der Literatur berechnet. Künftige Kostenreduktionen werden unter Zugrundelegung einer Lernrate von sechs Prozent integriert.
Für eine Tankstelle mit gasförmiger Versorgung dürfte ein Investitionsvolumen von drei Millionen Euro zu veranschlagen sein. Dabei ist es unerheblich, ob die Wasserstoffanlieferung mittels Lkw, Pipeline oder Onsite-Elektrolyse erfolgt. Bis zum Jahr 2050 wird sich danach das Investitionsvolumen auf etwa zwei Millionen Euro reduzieren.
Aufgrund der größeren Betankungskapazitäten je Transport-Lkw weist eine mit flüssigem Wasserstoff versorgte Tankstelle Investitionskosten von etwa zwei Millionen Euro auf. Bis 2050 können diese auf 1,4 Millionen Euro sinken.
Basierend auf einer täglicher Betankungskapazität von 1000 Kilogramm wird für alle drei Szenarien eine durchschnittliche Auslastung der Tankstellen von 50 Prozent in 2030 angenommen, die sich 2040 auf 65 und in 2050 auf 75 Prozent erhöht. Kompressor, Zapfsäulen und Vorkühler wurden mit zehn Jahren Abschreibungsdauer angenommen und Bauplanung sowie Wasserstoffspeicher mit 20 Jahren Abschreibungsdauer (siehe Abb. 5).
Ladepunktinfrastruktur zur Versorgung von E-Pkw
Der Bedarf für Ladepunkte zum Versorgen von Batterie-Pkw mit Strom wurde für die drei Szenarien auf Basis der Nationalen Plattform Elektromobilität „Fortschrittsbericht 2018 – Markthochlaufphase“ ermittelt. An öffentlichen Normalladestationen können täglich 16,5 Batterie-Pkw geladen werden, an öffentlichen Schnelllade-Stationen etwa die zehnfache Menge (siehe Abb. 6).
Die Zahl öffentlicher Ladepunkte liegt 2050 je nach Szenario zwischen zehn und 38 Millionen (siehe Abb. 7). Für öffentliche Ladepunkte liegt die Zahl etwa zwischen 0,5 und zwei Millionen für Wechselstrom sowie zwischen 0,05 und 0,2 Millionen für Gleichstromschnellladepunkte. Diese umfassen auch die Ladeinfrastruktur entlang der Bundesautobahnen.
Wird der heutige Autobahnverkehr und die an den Autobahntankstellen abgegebene Benzin- und Dieselmenge zugrunde gelegt, ergibt sich ein Bedarf von zirka 5900 Ladepunkten. Diese versorgen mit einer Schnellladekapazität von 350 Kilowatt je 3800 Batterie-Fahrzeuge – das sind insgesamt 22,5 Millionen.
Die Investitions- und Betriebskosten für Ladepunkte hängen vom Aufstellort, der privaten oder öffentlichen Nutzung, der jeweiligen Ladeleistung und der Spannungsart (Wechsel- oder Gleichstrom) sowie der Ausstattung hinsichtlich des Abrechnungssystems und der Kommunikationsschnittstelle ab. Jährliche Betriebskosten wie für die Bezahl- und Abrechnungsfunktion sowie Wartung oder Instandhaltung fallen vor allem für öffentliche Ladepunkte an.
Die Aufwendungen für öffentliche Ladepunkte belaufen sich bei Wechselstrom auf 7500 Euro. Werden sie wie angenommenen von 16 Fahrzeugen täglich genutzt, wären dies 450 Euro je Batterie-Fahrzeug. Bei öffentlichen Gleichstrom-Ladepunkten reduzieren sich aufgrund der kürzeren Ladedauer die Investitionskosten auf im Durchschnitt 350 Euro je Fahrzeug.
Für private Ladepunkte werden 1650 Euro angesetzt (siehe Abb. 8). Um diese angesetzten durchschnittlichen Investitionsaufwendungen für private Ladepunkte zu erreichen, muss bereits bei Planung oder Nachrüstung auf eine kosteneffiziente Errichtung der Ladepunkte geachtet werden.
Fazit
Die untersuchten Strukturen für das Versorgen von Batterie-Pkw lassen sich grundsätzlich in das bestehende Energiesystem integrieren. Um Nullemissionsfahrzeuge massenhaft nutzen zu können, ist ein reibungsloser, effizienter und zielgerichteter Ausbau der Infrastruktur zum Betanken für Batterie- und Brennstoffzellen-Pkw erforderlich. Die setzt eine möglichst hohe Planungssicherheit bei den Akteuren voraus.
In Deutschland existiert bisher keine koordinierte langfristige Entwicklungsstrategie bis 2050 für die Einführung der Batterie- oder Brennstoffmobilität. Da die Infrastruktur für Batterie- und Wasserstoffbetankung für Pkw aber integraler Bestandteil zum Versorgen aller Sektoren des Verkehrs ist, sollte ein konsolidierter nationaler Strategierahmen entwickelt werden.
Aufwendungen für das Einrichten privater Ladepunkte haben dabei entscheidenden Einfluss auf das ökonomische Gesamtergebnis. Deshalb sollten die Rahmenbedingungen für eine möglichst kosteneffiziente Installation realisiert werden.
Die Auswirkungen von Lade- und Betankungsinfrastruktur auf das Stromnetz bei einer steigenden Zahl von Batterie-Pkw sollte frühzeitig für die Regionen Stadt, städtisches Umland und Land ermittelt werden.
Bei einem fortschreitenden Koppeln der Energiesektoren Strom und Gas (zum Beispiel durch Wasserstofftankstellen) wird eine aufeinander abgestimmte Planung von lokaler Strom- und Gasverteilung erforderlich.
Bei der Auslieferung von Wasserstoff zu den Tankstellen ist es nicht erforderlich, die Infrastruktur komplett neu zu erreichten. Um Kosten zu senken, sollte auf die vorhandene Infrastruktur vor allem aus dem Erdgasverteilnetz zurückgegriffen werden. Bei stetig sinkendem Bedarf an fossilem Erdgas für den Wärmesektor könnten frei werdende Gasnetzkapazitäten für das Verteilen von Wasserstoff genutzt werden.
Unmittelbare Folge wäre, dass Wasserstoff kostengünstiger sowohl für den Verkehr als auch zur Nutzung im Wärme- und Industriesektor bereitgestellt werden könnte. Diese Skaleneffekte führen wiederum zu sinkenden Kosten bei der Versorgung der Brennstoffzellen-Pkw.
Die Integration der – in hohen Teilen schwankenden – Stromerzeugungskapazitäten in das deutsche Energiesystem erfordert in allen drei betrachteten Mobilitätsszenarien ein flexibles Erzeugen und großtechnisches Speichern von Wasserstoff. Um die dafür erforderlichen Technologien und Geschäftsmodelle zu entwickeln, sollten die Rahmenbedingungen rechtzeitig geschaffen werden.
Autorin
Ulrike Olma ist Diplomierter Sparkassenbetriebswirt und selbstständige Interimsmanagerin in Burgwedel.