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Batterieelektrische Laster 50% effizienter als Wasserstoff-Lkws

Inside EVs 30.07.2022 Stefan Leichsenring

ICCT-Studie zu Brennstoffzellen-Lastern © InsideEVs Deutschland ICCT-Studie zu Brennstoffzellen-Lastern

Interessante ICCT-Studie erläutert Vor- und Nachteile der Brennstoffzellen-Technik

Während die Decarbonisierung des Pkw-Verkehrs auf gutem Wege ist, hinkt der Schwerlastverkehr noch hinterher. Aber sind auch hier batterieelektrische Fahrzeuge die Technologie der Wahl oder sollte man besser auf Brennstoffzellen setzen? Diese Frage beleuchtet nun eine neue Studie von Umweltforschern des International Council on Clean Transportation (ICCT).

Die 32-seitige Studie in englischer Sprache (PDF) analysiert die Anwendung von Brennstoffzellen in schweren Sattelzugmaschinen. Die Autoren liefern eine gut verständliche Einführung zur Technik der Stacks (insbesondere den Membranen und Bipolarplatten), der Wasserstoff-Speicher, der Gesamtfahrzeuge und mehr.

Mit 350 bar sind nur 370 km Reichweite möglich 

So erfahren wir, dass wegen der Vorschriften für die Länge der Zugmaschine hinter der Kabine nur Platz für etwa 2.000 Liter gasförmigen Wasserstoff ist. Mit 350-bar-Tanks ergeben sich damit Reichweiten von nur 370 km – viel weniger, als wir dachten:

Mit 700 bar sind immerhin schon 600 km möglich. Das Auftanken eines entsprechend großen 700-bar-Tanks würde etwa 30 bis 50 Minuten dauern, so die Studie – das Tanken dürfte also in der Pause des Fahrers möglich sein.

Noch größere Distanzen ohne Auftanken wären mit Flüssigwasserstoff drin. Allerdings wird Wasserstoff erst bei minus 253 Grad flüssig (weswegen er auch als kryogener Wasserstoff bezeichnet wird). Die Technik zur Speicherung und zum Tanken von Flüssigwasserstoff ist noch nicht sehr weit entwickelt, so die Studie. Das gleiche gilt für kryo-komprimierten Wasserstoff, der z.B. bei 300 bar und -200 Grad transportiert wird. Diese Technik soll noch größere Reichweiten bringen. 

9 Kilo Wasserstoff pro 100 km

Interessant sind auch die Erkenntnisse zum Thema Verbrauch: Simulationen haben ergeben, dass eine Zugmaschine mit heutiger Brennstoffzellen-Technik mindestens 45 Kilo Wasserstoff für 500 Kilometer braucht, also 9 Kilo pro 100 km. Mit Leichtbau, verbessertem Antrieb und höherem Wirkungsgrad der Brennstoffzellen könnten in Zukunft etwa 6,6 Kilo/100 km erreicht werden, so die Studie.

Am effizientesten arbeitet der Stack bei geringer Auslastung (etwa 17 Prozent der Maximalleistung). Das heißt, ein großer Stack wäre effizienter. Andererseits führt ein größerer Stack zu höheren Anschaffungskosten für den Laster. In der Praxis, so die Studie, liegt die Energieeffizienz des Stacks nur bei durchschnittlich 45 Prozent. 

Der Wasserstoffverbrauch von Lkw ist zudem stark von dem Gewicht der Fuhre abhängig: Voll beladen, kann der Verbrauch des Gespanns auch um 20 Prozent höher sein als bei durchschnittlicher Beladung. Die Außentemperatur hat dagegen nur einen minimalen Einfluss (im Bereich von 2 bis 4 Prozent) auf den Verbrauch.

Effizienz: Bei BEV-Lastern am höchsten 

Die Studie führt auch einen Effizienz-Vergleich zwischen Diesel-, Brennstoffzellen- und batterieelektrischem Antrieb durch. Dabei geht man davon aus, dass ein Kilo Wasserstoff einen Energieinhalt von 33 kWh hat, ein Kilo Diesel liegt bei 10 kWh. Nun kann man den Energieverbrauch in kWh/km berechnen. Die Ergebnisse sind in folgender Grafik wiedergegeben – links für den Fernverkehr, rechts für den regionalen Verteilerverkehr:

ZugmachinenEffizienzvergleich von BEV-, FCEV- und Diesel-Antrieb © Bereitgestellt von Inside EVs ZugmachinenEffizienzvergleich von BEV-, FCEV- und Diesel-Antrieb
Batterieelektrische Trucks (BET), Brennstoffzellen-Trucks (FCET) und Diesel-Laster im Effizienzvergleich

Batterieelektrische Trucks sind demnach deutlich effizienter als Diesel- und Brennstoffzellen-Laster. Der Grund ist die geringe Effizienz des Verbrenners bzw. des Stacks. Beide erreichen höchstens 60 Prozent Wirkungsgrad, in der Praxis sind es durchschnittlich nur 45 Prozent.

Im Fernverkehr verbraucht eine batterieelektrisch angetriebene Zugmaschine nur 50 Prozent der Energie, die ein FCEV-Laster benötigt. Diese Zahlen gelten auf der Tank-to-Wheel-Ebene. Bei Wasserstoff ist also der Energiebedarf für die Herstellung des Wasserstoffs (idealerweise mit Hilfe von grünem Strom) nicht eingeschlossen.

Nutzlast sinkt – wegen weiter hinten liegender Kupplung

Für Fuhrunternehmer ist die Nutzlast ein sehr wichtiges Kriterium. Durch wenige Kilo Wasserstoff wird diese kaum geschmälert, wohl aber durch die Geometrie eines Sattelzugs. Das Prinzip zeigt unser Titelbild: Wenn hinter der Kabine Wasserstofftanks platziert werden, muss die Sattelkupplung (im Jargon wegen ihrer runden Form auch fünftes Rad genannt) weiter nach hinten rutschen. Das führt dazu, dass das Gewicht des Aufliegers stärker auf der Antriebsachse lastet, also der zweiten Achse von vorne. Die Folge: Die Nutzlast sinkt. 

Bei BEV-Zugmaschinen sinkt die Nutzlast gegenüber dem Dieselantrieb auch, aber hier sind die schweren Batterien schuld. Was ist nun gravierender? Das hängt stark von der Streckenlänge ab. Bei mittleren Strecken (500 km) ist der Unterschied zum Diesel-Laster noch gering, hier verringert sich die Nutzlast beim BEV um 13 Prozent, beim Wasserstoff-Laster um 10 Prozent. 

ICCT-Studie zu FCEV-Zugmaschinen: Verringerte Nutzlastgegenüber Diesel-Lastern bei BEVs und FCEVs © InsideEVs Deutschland ICCT-Studie zu FCEV-Zugmaschinen: Verringerte Nutzlastgegenüber Diesel-Lastern bei BEVs und FCEVs

Krass wird der Unterschied, wenn man Langstrecken betrachtet. Ein BEV-Laster für 1.000 km bräuchte eine 1.884-kWh-Batterie. Das würde die Nutzlast um 40 Prozent gegenüber Diesel verringern, während die Nutzlast bei Wasserstoff nur um 10 Prozent geringer ist.

Besonders auf der Langdistanz sind Brennstoffzellen-Zugmaschinen derzeit also noch im Vorteil gegenüber BEV-Lösungen. Dieser Nachteil der BEV-Laster soll sich laut Studie jedoch bis 2030 deutlich verringern, wie im unteren Teil der obigen Grafik zu sehen. Möglich machen sollen das Fortschritte bei der Technik. Bis 2030 ist ja auch noch etwas Zeit; recht viel früher ist wohl im Schwerlastverkehr weder mit dem Einsatz von Brennstoffzellen-Lastern noch von BEV-Lastern zu rechnen.  

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Source: ICCT

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