Zusammenfassung

Strom ist ein etablierter Endenergieträger, der künftig noch weiter an Bedeutung gewinnen dürfte. Hingegen spielt Wasserstoff als Endenergieträger derzeit noch keine Rolle, obwohl aus Gründen des Klimaschutzes und der Versorgungssicherheit sein Einsatz immer wieder diskutiert wird.
Ziel der vorliegenden Studie ist es, für ausgewählte Anwendungen die Verwendung von Strom und Wasserstoff miteinander zu vergleichen. Es soll die Frage beantwortet werden, wo welcher der beiden Energieträger am sinnvollsten einzusetzen ist. Dies schließt auch den Vergleich zu den bisherigen konventionellen Lösungen ein. Die Analysen gelten für Deutschland und werden für die Jahre 2015 und 2030 durchgeführt.

Link zu Studie: http://www.isi.fraunhofer.de/isi-de/e/do...Strom-final.pdf

Auszüge aus der Studie:

...Die Beladungsinfrastruktur für BEV und PHEV ist am Anfang günstig auszubauen, solange private und halböffentliche Beladungen dominieren (siehe Kley et al. 2009). Bei Wasserstoff hingegen besteht die Herausforderung, zu Beginn in eine stark unterausgelastete kapitalintensive Infrastruktur (Wasserstofftransport und Wasserstofftankstellen)investieren zu müssen.

...Der Beitrag zur Senkung der CO2-Emissionen ist bei Wasserstoff und Stromanwendungen im PKW-Bereich insbesondere dann gegeben, wenn die Herstellung jeweils CO2-frei oder -arm (z. B. über erneuerbare Energieträger) erfolgt.

Reine Batteriefahrzeuge haben dabei die größten Vorteile, was in ihrer sehr hohen Gesamteffizienz (bis zu 70 % bei regenerativer Energienutzung, d. h. Faktor 3 gegenüber erdölbasierten Kraftstoffen) begründet liegt.


Während die konventionellen Verbrennungsmotorfahrzeuge in der Kompaktklasse auch im Jahre 2030 trotz unterstellter Effizienzverbesserungen unter Einschluss der Emissionen der Vorkette auf 110 bis 120 g CO2/km kommen, liegen sie bei BEV bei 60 g CO2/km bei Verwendung des Strommixes.

Dieser ist im Jahre 2030 deutlich CO2-ärmer als der heutige. Bei Verwendung von erneuerbarem Strom liegen die CO2/km bei 0, wenn die Emissionen beim Bau der Anlagen und der Fahrzeuge nicht berücksichtigt werden. Wenn Wasserstoff aus fossilen Energieträgern ohne CO2-Abscheidung hergestellt wird, können die CO2-Gesamtemissionen sogar über denen von konventionellen Fahrzeugen liegen.

Daher wird bei FCEV der Einsatz von (zumindest teilweise) erneuerbar hergestelltem Wasserstoff unerlässlich sein, wie am Beispiel Kalifornien vorgeführt (33 % regenerativ hergestellter Wasserstoff müssen nachgewiesen werden).

Werden die Emissionen bei der Fahrzeugherstellung mit eingerechnet, so erhöhen sich die CO2-Emissionen (und der Energieaufwand) sowohl bei den batteriegetriebenen als auch bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen um ca. 20 bis 40 % gegenüber denen mit konventionellem Antrieb.

Auf die Gesamtbilanz hat dies wegen der untergeordneten Rolle der Emissionen bei der Herstellung gegenüber den Emissionen in der Nutzungsphase (Verhältnis von 20 zu 80) keinen relevanten Einfluss. Nur bei Fahrzeugen mit geringer jährlicher Laufleistung macht sich dies spürbar bemerkbar.

...Allerdings ermöglicht die Elektromobilität (Elektromobilität) eine zum Teil doch recht deutliche Senkung von lokalen Emissionen wie Ozonvorläufersubstanzen, Feinstaub und Lärm. Dies ist unbedingt in eine gesamthafte ökologische Bewertung der Elektromobilität einzubeziehen.

Auch bei den elektrischen Lieferfahrzeugen, einem aufgrund seiner Marktgröße wichtigem Segment, liegt ein wesentlicher Vorteil in der Minderung der lokalen Emissionen, gerade in den innerstädtischen Ballungsgebieten. Hier trägt der Lieferverkehr heute deutlich zur lokalen Emissionsbelastung bei.

...Betrachtungszeitraum

Die Betrachtung erfolgt im Rahmen von zwei Zeithorizonten:

Um 2015 – Markteintritt der neuen Technik: Bezüglich der Wasserstoff- und Stromproduktion wird davon ausgegangen, dass diese auf dem heutigen Stand der Technik erfolgt. Die teilweise flächendeckende Versorgung mit Wasserstoff wird über Elektrolyseure und Erdgasreformer direkt an der Tankstelle sichergestellt, wobei angenommen wird, dass alle Anlagen kapazitiv ausgelastet sind. Ferner wird unterstellt, dass in 2015 die ersten, rund 20.000 strom- bzw. wasserstoffbasierten Fahrzeuge im Markt eingeführt sind.

Um 2030 – Eingeschwungener Zustand: Die neuen strom- und wasserstoffbasierten Techniken haben sich im Markt etabliert und für Wasserstoff existiert ein Versorgungsnetz.

Die Wasserstoffherstellung erfolgt zentral, wobei die Anlagen über eine CO2-Abscheidung (CCS) verfügen. Die CO2-Emissionen des deutschen Strommixes haben sich im Vergleich zu 2015 fast halbiert (von 427 g/kWhel auf 233 g/kWhel, wobei dies Werte aus der Leitstudie des BMU übernommen wurden sind [BMU 2009]). Bezogen auf die Anwendungen wird davon ausgegangen, dass sich diese in der kommerziellen Massenproduktion befinden. Auch bei den konventionellen Anwendungen werden für 2030 technologische Verbesserungen unterstellt.

Mit dieser Festlegung sollte sichergestellt werden, dass die untersuchten Konzepte in diesen wichtigen Entwicklungsphasen vergleichbar werden. Zum einen herrscht heute der Eindruck vor, dass die Batterietechnologie bereits im entsprechenden Fahrzeugeinsatz viel weiter entwickelt ist, zum anderen ist wichtig zu verstehen, welche langfristigen Entwicklungspotenziale für die unterschiedlichen Technologien bestehen.

...Die Ergebnisse zeigen, dass BEV bezüglich der THG-Emissionen eher niedrige Werte aufweisen und bezüglich der Energieeffizienz den anderen analysierten Fahrzeugen weit überlegen sind. Im Kleinwagensegment können BEV je nach Stromquelle (Deutschland-Strommix oder 100 % Windstrom) THG-Emissionen gegenüber Dieselfahrzeugen bei Markteintritt um 38 bis 100 % und langfristig um 56 bis 100 % reduzieren.

...Kurzfristig weisen die alternativen Antriebe noch deutliche Kostennachteile gegenüber den konventionellen Fahrzeugen aus, die sich aber langfristig deutlich reduzieren werden.

Den absolut größten Kostenanteil für alle Fahrzeugtypen tragen die Fahrzeug( kapital)kosten bei. Wegen der möglicherweise erforderlichen Stackwechsel während der Lebensdauer zeichnen sich bei Markteintritt FCEV im Mittelklasse PKWSegment durch hohe Kostenunsicherheiten, d. h. Mehrkosten von 53 bis 161 % gegenüber dem Diesel-Referenzfahrzeug aus. Langfristig sind sie jedoch sogar leicht positiv -7 % gegenüber dem Referenzfahrzeug oder bis zu 55 % höher im Vergleich zum Referenzfahrzeug. Dasselbe gilt für BEV im Kurzstrecken-Fahrzeugsegment: wegen möglicherweise erforderlicher Batteriewechsel mit Mehrkosten bei Markteintritt von 19 % bis 114 % und langfristig von nur -1 bis 33 %. Dabei wird unterstellt, dass aufgrund der technologischen Weiterentwicklung kein Batteriewechsel im Jahre 2030 mehr notwendig ist.

...Von den analysierten PKW befinden sich die reinen Batteriefahrzeuge (BEV) mit geringer Batteriekapazität (ca. 20 kWh) derzeit am nächsten an der Wirtschaftlichkeit. Dann folgen Plug-in-Hybride (PHEV) und später die Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV). Allerdings sind die PKW-Segmente, die von den einzelnen Antriebssystemen abgedeckt werden können unterschiedlich, worauf später noch eingegangen wird.

...Betankungsinfrastruktur

Aufgrund der Unterauslastung der H2-Versorgungsinfrastruktur bei kapitalintensiven Anlagen stellen gerade in der Einführungsphase die H2-Infrastrukturkosten eine Barriere für die Vermarktung von FCEV dar (siehe [Ball et al. 2009, HyWays 2007]). Somit besteht ein beachtliches Investitionsrisiko und ein Henne-Ei-Problem bei Wasserstoff.

Daher ist eine Unterstützung durch die öffentliche Hand beim Infrastrukturaufbau erforderlich.

Bei einer deutlichen Marktpenetration von FCEV wirken sich die H2- Infrastrukturkosten auf die Gesamtfahrkosten aber nur noch marginal aus.

Merkmal einer Ladeinfrastruktur für BEV und PHEV ist ein geringes anfängliches Investitionsrisiko für intelligente Ladestationen durch private oder halböffentliche Betankung (siehe [Wietschel et al. 2009, Kley et al. 2010]). Es ist allerdings noch genauer zu untersuchen, wie sich die Infrastrukturkosten für BEV/PHEV bzw. FCEV bei hoher Fahrzeugdichte aufgrund der unterschiedlichen Kostenverläufe mittel- und langfristig entwickeln werden.

Die Betankungsdauer von BEV ist heute deutlich länger (> 1/2 h) als die von Benzin-/Dieselfahrzeugen (< 3 Min.) oder FCEV (< 5 Min.) Positiv zu Buche schlägt schon heute, dass ein BEV auch zu Hause oder am Arbeitsplatz an jeder Steckdose während der Standzeiten betankt werden kann.

Anwendungsbereiche

Aufgrund ihrer Kostenstruktur, die durch hohe Anschaffungs- und niedrige Betriebskosten gekennzeichnet ist, eignen sich weder BEV noch PHEV und FCEV als reine Kurzstrecken-PKW mit niedriger jährlicher Laufleistung (siehe [Biere et al. 2009]). Erstnutzer bei BEV müssen eine beschränkte Reichweite akzeptieren. Zu den Erstnutzern gehören Vollzeitpendler mit Zweitwagen und einer Garage oder einem Stellplatz in kleinen und mittleren Städten, Nutzer neuer Mobilitätskonzepte (z. B. Car-Sharing, Carto-Go, Einbindung ÖPNV) und der Flottenverkehr. Allerding ist zu betonen, dass neben einer solchen Homo Oeconomicus-Betrachtung auch andere Faktoren wie Umweltvorteile die Kaufentscheidung beeinflussen.

Ökologie

Alle analysierten E-Fahrzeuge, besonders BEV und PHEV, können die WtW-Effizienz gegenüber den erdölbasierten Referenzfahrzeugen steigern. Dies verringert die Abhängigkeit von Energieimporten und erhöht die Versorgungssicherheit. Im Vergleich zu heutigen Referenzfahrzeugen können BEV und FCEV gleichermaßen zur Reduktion der THG-Emissionen beitragen, insbesondere bei Herstellung aus erneuerbaren oder CO2-armen Energien.

Auch PHEV haben ein CO2-Emissions-Senkungspotenzial, jedoch wegen der Emissionen aus den Fahrten mit dem Verbrennungsmotor nicht in derselben Größenordnung wie BEV und FCEV. Andere alternative Kraftstoffe wie Erdgas oder Biokraftstoffe für den Verbrennungsmotor werden hier nicht betrachtet, bieten aber das Potenzial, auch bei den PHEV noch Verbesserungen bezüglich der THG Bilanz zu erreichen. Auch kann über ein geändertes Verhältnis zwischen batteriegetriebenen Fahrten und Fahrten mit Verbrennungsmotor die Emissionen bei PHEV noch verringert werden.

Allerdings ist zu betonen, dass nur aus Gründen der THG-Emissionsminderung sich E-Fahrzeuge im Vergleich zu anderen Verbrauchssektoren wie der Wärmeversorgung in Gebäuden, die schnellere Wirtschaftlichkeit der Maßnahmen versprechen, kaum begründen lassen. Wenn aber die z.T. deutlichen Verminderungen an lokalen Emissionen wie Ozonvorläufersubstanzen, Photooxidantienbildner, Feinstaub und Lärm in die Betrachtung einbezogen wird, lässt sich die Elektromobilität auch ökologisch gut begründen.

Schlussfolgerungen zu weiteren Anwendungen

Weltweit gibt es bereits mehr als 100 Mio. Elektrofahrzeuge (Elektrofahrräder, Elektroroller, Inhouse-Gapelstapler,…), mit teilweise stark wachsenden Zuwachsraten gerade bei Elektrofahrrädern und Elektrorollern. Deshalb sollte die Diskussion um Elektromobilität nicht nur auf PKW fokussiert sein. Im Folgenden werden noch andere interessante Fahrzeugebereiche der Zukunft für die Elektromobilität betrachtet und auch die Hausenergieversorgung ergänzt.


Primärenergieeinsatz und Treibhausgasemissionen für Strom aus dem Strommix Deutschland frei Kraftwerke

Treibhausgasemissionen [g/kWhel]

______CO2__CH4 ____N2O

2008__527__0,011___0,015

2015__427__0,009___0,012

2030__233__0,007___0,007


Abkürzungsverzeichnis

BEV Battery electric vehicle (= batterieelektrisches Fahrzeug)

FC Fuel Cell (= Brennstoffzelle)FCEV Fuel Cell Electric Vehicle (= Brennstoffzellenfahrzeug)

H2 Wasserstoff (Hydrogen)

HEV Hybrid electric vehicle (= hybridelektrisches Fahrzeug)

ICE VerbrennungsmotorPHEV Plug-in hybrid vehicle (= über Netzladung nachladbares elektrisches Fahrzeug)

PKW Personenkraftwagen

THG Treibhausgas (-emissionen)TtW Tank-to-Wheel (= Tank-zu-Rad) Energiekette

WtT Well-to-Tank (= Quelle-zu-Tank) EnergieketteWtW Well-to-Wheel (Quelle-zu-Rad) Energiekette