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Brennstoffzellen- undBatteriefahrzeuge

VDI/VDE-StudieMai 2019

Bedeutung für die Elektromobilität

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Vorwort

Die Elektromobilität stellt zweifelsohne einen wichti-gen Beitrag zum Klimaschutz und zur Nutzung erneu-erbarer Energien im Verkehrssektor dar. Die derzeit inPolitik, Medien und Öffentlichkeit geführte Diskussi-on zur zukünftigen Elektromobilität lässt jedoch ausSicht der VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt(VDI-GEU) und der VDI-Gesellschaft Fahrzeugtech-nik (VDI-FVT) sowie der Energietechnischen Gesell-schaft im VDE (VDE/ETG) eine Ausgewogenheit inBezug auf die Eigenschaften der einzelnen Systemevermissen. Der Schwerpunkt der Diskussion kon-zentriert sich vorrangig auf Anwendungen von Batte-riefahrzeugen.

Aktuell unterstützt die Bundesregierung die Elektro-mobilität mit Kaufprämien und dem Aufbau einerLadeinfrastruktur. So sollen gemäß Koalitionsvertragbis 2020 mindestens 100.000 Ladepunkte für Elektro-fahrzeuge zusätzlich verfügbar gemacht und die Er-richtung von privaten Ladesäulen gefördert werden.In Bezug auf Wasserstoff und Brennstoffzellen siehtder Koalitionsvertrag derzeit nur eine Förderung derSektorenkopplung sowie eine Anpassung des regula-tiven Rahmens zur Einführung von „grünem Wasser-stoff“ vor.

Es ist die Auffassung von VDI-GEU, VDI-FVT undVDE/ETG, dass die brennstoffzellenbasierte Elektro-mobilität ebenfalls einen wichtigen Beitrag zur Redu-zierung der Emissionen von Treibhausgasen leistenkann. Dies ist auch die Einschätzung der Bahnbetrei-ber und neben Kostenaspekten ein gewichtiger Grundfür deren Entscheidung, neben Batteriezügen auch inBrennstoffzellenzüge zu investieren.

Eine sachgerechte Diskussion erfordert zudem dieBerücksichtigung aller Einflussgrößen. Neben denspeziellen Nutzerinteressen, insbesondere der Wirt-schaft mit ihren speziellen Anforderungen und derStärkung des Standorts Deutschland, zählen hierzuauch Aussagen zu den systemtechnischen Aspekten.Gleichfalls sind die verfügbaren Rohstoffe zu bewer-ten sowie die ökologischen Konsequenzen zu berück-sichtigen. In diesem Zusammenhang ist auch dertechnische und wirtschaftliche Aufwand für Herstel-lung und Betrieb der neuen Infrastrukturen zu thema-tisieren.

VDI-GEU, VDI-FVT und VDE/ETG haben im Rah-men einer interdisziplinären Arbeitsgruppe aus Hoch-schulen, Forschungseinrichtungen und Industrie ver-sucht, den derzeitigen Entwicklungstand von Brenn-stoffzellenfahrzeugen (FCEV) und batterie-elektrischen Fahrzeugen (BEV) darzustellen. DurchEinbindung von vielfältigem Sachverstand sollenrelevante technische, ökologische und ökonomischeAspekte beider Technologien angemessen bewertetwerden.

Die Analysen konzentrieren sich vorrangig auf denPkw-Bereich; der Lkw-Sektor bleibt trotz seiner ener-gie- und klimapolitischen Relevanz ausgespart genau-so wie andere Optionen, z. B. synthetische Kraftstof-fe.

Ziel dieser Studie ist ein möglichst objektiver Ver-gleich der Vor- und Nachteile, um Vertretern ausPolitik, Medien und interessierter Öffentlichkeit dieMöglichkeit zu geben, sich ausgewogen zu informie-ren.

Düsseldorf im Mai 2019

Dipl.-Ing. Martin PokojskiVorsitzender des VDI/VDE-Fachausschusses„Wasserstoff und Brennstoffzellen“

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Autoren

An dieser Studie haben folgende Personen aus den Arbeitskreisen der VDI-GEU und VDI-FVT sowie der VDE/ETGmitgearbeitet:

Frank Belmer, Shell New Energies, Hydrogen Operations Coordinator Europe, Hamburg

Dr.-Ing. Boris Bensmann, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektrische Energiesysteme(IfES)

Torsten Brandt, Siemens AG, Process Industries and Drives Division, Erlangen

Dr. Carsten Cremers, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal

Monika Derflinger, Ford Research & Innovation Center Aachen, Aachen

Prof. Richard Hanke-Rauschenbach, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektrische Ener-giesysteme (IfES)

Dr.-Ing. Thomas Grube, Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3), Forschungszentrum Jülich GmbH,Jülich

Prof. Dr. Angelika Heinzel, ZBT GmbH – Zentrum für BrennstoffzellenTechnik, Duisburg

Dipl.-Ing. Willi Horenkamp, Technische Universität Dortmund, Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz undEnergiewirtschaft, Dortmund

Dipl.-Ing (FH) Thomas Jungmann, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Abteilung Brennstoffzellen-systeme, Freiburg

Stefan Kaimer, Ford Research & Innovation Center Aachen, Aachen

Paul Karzel, Shell Hydrogen Operations, Hamburg

Dr. Martin Kleimaier, Essen

Dr. Philipp Lettenmeier, Siemens AG, Hydrogen Solution, Erlangen

Dipl.-Ing. Martin Pokojski, Inecs GmbH, Berlin

Dr. Gerd Sandstede, Frankfurt am Main

Dr. sc. ETH Zürich Michel Suermann, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für ElektrischeEnergiesysteme (IfES)

Prof. Dr.-Ing. Thomas von Unwerth, Fakultät Maschinenbau Technische Universität Chemnitz, Chemnitz

Erik Wolf, Siemens AG, Hydrogen Solutions, Erlangen

VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge 3

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InhaltAbkürzungen 4

Kernaussagen 6

Handlungsempfehlungen 8

Zusammenfassung 9

1 Einführung 12

2 Marktentwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen 13

2.1 Anwendungspotenziale 13

2.2 Absatzentwicklung 13

3 Bewertungskriterien der Elektromobilität-Technologien 15

4 Elektromobilität – Kernaussagen und Argumente 16

4.1 Politische Zielstellungen 16

4.2 Tanken und Reichweite 19

4.3 Infrastruktur 30

4.4 Energiebeschaffung 36

4.5 Kritische Rohstoffe 40

4.6 Kosten Pkw (TCO) 43

5 Forschungsbedarf 46

Literatur 47

4 VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge

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Abkürzungen

AC Alternating Current (Wechselstrom)

BEV Battery Electric Vehicle (Batterieelektrisches Fahrzeug)

CEP Clean Energy Partnership

CAPEX Capital Expenditures (Investitionsausgaben)

CGH2 Compressed Gaseous Hydrogen (Druckwasserstoff gasförmig)

CNG Compressed Natural Gas

CO2 Kohlendioxid

DC Direct Current (Gleichstrom)

U.S. DOE United States Department of Energy

EE Erneuerbare Energie

EEG Erneuerbare Energien Gesetz

EPA Environmental Protection Agency

FCEV Fuel Cell Electric Vehicle (Brennstoffzellenfahrzeug)

FCH-JU Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking

H2 Wasserstoff

HEV Hybrid Electric Vehicles (Hybrid-Elektrofahrzeuge)

ICE Internal Combustion Engine (Verbrennungskraftmaschine)

IKT Informations- und Kommunikationstechnologie

LCA Life Cycle Assessment (Lebenszyklusanalyse)

LH2 Liquid Hydrogen (Flüssig-Wasserstoff)

LPG Liquied Petroleum Gas (Flüssiggas)

MEA Membrane Electrode Assembly (Membran-Elektroden-Anordnung)

METI Ministry of Economy, Trade and Industry (Japan)

MKS Mobilitäts-/Kraftstoffstrategie

MSRP Manufacturer's Suggested Retail Price

NFZ Nutzfahrzeuge

PGM Platinum Group Metals


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PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicles (Plug-in-Hybridfahrzeuge)

RED II Renewable Energy Directive

REEV Range Extended Electric Vehicles (Elektrische Fahrzeuge mit Reichweitenverlän-gerung)

SOC State of Charge (Batteriekapazität)

TCO Total Cost of Ownership (Gesamtkosten des Betriebs)

TRL Technology Readiness Level (Technologiereifegrad)

TWh Terrawattstunde

WACC Weighted Average Cost of Capital (Gewichtete durchschnittliche Kapitalkosten)

ZEV Zero Emisssion Vehicle (Null-Emissions-Fahrzeug)


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Kernaussagen

Politische Zielstellungen

Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) undBatteriefahrzeuge (BEV) sind lokal emissionsfrei.Darüber hinaus haben sie das Potenzial, diepolitischen Zielsetzungen der Bundesregierung inBezug auf die Senkung der CO2-Emissionen zuunterstützen, wenn regenerativer Strom zumEinsatz kommt.

Die Elektromobilität fördert den Einsatz erneuer-barer Energien im Verkehr und unterstützt dieBemühungen zur Sektorenkopplung.

Mit der Herstellung von Brennstoffzellen undBrennstoffzellensystemen inklusive zugehörigerKomponenten könnte die Wertschöpfung inDeutschland gesteigert werden.

Tanken und Reichweite

Wasserstoff erlaubt schnelles Tanken beiweltweit einheitlichen Tanksystemen.

Die Wasserstoffvollbetankung von FCEV ist mit3 min bis 5 min vergleichbar mit der heutigenFahrzeugbetankung. Auch bei Einsatz vonSchnellladestationen dauert das Nachladen vonBEV ca. 20 min bei einer Begrenzung der La-dung auf 80 % der Batteriekapazität (SOC).

FCEV verfügen nach aktuellemEntwicklungsstand gegenüber BEV über einegrößere Reichweite bei gleichzeitig größererNutzlast und ermöglichen das Heizen im Winterohne signifikante Reichweitenreduzierung.

Batteriefahrzeuge nutzen derzeit die eingesetztePrimärenergie mindestens um etwa den Faktor 2effizienter als Brennstoffzellenfahrzeuge. DieSpeicherwirkung von Wasserstoff und der damitmöglicherweise deutlich geringeren Abregelungvon Stromquellen aus erneuerbaren Energienwird dabei nicht berücksichtigt.

Infrastruktur

Durch Nutzung von großtechnisch produziertemWasserstoff und Erweiterung bestehenderTankstellenanlagen ist eine schnelle Anpassungder Wasserstoff-Infrastruktur möglich. Mittel- bislangfristig ist, wie bei der Ladeinfrastruktur für

BEV, von einem sukzessiven Ausbau derErzeugungs- und Transportsysteme auszugehen.

Durch die Vor-Ort-Speicherung von großenMengen Wasserstoff an der Tankstelle sindNachfragespitzen mit Vollauslastung derTankstelle unproblematisch.

Bei geringer Marktdurchdringung sind die Infra-strukturinvestitionen für BEV geringer. Bei einerhohen Marktdurchdringung ist je nach Annahmenvon geringeren Kosten für die H2-Infrastrukturauszugehen.

Der H2-Transport erfolgt in der Regel mit Lkw.Für die Zukunft bietet es sich bei einer größerenNachfrage an, vorhandene Erdgasleitungen durchUmrüstung für den exklusiven H2-Transport zunutzen.

Die Bereitstellung von Flüssigwasserstoff (LH2)führt zu technisch einfacheren Tankstellen, da dieaufwendige Gasverdichtung, Vorkühlung undQualitätsanalysen entfallen können. Die beförder-te H2-Menge in einem Trailer lässt sich auf 4 t(Faktor 3 bis 3,5 im Vergleich zu druckförmigenGastransport) steigern.

Energiebeschaffung

Die Wasserstoffbeschaffung ist von der Markt-einführung über den Markthochlauf bis hin zumMassenmarkt generell als unkritisch hinsichtlichVerfügbarkeit und Kosten (dieseläquivalenterPreisbereich) einzuschätzen. Dennoch ist derzeitin Deutschland die Versorgung von Tankstellenmit grünem Wasserstoff sowohl in ausreichenderMenge als auch zu angemessenen Marktpreisenmit Problemen verbunden und benötigt deshalbeinen weiteren Ausbau von Erzeugungskapazitätfür grünen Wasserstoff.

Wasserstoff entwickelt sich zu einem globalenHandelsgut. Durch Bezug des Energieträgers ausLändern mit günstigen Stromkosten lassen sichdie H2-Beschaffungskosten verringern.

Wasserstoff als chemischer Energieträger lässtsich ohne Verluste längerfristig speichern. InVerbindung mit geeigneten Speichersystemen(z. B. Kavernen) ist eine Entkopplung von Erzeu-gung und Nachfrage möglich. Hierzu zählt aucheine saisonale Speicherung sowie die Schaffung


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strategischer Reserven, vergleichbar mit denheutigen fossilen Bevorratungen.

In Zukunft sollte sich mit Elektrolyseuren undNutzung des steigenden Stromangebots auserneuerbaren Energien eine weitgehendemissionsfreie sowie wirtschaftlich konkurrenz-fähige Wasserstofferzeugung realisieren lassen.

Der Einsatz von Elektrolyseuren, aber auchFCEV und BEV, bietet das Potenzial zur Opti-mierung der Stromversorgung. Durch gezieltenEinsatz der Systeme ist ein netzdienlicher Betriebmöglich. Des Weiteren kann die Abwärme derElektrolyse in Wärmesysteme integriert und derSauerstoff technisch genutzt werden.

Wasserstoff lässt sich in unterschiedlichenBereichen (Strom, Wärme, Verkehr und Indus-trie) verwenden. Wasserstoff bietet damitPotenzial für die von der Politik gewünschteSektorenkopplung.

Kritische Rohstoffe

Eine Diversifizierung der (Elektromobilitäts-)Technologien reduziert das Risiko vonRohstoffverknappungen.

Als kritische Rohstoffe gelten bei der BatterieLithium, Nickel, Kobalt und bei der Brennstoff-zelle Platin mit abnehmender Tendenz. Die För-derkapazitäten dieser Rohstoffe müssen ausge-baut werden, bevorzugt durch Steigerung der Re-cyclingrate.

Kosten

Die Kosten für die Nutzung von BEV und FCEVwerden derzeit von den Anschaffungskostendominiert.

Die Serienfertigung von Batteriesystemen istweiter fortgeschritten als die von Brennstoff-zellen. Entsprechend ist die Kostenreduktion beiBatterien aktuell deutlich ausgeprägter als beiBrennstoffzellensystemen.

Bei höheren Energie- bzw. Reichweitenanforde-rungen ergeben sich Kostenvorteile für das FCEVgegenüber dem BEV. Mit der Aufnahme derSerienfertigung verstärkt sich dieser Effekt.

Sozioökonomische Faktoren

Brennstoffzellenfahrzeuge enthalten einen Teil anKomponenten, die vom konventionellen Ver-brennungsmotor bekannt sind; sie können über-nommen oder adaptiert werden. Damit ergebensich neue Geschäftsfelder, Arbeitsplätze entste-hen.

Brennstoffzellenfahrzeuge werden auch in Zu-kunft mit (kleinen) Batterien hybridisiert sein.Die Entwicklungen im Batteriebereich kommendamit auch dem FCEV in Hinsicht auf Serienfer-tigung und Kosten zugute.


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Handlungsempfehlungen

Die Brennstoffzellentechnologie kann wie die Batte-rietechnologie bei Nutzung erneuerbarer Energieneinen nachhaltigen Beitrag zur Erreichung der politi-schen Ziele im Verkehrsbereich leisten. Die sich er-gänzenden Technologien ermöglichen die Substitutionvon konventionellen Verbrennern ohne Komfortein-schränkungen. Mittel- bis langfristig können sie dazubeitragen, die volkswirtschaftlichen Kosten der Mobi-lität im Vergleich zum Status quo zu senken. Voraus-setzung ist die Schaffung der erforderlichen Rahmen-bedingungen. Hierzu zählen:

Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur für denöffentlichen Personen- und Güterverkehr: Der öf-fentliche Nahverkehr stellt einen Schlüsselsektorzur Einführung von innovativen Verkehrssyste-men dar und liefert einen entscheidenden Beitragzur angestrebten Luftreinhaltung. Die hierbei ge-schaffene Infrastruktur beschleunigt den Markt-hochlauf im Individualverkehr, da sie der Ein-satzfähigkeit von Elektrofahrzeugen zugute-kommt.

Realisierung der geplanten 400 Wasserstofftank-stellen: Das bestehende Tankstellennetz ist füreinige Anwendungen ausreichend. Jedoch erst beiVorhandensein einer ausreichenden Infrastruktursind aus Sicht des Privatkunden die Vorausset-zungen gegeben, um Wasserstofffahrzeuge ohneEinschränkungen zu nutzen.

Überprüfung der Regularien zur schnellerenRealisierung von Tankstellen: Die Realisierungvon Wasserstofftankstellen ist mit diversen Auf-lagen verbunden, die die Umsetzung verzögern.Zur Beschleunigung des Genehmigungsprozessessind bundesweit einheitliche standardisierte Ver-fahren unter Beibehaltung der entwickelten hohenSicherheitsstandards einzuführen. Die Notwen-digkeit der Genehmigung nach BImschG bei Ein-satz von Elektrolyseuren ist zu überprüfen undsinnvolle Ausnahmen sind zu definieren.

Einbeziehung des Energieträgers Wasserstoff indie sektorenübergreifende Langzeitstrategie für

eine sichere Energieversorgung: Dies trägt zurPlanungssicherheit der Industrie bei und zieht zu-sätzliche Investitionen nach sich.

Umstellung auf Elektromobilität: Zur Unterstüt-zung des Markthochlaufs empfiehlt sich die Um-stellung der Fahrzeugflotten im privaten wie öf-fentlichen Bereich.

Begleitende Forschung zum Markthochlauf:Sowohl für Batterien als auch Brennstoffzellenherrscht im Vergleich zu herkömmlichen Ver-brennern Forschungsbedarf in den Bereichen Ne-bensysteme, Lebensdauer bzw. Degradationsver-halten im Realbetrieb sowie Lebenszyklusanaly-sen.

Wertschöpfung in Deutschland: Ein großer Anteilder Wertschöpfung für Batterien liegt heute nichtin Europa, die Batteriezellenproduktion findetüberwiegend in Asien statt. Zur Unterstützungder Wettbewerbsfähigkeit sollte die Politik durchSchaffung geeigneter Rahmenbedingungen denAufbau von Produktionseinrichtungen/Arbeits-plätzen für Brennstoffzellen und Batterien inDeutschland unterstützen.

Serienproduktion von Komponenten elektrischerAntriebssysteme: Im Bereich Elektromotor undBatterien haben serientaugliche HerstellprozesseEinzug gehalten. Für Brennstoffzellen, -kompo-nenten und Wasserstoffspeicher muss weiter ansolchen gearbeitet werden, auch um die erforder-liche Kostendegression zu erreichen.

Rahmenbedingungen für Elektromobiltät: Es sinddiskriminierungsfreie politische Rahmenbedin-gungen zu schaffen. Die Anrechenbarkeit nachRED II (Vorgabe des Europäischen Parlaments)ist für FCEV und BEV gleichzustellen.

Kosten der Energiebeschaffung: Die Kosten derElektromobilitiät durch EEG-Umlagen, Netz-entgelte sowie Steuern sind zu überprüfen.


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Zusammenfassung

Politik

Die führenden Industrienationen unterstützen dieEinführung der Elektromobilität. Für Europa insbe-sondere forciert die Europäische Kommission mitihren Klimazielen die Verringerung der Emissionenvon Treibhausgasen im Verkehrsbereich.

Die deutsche Regierung unterstützt die Elektromobili-tät mit Kaufprämien und dem Ausbau einer Ladein-frastruktur. In Bezug auf Wasserstoff und Brennstoff-zellen sieht der Koalitionsvertrag eine Förderung derSektorenkopplung sowie eine Anpassung des regula-tiven Rahmens zur Einführung von „grünem Wasser-stoff“ vor.

Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) und Batteriefahr-zeuge (BEV) können bei Nutzung erneuerbarer Ener-gien gleichermaßen Beiträge zur Unterstützung derumweltpolitischen Ziele leisten. Brennstoffzel-lenelektrische Antriebe bieten darüber hinaus fürDeutschland und Europa das Potenzial, einen hohenAnteil der Wertschöpfung darzustellen.

Tanken und Reichweite

Tankverhalten und Tankdauer von FCEV sind mitdem konventioneller Fahrzeuge auf Mineralöl- undErdgasbasis vergleichbar. Der Tankvorgang liegt bei3 min bis 5 min und entspricht dem eines konventio-nellen – mit Flüssigkraftstoff auf Mineralölbasis be-triebenen – Fahrzeugs. Zum Vergleich hierzu beträgtdie Ladezeit bei BEV für eine Vollladung abhängigvon der Ladeleistung bis zu mehreren Stunden. Mit-tels Schnelladestationen ist eine Ladezeit (bei einerBegrenzung auf 80 % der Batteriekapazität (SOC))von ca. 20 min erreichbar.

Die mechanische Schnittstelle zwischen Fahrzeug undZapfsäule sowie der Betankungsprozess sind beimTanken von Wasserstoff weltweit einheitlich. ImGegensatz dazu gibt es für das Laden von BEV unter-schiedliche Stecksysteme und Ladeleistungen. DesWeiteren ist die Anpassung der Netzinfrastruktur einewesentliche Voraussetzung für die Installation vonDC-Schnellladestationen.

Bei BEV korreliert die Leistung der Batterie mit derKapazität. Mit zunehmender Reichweite, das heißtzunehmender Kapazität, erhöhen sich auch die Leis-tung und das Gewicht der Batterie. Demgegenübersind bei FCEV Energiewandlung und -speicherung,und damit Leistung und Kapazität, entkoppelt. EineVergrößerung der Reichweite, das heißt Kapazität,

lässt sich allein über die Vergrößerung des Tankserreichen. Der Gewichtszuwachs ist gering. Dies giltes bei der Anwendung der Fahrzeuge zu berücksichti-gen. BEV besitzen heute Vorteile im Kurzstreckenbe-reich, während sich FCEV insbesondere im Nutzlast-und Langstreckenverkehr empfehlen.

Bei konventionellen Fahrzeugen erfolgt die Behei-zung der Fahrgastzelle durch Nutzung der Motoren-abwärme. Bei FCEV reicht die Brennstoffzellenab-wärme im Allgemeinen aus. Im Unterschied hierzu istbei BEV eine Beheizung nur über die Batterie mög-lich. Dies kann bei niedrigen Umgebungstemperatu-ren die Reichweite deutlich verringern.

Die Umwandlung des Wasserstoffs in der Brennstoff-zelle in elektrische Energie ist mit Wirkungsgradver-lusten verbunden. FCEV weisen deshalb im Vergleichzu BEV eine deutlich geringere Effizienz auf. ImVergleich zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotorbesitzt ein FCEV jedoch vor allem im Teillastbereich,dem überwiegenden Betriebsbereich der Pkw, einenwesentlich höheren Wirkungsgrad.

Die Energiebilanz von FCEV lässt sich abhängig vonder Nutzung mittels zusätzlicher Batterien (plug-in)verbessern. Hierbei erfolgt eine Ladung der Batteriesowohl über das Netz als auch während der Fahrt überdie Brennstoffzelle oder während der Rekuperationder Bremsenergie, sodass die Vorteile beider Systeme(BEV und FCEV) zum Tragen kommen.

Infrastruktur

BEV- und FCEV-Infrastrukturen stellen wichtigeBausteine für den Verkehrsbereich dar. Sie bieten dieMöglichkeit, klimaverträgliche, saubere und erneuer-bare Verkehrskonzepte zu realisieren.

Vorteilhaft in Bezug auf Wasserstoff ist die leichtereUmsetzung, da vorhandene Strukturen genutzt werdenkönnen. Bestehende Tankstellen lassen sich entspre-chend erweitern.

Die Verweildauer von FCEV am Ort der Betankungist vergleichbar mit dem heutigen Standard für Benzinoder Diesel bzw. LPG/CNG (Flüssigwasserstoff/komprimiertes Erdgas). Entsprechend erfolgt dieKapazitätsauslegung von Wasserstofftankstellen ineinem zu heutigen Tankstellen vergleichbaren Vorge-hen. An einer Tanksäule können also in einer gewis-sen Zeitdauer viele Fahrzeuge nacheinander tanken.Zum Vergleich hierzu wird bei BEV eine Vielzahlvon Ladesäulen benötigt, um das gleichzeitige Laden


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einer vergleichbaren Anzahl von Fahrzeugen währenddieser Zeitdauer zu ermöglichen. Dies gilt auch beiEinsatz von DC-Schnellladesäulen. Sie verkürzenzwar die Ladezeiten, dennoch ist auch hier im Ver-gleich zu FCEV von 3-mal bis 5-mal längeren Lade-zeiten bei einer Begrenzung auf 80 % der Batterieka-pazität auszugehen. Deshalb ist eine entsprechendgrößere Zahl an Stellplätzen mit Ladeeinrichtungenvorzusehen, um die gleiche Betankungskapazität zuerreichen. Dies gilt insbesondere für Lademöglichkei-ten entlang der Autobahnen. Zusätzlich kann aufgrunddes in diesem Fall nicht steuerbaren Ladens ein Netz-ausbau in den vorgelagerten Netzebenen erforderlichsein.

Der Platzbedarf von Wasserstoffzapfsäulen weichtnicht wesentlich von dem heutiger Benzin- und Die-selzapfsäulen ab. Je nach Anlieferungskonzept istjedoch von einem erhöhten Platzbedarf für den erfor-derlichen H2-Speicher am Tankstellenort auszugehen.

Das Tanken ist wie bisher als eigenständiger Vorgangzu betrachten, die Tankstellen müssen hierzu angefah-ren werden. Dies kann, insbesondere in der Einfüh-rungsphase von Wasserstofftankstellen, mit längerenAnfahrtstrecken verbunden sein.

Der Transport von H2 erfolgt in der Regel mit Lkw.Für die Zukunft bietet es sich bei einer größerenNachfrage an, vorhandene Erdgasleitungen durchUmrüstung für den H2-Transport zu nutzen.

Analysen zum Nutzerverhalten von BEV zeigen, dassBEV überwiegend zu Hause und am Arbeitsplatzgeladen werden. Dennoch werden auch für BEV-Nutzer ohne eigene Garage Lösungen benötigt, diedas Nachladen sicherstellen. Hierzu zählen unteranderem öffentliche Ladesäulen. In der Diskussion istderzeit auch das sogenannte „Laternenladen“.

Beim Übernachtladen kann bei einem gesteuertenLaden von einer Reduzierung des Ausbaubedarfs anNetzkapazität gegenüber dem ungesteuerten Ladevor-gang ausgegangen werden. Die Umsetzung diesesKonzepts ist jedoch in hohem Maße von für Batterie-fahrzeuge reservierten Stellplätzen abhängig, da diesemit unterschiedlich hohem Aufwand mit Lademög-lichkeiten ausgestattet werden müssen.

Die Infrastrukturinvestitionen für BEV sind bei einergeringen Marktdurchdringung geringer als für FCEV.Bei einer größeren Marktdurchdringung ist von gerin-geren Investitionen für die H2-Infrastruktur auszuge-hen. Eine Mischung beider Systeme – BEV für diekürzeren Strecken und FCEV für die Langstrecke –könnte ein Kostenoptimum ergeben. Dies zu belegen,erfordert jedoch noch detaillierte weiterführende Stu-dien.

Eine Szenarienanalyse des Forschungszentrums Jülichund der RWTH Aachen zum Infrastrukturbedarf vonBEV und FCEV zeigt, dass für große Fahrzeugflottenvon 20 Mio. Pkw die Investitionen in ein H2-Versor-gungssystem geringer ausfallen als für eine Batterie-ladeinfrastruktur; die spezifischen Kosten je gefahre-nen Kilometer sind hingegen vergleichbar. Die Inves-tition für die H2-Versorgung berücksichtigt hierbeineben den Tankstellen und Logistikkomponentenauch saisonale Speicher mit einer Gesamtkapazitätvon 60 Tagesverbräuchen. Als Speicheroption für denWasserstoff bieten sich Salzkavernen an, mit derenHilfe die Speicherung großer Mengen (einige10 TWh) an erneuerbaren Energien besonders kosten-günstig darstellbar ist. Die Investition für das Ladenvon Batteriefahrzeugen umfasst die Kosten der Lade-säulen sowie des Netzausbaubedarfs in Verteilnetzen.Ein eventuell notwendiger Netzausbau im Übertra-gungsnetz sowie saisonale Speicher sind dabei bislangnicht berücksichtigt worden. Ein Vergleich solltejedoch auch für BEV den Aufwand für einen Lang-zeitspeicher für erneuerbare Energien berücksichti-gen.

Energiebeschaffung

Die Wasserstoffbeschaffung ist in jeder Phase derMarkteinführung als unkritisch hinsichtlich Verfüg-barkeit und Kosten einzuschätzen. Während kurzfris-tig vor allem Nebenprodukt-Wasserstoff aus Indust-rieprozessen sowie Wasserstoff aus der Methan-dampfreformierung zur Verfügung gestellt werdenkann, sollten mittel- bis langfristig nach Möglichkeitnur erneuerbare Primärenergien zur H2-Produktioneingesetzt werden.

Wasserstoff entwickelt sich zu einem globalen Han-delsgut. Untersuchungen zu einer weltweit angelegtenH2-Logistik zeigen zudem, dass Wasserstoff in Regi-onen mit besonders hohem Aufkommen an erneuerba-ren Energien kostengünstig produziert und beispiels-weise per Schiff zu den Verbrauchszentren transpor-tiert werden kann.

Unter Einbeziehung der erforderlichen Infrastruktur-komponenten lässt sich nachweisen, dass die H2-Kosten an der Tankstelle gegenüber heutigen Kraft-stoffkosten wettbewerbsfähig sind (jeweils ohne Steu-ern und Abgaben). Im Vergleich mit Batteriefahrzeu-gen ist aber zu berücksichtigen, dass in dem Strom-preis für Batteriefahrzeuge Abgaben und Steuern ent-halten sind, was gegenüber wasserstoffversorgtenFahrzeugen eine Benachteiligung darstellt.

Wasserstoff als chemischer Energieträger lässt sichohne Verluste kostengünstig längerfristig speichern,hat jedoch höhere Umwandlungsverluste. In Verbin-dung mit geeigneten Speichersystemen (z. B. Kaver-


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nen) ist eine Entkopplung von Erzeugung und Bedarfbis hin zur saisonalen Speicherung möglich.

Wasserstoff bietet die Möglichkeit, in unterschiedli-chen Bereichen (Strom, Wärme, Verkehr und Indust-rie) zum Einsatz zu kommen. Der Energieträger bietetdamit das Potenzial für die von der Politik gewünsch-te Sektorenkopplung.

Der Einsatz von Elektrolyseuren zur Wasserstoffer-zeugung ermöglicht eine emissionsfreie Energiebe-reitstellung, sofern diese mit Erneuerbaren-Energien-Strom betrieben werden. Ein wirtschaftlich konkur-renzfähiger Einsatz setzt aber günstige Strompreisevoraus.

Elektrolyseure für die Versorgung von FCEV undBEV bieten das Potenzial zur Optimierung der Strom-versorgung. Durch gezielten Einsatz der Systeme istein netzdienlicher Betrieb möglich.

Kritische Rohstoffe

Im Bereich „Elektromobilität“ gelten Lithium, Nickelund Kobalt für die Batterie und Platin für die Brenn-stoffzelle sowie Seltenerdmetalle für den Elektromo-tor als sogenannte kritische Rohstoffe.

Zur Vermeidung von Rohstoffverknappungen oderPreissteigerungen müssen die Förderkapazitäten allergenannten kritischen Rohstoffe erhöht werden, insbe-sondere die für Lithium und Kobalt. Dies erfolgt bes-tenfalls in Form einer gesteigerten Recyclingrate, diebesonders für Lithium de facto im technischen Maß-stab noch nicht existiert.

Auch würde ein verstärktes Recycling insbesonderedas Risiko von strukturellen Verknappungen mindern,die vor allem bei Sekundärmetallen auftreten können,da deren Minenproduktionsmenge nur vom Primär-metall abhängt. Dies betrifft vor allem Kobalt undteilweise Platin. In gleicher Weise würden monopol-artige Strukturen in den Bereichen „Minenprodukti-on“ und „Rohstoffreserven“, wie es sie z. B. für Sel-tenerdmetalle (China), für Platin (Südafrika) und fürKobalt (Kongo) gibt, abgemildert und langfristigaufgebrochen.

Nach heutigem Stand würden, wenn überhaupt, nurdie Rohstoffreserven an Kobalt und Nickel für eine

prognostizierte Elektromobilität bis zum Jahr 2050und unter Einbeziehung aller weiteren Anwendungennicht ausreichen, jedoch aber deren Rohstoffressour-cen. Daher sind Preissteigerungen und temporäreVerknappungen durchaus vorstellbar, sofern nicht ingleichem Maße neue Bergwerk- und Recyclingkapa-zitäten geschaffen werden. Dagegen sind absoluteVerknappungen eher unwahrscheinlich, da üblicher-weise entweder zuvor neue Rohstoffvorkommen ge-sichtet und erschlossen oder Rohstoffsubstitutioneneingeleitet werden. So gibt es bereits erste erfolgrei-che Entwicklungen, diese kritischen Rohstoffe deut-lich effizienter zu nutzen oder sogar komplett zu sub-stituieren.

Kosten

Die Kosten für die Nutzung von BEV und FCEVwerden derzeit von den Anschaffungskostendominiert. Da die Kostenreduktion durch Serienfer-tigung für Batteriesysteme weiter fortgeschritten istals für Brennstoffzellensysteme, sind diese aufgrundder späteren Markteinführung zurzeit wirtschaftlichbenachteiligt.

Mit Aufnahme der Serienfertigung auch bei Brenn-stoffzellensystemen sind für Fahrzeuge mit höherenEnergie- bzw. Reichweitenanforderungen bei derAnschaffung Kostenvorteile für das Brennstoffzellen-fahrzeug zu erwarten. Größere FCEV-Fahrzeuge wieSUVs sollten hierbei anfangs Kostenvorteile haben,da vergleichbare BEV entsprechend große Batterienbenötigen. Bei kleineren Fahrzeugen ist von eineretwas späteren Kostenparität auszugehen.

Offene Punkte

Die Analysen im Rahmen dieser Studie zeigen, dasszu verschiedenen Punkten nicht ausreichende Infor-mationen vorliegen oder vorliegende Informationenteilweise nicht konsistent sind. Dies spricht für einenweitergehenden Forschungsbedarf. Insbesondere sindhiervon die Themenblöcke „Nebensysteme“, „Le-benszyklusanalysen“, „Lebensdauer der Systeme“sowie „Serienproduktionsprozesse für deren Kompo-nenten“ betroffen.


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1 Einführung

Die Reduzierung der Treibhausgasemissionen istoberstes Ziel der globalen Klimapolitik. Fossile Ener-gieträger müssen hierzu in allen Sektoren durch er-neuerbare Energien ersetzt werden. Im Verkehrssektorsind elektrische Antriebe ein wichtiger Lösungsweg.Sie zeichnen sich durch die im Vergleich zum Ver-brennungsmotor sehr hohe Effizienz aus und ermögli-chen den Einsatz von Strom aus Windkraft und Foto-voltaik. Dies ist von großer Bedeutung, da der Anteilder biogenen Energieträger begrenzt ist und die hier-für erforderlichen Agrarflächen mit der Nahrungsmit-telherstellung im Wettbewerb stehen. Weiterhin istbeim Straßenverkehr die lokale Emissionsfreiheit derelektrischen Antriebe von großer Bedeutung. Nur solassen sich die lokalen Emissionen – einschließlichLärm – nachhaltig reduzieren und die Lebensqualitätin den Ballungszentren deutlich verbessern.

Zur Elektromobilität zählen grundsätzlich alle Fahr-zeugsysteme mit elektrischen Antriebssystemen. Siesind in unterschiedlicher technischer Ausprägungverfügbar. Neben den derzeit intensiv diskutiertenBatteriefahrzeugen, insbesondere solche mit Lithium-Ionen-Batterien, zählen hierzu auch Systeme, dieWasserstoff als Energieträger nutzen. Wasserstoffkann per Elektrolyse – vorzugsweise mit erneuerba-rem Strom – gewonnen und mittels Brennstoffzellen(typischerweise Niedertemperatur-Polymer-Elektro-lyt-Brennstoffzellen, kurz PEMFC) an Bord der Fahr-zeuge wieder in elektrische Energie umgewandeltwerden. Im Unterschied zu Batteriefahrzeugen, beidenen die elektrische Energie in Batterien gespeichertwird, wird bei Brennstoffzellenfahrzeugen der Was-serstoff heute üblicherweise in Druckbehältern beihohen Drücken gespeichert. Diese Technik hat sichgegenüber früher angedachten Speichersystemen mittiefkaltem flüssigem Wasserstoff oder Methanol ba-sierten Systemen mit H2-Reformer durchgesetzt.

Parallel zu den Elektrofahrzeugen arbeitet die Öl- undKraftfahrzeugindustrie an Systemen, die synthetischeKraftstoffe – flüssig oder gasförmig – als Energieträ-ger für Verbrennungsmotoren nutzen. Sie dienen alsErsatz der fossilen Produkte und werden über regene-rativ gewonnenen Wasserstoff sowie Kohlendioxidz. B. aus der Luft, biogenen Quellen oder industriellenProzessen gewonnen. Da bei der Verbrennung an

Bord gerade die Menge Kohlendioxid freigesetztwird, die bei der Herstellung benötigt wird, geltendiese Kraftstoffe als klimaneutral. Als vorteilhaft isthierbei zu werten, dass das vielfältig diskutierteReichweitenproblem, insbesondere in Verbindung mitBatteriesystemen, aufgrund der mit den heutigenKraftstoffen vergleichbaren Energiedichte nicht mehrzur Diskussion stehen würde. Nachteilig ist jedoch derschlechtere Wirkungsgrad der gesamten Kette durchdie zusätzlichen Wandlungsverluste bei der Herstel-lung dieser Kraftstoffe sowie durch den schlechterenWirkungsgrad der Verbrennungsmotoren. Außerdembleiben die lokalen Emissionen erhalten. Darüberhinaus sind die Produktionsanlagen für synthetischeKraftstoffe mit hohen Investitionen verbunden, da sieeine CO2-Bereitstellung, Wasserstoffproduktion undProduktsynthese umfassen.

Das Thema klimaneutrale Mobilität spielt (in naherZukunft) eine wichtige Rolle sowohl im Luft-, Schie-nen-, Schiff- als auch Straßenverkehr. Der Straßen-verkehr beinhaltet hierbei die Bereiche Personen- undLastkraftwagen (Pkw und Lkw), Busse, Fahrrädersowie im weiteren Sinne auch Flurförderfahrzeugeund Gabelstapler.

Die folgenden Ausführungen konzentrieren sich aufbatterieelektrische Fahrzeuge sowie Fahrzeuge mitBrennstoffzellenantrieb. Ziel ist es aufzuzeigen, wel-che Konsequenzen aus der Nutzung der unterschiedli-chen Technologien resultieren können. Dabei werden,dem Kenntnisstand entsprechend, die Vor- und Nach-teile der einzelnen Entwicklungen dargestellt.

Neben der bereits angesprochenen Möglichkeit, er-neuerbare Energien nutzen zu können, ist von Rele-vanz, dass sich insbesondere Elektrolyseure, mit de-nen der Wasserstoff aus erneuerbarem Strom gewon-nen wird, für eine umfassende Systemintegrationeignen. Neben der Nutzung von Strom- und Gasnet-zen zum Transport von elektrischer Energie und Was-serstoff zählen hierzu auch Maßnahmen, die die Nut-zung dieser Systeme zur Flexibilisierung des Energie-angebots als auch der Energienachfrage ermöglichen.Auch bietet sie die Möglichkeit, bei lokal vorhande-nem Bedarf Wärme bereitzustellen, die bei der Elekt-rolyse als Nebenprodukt anfällt.


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2 Marktentwicklung vonBrennstoffzellenfahrzeugen

H2 als Energieträger und Brennstoffzellen als Ener-giewandler für den mobilen Bereich wurden in zahl-reichen Projekten untersucht, bewertet und realisiert.Hierbei hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass H2-Brennstoffzellenlösungen erhebliche Marktanteile bis2050 erreichen können [1]. Begründet liegt dies in derleichten Handhabung der Fahrzeuge, der großenReichweite sowie der Erfüllung der technischen Her-ausforderungen.

2.1 Anwendungspotenziale

Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge gibt es einengroßen Markt. So werden bereits heute beispielsweiseim Schichtbetrieb von Logistikunternehmenelektrisch- oder gasbetriebene Gabelstapler genutzt.Um dort die Auslastung noch weiter zu erhöhen, wer-den heutzutage bereits sehr schnell wieder zu betan-kende Brennstoffzellen-Gabelstapler eingesetzt. Sowird der größte Marktanteil von brennstoffzellenbe-triebenen Fahrzeugen mit ca. 65 % bei Gabelstablernim Jahr 2050 gesehen [1]. Brennstoffzellen-Gabelstaplern wird bereits heute die vollständigetechnische Reife, TRL 9, und Massenmarkteignungattestiert [1]. Allein in den USA wurden seit 2009über 16.000 [2] Brennstoffzellen-Gabelstapler be-schafft bzw. bestellt und bei verschiedensten Endkun-den kommerziell erfolgreich eingesetzt [3; 4]. Gegen-über batteriebetriebenen Gabelstaplern ergeben sichklare Vorteile aufgrund der längeren Lebensdauer desBrennstoffzellenstacks, der größeren Reichweite,deutlich schnelleren Betankungszeiten und geringerenBetriebskosten [5]. Daneben überzeugen die Brenn-stoffzellen-Gabelstapler auch durch ein unproblemati-sches und sicheres Handling [5].

Auch Brennstoffzellen-Autos (FCEV) haben einevollständige technische Reife erreicht [6]. Dies bestä-tigen praktische Erfahrungen: Bereits 2011 hatten imRahmen der F-Cell World Drive drei B-Klasse F-Cellvon Mercedes Benz in 125 Tagen rund um die Welterfolgreich 30.000 km zurücklegen können [7; 8].Mittlerweile sind Brennstoffzellenautos auch vonHonda, Toyota und Hyundai [6] kommerziell erhält-lich.

Im Vergleich zu Brennstoffzellen-Autos wird fürBrennstoffzellen-Busse zukünftig ein höherer Markt-anteil erwartet. Zudem ist mit TRL 8 nahezu die voll-ständige technische Reife bestätigt [6]. Im realenFahrbetrieb konnten Brennstoffzellen-Busse bereitsDOE (U.S. Department of Energy)-Ziele von 20.000

Fahrstunden [9] bzw. 25.000 Fahrstunden [10] errei-chen, und bei zahlreichen Projekten konnte ein positi-ves Fazit gezogen werden: „All of these projects haveproven that fuel cell buses can operate with the sameflexibility as diesel buses without compromising theproductivity of public transport“ [11]. Eine deutlicheReduzierung der Anschaffungskosten ist in den letz-ten Jahren ebenso zu verzeichnen [12; 13].

Aufgrund der zahlreichen Anwendungsfälle ist esnicht verwunderlich, dass die Bedeutung der Brenn-stoffzellentechnologie, insbesondere im mobilen Be-reich in Nordamerika und Asien, deutlich wächst [14].Diese Wachstumsraten werden auch zu einem Anstiegder Beschäftigten im Brennstoffzellenbereich führen.

2.2 Absatzentwicklung

In den letzten Jahren ist ein stark wachsender Absatzfür sämtliche Elektromobilitätsvarianten zu verzeich-nen (Bild 1). Er beläuft sich derzeit auf etwa 1 % desglobalen Markts [15]. Verglichen untereinander liegendie BEV-Pkw-Neuzulassungen mit gut 750.000 Fahr-zeugen alleine im Jahr 2017 im Vergleich zu PHEVsund FCEVs um den Faktor 2 bzw. 230 höher. Dengrößten Absatzmarkt bildet die Volksrepublik China,in dem bereits jedes zweite BEV verkauft wird.

Die große Absatzdiskrepanz im Bereich der Null-Emissionen-Fahrzeuge (engl. zero emission vehicles(ZEVs)) ist auf einen früheren (Massen-)Markteintrittder reinen Batteriefahrzeuge im Vergleich zu Brenn-stoffzellenfahrzeugen, deutlich mehr Fahrzeugmodel-len und einen tendenziell besseren Ausbaugrad derLadeinfrastruktur zurückzuführen. Dennoch habenauch die FCEV-Neuzulassungen in den derzeit dreiAbsatzmärkten USA (Kalifornien), Japan und Europarasant zugenommen (Bild 1).

Aus Verbrauchersicht spielen die Anschaffungskosteneine entscheidende Rolle. In Bezug auf die Marktent-wicklungen von BEV, PHEV und FCEV kommt derUmstand zum Tragen, dass Batteriefahrzeuge kleinerund kostengünstiger gebaut werden können. Die sin-kenden Kosten für Li-Ionen-Batterien unterstützendies; mit unter 200 €/kWh nähern sie sich inzwischenden Rohstoffkosten an. Beigetragen zu dieser Kosten-senkung haben die Anstrengungen verschiedenerHersteller (Tesla, Samsung, LG etc.), die Batteriezel-len für Elektromobile auf den Markt bringen.


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Was die derzeitige Preissituation bei ZEV betrifft,sind in Tabelle 1 Indikatoren für die drei HauptmärkteDeutschland, USA und Japan aufgezeigt. In den USAist beispielsweise der Toyota Mirai mit 58.365 US$bei einer Reichweite von knapp 620 km gelistet undder Tesla Model S (75 kWh) bei einer Reichweite von

490 km mit einem Preis von 74.500 US$ (unverbind-liche Preise der Hersteller). Dies entspricht einerKaufpreisersparnis von rund 16.000 US$ bzw.160.000 km Fahrstrecke (bei 10 $/kgH2), etwa ver-gleichbar mit einer typischen Pkw-Lebensdauer.

Bild 1. BEV, FCEV und PHEV Neuzulassungen von 2014 bis 2017 [16; 17](Quelle: Universität Hannover)

Tabelle 1. Aktuelle Listenpreise für drei repräsentative ZEV [18] (Quelle: Fraunhofer ISE)

Deutschland USA Japan

€ USD € Jap. Yen €

Toyota Mirai 78.600 MSRP of 58.365(+ 895 for delivery)

48.923(49.652)

7.236.000 55.500

Tesla Model S75 69.999(71.999 ohneUmweltprämie)

74.500 62.319 9.600.000 73.632

Nissan Leaf 40 kWh(Ausstattung ZE1)

31.950 29.900(22.490 after

federal tax credit)

25.136

(18.850)

3.150.360 24.195


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3 Bewertungskriterien der Elektromobilität-Technologien

Eine objektive Bewertung der Technologien erfordertdie Erfassung aller wesentlichen Einflussgrößen.Hierzu zählen neben den politischen Zielstellungenund der Stärkung des Wirtschaftsstandorts Deutsch-land die Marktentwicklung, technische Aspekte, Fra-gen zur Infrastruktur, Möglichkeiten der emissions-freien Mobilität, die Verfügbarkeit von Rohstoffen,Lebensdaueranalysen (Life Cycle Cost) sowie derKundennutzen. Dieser Studie liegen deshalb die inBild 2 aufgeführten Bewertungskriterien zugrunde.Sie werden in Abschnitt 4 erläutert und soweit mög-lich detailliert bewertet.

Bild 2. Bewertungskriterien der Elektromobili-tät

Auf der Basis dieser Kriterien wurden für die Katego-rien

politische Zielstellungen,

Tanken und Reichweite,

Infrastruktur,

Energiebeschaffung,

kritische Rohstoffe und

Kosten (TCO)

unter Berücksichtigung des Kundennutzens Kernaus-sagen erarbeitet, die in den nachfolgenden Abschnit-ten detaillierter ausgeführt werden.


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4 Elektromobilität – Kernaussagen undArgumente

4.1 Politische Zielstellungen

Kernaussagen

FCEV und BEV sind lokal emissionsfrei. Dar-über hinaus haben sie das Potenzial, die politi-schen Zielsetzungen der Bundesregierung inBezug auf die Senkung der CO2-Emissionenzu unterstützen, wenn regenerativer Strom zumEinsatz kommt.

Die Elektromobilität fördert den Einsatz er-neuerbarer Energien im Verkehr und unter-stützt die Bemühungen zur Sektorenkopplung.

Mit der Herstellung von Brennstoffzellen undBrennstoffzellensystemen inklusive zugehöri-ger Komponenten könnte die Wertschöpfungin Deutschland gesteigert werden.

Ökologie/emissionsfreie Mobilität

Die Einführung der Elektromobilität wird durch dieführenden Industrienationen unterstützt. Die Politikforciert dies durch Gestaltung entsprechender Rah-menbedingungen.

Die Europäische Kommission unterstützt mit ihrenKlimazielen die Verringerung der Treibhausgasemis-sionen im Verkehrsbereich. Der Umwelt- und Ener-gieplan, den die Kommission im Jahr 2014 vorgestellthat, sieht bis zum Jahr 2030 eine Verringerung desAusstoßes an Treibhausgasen um 40 % vor (ausge-hend vom Stand im Jahr 1990). Der Anteil der erneu-erbaren Energien soll bis dahin um 27 % gesteigertund eine Verbesserung der Energieeffizienz (z. B.Verringerung von thermischen Verlusten) um eben-falls 27 % erreicht werden [19].

Speziell für den Verkehrsbereich fördert die EU dieEinführung innovativer Antriebssysteme durch ihrWeißbuch und entsprechende Richtlinien:

Das Weißbuch Verkehr [20] geht davon aus, dasssich mittels Elektromobilität der Anteil konventi-oneller Fahrzeuge in der Stadtlogistik halbierenlässt. Bis 2030 sollte sich eine CO2-freie städti-sche Logistik erreichen lassen.

Die Verordnung 333/2014 [21] fordert bis 2021eine Reduktion der durchschnittlichen CO2-Emissionen von Neuwagenflotten auf 95 g CO2pro km. Dies entspricht einem Benzinverbrauchvon etwa vier Litern pro 100 Kilometer.

Die Richtlinie 2014/94 „Infrastruktur für alterna-tive Kraftstoffe“ [22] sieht die stärkere Verbrei-tung von umweltverträglichen, alternativen Kraft-stoffen vor. Für teil- und vollelektrische Fahrzeu-ge ist die Infrastruktur mit nicht diskriminieren-dem Zugang zu öffentlicher Ladeinfrastrukturauszubauen.

Diese Zielstellungen spiegeln sich in unterschiedli-chen Aktivitäten der EU-Mitgliedsländer wider. Unteranderem haben Großbritannien [23] und Frankreich[24] angekündigt, bis 2040 den Verkauf von Fahrzeu-gen mit fossilen Brennstoffen zu verbieten. Derschwedische Autohersteller Volvo plant, ab 2019 nurnoch Hybrid- oder Elektroautos zu produzieren undanzubieten [111]. Auch VW hat im Dezember 2018angekündigt ab 2026 die letzte Produktion auf einerVerbrenner-Basis zu starten [112].

Speziell für Deutschland sieht die Bundesregierung inder Elektromobilität einen Beitrag zur Vereinigungvon technologischem Fortschritt und Umwelt-/Klima-schutz. Sie bietet die Chance, die Spitzenposition derdeutschen Unternehmen auf dem Weltmarkt zu stär-ken und den wirtschaftlichen Aufschwung in Deutsch-land zu unterstützen. Großflächige Fahrverbote in denStädten könnten sich auf diese Weise vermeiden las-sen [25]. Sie unterstützt deshalb die Einführung derElektromobilität u.a. mit Kaufprämien für den Erwerbvon Elektrofahrzeugen, mit der Förderung des Aus-baus einer Ladeinfrastruktur sowie der Beschaffungvon Elektrofahrzeugen für den öffentlichen Bereich[26].

Aussagen im Koalitionsvertrag der neuen Bundesregie-rung [27] unterstützen dies. Die Regierung fühlt sichhiernach mit ihrer Mobilitätspolitik dem Pariser Klima-schutzabkommen und dem deutschen Klimaschutzplan2050 verpflichtet. In Bezug auf Wasserstoff undBrennstoffzellen sollen das Nationale Innovationspro-gramm und die Mobilitäts-/Kraftstoffstrategie (MKS)technologieoffen weiterentwickelt und die Mittel zuderen Umsetzung erhöht werden. Die Sektorenkopp-lung soll vorangebracht und der regulative Rahmen soverändert werden, dass „grüner Wasserstoff“ undWasserstoff als Nebenprodukt von industriellen Pro-zessen als Kraftstoff genutzt oder für die Herstellung


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konventioneller Kraftstoffe (z. B. Erdgas/CH4) ver-wendet werden kann.

In Bezug auf die Elektromobilität (batterieelektrisch,Wasserstoff und Brennstoffzelle) sollen bestehendeFörderprogramme, soweit erforderlich, über das Jahr2020 hinaus aufgestockt und ergänzt werden. DerAufbau einer flächendeckenden Lade- und Tankinfra-struktur soll intensiviert werden. Bis 2020 sollenmindestens 100.000 Ladepunkte für Elektrofahrzeugezusätzlich zur Verfügung stehen, hiervon mindestensein Drittel als DC-Schnellladesäulen. Für eine nach-haltige Umstellung der Busflotten auf alternativeAntriebe sind neben den Fahrzeugen auch geeigneteLadeinfrastrukturen sowie Betriebsmanagementsys-teme geplant. In Bezug auf Wasserstoff hat die Bun-desregierung bereits 2016 das zweite Regierungspro-gramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie2016 bis 2026 beschlossen. Das Programm ist Be-standteil der Innovationsstrategie der Bundesregie-rung und Baustein eines nachhaltigen Energiesystems[29].

Der Blick auf andere Regionen bestätigt das globaleInteresse an der Elektromobilität:

In Europa sind die Aktivitäten der französischenRegierung erwähnenswert [29]. Der Wasser-stoffentwicklungsplan soll die Industrie in dieLage versetzen, im globalen Wettbewerb eineführende Rolle zu spielen. Bis 2023 sollen bis zu5.000 H2-Fahrzeuge auf die Straße gebracht wer-den (derzeit 250 Fahrzeuge). Für die H2-Versor-gung der Fahrzeuge ist die Errichtung von 100Tankstellen vorgesehen, verglichen mit derzeit20. Zielmarkt für die H2-Anwendung ist vorran-gig der kommerzielle Sektor. Angestrebt wird derEinsatz von Wasserstoff in Taxis, Baumaschinen,Stadtbussen, Reisebussen, Lastwagen und Eisen-bahnen.

Insbesondere China strebt eine schnelle Elektri-fizierung des Verkehrssektors an. Bereits 2016verfügt China über 500.000 Elektrofahrzeuge undPlug-in-Hybride [30]. Bis 2025 will die chinesi-sche Regierung den Anteil an E-Fahrzeugen auf7 Mio. steigern. Laut dem Vorstandsvorsitzendenvon BYD, Wang Chuanfu, will China den Ver-kehr im Land bis 2030 vollständig elektrifizieren.Öffentliche Busse könnten bis 2020 vollständigelektrifiziert sein, Lkw und Sonderfahrzeuge bis2025. Als problematisch könnten sich die derzeitfehlenden Batterien herausstellen. Experten er-warten hier bis 2020 einen Engpass.

Japan hat bei der Weltklimakonferenz 2015 inParis verkündet, bis 2030 einen Marktanteil von20 % bis 30 % für Elektroautos und Plug-in-Hybride anzustreben.

Ein Schwerpunkt der japanischen Aktivitätenliegt bei der Einführung von Wasserstoffantrie-ben. Schon frühzeitig hat Japan Bestrebungen un-terstützt, Wasserstoff als Energieträger zu för-dern. Unter anderem will die Regierung von To-kyo, das Tokyo Metropolitan Government(TMG), mit einem Investitionsvolumen von348 Mio. US$ die Errichtung von Tankstellenund anderer H2-Infrastrukturelemente bis 2020,dem Jahr der olympischen Spiele, fördern [31].

Aus Sicht des japanischen METI (Ministry ofEconomy, Trade and Industry) bestehen bei denKäufern drei Vorbehalte gegen Elektroautos: derhohe Preis, die geringe Reichweite und die nied-rige Zahl von Ladestationen. Hier setzt die staat-liche Förderung an. Der hohe Preis wird durchden teilweisen bis vollständigen Verzicht aufSteuern für Elektroautos verringert. Durch Sub-ventionen sinkt der Kaufpreis um durchschnitt-lich 5 %.

Zur Steigerung der Reichweite werden die Auto-hersteller ermutigt, leistungsfähigere Batterien zuentwickeln. Der Staat unterstützt dies, indem dieSubvention für den Kaufpreis mit der Reichweitesteigt. Für jeden Kilometer Reichweite zahlt derStaat 1.000 Yen (7,40 Euro).

In Bezug auf die Ladeinfrastruktur fördert dieRegierung den Bau von Ladestationen mit über55 Mrd. Yen (407 Mio. Euro). Die regionalenPräfekturen stellen ebenfalls Gelder dafür bereit.Ende März 2017 waren bereits rund 40.000 La-destationen verfügbar [32]. Zusätzlich will dieStadtregierung der Hauptstadt Tokio ab diesemJahr den Bau von Ladestationen für Apartment-blocks und Hochhäuser subventionieren.

USA: Obwohl die Administration unter PräsidentDonald Trump den Klimawandel bezweifelt undhöhere CO2- und Stickoxidemissionen für US-Neuwagen zwischen 2022 und 2025 erlaubt [33],sprechen sich dutzende US-Städte für die Reduk-tion der Treibhausgasemissionen und für mehrKlimaschutz aus.

Dreißig Städte, darunter auch New York City undChicago wollen in den kommenden Jahren insge-samt 114.000 Elektrofahrzeuge im Wert von10 Milliarden US-Dollar für den städtischen Ein-satz anschaffen. Dazu zählen Polizeifahrzeuge,Straßenkehrmaschinen oder Müllwagen. Die Zahlder Bestellungen entspricht rund drei Viertel desgesamten Elektroautoabsatzes in den USA imvergangenen Jahr.

Nach Aussagen des Umweltbeauftragten von LosAngeles werden die Städte weiterhin führend seinbeim Umgang mit dem Klimawandel, unabhän-


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gig von Entscheidungen der US-Regierung. LosAngeles begann bereits Ende 2015 im Verbundmit drei anderen Städten mit den Anfragen nachElektroautos. Ursprünglich lautete die Anfrageauf 24.000 Elektroautos, seither haben sich 26andere Städte angeschlossen.

Weitere Unterstützung erhält die Elektromobilitätdurch eine Kampagne von 16 Autoherstellern und7 US-Bundesstaaten [34]. Sie investieren1,5 Mio. US$ für Anzeigen wie „Drive Change,Drive Electric“, mit denen die Vorzüge vonElektroautos herausgestellt werden. Zu den Au-tobauern gehören Daimler, BMW, Volkswagen,Toyota und General Motors, zu den Bundesstaa-ten zählen u.a. Connecticut, Massachusetts undNew York. Trotz hoher Investitionen der Auto-bauer läuft der Absatz bisher aber eher zögerlich.

Wertschöpfung

Deutschland ist in der Automobilindustrie mit extremhoher Fertigungstiefe und kompletter Wertschöp-fungskette vertreten. Diese Situation könnte sich beimEinsatz von BEV tiefgreifend ändern, da derzeit dieBatteriefertigung vorrangig in den USA und in asiati-schen Ländern etabliert ist.

Im Bereich der elektrotechnischen Komponenten hatauch Deutschland hervorragende Kompetenzen. Offenist die Situation bei der Fertigung von Brennstoffzel-len. Hier hat die Automobilindustrie lange auf kanadi-sches Know-how zurückgegriffen, dabei aber auchstets parallele Entwicklungen vorangetrieben. InNordamerika und Japan haben sich Hersteller vonBrennstoffzellenstapeln schon etablieren können, inDeutschland wird mit „Autostack Industrie“ ein Pro-jekt zur Vorbereitung der Massenfertigung im Rah-men des NIP gefördert (Daimler, VW, Ford und ande-re Partner).

Brennstoffzellenelektrische Antriebe umfassen imWesentlichen die Baugruppen elektrische Antriebemit Elektromotor, Leistungselektronik, Pufferbatterie,Stromerzeugung mit dem Brennstoffzellenstapel,Peripheriekomponenten für Anodenversorgung (Was-serstoff), Kathodenversorgung (Luft), Kühlung undStromeinspeisung in den Fahrzeugzwischenkreissowie den Wasserstoffspeicher einschließlich Sicher-heits- und Betankungsvorrichtungen.

Jede dieser Baugruppen umfasst wiederum eine grö-ßere Zahl von Bauteilen, für deren Herstellung zumTeil spezielle Materialien benötigt werden, sodasssich analog zur heutigen Antriebstechnik eine struktu-rierte Wertschöpfungskette aufbauen lässt. Dabei gibtes gerade im Bereich der Material- und Komponen-tenzulieferer schon eine Reihe aktiver Unternehmen

in Deutschland und Europa. Für Europa zeigt diesz. B. die vom „Fuel Cell and Hydrogen Joint Under-taking“ recherchierte Übersicht zur Wertschöpfungs-kette von Brennstoffzellensystemen [35]. In der Erhe-bung gaben fast 50 Unternehmen an, im BereichBrennstoffzellenfahrzeuge außer Brennstoffzellenbus-se aktiv zu sein, davon ca. 15 als Fahrzeugintegrator.Im Bereich der Brennstoffzellenbusse gibt es mitinsgesamt mehr als 80 aktiven Firmen sogar nochmehr Marktteilnehmer, wovon sich mehr als 30 alsFahrzeugintegratoren bezeichnen.

Der Brennstoffzellenbranchenführer Deutschland2018 der Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzellen imVDMA [36] listet insgesamt 57 aktive Unternehmenund Einrichtungen im Bereich der Brennstoffzellenunabhängig von der Anwendung. Diese haben gemäßden dort aufgeführten Ergebnissen einer Industriebe-fragung im Jahr 2017 einen Umsatz in Deutschlandvon 190 Mio. Euro erzielt.

Besonders stark sind Deutschland und Europa imBereich der Komponenten und Materialien aufgestellt.So hat eines der führenden Unternehmen für Elektro-katalysatoren seinen Hauptsitz in Europa und zweiweitere bedeutende Hersteller sitzen in Deutschland.Ebenso sitzt ein weltweit führender Hersteller vonElektrolytmembranen in Europa. Europaweit gibt esweiterhin mehrere Hersteller von Membran-Elektrodeneinheiten, von denen ein führender Herstel-ler seinen Sitz in Deutschland hat. Gleiches gilt fürBipolarplatten und Dichtungstechnik. In den letztenJahren haben sich in Europa darüber hinaus mehrereZulieferer für Brennstoffzellenstapel für den automo-bilen Antrieb etabliert. Maßgeblich waren hier sicher-lich die Autostack- und Auto-Stack-Core-Aktivitätendes „Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking“(FCH-JU), die aktuell im Rahmen des von Bundesmi-nisterium für Wirtschaft und Energie finanziertenVorhabens „Autostack Industrie“ weitergeführt wer-den. Gleichfalls stark vertreten ist die Industrie imBereich Tank- und Hochdrucktechnologie.

Insgesamt bieten brennstoffzellenelektrische Antriebefür Deutschland und Europa das Potenzial, einenhohen Anteil der Wertschöpfung darstellen zu kön-nen, mit entsprechenden Auswirkungen z. B. auf denArbeitsmarkt. Derzeit sind keine Bauteile oder Kom-ponenten bekannt, für die bereits eine marktdominie-rende Stellung nicht europäischer Firmen etabliertwäre. Allerdings ist die Produktionskapazität weltweitauch noch sehr beschränkt, da es im Gegensatz zurBatterie, wo Zellen z. B. auch im großen Umfang fürden IKT- und Verbrauchermarkt produziert werden,für die meisten Brennstoffzellenkomponenten keinealternativen Absatzmärkte gibt.


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4.2 Tanken und Reichweite

Kernaussagen

Wasserstoff erlaubt schnelles Tanken beiweltweit einheitlichen Tanksystemen.

Die Wasserstoffvollbetankung von FCEV istmit 3 min bis 5 min vergleichbar mit derheutigen Fahrzeugbetankung. Auch bei Einsatzvon Schnellladestationen dauert dasNachladen von BEV ca. 20 min bei einerBegrenzung der Ladung auf 80 % derBatteriekapazität (SOC).

FCEV verfügen nach aktuellemEntwicklungsstand gegenüber BEV über einegrößere Reichweite bei gleichzeitig größererNutzlast und ermöglichen das Heizen imWinter ohne signifikante Reichweitenredu-zierung.

Batteriefahrzeuge nutzen derzeit die eingesetz-te Primärenergie um etwa den Faktor 2 effizi-enter als Brennstoffzellenfahrzeuge. Die Spei-cherwirkung von Wasserstoff und der damitmöglicherweise deutlich geringeren Abrege-lung von Stromquellen aus erneuerbaren Ener-gien wird dabei nicht berücksichtigt.

Den grundsätzlichen Aufbau von Batterie- (BEV) undBrennstoffzellenfahrzeugen (FCEV) beschreibtBild 3. Wie aus der Darstellung hervorgeht, besitzenauch Brennstoffzellenfahrzeuge Batterien, wenn auchmit deutlich kleinerer Kapazität. Sie ermöglichen u.a.eine Rückgewinnung der Bremsenergie [37].

Für eine Entscheidung zu Gunsten eines der beidenSysteme sind neben den Anschaffungskosten La-deprozess, Reichweite, Effizienz der gesamten Ener-

giekette, Haltbarkeit sowie Betriebsfähigkeit in ext-remen Bedingungen (Frost, Hitze) relevant. Für eineGesamtbetrachtung sind zusätzlich der Aufwand fürdie benötigte Infrastruktur und eine Lebenszyklusbe-trachtung von Bedeutung.

Wasserstoffbetankung im Vergleich zurBatterieladeinfrastruktur besser mitheutigen Tankgewohnheiten vereinbar

In Bezug auf den Tank- bzw. Ladeprozess weisenFCEV und BEV deutliche Unterschiede auf:

Der Tankvorgang von FCEV-Pkw ist innerhalbvon 3 min bis 5 min abgeschlossen, bei Nutzfahr-zeugen sind ca. 10 min zu veranschlagen. Gegen-über dem gewohnten Tankprozess ergeben sichdamit nur minimale Unterschiede (Bild 4) [38].

Im Vergleich zur H2-Betankung werden bei BEVselbst beim Schnellladen an Batterieladeeinrich-tungen 3-mal bis 5-mal längere Ladezeiten erwar-tet. Je Ladestandort ist deshalb eine größere Zahlan Stellplätzen mit Ladeeinrichtungen vorzuse-hen, um die gleiche Betankungskapazität zu er-reichen. Zusätzlich kann aufgrund des in diesemFall nicht steuerbaren Ladens und der hohen not-wendigen Anschlussleistungen ein Netzausbauerforderlich sein.

Beim Übernachtladen ist bei einem gesteuertenLaden von einer Reduzierung des Ausbaubedarfsan Netzkapazität auszugehen. Die Integration istin diesem Falle in hohem Maße von reservierba-ren Stellplätzen für Batteriefahrzeuge abhängig,da diese mit unterschiedlich hohem Aufwand anLademöglichkeiten ausgestattet werden müssen.

Bild 3. Prinzip von BEV (links) und FCEV (rechts) (Quelle: Forschungszentrum Jülich)


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Bild 4. H2-Betankung und Laden von Elektrofahrzeugen (Quelle: H2Mobility)

Bild 5. H2-Betankung (Quelle: H2Mobility)

FCEV

Das Tankverhalten von FCEV entspricht dem konven-tioneller Fahrzeuge. Der Tankprozess erfolgt mithilfespezieller Zapfvorrichtungen, vergleichbar mit Ben-zin- oder Diesel-Tanksystemen (Bild 5) [39].

Die Tankstellenkonzeptionen für FCEV gehen voneiner Bevorratung des Wasserstoffs bei Drücken von900 bar bis zu 1000 bar aus; für die Fahrzeuge selbstist ein Speicherdruck von ca. 700 bar vorgesehen. Dieerforderlichen Fülleinrichtungen (Dispenser, Bild 5)haben im Rahmen größerer Demonstrationsvorhabenihre Alltagstauglichkeit bewiesen, u.a. beimHyFLEET:CUTE Projekt der Europäischen Kommis-sion [40] und im Rahmen der Clean Energy Part-nership (CEP) [41]. Zu berücksichtigen ist, dass beider Betankung ein kleinerer Teil des Gases (Gasauf-kommen im Tankrohr) nach Abschluss des Tankvor-

gangs abgelassen wird. Dieser Verlust hängt von derjeweiligen Bauart des Dispensers ab und beträgt typi-scherweise 7 g bis 10 g, das heißt rund 0,3 kWh(0,07 %).

Die H2-Speicherung an Bord der Fahrzeuge erfolgt inder Regel gasförmig (CH2), bei Pkw bei einem Druckvon 700 bar, bei Zügen, Lkw, Bussen und Gabelstap-lern hauptsächlich bei 350 bar. Für Schiffe, Flugzeu-ge, Züge oder auch Lkws scheint alternativ auch eineWasserstoffspeicherung in flüssiger Form (LH2) mög-lich, was der Reichweite zu Gute käme (Bild 6) [42].

BEV

Im Gegensatz zu FCEV ist bei BEV von einer deut-lich längeren Ladezeit auszugehen. Diese ist abhängigvon der zur Verfügung stehenden Ladeinfrastruktur,der im Fahrzeug verbauten Batteriekapazität und dem


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Ladeumrichter im Fahrzeug bei AC-Ladung bzw. DC-Schnellladung. Das vollständige Laden dauert, je nachLadeleistung, zwischen 20 min (DC-Schnellladungbis 80 % Batteriekapazität) und mehreren Stunden.

Die Ladung von BEV erfolgt entweder mit AC- oderDC - Ladestationen. Bei AC-Ladestationen sind dieLadegeräte in den Fahrzeugen verbaut, wobei bei 1-phasigen Systemen die Ladeleistung max. 3,7 kWbeträgt, bei 3-phasigen Systemen bis zu 22 kW. AlsLadeeinrichtungen kommen entweder einfache La-destationen wie Wallboxen oder Ladesäulen infrage.Die Ladezeiten variieren hierbei abhängig von derLadeleistung und dem Aufladungsgrad sowie derBatteriekapazität.

Bei Hausanschlüssen und Ladeleistungen von bis zu11 kW ist selbst bei relativ kleinen Batteriekapazitä-ten (z. B. Nissan Leaf mit 30 kWh-Akku) von etlichenStunden Ladezeit für eine Vollladung auszugehen.Wie Bild 7 für das Tesla Modell S zeigt, ist bei einer85-kWh-Batterie bei Einsatz von Wallboxen undLadesäulen und kleinen Ladeleistungen (2,3 kW bis3,7 kW) für eine Vollladung von einer Ladezeit von37 h bis 23 h auszugehen. Bei größeren Ladeleistun-gen (11 kW bis 22 kW) liegt sie immer noch bei 8 hbis 4,5 h. Im Vergleich hierzu liegt die H2-Tankzeitbei Pkw zwischen 3 min und 5 min. Zu berücksichti-gen ist in diesem Zusammenhang, dass Pkw inDeutschland im Schnitt 95 % ihrer Zeit stehen unddort, wo sie stehen, oftmals ein Netzanschluss zurVerfügung steht.

Bild 6. Energiegehalt (MJ/l) von flüssigem und gasförmigem Wasserstoff bei unterschiedlichen Drücken(Quelle: ZBT GmbH)

Bild 7. Dauer eines kompletten Ladezyklus‘ (Batteriekapazität 85 kWh) für Tesla Modell S(Quelle: Inecs GmbH in Anlehnung an [44])


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Größe und Gewicht sprechen gegen Onboard-Lade-leistungen größer 22 kW. Daher kommen zunehmendöffentliche DC-Schnellladestationen zum Einsatz. Siestehen z. B. an Autobahntankstellen und verfügen überverschiedene Anschlussmöglichkeiten (Triple-Charger),sodass sowohl AC-Ladung und DC-Schnellladunggleichermaßen möglich sind (Bild 8) [45].

Bild 8. Ladestation Typ 2 (AC) – CHAdeMO (DC)– Combo-2 (DC) (Quelle: DEW21)

Bei hohem Reichweitenbedarf sprechen die langenLadezeiten für die Errichtung von DC-Schnellade-einrichtungen, mit denen sich die Ladezeiten drastischreduzieren lassen. Das weltweite Aufkommen anLadeinrichtungen spiegelt dies wider. 2016 gab esweltweit über 200.000 öffentliche Standardladestatio-nen und über 100.000 Schnellladeeinrichtungen, da-

von knapp 17.000 bzw. 1.500 in Deutschland [15]. Zuberücksichtigen ist, dass höhere Entlade- und Ladera-ten sowie höhere Entladetiefen tendenziell zu erhöh-ten Degradationsraten der Batterien führen, die wiede-rum eine Vergrößerung der Batteriekapazität nachsich ziehen kann [46].

Die Ladeleistung von DC-Schnellladestationen be-trägt derzeit 50 kW oder auch mehr, in Zukunft sollenbis zu 350 kW verfügbar sein. Das entspricht einemLadestrom von 350 A bei einer Ladespannung von1000 V. Die hohen Ladeströme führen zu einer höhe-ren Erwärmung des Ladekabels. Eine Möglichkeit zurReduzierung des daraus resultierenden Wirkungs-gradverlusts besteht in der Kühlung des Ladekabels.Nicht zu vernachlässigen ist die Handhabbarkeit desLadekabels aufgrund des für die hohen Ströme erfor-derlichen hohen Leiterquerschnitts.

Bei Ladezeiten von ca. 20 min und 350 kW Ladeleis-tung wären damit Reichweiten von mindestens300 km möglich. Zu berücksichtigen ist jedoch, dassdie maximal mögliche Ladeleistung vom aktuellenLadezustand (SOC, engl. state of charge), von derAlterung (state of health), der Zelltemperatur undweiteren Faktoren der Batterie und des Fahrzeugsabhängt. So wird die Ladeleistung oberhalb von 80 %SOC gedrosselt, um die Batterie zu schonen.

Tabelle 2 beschreibt für verschiedene Elektrofahrzeu-ge die AC- und DC-Ladeleistungen und Ladeverfah-ren [47]. Zu berücksichtigen ist, dass die hier angege-benen Ladeleistungen, abhängig vom Ladezustand derBatterien und Netzanschluss, nicht immer erreichtwerden. Weiterhin ist zu beachten, dass die Angabenzu 1-phasigen Ladeleistungen von 6,6 kW und mehrnur für den amerikanischen und asiatischen Marktgültig sind.

Tabelle 2. Batteriekapazitäten sowie AC- und DC-Ladeleistungen und Ladeverfahren verschiedenerBatteriefahrzeuge (BEV) [47]

Fahrzeug/Hersteller Reichweite

(NEFZa)/WLTPa))

Kapazität

in kWh

Verbrauch

in kWh

AC-Laden

in kW

AC (Phasen) DC-Laden

in kW

Tesla Model S 100D d) 632 100 n.A. 11 (16,5 c)) 3 120

Tesla Model X 100D d) 565 100 n.A. 11 (16,5 c)) 3 120

Opel Ampera-e 520 60 n.A. 7,2 1 50

Renault Zoe Z.E. 40 d) 400 41 n.A. 22 (43c)) 3 –

VW e-Golf 300 35,8 12,7 3,6 (7,2) 1 (2) 40

BMW i3 (94 Ah) 290 33 13,6 3,6 (11 c)) 1 (3) 50

BMW i3s (94 Ah) 280 33 14,3 3,6 (11 c)) 1 (3) 50

Hyundai Ioniq 280 28 11,5 6,6 1 70

Renault Kangoo b) 270 33 n.A. 7 1 –


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Tabelle 2. Batteriekapazitäten sowie AC- und DC-Ladeleistungen und Ladeverfahren verschiedenerBatteriefahrzeuge (BEV) [47] (Fortsetzung)

Fahrzeug/Hersteller Reichweite

(NEFZ a)/WLTP a))

Kapazität

in kWh

Verbrauch

in kWh

AC-Laden

in kW

AC (Phasen) DC-Laden

in kW

Nissan Leaf 285 (WLTP) 40 19,4 6,6 1 50

Ford Focus 225 33 16,4 6,6 1 50

Kia Soul EV 250 30 14,3 6,6 1 70

Mercedes B250 e 200 28 16,6 11 3 –

Citroen Berlingo L1b) 170 22,5 17,7 3,6 1 50

Nissan e-NV200 Evalia 280 40 16,5 6,6 1 50

Peugeot Partner Tepee 170 22,5 n.A. n.A. 1 50

Peugeot Partner L1b) 170 22,5 17,7 3,6 1 50

Nissan e-NV200b) 280 40 16,5 6,6 1 50

smart ed fortwo 160 17,6 12,9 4,6 (22 c)) 1 (3) –

VW e-up! 160 18,7 11,7 3,6 1 40

Mitsubishi EV 160 16 13,5 3,6 1 50

smart ed forfour 155 17,5 13,1 4,6 (22 c)) 1 (3) –

Citroen C-Zero 150 14,5 12,6 3,6 1 50

Peugeot iOn 150 14,5 12,6 3,6 1 50

Renault Twizy 100 6,1 n.A. 2 1 –

Citroen Berlingo Multispace 170 22,5 n.A. n.A. n.A. n.A.

e.GO Life 60d) 194 23,9 11,1 3,6 1 –

smart ed fortwo cabrio 155 17,6 13,1 4,6 (22c)) 1 (3) –

Citroen E-Mehari 195 30 n.A. n.A. 1 –

Jaguar I-Pace 480 (WLTP) 90 21,2 7 1 100

Hyundai Kona Bektrod) 482 (WLTP) 64 14,3 7,2 1 –

a) NEFZ: Neuer Europäischer Fahrzyklus; WLTP: Worldwide Harmonized Light-Duty Test Procedureb) Transporter/Gewerbefahrzeuge (bisher Ausnahme) – Kangoo und Partner mit größerem Ladevolumen verfüg-

bar im Konfiguratorc) optional/aufpreispflichtig, Renault in DE nicht verfügbard) größere Batterie ausgewähltn.A. nicht angegeben

Neben kabelgebundenen Ladeeinrichtungen wird dieEntwicklung induktiver Ladeeinrichtungen in Erwä-gung gezogen. Zwei Spulen – je eine in der Parkflä-che und im Fahrzeugboden – werden hierzu benötigt,wobei eine exakte Positionierung der Fahrzeuge überder Primärspule in der Parkfläche für eine effizienteÜbertragung erforderlich ist. Ziel ist, bei der Energie-übertragung einen Wirkungsgrad von > 95 % zu er-reichen. Zukünftig könnte auch eine Ladung währendder Fahrt, z. B. über eine gesonderte Spur auf derStraße, möglich sein [49]. Dies setzt jedoch erhebli-che Investitionen in den Ausbau der Straßen voraus.

Weltweit einheitliche Steckverbindung

Eine breite Nutzerakzeptanz der Elektromobilität setzteinheitliche Standards voraus. Dies ist zumindest fürdie reine batterieelektrische Mobilität derzeit nochnicht in allen Bereichen gegeben.

FCEV

Für die H2-Betankung besteht weltweit ein einheitli-cher Standard. Auf Basis der Druckstufen von 350 barund 700 bar sind für die Betankung der FCEVs welt-


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weit gleiche Tanksysteme verfügbar. Landesspezifi-sche Anpassungen in Bezug auf die Ausführung derTank- und Zapfstellen sind nicht erforderlich.

BEV

In Bezug auf BEV sind die Ladeanschlüsse bishernicht einheitlich. Unterschiede im BEV- und PHEV-Segment bestehen sowohl im Bereich der Ausgangs-bzw. Ladeleistung als auch des elektrischen An-schlusses (Steckertyp). Von der EU wurde im Rah-men einer Richtlinie das Combined Charging System(CCS) als Standard verbindlich festgelegt (inDeutschland in der Ladesäulenverordnung festge-schrieben). Daneben gibt es noch den CHAdeMO-Standard, insbesondere japanische und französischeFahrzeuge sind mit diesem System ausgerüstet. DerNachteil ist, dass diese Systeme untereinander nichtkompatibel sind. Daher werden die öffentlichen La-destationen heute mit mehreren Stecksystemen ausge-rüstet (Bild 9).

Allein für AC-Ladestationen gibt es drei unterschied-liche Steckertypen. Die zulässige Ladeleistung variiert

vom AC-Hausanschluss (230 V oder Drehstrom) zumDC-Schnelllader. Weiterhin unterscheiden sich dieTypen nach den Absatzmärkten sowie in Bezug aufdie Hersteller (Bild 9).

FCEV verfügen über größere Reichwei-ten bei gleichzeitig größerer Nutzlast

Der Kraftstoffverbrauch bei Elektrofahrzeugen wirdanalog zum Verbrennungsmotor in der Regel pro100 km Fahrstrecke angegeben. Diese Kennzahl wirdauch in dieser Studie für die FCEVs und BEVs ver-wendet.

FCEV

Kennzeichnend für FCEV ist der Umstand, dass Leis-tung und Energiespeicherung entkoppelt sind. Mit derGröße des Tanks nimmt die Reichweite zu. FCEVsind entsprechend in Bezug auf die Reichweite ver-gleichbar mit konventionellen Fahrzeugen. Mit nor-malen 700 bar H2-Tanks lassen sich Distanzen von800 km überbrücken [50].

Bild 9. Überblick über die verschiedenen BEV – Steckertypen und zugehörigen Standards(Quelle: PHOENIX CONTACT)

1) Der Typ-1-Standard für Nordamerika sieht keinen infrastrukturseitigen Ladestecker vor. In Europa wirdfür diesen Fall ein Adapterkabel eingesetzt, das fahrzeugseitig aus einem Typ-1-Ladestecker und infra-strukturseitig aus einem Typ-2-Ladestecker besteht.


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BEV

Die Reichweite von BEVs ist von der Kapazität derBatterie abhängig: Je größer die Kapazität der Batterieist, desto größer ist die Reichweite in km [51]. Hierbeiist zu berücksichtigen, dass im Unterschied zu FCEVsbei BEVs die in der Batterie gespeicherte Energie mitder Leistung korreliert.

Typische Reichweite

FCEV und BEV haben ihre technische Alltagstaug-lichkeit vielfach bewiesen. Das Fahrverhalten ist mitdem konventioneller Automatikfahrzeuge vergleich-bar. Die Kaltstartfähigkeit ist bei allen ZEV keinProblem. Für FCEV gehen die Hersteller davon aus,dass eine Außentemperatur von mindestens –20 °Ckein Problem darstellt. Für die Fahrzeuge von Toyotaund Hyundai werden sogar –28 °C genannt.

Im Rahmen des Schaufensters Elektromobilität derBundesregierung wurden diverse Fahrzeuge vergli-chen. Hierbei zeigte sich, dass Fahrzeuge der Ober-klasse mit einer Batteriekapazität von 85 kWh Distan-zen von 390 km überbrücken können. Bei Kleinwagenmit überwiegender Nutzung im Stadtverkehr werdendeutlich kleinere Batteriekapazitäten verbaut. Dieerreichbare Distanz liegt dann üblicherweise bei etwa100 km.

Insbesondere bei Fernstrecken bieten wasserstoffver-sorgte Systeme Reichweitenvorteile, da andernfallssehr große und schwere Batterien erforderlich wären.Vergleichbares gilt auch für die Fähigkeit, Nutzlast zutransportieren. Weiterhin verlieren FCEV bei größe-ren und schwereren Fahrzeugen mit einem höherenEnergieverbrauch weniger Nutzlastkapazität als die

BEV. Ab einem bestimmten Energiebedarf sind auchdie Gesamtkosten für Energiespeicher und -wandlerbei FCEV niedriger. Grund hierfür ist, dass sowohlGewicht als auch Kosten des Wasserstofftanksystemsmit steigendem Energieinhalt nicht so steil ansteigenwie Gewicht und Kosten der Batterien [52].

Als Herausforderung in Bezug auf BEV und FCEV istbei den Speichersystemen die Zunahme der gravimet-rischen Energiedichte (speicherbare Energiemengebezogen auf das Tankgewicht in %) zu werten. Bezo-gen auf einen typischen 700-bar-Tank für 4 kg H2 bis5 kg H2 liegt heute die gravimetrische Energiedichtebei 7 % [53], entsprechend einem Tankgewicht von57 kg bis 72 kg. Zum Vergleich hierzu liegen für diein Pkws üblichen Lithium-Ionen-Batteriesysteme dievolumetrischen und gravimetrischen Energiedichtenbei ca. 100 Wh/l bis 250 Wh/l bzw. 60 Wh/kg bis140 Wh/kg [52]. Bild 10 unterstreicht den Unter-schied zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren [54].Trotz Effizienzvorteilen der Brennstoffzelle und ins-besondere der Batterie gegenüber herkömmlichenVerbrennern ist bei gleicher Reichweite für das kom-plette Energiespeichersystem (Batterie oder H2-Tank)von einem höheren Gewicht auszugehen. Dies giltinsbesondere für Batteriesysteme.

Ein direkter Vergleich der reinen Verbrauchskennzah-len von BEV und FCEV erscheint schwierig, da dieam Markt verfügbaren Batterie-Fahrzeugmodelle wiedas meistverkaufte BEV, der Nissan Leaf, tendenzielleher dem klein- bis mittelgroßen Fahrzeugbereichzuzuordnen sind, die Brennstoffzellen-Fahrzeug-modelle dagegen eher dem (mittel-)großen bis SUV-Bereich. Ferner sind die Umwandlungsverluste –insbesondere bei der Wasserstoffherstellung – zuberücksichtigen, um die gesamte Effizienzkette abzu-bilden.

Bild 10. Gravimetrische Energiedichte von verschiedenen Tanksystemen (Quelle: Shell)


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Tabelle 3. Vergleich typischer Kennzahlen repräsentativer FCEV und BEV [55] (Quelle: UniversitätHannover)

Grö-ßen-klasse

Motorin kW

Tank-volumenLeer-gewichtin kg

Reich-weite inkm nachEPA

VerbrauchPKW inkWh/100km

Verbrauch inkWh/100km bezogenauf das Stromnetz

ToyotaMirai mittel 113

H2: 165 kWhH2

Batt.: 1,6 kWhel1850 502 33,33 kWhH2 56-67

TeslaModel S

groß 235 Batt.: 75 kWhel 2108 401 21,12 kWhel 24-27

NissanLeaf

mittel 80 Batt.: 30 kWhel 1573 172 16,77 kWel 19-22

Tabelle 3 vergleicht drei typische ZEVs, wobei derBerechnung der Verbrauchswerte die Effizienzwerteaus Bild 12 zugrunde liegen. Von den Produkteigen-schaften, allen voran Reichweite und Komfort, sindam ehesten der Toyota Mirai und der Tesla Model S(75 kWh) vergleichbar, obwohl der Mirai wie alleanderen FCEVs bisher nur im Kleinserienmaßstabgefertigt wird. Die Verbrauchswerte machen deutlich,dass die Belastungen auf Stromerzeugerseite für dieFCEVs inklusive Wasserstoffherstellung mit 56 kWhbis 67 kWh pro 100 km (EPA-Fahrzyklus) in etwa2,3-mal so hoch sind wie für die reinen Batteriefahr-zeuge. Eine Nutzung von Elektrolyseur- und Brenn-stoffzellenabwärme würde sich positiv auf die Bilanzder Wasserstoffoption auswirken und einen Teil desEffizienzvorteils der Batterie kompensieren.

Reichweite von FCEV weitgehend unab-hängig von Umweltbedingungen und na-hezu konstant über die Lebensdauerdes Fahrzeugs

Als positiver Faktor von FCEV ist der geringere Ein-fluss von Umweltbedingungen auf die Reichweite zuwerten. Hohe oder niedrige Temperaturen haben nurgeringe Auswirkungen auf das Betriebsverhalten derBrennstoffzelle. Niedrige Temperaturen bedingenlediglich längere Aufheizzeiten bis zur optimalenBetriebstemperatur und gegebenenfalls einen höherenVerbrauch der Nebenaggregate. Ein Fahrzeug derEnergieagentur NRW (Daimler B-Klasse F-Cell) z. B.hat tendenziell im Winter einen Mehrverbrauch von10 %, im Sommer –10 % relativ zum Mittelwert von1,09 kg H2/100 km bei 85.000 gefahrenen km.

Im Unterschied hierzu reagieren Lithium-Ionen-Batterien auf niedrige und höhere Temperaturen(< 10 °C und > 40 °C) sensibel, sodass einerseits dienutzbare Kapazität sinkt und andererseits von einembeschleunigten Alterungsverhalten auszugehen ist.

Für die praktische Eignung eines Systems sind wei-terhin Aussagen zur Lebensdauer von Interesse. Dabei Batterien und Brennstoffzellen elektrochemischeProzesse zum Tragen kommen, stellt sich in beidenFällen eine Alterung (Degradation) ein.

FCEV

Bei Brennstoffzellen kommt es abhängig von derBetriebszeit u.a. als Folge von Verunreinigungen derKatalysatorschichten der MEA (Membrane ElectrodeAssembly) zu einem Abfall der Effizienz, das heißt zueiner Degradation. Mit neuen Luftfiltertechnologienund intelligenten Betriebsstrategien soll dieser Effektweiter reduziert werden. Aus heutiger Sicht ist vonmindestens 4.000 Betriebsstunden für marktgängigeSysteme auszugehen. Entwicklungsziel ist eine mitkonventionellen Fahrzeugen vergleichbare Lebens-dauer von etwa 7.000 Betriebsstunden. Im realenFahrbetrieb konnten Brennstoffzellen-Busse bereitsDOE-Ziele von 20.000 Fahrstunden [9] bzw. 25.000Fahrstunden [10] erreichen.

Die Leistung der Brennstoffzelle degradiert im Fahr-zeugbetrieb mit steigender Betriebszeit. Dadurchverschlechtert sich der Verbrauch zum Ende der Le-bensdauer. Eine aussagekräftige Datenbasis für einequantitative Aussage zu dieser Verbrauchserhöhungist aufgrund der geringen Flottengrößen (noch) nichtvorhanden. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf.

BEV

Die Reichweite der BEV ist eine Funktion der Le-bensdauer der Batterie. Da es elektrochemisch bedingtzu einer Alterung der Batterie über die Laufzeitkommt, wird hierdurch die Batteriekapazität negativbeeinflusst. Die Reichweite nimmt entsprechend ab.

Batterien weisen ein komplexes Alterungsverhaltenauf. Bei hohen und niedrigen Temperaturen, hohen


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Ladezuständen sowie Lade- und Entladeraten ist voneiner beschleunigten Alterung und damit von einergeringeren Lebensdauer auszugehen. Vermeiden lässtsich dies zum Teil durch Kühleinrichtungen an Bord,wie sie z. B. bei Tesla zum Einsatz kommen. ZumErhalt der Batterieeigenschaften ist deshalb ein Batte-rie-Thermomanagement an Bord des BEV unerläss-lich. Weiterhin werden zur Optimierung des Betriebs-verhaltens intelligente Batteriemanagementsystemefür die unterschiedlichen Batterietypen entwickelt.

Belastbare Aussagen zum Alterungsverhalten vonBatterien sind nur von wenigen Herstellern verfügbar.Nach Aussagen des japanischen Herstellers Nissan sollder Akku des Elektroautos in den ersten fünf Jahrenoder über die ersten 100.000 Kilometer mindestens70 % seiner Ursprungskapazität behalten. Fällt derWert unter diese Grenze, ist die Batterie zu ersetzenoder zu überholen [56]. Für manche Nutzer wird ver-mutlich auch eine entsprechend reduzierte Reichweitefür den täglichen Mobilitätsbedarf ausreichen.

Betriebserfahrungen sprechen dafür, dass der La-deprozess großen Einfluss auf das Betriebsverhaltender Batterien hat. Insbesondere wirkt sich häufigesAufladen der Batterie bei tiefen Temperaturen negativauf die Lebensdauer von Li-Batterien aus. Auch eineKomplettentladung und anschließende Vollladung derBatterie (Durchführung von Volllastzyklen) hat einennegativen Einfluss auf das Alterungsverhalten. Vor-teilhaft für die Lebensdauer ist stattdessen ein Betriebder Batterie im mittleren Ladezustandsbereich, waspraktisch gesehen eine stark verringerte Reichweitebedeuten würde [57].

Heizen im Winter und Kühlen im Sommerbei FCEV ohne Batterieunterstützungmöglich

Die Beheizung und Kühlung von Elektrofahrzeugenerfordert im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugenbesondere Maßnahmen:

BEV beziehen die zum Heizen benötigte Energieaus der Batterie, was die Reichweite beeinträch-tigt. Im Winter wird wegen der elektrisch ver-sorgten Fahrzeugheizung ein Mehrverbrauch von30 % beobachtet [58]. Inwieweit sich dies mit in-novativen Lösungen – z. B. bessere Scheiben,Wärmeisolierung, effizientere Heizsysteme,Wärmepumpen [59] – kompensieren lässt, istderzeit noch in der Diskussion.

Bei FCEV reicht die verfügbare Abwärme derBrennstoffzelle für die Beheizung des Fahrzeugsim Normalbetrieb aus. Bei Bedarf kommt ergän-zend ein Heizsystem zum Einsatz.

In Bezug auf die Kühlung erfolgt bei FCEV undBEV der Antrieb des Klimaaggregats elektrisch.FCEV beziehen hierzu die Energie zum Antriebder Kälteanlage über die Brennstoffzelle aus demWasserstofftank. Eine Einschränkung der Fahr-möglichkeiten, wenn bemerkbar, ist mit der heu-tiger Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ver-gleichbar. BEV beziehen demgegenüber dieEnergie zum Antrieb der Kälteanlage aus der Bat-terie, sodass auch hier die Reichweite tangiert ist.

Effizienz von BEV größer als die vonFCEV

Der grundsätzliche Aufbau von FCEV und BEV wur-de bereits zu Beginn von Abschnitt 4.2 angesprochen.Da FCEVs wie BEVs über Batterien verfügen, istauch bei Brennstoffzellenfahrzeugen eine Rückge-winnung der Bremsenergie möglich.

In Bezug auf die Ladeverluste bei BEV gilt, dass sieu. a. von den Onboard-Ladegeräten oder den DC-Schnellladestationen sowie der Batterietemperaturabhängig sind.

Laut Siemens ist bei einer DC-Schnellladestation voneinem Wirkungsgrad von > 94 % bei einer Bemes-sungsleistung von 417 V/120 A auszugehen [62].ABB gibt ebenfalls einen Wirkungsgrad von 94 % beiNennausgangsleistung an [63]. Allerdings sind beidiesen Angaben nicht die Ladeverluste in Abhängig-keit von der momentanen Ladeleistung und der Batte-rietemperatur berücksichtigt. Bei Onboard-Ladegeräten kann ebenfalls von einem Wirkungsgradvon ca. 94 % bei Nennleistung ausgegangen werden.

Zusätzlich sind bei DC-Schnellladestationen noch dieStand-by-Verluste zu berücksichtigen. Wie von Pri-cewaterhouseCoopers [60] dargestellt, sind die Lade-verluste mit durchschnittlich 20 % des Energieeinsat-zes zu veranschlagen, nach dem Wuppertal-Institut[61] mit 10 % bis über 30 %.

Bild 11 zeigt die Abhängigkeit des Wirkungsgradsvon der Ladeleistung eines Onboard-Ladegeräts miteiner Nennleistung von 22 kW [64]. Inwieweit beiDC-Schnellladestationen von einem ähnlichen Ver-lauf ausgegangen werden kann, muss weiteren Erfah-rungen vorbehalten bleiben. Bei sehr hohen Ladeleis-tungen muss ggf. die Batterie gekühlt werden, wassich negativ auf die Gesamtenergiebilanz auswirkt.

Für einen Effizienzvergleich von FCEV und BEVfinden die in Bild 12 dargestellten schematischenProzessabläufe Verwendung. Sie beschreiben diekomplette Prozesskette von der elektrisch bereitge-stellten Energie (hier aus erneuerbaren Quellen) biszum Pkw-Endverbrauch für typische BEV- und


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FCEV-Pkws. Bei der Bewertung der Effizienzkette istzu berücksichtigen, dass zusätzliche Einflussgrößenwie Energiespeicher, Sektorenkopplung etc. (Ab-schnitt 4.3 und Abschnitt 4.4) hier keine Berücksich-tigung finden. Diese können die Effizienz des FCEV-Systems verbessern.

Die in der Darstellung unterstellten Werte basierenauf [65] und eigenen Annahmen/Erfahrungen. Zudemsind die jeweiligen Spannbreiten einiger relevanterProzesse zur besseren Veranschaulichung hinzuge-fügt, die sich aus verschiedenen Technologien, An-wendungen, Rahmenbedingungen (z. B. Außentempe-ratur) sowie Annahmen und Quellen ergeben. AufBEV-Seite gibt es vor allem relativ große Spannwei-ten zwischen tendenziell effizienteren Langsam- zuSchnellladestationen. Auf Wasserstoffseite gilt diesfür die Bereiche Elektrolyse sowie Komprimierungund Transport.

Für Batterien sprechen die höhere Effizienz und dereinfachere Aufbau der Systeme. Elektrische Energiewird über Ladestationen direkt in die Batterien gela-den und bei Bedarf zum Fahren abgerufen. Die Ge-samteffizienz des Fahrzeugs (ohne Berücksichtigungder Stromerzeugung und vorgelagerten Netze) wirddamit nur von den Verlusten in der Batterie beim

Laden und Entladen dominiert sowie von den Verlus-ten des jeweils eingesetzten Stromrichters. Die o.g.Netzverluste (Transmission) lassen sich bei Nutzungvon lokal erzeugtem EE-Strom (PV oder Wind) nochdeutlich reduzieren.

In Bild 12 werden typische Werte für die Verlustebeim Stromtransport, der Energieumwandlung undder Antriebstechnik berücksichtigt. Genauer undindividueller sind fahrzeugspezifische Verbräuche,die sehr stark vom Typ und vom gewählten Fahrzyk-lus abhängen. Dennoch lassen sich bereits Korrelatio-nen z. B. mit dem Fahrzeuggewicht erkennen, wie sieanhand von repräsentativen Modellen bereits in Ta-belle 3 dargestellt sind. Größenklasse, Reichweite undVerbrauch beziehen sich hierbei auf EPA [66], Tank-volumen und Batteriekapazität entsprechend denHerstellerangaben.

Diese Zusammenhänge spiegeln die folgenden Abbil-dungen zu Fahrzeugverbräuchen wider. Für verschie-dene Weglängen, Temperaturen und geclustert sinddie Verbräuche für ein BEV-Ford Focus Electric(Bild 13) sowie für ein FCEV-Toyota Mirai (Bild 14)dargestellt. Die Ergebnisse bestätigen, dass der Ener-gieverbrauch von BEV in hohem Maße von der Au-ßentemperatur abhängig ist.

Bild 11. Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Ladeleistung (Quelle: BRUSA Elektronik AG)

Bild 12. Elektrische Effizienzkette (Quelle: Universität Hannover)


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Bild 13. Mittlerer Energieverbrauch aller Ford–Focus–Electric-Fahrten (n = 21.097) in Abhängigkeit vonder Außentemperatur (Quelle: CologneEmobil II [67])

Bild 14. Toyota-Mirai-Übersicht Realverbrauch und Umgebungstemperatur (Quelle: Fraunhofer ISE)


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4.3 Infrastruktur

Kernaussagen

Durch Nutzung von großtechnisch produziertemWasserstoff und Erweiterung bestehenderTankstellenanlagen ist eine schnelle Anpassungder Wasserstoff-Infrastruktur möglich. Mittel-bis langfristig ist, wie bei der Ladeinfrastrukturfür BEV, von einem sukzessiven Ausbau derErzeugungs- und Transportsysteme auszugehen.

Durch die Vor-Ort-Speicherung von großenMengen Wasserstoff an der Tankstelle sindNachfragespitzen mit Vollauslastung derTankstelle unproblematisch.

Bei geringer Marktdurchdringung sind dieInfrastrukturinvestitionen für BEV geringer.Bei einer hohen Marktdurchdringung ist jenach Annahmen von geringeren Kosten für dieH2-Infrastruktur auszugehen.

Der H2-Transport erfolgt in der Regel mitLkw. Für die Zukunft bietet es sich bei einergrößeren Nachfrage an, vorhandene Erdgaslei-tungen durch Umrüstung für den exklusivenH2-Transport zu nutzen.

Die Bereitstellung von Flüssigwasserstoff(LH2) führt zu technisch einfacheren Tankstel-len, da die aufwendige Gasverdichtung, Vor-kühlung und Qualitätsanalysen entfallen kön-nen. Die beförderte H2-Menge in einem Trailerlässt sich auf 4 t (Faktor 3 bis Faktor 3,5 imVergleich zu druckförmigen Gastransport)steigern.

Die flächendeckende Einführung der Elektromobilitätsetzt den Aufbau einer entsprechenden Infrastrukturvoraus. Dies gilt im gleichen Maße für FCEV undBEV.

Kennzeichnend für FCEV ist, dass dem Tanken einUmwandlungsprozess vorgelagert ist. Er dient zurGewinnung des Wasserstoffs aus erneuerbarem Strommittels Wasserelektrolyse. Dieser Umwandlungspro-zess kann zentral erfolgen oder dezentral mittels klei-nerer Elektrolyseure im Tankstellenbereich.

Bei Batteriefahrzeugen ist demgegenüber die direkteNutzung von elektrischer Energie aus dem öffentli-chen Stromnetz möglich. Alternativ bietet sich zurNetzentlastung der Einsatz stationärer Speicher an,aus denen die BEV ihre Energie beziehen. Dies istaber mit Wirkungsgradeinbußen verbunden.

Verwendung von Wasserstoff erlaubtschnelle Anpassung der Infrastruktur

Der flächendeckende Einsatz elektrischer Fahrzeugesetzt zum Erreichen der Klimaziele die Nutzung er-neuerbarer Energien voraus. Mit der Entscheidung zurEnergiewende hat Deutschland hierfür die Vorausset-zungen geschaffen. Neben der verstärkten Nutzungerneuerbarer Energien und dem Ausbau der Hoch-spannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), die denStromtransport aus dem Norden in den SüdenDeutschlands ermöglicht, betrifft dies die Entwick-lung eines intelligenten Stromnetzes (Smart Grid).

Der Pfad über den chemischen Energieträger Wasser-stoff ermöglicht die Einbindung einer weiteren essen-ziellen Infrastruktur, die des Gasnetzes. Mit ca.20 GW Übertragungsleistung pro Leitung im Hoch-drucknetz ist sie deutlich höher als die des Stromnet-zes.

Mittels umfangreicher Informationssysteme, die denVerbrauchern über die jeweilige Strombeschaffungs-situation informieren, wird es möglich, auch nachfra-geoptimierte Stromangebote zur H2-Erzeugung undzum Laden der Fahrzeuge zu nutzen. Dies setzt je-doch neben entsprechenden Ladeeinrichtungen (Wall-boxen und Schnellladeeinrichtungen) geeignete Ab-rechnungsverfahren voraus.

FCEV

Der Vergleich von H2-Tankstellen und Ladestationenzeigt, dass die Tankleistung mit fast 3 MWH2 deutlichhöher ist als die von Schnellladestationen mit ca.350 kWel. In einer bestimmten Zeitdauer können deut-lich mehr FCEV pro Zapfsäule als BEV pro Lade-punkt versorgt werden. An einer Zapfsäule (Dispen-ser) können also in einer gewissen Zeitdauer vieleFahrzeuge nacheinander tanken. Zum Vergleich hier-zu wird bei BEV eine Vielzahl von Ladesäulen benö-tigt, um das gleichzeitige Laden einer vergleichbarenAnzahl von Fahrzeugen während dieser Zeitdauer zuermöglichen. Dies gilt auch bei Einsatz von DC-Schnellladesäulen. Sie verkürzen zwar die Ladezeiten,dennoch ist auch hier im Vergleich zu FCEV von3-mal bis 5-mal längeren Ladezeiten bei Beschrän-kung auf 80 % der Batteriekapazität auszugehen.Deshalb ist eine entsprechend größere Zahl an Stell-plätzen mit Ladeeinrichtungen vorzusehen, um diegleiche Betankungskapazität zu erreichen.

Der Ausbau von H2-Tankstellen lässt sich relativeinfach gestalten, da sich entsprechende Betankungs-systeme im Umfeld konventioneller Tankstellen reali-sieren lassen. Aus realisierten Projekten (siehe Bei-spiel Berlin Heerstraße) [68] liegen Erfahrungen vor,die dafür sprechen, H2-Tankeinrichtungen durch Er-


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weiterung bestehender Tankstellen herzustellen. Diesböte den Vorteil, dass die Standortsuche teilweiseentfallen kann und ein Teil der an der Tankstelle ver-fügbaren Infrastruktur auch für die H2-Betankunggenutzt werden könnte.

Die Kapazitätsauslegung von Wasserstofftankstellenfolgt einem zu heutigen Tankstellen vergleichbarenVorgehen. Auch der Platzbedarf von H2-Zapfsäulenweicht nicht wesentlich von dem heutiger Benzin-und Dieselzapfsäulen ab. Je nach H2-Anlieferungs-konzept muss allerdings von einem erhöhten Platzbe-darf durch den erforderlichen H2-Speicher am Tank-stellenort ausgegangen werden. Während derMarkteinführung kann die H2-Belieferung mithilfevon Lkw erfolgen. Bei hoher regionaler Abnahme-dichte bietet die Pipelineanlieferung Vorteile.

Die heute vorhandene Wasserstoffinfrastruktur erlaubtnoch keinen großflächigen Einsatz von FCEV. Auf-grund der hohen Investitionskosten und der kleinenFlottengrößen erfolgt der Ausbau derzeit nur zöger-lich. Durch eine Erweiterung des Tankstellennetzeskönnte der Markthochlauf und schließlich die Markt-durchdringung von FCEV unterstützt werden.

Für die Versorgung von Brennstoffzellenfahrzeugenstanden im Februar 2018 weltweit 328 Wasserstoff-tankstellen zur Verfügung, hiervon über 250 öffent-lich zugänglich. Sie verteilen sich hauptsächlich aufEuropa mit 139 (insbesondere Deutschland mit 45),gefolgt von Asien mit 118 (insbesondere Japan mit91) und Nordamerika mit 68 (insbesondere USA bzw.Kalifornien mit 40). Da allein in Deutschland bisAnfang November 2018 mehr als zehn neue Tankstel-len in Betrieb gegangen sind, China bis 2020 hundertTankstellen in Betrieb nehmen will (derzeit 12), istdie Zahl der Tankstellen weltweit heute bereits deut-lich größer.

Der Ausbau von H2-Tankstellen in Deutschland wur-de mit Unterstützung der Clean Energy Partnership(CEP) bis 2015 vorangetrieben. In diesem Konsorti-um arbeiteten Partner aus Industrie und öffentlicherHand im Sinne einer nachhaltigen Energiewende ander Marktvorbereitung der Mobilität mit Wasserstoffund Brennstoffzelle zusammen. 2015 wurde das JointVenture „H2Mobility“ gegründet, das seitdem denGroßteil der in Deutschland existierenden öffentlichenPkw-Tankstellen übernommen hat und mit zuneh-mender Geschwindigkeit weitere Tankstellen inDeutschland errichtet (Bild 15). Ziel ist eine flächen-deckende Verbreitung einer Basis-Wasserstoff-Infrastruktur zur Versorgung von Pkw mit Brenn-stoffzellenantrieb in Deutschland. Bis 09. November2018 waren bereits 52 öffentliche Tankstellen in

Deutschland verfügbar und 42 weitere im Bau[69; 70]. Bis zu 400 Wasserstofftankstellen sollen ineiner zweiten Ausbauphase bis Ende 2023 errichtetwerden [113]. Voraussetzung hierfür ist aber einesteigende Nachfrage nach Brennstoffzellenfahrzeu-gen. Bild 16 zeigt den regionalen Aufbau der Wasser-stoffinfrastruktur [71].

Der Ausbau von H2-Tankstellen in Deutschland wirdergänzt durch Aktivitäten in Nachbarländern, insbe-sondere in Dänemark. Auch hier sind bereits zehnTankstellen verfügbar und weitere in Planung. Eben-falls haben Österreich und die Schweiz bereits mehre-re Wasserstoff-Tankstellen im Betrieb. Weitere sindauch dort geplant, sodass bereits jetzt die Vorausset-zungen gegeben sind, auch größere Distanzen ohneTankprobleme zu überbrücken.

BEV

Mit der Bereitstellung einer flächendeckenden Lade-infrastruktur geht eine Beeinflussung der Netzlastender Stromnetze einher. Wenn an einer Ortsnetzstationviele BEV gleichzeitig geladen werden, kann es beiungesteuertem Laden zu lokalen Überlastungen imNiederspannungsnetz kommen [72]. Durch gesteuer-tes Laden – auch mit höheren Ladeleistungen – kannjedoch der Bedarf selbst bei hoher Durchdringung vonBEV in der Regel auch ohne flächendeckenden Netz-ausbau abgedeckt werden.

Zur Versorgung der Ladestationen werden derzeitfreie Kapazitäten der Verteilnetze genutzt. Mit einerweiteren Marktdurchdringung, größeren Ladeleistun-gen aufgrund größerer Batteriekapazitäten und schnel-leren Ladevorgängen wird der Leistungsbedarf zu-nehmen. Dazu müssten u.a. möglichst flächendeckendDC-Schnellladestationen an Autobahnraststätten so-wie Einkaufszentren und bei Parkplätzen installiertwerden. An Orten mit hohem erwartetem Gleichzei-tigkeitsfaktor, z. B. bei Theatern, Konzerthallen oderSportstätten, ist ein Netzausbau im Nieder- und Mit-telspannungsnetz erforderlich.

Die Ladeleistungen der DC-Schnellladestationenwerden zukünftig 100 kW bis 350 kW erreichen undan mehreren Standorten zur Verfügung stehen. Diessetzt Mittelspannungsanschlüsse (MS-Anschluss)voraus, die in vielen Fällen erhebliche Investitionenfür den Leitungsausbau und gegebenenfalls auch denBau neuer Umspannanlagen erforderlich machen.Eine Abschätzung der Kosten für eine Ladestation,insbesondere für DC-Schnellladestationen, ist jedochnur schwer möglich. Neben den Kosten für die La-destation spielt hier die vorhandene Netzinfrastruktureine wesentliche Rolle.


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Bild 15. Bestehende (grün) und geplante (blau) H2-Tankstellen in Deutschland (Quelle:H2Mobility,https://h2.live)

Bild 16. Aufbau der H2-Infrastruktur in Deutschland (Quelle: H2Mobility)


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Eine Möglichkeit zur Netzentlastung liegt im gesteu-erten Laden. Voraussetzung ist jedoch die Akzeptanzder Fahrzeugnutzer hinsichtlich der Steuerung derLadevorgänge durch den Netzbetreiber. Weiterhinfehlen die regulatorischen Voraussetzungen hinsicht-lich Leistungs- und Zeitsteuerung durch den Netzbe-treiber [73].

Über das bidirektionale Laden und Entladen der Fahr-zeugbatterien (Vehicle-to-Grid – V2G) ist die Mög-lichkeit gegeben, den Lastfluss zu optimieren. Diessetzt aber eine technische Erweiterung der heutigenLadestationen und Fahrzeuge voraus.

Als interessanter Bereich für die Realisierung vonLadeeinrichtungen sind Park&Ride-Parkplätze zuwerten. Gerade hier ergeben sich Möglichkeiten fürein gesteuertes Laden, da die Standzeiten der Fahr-zeuge relativ zuverlässig abgeschätzt werden können.

Beim Laden der Fahrzeuge ist sicherzustellen, dassein Nutzer den Strom von einem Lieferanten seinerWahl beziehen kann. Dies setzt geeignete Abrech-nungsverfahren („Roaming“) voraus, die derzeit inDeutschland und anderen europäischen Ländern ent-wickelt werden.

Investitionskosten für H2-Infrastrukturgeringer als für BEV-Versorgung

Im Rahmen einer Studie des Instituts für Elektroche-mische Verfahrenstechnik des ForschungszentrumsJülich und des Lehrstuhls für Brennstoffzellen,RWTH Aachen [74] wurde versucht, über eine Szena-rienanalyse den Aufwand zum Aufbau einer H2-Tank-und Stromladeinfrastruktur zu bewerten. Vergleichs-kriterien sind Investitionen, Kosten, Wirkungsgradeund Emissionen der jeweiligen Infrastrukturen, wobeizwischen der Versorgung von einigen Hunderttausendund mehreren Millionen Fahrzeugen für Strom oderWasserstoff unterschieden wurde. Bei der Wasser-stoffvariante wurden insbesondere auch Optionen zurIntegration und Speicherung von Stromüberschüssenberücksichtigt, die zukünftig in von erneuerbarenEnergien dominierten Energiesystemen entstehenwerden (Bild 17).

Szenarienannahmen

Der Anteil erneuerbarer Energien an derStromerzeugung beläuft sich auf 80 %.

In Bezug auf Wasserstoff erfolgt in der Über-gangsphase die Umstellung der Gaserzeugungvon fossiler Energie auf die Nutzung von re-generativem Überschuss-Strom. Er wird flan-kiert durch den Bau von saisonalen Wasser-stoffspeichern zur Überbrückung von 60 Ta-gen. In der Anfangsphase sind hierfür höhere

Investitionen erforderlich als bei der Lade-infrastruktur.

Bei geringeren Fahrzeugbeständen bis hin zueinigen Hunderttausend wurden für das Ladendie Kosten der Ladesäulen sowie des Netzaus-baubedarfs in Verteilnetzen berücksichtigt. Eineventuell notwendiger Netzausbau im Übertra-gungsnetz sowie saisonale Speicher wurdenvernachlässigt.

Bei dem Szenario mit großen Beständen anZEV (20 Mio. Fahrzeuge) umfasst die H2-Versorgung neben den Tankstellen und Logis-tikkomponenten auch saisonale Speicher miteiner Gesamtkapazität von 60 Tagesverbräu-chen. Als Speicheroption wurden Salzkaver-nen zur H2-Speicherung angenommen, mit de-ren Hilfe eine Speicherung großer Mengen (ei-nige 10 TWh) an erneuerbaren Energien be-sonders kostengünstig (0,2 bis 1 €/kWh) dar-stellbar ist.

Ergebnisse der Szenarienanalysen

Bei geringen Fahrzeugbeständen (bis hin zueinigen Hunderttausend) sind die Investitionenin den Infrastrukturausbau für beide Technolo-giepfade nahezu gleich.

Bei einer hohen Marktdurchdringung (20 Mio.Fahrzeuge) liegen die Investitionen für eineLadeinfrastruktur mit rund 51 Mrd. € deutlichhöher im Vergleich zur Wasserstoffinfrastruk-tur mit rund 40 Mrd. € (Bild 18)

Die spezifischen Kosten je gefahrenem Kilometersind bei hohen Marktdurchdringungen für beide Ver-sorgungskonzepte annähernd gleich. Sie liegen imDurchschnitt bei 4,5 ct/km für das elektrische Ladenund bei 4,6 ct/km für den Wasserstoff. Da die Mög-lichkeit der Zwischenspeicherung des Wasserstoffseine flexiblere Nutzung der elektrischen Energie auserneuerbaren Quellen ermöglicht, kann die geringereenergetische Effizienz des Wasserstoffpfads annä-hernd dadurch ausgeglichen werden, dass die Erzeu-gung des Wasserstoffs zu Zeiten generell geringerNachfrage an elektrischer Energie erfolgt und diesedaher günstiger bezogen werden kann.

Für das Szenario mit 20 Mio. Brennstoffzellen-Fahrzeugen werden jährlich 87 TWh Strom zuSchwachlastzeiten für die Elektrolyse und zusätzlich6 TWh Strom aus dem Netz (Transport und Vertei-lung des Wasserstoffs) benötigt. Das Laden von20 Mio. Batteriefahrzeugen erfordert 46 TWh/aStrombezug aus dem Verteilnetz. Das Stromangebotzu Zeiten geringer Nachfrage mit 220 TWh bis


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270 TWh übersteigt im unterstellten Energieversor-gungsszenario mit hohen erneuerbaren Anteilen (80 %veranschlagt) den Bedarf zur Versorgung von 20 Mio.Fahrzeugen in beiden Infrastrukturpfaden um denFaktor drei bis sechs. Da die Versorgung von BEVauch während der sogenannten Dunkelflaute (übli-cherweise zwei bis drei Wochen) gewährleistet seinmuss, sind hierfür steuerbare Kraftwerke – mit ent-sprechenden Brennstoffreserven (gegebenenfalls auchWasserstoff oder synthetisches Methan) – vorzuhal-ten.

Kennzeichnend für BEV ist die höhere Effizienz derLadeinfrastruktur und der Fahrzeuge im Vergleich zuH2 und FCEV. Zu berücksichtigen ist aber, dass beiBEV die Flexibilität der Stromnachfrage auf kürzereZeiträume begrenzt ist.

Durch die Nutzung von erneuerbaren Stromüber-schüssen und Netzstrom mit hohen Anteilen an erneu-erbaren Energien sind die kilometerspezifischen CO2-Emissionen für beide Versorgungsoptionen gering imVergleich zur Nutzung von fossilen Kraftstoffen(Bild 19). Die Wasserstoffinfrastruktur mit inhärentersaisonaler Speicherung kann höhere Anteile über-schüssiger, erneuerbarer Energien integrieren und istdaher bei der CO2-Reduktion im Vorteil. Jedoch kanneine auf die Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom

ausgerichtete Ladestrategie der Batteriefahrzeugederen CO2-Emissionen weiter mindern.

Ausbau des H2-Netzes durch Umwidmungvon Erdgasleitungen

Für die Gasversorgung von H2-Tankstellen bieten sichfolgende Optionen:

Der Wasserstoff wird mittels im Tankstellenbe-reich errichteter Elektrolyseure lokal erzeugt,nachverdichtet und anschließend in Hochdruck-speichern bei Drücken bis zu 1.000 bar gespei-chert.

Die Produktion des Wasserstoffs erfolgt in größe-ren Fabriken, der Transport zu den Verteilzentren(Tankstellen) per Lkw. Hierbei empfiehlt sichwegen der größeren Energiedichte der Transportin flüssiger Form (Lkw-Transportkapazität von4.000 kg H2 flüssig). Denkbar ist aber auch dieAnlieferung im gasförmigen Zustand (Transport-kapazität abhängig von der Druckstufe bis zu1.000 kg).

Der Transport von Wasserstoff erfolgt per Pipe-line.

Bild 17. Schematische Darstellung der untersuchten Versorgungsinfrastrukturen (Quelle: H2Mobility)

Bild 18. Vergleich der kumulierten Investitionen für den Infrastrukturaufbau (Quelle: H2Mobility)


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Generell gilt in der Energiewirtschaft, dass bei großenEnergiemengen der Transport per Leitung dem aufder Straße in Bezug auf Kosten und Leistung überle-gen ist. Dies wirft die Frage auf, wie sich für H2 mitgeringem Aufwand eine Leitungsversorgung realisie-ren ließe.

Neben der Nutzung vorhandener H2-Leitungen sowieeinem Neubau bietet sich als weitere Option an, vor-handene Erdgasleitungen zu nutzen. Als einfachetechnische Möglichkeit ist die Zumischung von H2zum Erdgas in der Diskussion. Der Anteil ist lautDVGW-Arbeitsblätter G 260 und G 262 auf ca. 10 %der Erdgasmenge begrenzt, größere Energiemengenwären damit nicht übertragbar. Untersuchungen desDVGW-EBI sprechen demgegenüber dafür, dass auchZumischungen bis 30 % möglich sind [75].

Die Zumischung bedingt, dass am AbnehmerstandortWasserstoff und Erdgas zu trennen sind, was miteinem größeren Aufwand verbunden wäre. ÜberMembranverfahren wäre eine Aufkonzentrierung auchvon wenigen Prozent H2 bis zu reinem H2 möglich.Inwieweit dies ökonomisch sinnvoll ist, muss weite-ren Untersuchungen vorbehalten bleiben. Alternativwäre eine direkte Nutzung des Mischprodukts in Be-tracht zu ziehen.

Alternativ steht zur Diskussion, vorhandene Erdgas-leitungen auf H2 umzurüsten. Wichtige Pionierarbei-ten werden hierzu im Rahmen des ostdeutschen Hy-pos-Projekts [76] geleistet. Unter anderem betrifftdies die konzeptionelle Entwicklung, Strukturierungund Umsetzung einer technischen Verteilnetzinfra-struktur mit Hausanschlussleitungen zur Durchfüh-rung von Forschung und Entwicklung im Rahmen derPilotversorgung eines geplanten Standorts („Wasser-stoffdorf“).

Thesen zur Infrastrukturentwicklung fürdie wasserstoffbasierte Mobilität

Die nachfolgenden Thesen sind nicht durch Studienmit belastbaren Daten und Fakten untermauert. Insbe-sondere können eine Vielzahl externer Faktoren, wiedie öffentliche Akzeptanz (subjektive Risikobewer-tung), regulatorische Aspekte, aber auch die Durch-setzungsmacht einzelner Hersteller zu signifikantenAbweichungen von den erwarteten Lösungspfadenführen.

1. Hypothese: Druckwasserstofflogistik in denkommenden fünf Jahren – 350 barund 500bar-Sattelaufleger

Die extrem kleine Flotte an wasserstoffnutzendenMobilitätssystemen (Pkw, Lkw, Züge) wird in denkommenden fünf Jahren mit vorverdichtetemCGH2 (engl. compressed gaseous hydrogen) ver-sorgt. Wasserstofftankstellen besitzen Druckspei-cher verschiedener Druckstufen, bis hin zu1.000 bar und eigene aufwendige H2-Verdichterund Tieftemperaturvorkühler. Die Fahrzeuge wie-derum führen den Wasserstoff bei hohem Druck,zwischen 350 bar und 700 bar mit sich. Möglich-erweise werden im Pkw-Bereich noch höhereDrücke realisiert, um Reichweiten > 500 km auchunter ungünstigen Bedingungen sicher zu realisie-ren.

2. Hypothese: Mit zunehmender Flottenstärkewird Druckwasserstofflogistik (CGH2) durchverflüssigten Wasserstoff (LH2) substituiert.

Die Nachfrage wird anfänglich durch bestehendeGroßverflüssiger bedient. Ergänzend werden an denbestehenden Standorten Elektrolyseanlagen betrieben.

Bild 19. Vergleich der CO2-Emissionen und Strombedarfe je Kilometer (Quelle: H2Mobility)


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Der zunehmende Wasserstoffbedarf steigert dieLogistikaufwendungen. Typische Sattelauflegertransportieren je nach Druckstufe zwischen 300 kgbis etwas mehr als 1.000 kg gasförmigen Wasser-stoff pro Fahrzeug mit einem Bruttogewicht umdie 40.000 kg (CGH2). Im Gegensatz dazu könnenbis zu 4.000 kg flüssiger Wasserstoff (LH2) proFahrzeug transportiert werden (Bild 20).

Ein weiterer Aspekt ist die recht hohe Komplexitätund der Energiebedarf einer CGH2-Tankstelle so-wie der Umstand, dass bei hohen Tankfrequenzender aus technoökonomischen Gründen klein di-mensionierte Höchstdruckspeicher limitierendwirkt.

Im Vergleich hierzu sind LH2-Tankstellen deutlicheinfacher aufgebaut und können kurze Betan-kungszeiten bis zur Erschöpfung des Speicher-tanks gewährleisten. Abdampfverluste treten beihinreichend hoher Nachfrage nicht oder nur in un-tergeordnetem Maß auf. Der Wasserstoff an Borddes FCEV kann weiterhin gasförmig gespeichertwerden. Denkbar ist aber auch, dass im Nutzfahr-zeugbereich (Lkw/Zug) mit seiner hohen Auslas-tung auch der flüssige Wasserstoff wieder Einzughält und das durch BMW vorgestellte CcH2-Cryo-compressed Hydrogen Storage (BMW CcH2) mitseinen energetischen und technischen Vorteilenzum Einsatz kommt.

3. Hypothese: Die Erzeugung von LH2 erfordertgroße zentrale Verflüssiger, da aktuell keinekosten- und energieeffiziente Verflüssigung inKleinanlagen bekannt ist.

Das sich entwickelnde LH2-System könnte Ähn-lichkeiten mit dem der heutigen Raffinerien auf-weisen, beziehungsweise solche Standorte sogarbevorzugt entwickeln. Logistisch bereits erschlos-sen, benötigen sie jedoch eine deutlich verstärkteAnbindung an den neuen Rohstoff „erneuerbareEnergien“.

Wird LH2 zu einem gut verfügbaren Produkt, kön-nen weitere Nutzer wie die Luftfahrt oder chemi-sche Industrie als Abnehmer hinzukommen.

4. Hypothese: Langfristig wird neben dem Strom-netz als Transport- und Verteilsystem für er-neuerbare Energien auch das vorhandene Gas-netz eingebunden oder erweitert.

Bereits heute wird dem Erdgas Wasserstoff mit biszu 10 % Volumenanteil zugemischt. Höhere H2-Konzentrationen würden allerdings Anpassungs-maßnahmen bei einer Vielzahl von Verbrauchernerfordern. Sie sind jedoch nur innerhalb einesschmalen Bands nutzbar und wären bei weitererKonzentrationserhöhung erneut durchzuführen.Für die Elektromobilität wäre dieses Mischgasnicht geeignet.

Gasnetzbetreiber untersuchen deshalb Möglichkei-ten, in bestehenden Leitungen 100 % Volumenan-teil Wasserstoff zu transportieren. Vorteilhaft wärehierbei, dass der Wasserstoff in seiner Reinformmit seinen zahlreichen Einsatzmöglichkeiten er-halten bliebe, insbesondere für die Mobilität, dieausschließlich reinen Wasserstoff nutzen kann.Mit zunehmender Absatzmenge wird dabei auchder Neubau von Rohrleitungen für den gasförmi-gen Wasserstofftransport wirtschaftlich.

4.4 Energiebeschaffung

Kernaussagen

Die Wasserstoffbeschaffung ist von der Marktein-führung über den Markthochlauf bis hin zum Mas-senmarkt generell als unkritisch hinsichtlichVerfügbarkeit und Kosten (dieseläquivalenterPreisbereich) einzuschätzen. Dennoch ist derzeit inDeutschland die Versorgung von Tankstellen mitgrünem Wasserstoff sowohl in ausreichender Men-ge als auch zu angemessenen Marktpreisen mitProblemen verbunden und benötigt deshalb einenweiteren Ausbau von Erzeugungskapazität fürgrünen Wasserstoff.

Bild 20. Straßentransport von Wasserstoff (Quelle: Shell)


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Wasserstoff entwickelt sich zu einem globalenHandelsgut. Durch Bezug des Energieträgersaus Ländern mit günstigen Stromkosten lassensich die H2-Beschaffungskosten verringern.

Wasserstoff als chemischer Energieträger lässtsich ohne Verluste längerfristig speichern. InVerbindung mit geeigneten Speichersystemen(z. B. Kavernen) ist eine Entkopplung vonErzeugung und Nachfrage möglich. Hierzuzählt auch eine saisonale Speicherung sowiedie Schaffung strategischer Reserven, ver-gleichbar mit den heutigen fossilenBevorratungen.

In Zukunft sollte sich mit Elektrolyseuren undNutzung des steigenden Stromangebots auserneuerbaren Energien eine weitgehendemissionsfreie sowie wirtschaftlichkonkurrenzfähige Wasserstofferzeugungrealisieren lassen.

Der Einsatz von Elektrolyseuren, aber auchFCEV und BEV, bietet das Potenzial zur Op-timierung der Stromversorgung. Durch geziel-ten Einsatz der Systeme ist ein netzdienlicherBetrieb möglich. Des Weiteren kann die Ab-wärme der Elektrolyse in Wärmesysteme inte-griert werden und der Sauerstoff technisch ge-nutzt werden.

Wasserstoff lässt sich in unterschiedlichenBereichen (Strom, Wärme, Verkehr und Indu-strie) verwenden. Wasserstoff bietet damit dasPotenzial für die von der Politik gewünschteSektorenkopplung.

Im Rahmen einer nachhaltigen Dekarbonisierung istdie Art der Energiebeschaffung für die Elektromobili-tät von großer Relevanz. Voraussetzung für eineemissionsfreie Mobilität ist daher, dass sowohl dasLaden als auch die Produktion von H2 mit „Über-schussstrom“ aus erneuerbaren Energien, der nicht für

die allgemeine Stromversorgung genutzt werdenkann, erfolgt. In einer Übergangsphase sollte jedochauch die Nutzung von sog. „grauem“ Strom bzw.„grauem“ Wasserstoff toleriert werden, sofern sichdamit noch eine Reduzierung der Treibhausgasemis-sionen darstellen lässt.

Eine grobe Abschätzung zum durchschnittlichen Jah-resverbrauch von BEV bei unterschiedlichem Ener-giebedarf und Energieeinsatz sowie reiner AC-Ladung (Onboard-Ladesysteme) liefert Tabelle 4. Beieinem Anteil von 50 % BEV in Deutschland (derzeitca. 46,5 Mio. Pkw zugelassen) wäre von ca. 52 TWhbis 104 TWh zusätzlichem Stromverbrauch auszuge-hen. Die Erzeugung beliefe sich auf etwa 56 TWh bis113 TWh.

Bei Einsatz von FCEV und gleicher Marktdurchdrin-gung würde sich die Erzeugung aufgrund des um denFaktor 2,3 höheren Energiebedarfs (Bild 12) auf ca.130 TWh bis 260 TWh belaufen. Dies bedeutet, dassim Vergleich zur Stromerzeugung 2017 mit etwa550 TWh bei BEV von einer um 21 %, bei FCEV voneiner um rund 50 % größeren Erzeugung auszugehenwäre [77]. Dies entspricht bei einem Anteil der erneu-erbaren Energien an der Stromerzeugung von 80 %dem zu erwartenden Stromüberschuss von 220 TWhbis 270 TWh (siehe oben „Ergebnisse der Szenarien-analysen“).

Wasserstoffbeschaffung in jeder Phaseder Markteinführung als unkritisch hin-sichtlich Verfügbarkeit und Kosten ein-zuschätzen

Aufgrund zahlreicher, klimafreundlicher Produktions-möglichkeiten sollte eine H2-Beschaffung in jederPhase der Markteinführung kostengünstig und in aus-reichender Menge sowie überwiegend auf Basis hei-mischer Energiequellen realisierbar sein. Dennochzeigen die Erfahrungen in Deutschland, dass derzeitdie Versorgung mit grünemWasserstoff sowohl inausreichender Menge als auch zu angemessenenMarktpreisen mit Problemen verbunden ist.

Tabelle 4. Bedarf an zusätzlicher Stromerzeugung als Funktion des spezifischen Stromverbrauchs undFahrleistung von BEV

Verbrauch imFahrzeug inkWh/100 km

Fahrleistung

pro Jahr in km

Jahresverbrauch

in kWh

BEV

in Mio.

Strombedarf

in TWh

Erforderliche zusätz-liche Jahresstromer-

zeugung in TWh

15 15.000 2.250 23 51,75 56,25

20 15.000 3.000 23 69,00 75,00

25 15.000 3.750 23 86,25 93,75

30 15.000 4.500 23 103,50 112,50


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Kurzfristig lässt sich vor allem Restwasserstoff ausIndustrieprozessen sowie Wasserstoff aus der Methan-dampfreformierung nutzen, mittel- bis langfristig sinderneuerbare Primärenergien zur H2-Produktion einzu-setzen. In der Übergangsphase ist dabei im Vergleichzu Batterieladeinfrastrukturen mit höheren Kosten zurechnen, die im weiteren Verlauf durch eine bessereInfrastrukturauslastung deutlich sinken. Die Optionerneuerbarer Stromnutzung ist komplementär zumAusbau der erneuerbaren Stromerzeugung, der auf-grund steigender, netzseitig nicht nutzbarer Strom-mengen effiziente und kostengünstige Möglichkeitenzur Speicherung und Nutzung erfordert. Unter Einbe-ziehung der erforderlichen Infrastrukturkomponentenkann gezeigt werden, dass die H2-Kosten an der Tank-stelle wettbewerbsfähig gegenüber heutigen Kraftstoff-kosten sind (jeweils ohne Steuern und Abgaben). Un-tersuchungen zu einer weltweit angelegten H2-Logistikhaben gezeigt, dass Wasserstoff in Regionen mit be-sonders hohem Aufkommen an erneuerbaren Energienkostengünstig produziert und z. B. per Schiff zu denVerbrauchszentren transportiert werden kann.

Wasserstoffproduktion mittels Elektro-lyse reduziert CO2-Aufkommen(Power2Hydrogen)

In Bezug auf Wasserstoff ist seine Herstellung eineder Kernfragen. Über 95 % der heutigen Wasserstoff-produktion basiert auf fossilen Energieträgern. Etwa90 % des jährlichen Wasserstoffbedarfs von derzeitca. 40 Mio. t bis 60 Mio. t werden für industrielleAnwendungen benötigt. Dort ist Wasserstoff eineunverzichtbare Chemikalie, die sowohl als Energie-träger, Additiv oder als Reduktionsmittel dient. Inerster Linie wird der Wasserstoff als Basischemikaliefür die Synthese von Ammoniak und anderer Dünger-mittel wie Harnstoff, die Synthese von Methanol,verschiedener Polymere oder Harze verwendet. Wei-tere Großverbraucher der heutigen Wasserstoffindust-rie sind Raffinerien, die Metallindustrie aber auch dieHalbleiter-, Glas- und Lebensmittelindustrie. Die restli-chen 10 % werden im Energiesektor und ein ver-schwindend kleiner Prozentsatz für den Betrieb vonBrennstoffzellenfahrzeugen verwendet. Dabei gilt vorallem diese Mobilität als ein lukrativer Markt für dieNutzung von nachhaltig produziertem Wasserstoff.

Bei der Bewertung der H2-Beschaffungskosten ist zuberücksichtigen, dass Wasserstoff als weltweitesHandelsprodukt zu betrachten ist. Damit ist die Mög-lichkeit gegeben, günstige Bezugsmöglichkeiten zunutzen, um die Energiekosten zu senken. Für die H2-Produzenten bedeutet dies, dass sie sich Wettbewer-bern stellen müssen, die teilweise sehr günstigeStrompreise nutzen können. Beispielhaft sei hier der

Bezug von Wasserstoff aus Kanada [78] oder Norwe-gen zu nennen.

Derzeit erfolgt die H2-Produktion vorrangig über dieDampfreformierung, die Kohlevergasung sowie diepartielle Oxidation. Hierbei entstehen im Schnitt ca.10 kg CO2 pro kg H2 bis 15 kg CO2 pro kg H2(Bild 21), die, vor allem in der Reformierung, wiederin den Stoffkreislauf eingebunden und weiterverwer-tet werden.

In Bezug auf die emissionsfreie Elektromobilitätwerden Alternativen für die H2-Gewinnung benötigt.Sie bestehen in Form der Biomassevergasung sowieder Wasserstoffelektrolyse auf Basis erneuerbarerEnergien.

Die Technologie mit dem höchsten CO2-Reduktions-potenzial sowie auf lange Sicht (2030) mit demhöchsten technischen Reifegrad (TRL) ist die Wasser-elektrolyse (Power2Hydrogen) [80]. Mithilfe vonelektrischem Strom wandelt sie Wasser in Wasserstoffund Sauerstoff um, ohne CO2 zu emittieren. Voraus-setzung hierfür ist die Nutzung von regenerativemStrom, der nicht für den konventionellen Bedarf ein-gesetzt werden kann. Wie Bild 21 zeigt, ist dagegenbei einer H2-Gewinnung per Elektrolyse und einerZuordnung der Emission desjenigen Kraftwerks, dasden Strom für die Elektrolyse bereitstellt, im Ver-gleich zur Reformierung von deutlich höheren CO2-Emissionen auszugehen [79]. Wenn stattdessen er-neuerbare Energien zum Einsatz kommen, kommt eszu einer entsprechenden Reduktion der CO2-Emissionen.

Die Errichtung und Inbetriebnahme eines Elektroly-seurs ist derzeit, unabhängig von Größe oder Aufstell-ort, an eine Genehmigung nach BImSchG gebunden.Sie ist kompliziert und kostspielig. Aufgrund derEmissionen der Anlage (geringe Mengen Sauerstoffund aufgereinigtes Wasser) empfiehlt sich die Über-prüfung der Genehmigungsflicht für Elektrolyseurenach BImSchG oder die Schaffung einer Ausnah-meregelung für Elektrolyseure. Es wäre denkbar, eineAusnahme an den Aufstellort zu knüpfen oder an diemaximal speicherbare Menge von Wasserstoff auf derAnlage. Dies wäre dann eine Lösung analog zu ande-ren gasförmigen Kraftstoffen an der Tankstelle, diebis zu einer Speichermenge von 3 Tonnen nicht unterBImSchG fallen.

Die Wasserstoffgestehungskosten werden durch dieInvestitionskosten der Elektrolyseure, hauptsächlichaber durch die Stromkosten und die Betriebszeit defi-niert [81; 82]. Wegen hoher Investitionen lässt sichdie Wasserstoffproduktion mittelfristig allein durchÜberschussstrom nicht wirtschaftlich gestalten.


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Bild 21. Spezifische Treibhausgasemissionen der Wasserstoffbereitstellung (Quelle: Shell)

Bild 22 beschreibt die H2-Gestehungskosten mittelsWasserelektrolyse (Annahmen: CAPEX der Elektro-lyse 450 US$/kW bei Large-scale water electrolysers,mit e.g. 400 MWWACC 7 %, Abschreibung über 30Jahre, Wirkungsgrad 70 %). Die Gestehungskostensind hierbei nur als Anhaltswerte zu betrachten undnur unter den hier genannten Prämissen, das heißtStrombezug ohne Netzkosten und EEG-Abgaben etc.,gültig. Gleichfalls finden kostensteigernde Effekte,z. B. spezielle Qualitätsanforderungen an die Reinheitvon H2, keine Berücksichtigung. Die Ergebnisse ver-deutlichen, dass ab einer Betriebszeit von ca. 4.000Stunden pro Jahr die Wasserstoffgestehungskostenhauptsächlich durch den Strompreis bestimmt werden.Diese 4.000 Stunden (das heißt fast sechs Be-triebsmonate pro Jahr) sind jedoch allein über dieAusschöpfung von EE-Erzeugungsspitzen („Über-schussstrom“) nicht erreichbar. Mit weiter sinkendenInvestitionskosten werden sich die für einen wirt-schaftlichen Betrieb erforderlichen Volllaststunden-zahlen weiter verringern.

Bild 22. Wasserstoffgestehungskosten alsFunktion der Volllaststunden des Elektrolyseursund der Stromkosten (Quelle: inecs in Anleh-nung an [83])

Die H2-Gestehungskosten von Vergasungsprozessenliegen heute in der Größenordnung von 2 €/kg ±30 € ct) (entsprechend etwa 6 € ct/kWh bezogen aufden Heizwert). Ziel sollte es sein, diese Werte auchfür H2 aus Elektrolyseuren zu erreichen. Hierbei ist zuberücksichtigen, dass Wasserstoff als weltweitesHandelsprodukt zu betrachten ist.

Einsatz von Wasserstoff für den saiso-nalen Energieausgleich und zur Unter-stützung der Sektorenkopplung

Wasserstoff ist ein idealer Energiespeicher für dieHerausforderungen der Energiewende. Er könnte inder Stromversorgung für den mittelfristigen, aberauch saisonalen Energieausgleich zur Anwendungkommen. Während sogenannter „dunkler Flauten“ –Zeitspannen von bis zu sechs Wochen – in denen keinoder nur ein geringes Aufkommen an Wind- undFotovoltaikstrom zu verzeichnen ist, ließe sich mittelsRückverstromung des während Perioden mit EE-Überschüssen erzeugten Wasserstoffs Perioden ohnenennenswerte EE-Stromerzeugung überbrücken.

Bild 23. Einspeisung aus erneuerbaren Energienund Lastverlauf in Deutschland(Datenquelle: Bundesnetzagentur/SMARD.de)


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Als Speicher eignen sich Salz-Kavernen (Wasserstoffoder Methan), Untertage-Porenspeicher (Methan) aberauch Behälter für Flüssigkeiten, wobei der Wasser-stoff in eine speicherbare Trägerflüssigkeit eingebun-den wäre.

Der größte volkswirtschaftliche Nutzen vonPower2Hydrogen resultiert aus der sogenannten Sek-torenkopplung. Sie beschreibt die Synergieeffekte, dieaus der Nutzung der Elektrolyse zur Dekarbonisierungder Industrie, Mobilität auf Basis von Wasserstoffsowie Netzstabilisierung entstehen. Hierbei ist insbe-sondere von Vorteil, dass durch die chemische Spei-cherung der elektrischen Energie die Wasserstoffher-stellung für die Mobilität zeitlich vom Bedarf (z. B.für die Mobilität) entkoppelt werden kann. Dies kannzu einer signifikanten Einsparung beim stromseitigenInfrastrukturausbau führen. Dem steht allerdings derAusbau der Wasserstoffinfrastruktur entgegen (sieheAbschnitt 4.3 „Investitionskosten für H2-Infrastrukturähnlich groß wie für BEV-Versorgung“).

Bausteine der Elektromobilität ermögli-chen netzdienlichen Betrieb

Wasserelektrolyse und Batterie-Speichersystemebieten das Potenzial, im Sinne der Stromversorgungvorteilhaft zum Einsatz zu kommen. Denkbar sindfolgende Anwendungsbereiche:

Die Wasser-Elektrolyse bietet durch ihre flexibleBetriebsweise das Potenzial, einen stetig steigendenAnteil erneuerbarer Energien in das Stromnetz zuintegrieren. Lastspitzen durch übermäßige Produktionvon Wind- und Sonnenenergie können so abgefangenund müssen nicht abgeregelt werden. Allein in denJahren 2015 und 2016 mussten in Deutschland 4,7TWh (2015) bzw. 3,7 TWh (2016) abgeregelt werden.Für 2016 resultierte hieraus eine Entschädigungszah-lung in Höhe von rd. 370 Mio. Euro [85]. Die Elektro-lyse könnte auch das Potenzial bieten, einen Teil derdurch Redispatch und Einspeisemanagement1 entste-henden Kosten einzusparen. Allein 2017 beliefen sichdiese auf 1,4 Mrd. € [86]. Da der Großteil der EE-Abregelungen durch aktuell bestehende Netzengpässeverursacht wurde, müssten Elektrolyseure also „vor“dem Netzengpass installiert werden. Auf die Proble-matik der hierbei auch mittelfristig noch zu erwarten-den geringen Betriebs- bzw. Volllaststunden für dieerforderlichen Elektrolyseure wurde oben bereitshingewiesen.

1 Anpassung der Leistungseinspeisung von Kraftwerken durch denÜbertragungsnetzbetreiber, um auftretende regionale Überlastungeneinzelner Betriebsmittel im Übertragungsnetz zu vermeiden.

Durch gezieltes Steuern von Elektrolyseuren bietensich Optionen für den Regelenergiemarkt. Da sichdiese Systeme bei Bedarf schnell regeln bzw. ein- undausschalten lassen, könnten sie im Sinne des Re-gelenergiemarkts zum Einsatz kommen [87].

Fahrzeugbatterien bieten sich in Verteilnetzen zurNetzlastoptimierung an. Durch gesteuertes Ladenkönnte es möglich sein, eine bessere Auslastung derbetroffenen Netzbereiche zu erreichen; durch Reduk-tion der Ladeleistung ließen sich Netzüberlastungen inden Ortsnetzbereichen vermeiden sowie durch Ein-speisung aus der Batterie Engpässe in vorgelagertenNetzteilen ausgleichen (Vehicle-to-Grid). Auch An-wendungen zur Bereitstellung von Blindleistung sinddenkbar.

Für FCEV kommen Anwendungen in der Hausener-gieversorgung infrage [88]. Indem das System nachErreichen des Wohngebäudes zur Hausenergieversor-gung zugeschaltet wird, lässt es sich ergänzend zurStrombereitstellung nutzen, sodass der Strombezugaus dem öffentlichen Netz reduziert werden kann. Dader gemittelte Leistungsbedarf eines Haushalts in derRegel 1 kW nicht überschreitet sowie die Leistung derBrennstoffzelle mit etwa 50 kW zu veranschlagen ist,könnte im Notfall sogar zeitweise eine Vollversor-gung möglich sein.

4.5 Kritische Rohstoffe

Kernaussagen

Eine Diversifizierung der (Elektromobili-täts)Technologien reduziert das Risiko vonRohstoffverknappungen.

Als kritische Rohstoffe gelten bei der BatterieLithium, Nickel, Kobalt und bei der Brenn-stoffzelle Platin mit abnehmender Tendenz.Die Förderkapazitäten dieser Rohstoffe müs-sen ausgebaut werden, bevorzugt durch Steige-rung der Recyclingrate.

Ist eine (R)Evolution zur Elektromobilität aus Roh-stoffsicht überhaupt möglich? Dieser Frage soll hierunter globalen und langfristigen Aspekten nachge-gangen werden.

Rohstoffe werden für jede Technologiemarktdurch-dringung und -aufrechterhaltung benötigt. Diesestammen entweder aus Primärquellen wie dem Erz-bergbau oder, meist zeitlich verzögert, (auch) ausSekundärquellen wie dem Recycling. Hierbei kann eszu einer Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfragekommen, wobei zwischen absoluten, temporären undstrukturellen Verknappungen unterschieden wird.


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Während die Erschließung neuer Förderquellen undauch deren Substitutionen bisher die absolute Ver-knappung eines Rohstoffs verhinderten, sind bereitstemporäre Verknappungen vorgekommen, z. B. voreinigen Jahren für Seltenerdmetalle, maßgeblich her-vorgerufen durch Chinas Monopolstellung. Struktu-relle Verknappungen treten meist auf, wenn die Nach-frage keine direkte Förderung nach sich zieht, dies giltinsbesondere für sog. Sekundärmetalle, deren Produk-tionsmenge nur von Primärmetallen abhängt. DieseUnterscheidung ist letztlich rein ökonomischer Natur[89; 90].

Speziell für die Elektromobilität bezieht sich diesesPapier in erster Linie auf eine von der Agora Ver-kehrswende in Auftrag gegebene Studie [91]. Diesewiederum stützt sich im Wesentlichen auf Studien derInternational Energy Agency (IEA) [92] zu heutigenund zukünftigen Fahrzeugverkaufszahlen sowie aufeine U.S. Geological Survey (USGS)-Studie [93] zuden derzeitigen Rohstofffördermengen und -reserven,also derzeit ökonomisch zu fördernde Mengen sowie-ressourcen, d. h. derzeit bekannte Vorkommen.Kurzum wird ein Mobilitätsszenario betrachtet, dasdas Minimalziel des Pariser Klimaabkommens zurBegrenzung des globalen und durchschnittlichenTemperaturanstiegs auf (deutlich) unter 2 °C überdem vorindustriellen Niveau erreicht. Es werdensämtliche Straßenfahrzeuge (Pkws, Lkws, Busse,Krafträder, Pedelecs) berücksichtigt, wobei der Fokusauf den Pkws mit einem Rohstoffbedarfsanteil vonüber 80 % liegt [91]. Ferner wird von einem globalwachsenden Fahrzeugabsatzmarkt ausgegangen, dersich bis 2030 auf 131 Mio. in etwa verdoppelt (Bild24) [92]. Neben der Elektromobilität wird auch derBedarf sämtlicher weiterer Anwendungen (Stahl,Keramik, Schmuck usw.) prognostiziert und berück-sichtigt.

Bild 24. Jährliche Pkw-Verkaufszahlen (in Mio.Fahrzeugen) 2015, 2030 und 2050 für verschie-dene Fahrzeugtypen mit Elektroantrieb (Quelle:Universität Hannover in Anlehnung an [92])

Gleichermaßen steigen auch die Batteriekapazitätenzur Erhöhung der Reichweite für BEV-Pkw von30 kWh Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide(NMC111) im Jahr 2015 auf 50 kWh (NMC622) inden nachfolgenden Stichjahren. Für die anderen An-triebstypen werden konstante Batteriekapazitätenangenommen: HEV mit 1 kWh, PHEV mit 10 kWh,FCEV mit 2 kWh [91].

Unter Berücksichtigung des heutigen Stands derTechnik und der absehbaren Entwicklungen wurdenfür die Elektromobilität Seltenerdmetalle für denElektromotor, Lithium (Li), Kobalt (Co), Nickel (Ni)und Grafit für die Batterie sowie Platin (Pt) für dieBrennstoffzelle als kritische Rohstoffe identifiziert[91]. Einzig Grafit kann bereits heutzutage aus syn-thetischen Quellen hergestellt werden. Zwar ist dersynthetisch hergestellte Grafit teurer als das natürlichePendant, aber dafür qualitativ hochwertiger. Folglichkann für Grafit von einer sehr unkritischen Rohstoff-verfügbarkeit ausgegangen werden [91].

In Elektromotoren werden meist Synchronmotorenmit Neodym-Eisen-Bor-Magneten eingesetzt, welchezu ~ 30 % Masse aus Seltenerdmetallen wie Neodym,Dysprosium und Terbium bestehen, die eine ver-gleichsweise hohe Koerzitivfeldstärke und Wärmebe-ständigkeit aufweisen [94]. Bei der Förderung vonSeltenerdmetallen stellt die Volksrepublik China miteinem monopolartigen Anteil von über 90 % denHauptlieferanten dar [93], was wiederum bereits zutemporären Verknappungen und gravierenden Preis-schwankungen führte [91]. Dies wird durch eine ext-rem geringe Recyclingrate von nur 10 % unterstützt[95]. Demgegenüber stehen bereits erfolgreich umge-setzte Entwicklungen neuer Magnete mit einer voll-ständigen Substitution von Dysprosium und Terbiumsowie einer Reduzierung von Neodym durch wenigerkritische Seltenerdmetalle wie Lanthan und Cer umbis zu 50 % [96]. Ferner wurde bereits eine vollstän-dige Substitution der Seltenerdmetalle in Asynchron-motoren und elektrisch erregten Synchronmotoren inElektroautos erfolgreich demonstriert [97; 98].

Für alle weiteren oben genannten kritischen Rohstoffesind die Produktionskapazitäten aus Primär- und Se-kundärquellen sowie der jeweilige Bedarf für dasReferenzjahr 2015 und die prognostizierten Stichjahre2030 und 2050 in Bild 25 zusammengefasst.

Allen Rohstoffen gemein ist, dass die derzeitigenFördermengen den prognostizierten Bedarf nichtdecken können. Während für Nickel und Platin lang-fristig die Fördermengen in etwa verdoppelt werdenmüssen, entsprechen die prognostizierten Mengen fürLithium und Kobalt bereits einer Erhöhung um denFaktor 17 bzw. 6. Maßgeblich verantwortlich ist derzunehmend dominierende Batteriebedarf.


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Bild 25. Primär- und Sekundärförderung sowie Bedarf (ICE, xEV und andere Anwendungen) an Li, Co,Ni und Pt im Jahr 2015, 2030 und 2050 (Prognosen nur für Bedarf). (Quelle: Universität Hannover)

Speziell für Lithium kommt erschwerend hinzu, dasses derzeit aus ökonomischen Gründen de facto keinRecycling gibt und sich die Förderung auf die LänderAustralien, Chile und Argentinien mit einem Anteilvon rund 90 % konzentriert [89; 93].

Kobalt wird zu ~ 98 % als Sekundärmetall bei derNickel- und Kupferförderung gewonnen, wobei mehrals die Hälfte der Minenproduktion unter teilweiseinhumanen Produktionsbedingungen aus der Demo-kratischen Republik Kongo stammt [93]. Diese beidenFaktoren sorgen tendenziell für ein höheres Risiko anstrukturellen und temporären Verknappungen, die sichanscheinend bereits in einem deutlichen Preisanstiegvon 50 €/kg auf 75 €/kg innerhalb des letzten halbenJahrs widerspiegeln [99]. Im Gegensatz zu Lithiumliegt die Recyclingrate für Kobalt bereits auf einemrelativ hohen Niveau von über 50 % [95].

Derzeit spielt der Nickel-Bedarf für die Batteriean-wendung nur eine untergeordnete Rolle im Vergleichzum dominierenden Edelstahlbereich. Auch wirkt sicheine eher breite, weltweite Verteilung in puncto Pri-märförderung und Rohstoffreserven sowie eine bereitserreichte Recyclingrate von über 50 % positiv auf dieAngebot-Nachfrage-Situation aus [91; 93; 95].

Interessanterweise wird die Rohstoffverfügbarkeit anPlatin bzw. Platingruppenmetallen (PGM), inklusive

Palladium und Rhodium, üblicherweise nur im Zu-sammenhang mit Brennstoffzellen thematisiert, nichtjedoch mit Verbrennungsmotoren (ICEs). Doch wer-den in der Abgasaufbereitung in einem Otto-Pkw rund5 g an PGMs (6 % Pt, 89 % Pd, 6 % Rh) bzw. in ei-nem Diesel-Pkw rund 10 g an PGMs (74 % Pt, 22 %Pd, 4 % Rh) verwendet [100]. Dagegen werden in denheute verfügbaren Vorserien- und Kleinserienbrenn-stoffzellen-Pkws pro Fahrzeug „nur“ 10 g bis 20 gPlatin (Pt oder Pt-Legierungen), mit fallender Ten-denz, als Elektrokatalysatoren eingesetzt [52; 101].Als nachteilig bzw. risikobehaftet kann die Konzent-rierung sowohl bei der Primärförderung als auch beiden Rohstoffreserven an Platin (und die weitererPGMs) zu ~ 70 % bzw. ~ 90 % auf Südafrika gesehenwerden [93]. Diese monopolartige Stellung wird je-doch durch eine sehr hohe Recyclingrate von über50 % abgemildert [95].

Bisher lag der Fokus dieser Zusammenfassung aufden Förder- und Bedarfsmengen und soll nun um diejeweiligen Rohstoffreserven und -ressourcen ergänztwerden. In Bild 26 sind die prognostizierten Bedarfs-mengen aller Anwendungen inklusive (Elektro-)Mo-bilität kumulativ bis zum Jahr 2050 gegenüber denRohstoffreserven und -ressourcen im Referenzjahr2016 dargestellt. Es zeigt sich, dass insbesondere fürKobalt und Nickel neue Rohstoffreserven erschlossenwerden müssen, um Verknappungen vorzubeugen.


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Bild 26. Rohstoffspezifische Reserven und Ressourcen (2016, nach [93]) und kumulativer Bedarf allerAnwendungen inklusive Elektromobilität bis 2050a) (Quelle: Universität Hannover)

a) abgeleitet von [91] mit heutigen Recyclingraten für Co, Ni und Pt von je 50 % [95] sowie abgeschätzte,zukünftige Recyclingraten für Li von 40 % [91]

Als kleiner Exkurs muss an dieser Stelle auch auf dieWasserstoffherstellung mithilfe der Wasserelektrolyseeingegangen werden. Während alkalische und Hoch-temperatur-Elektrolyseure auf PGMs als Elektrokata-lysatoren verzichten können, werden in der PEM-Variante Iridium und Platin eingesetzt. Iridium wirdausschließlich als Sekundärmetall zu ca. 4 t pro Jahrgefördert [89] zuzüglich Erzeugnissen aus dem Re-cycling (Ir-Recyclingrate beträgt 25 % bis 50 %) [95].Zwar sind bisher keine Verknappungen bekannt, dochkönnte sich dies unter Berücksichtigung der Primär-förderung und des heutigen Stands der Technik än-dern, sobald die Neuinstallationen von PEM-Elektro-lyseuren pro Jahr vom derzeitigen zweistelligen MW-Bereich in den einstelligen GW-Bereich anwachsen[102; 103]. Zur langfristigen Vermeidung von Ver-knappungen sollten daher die Recyclingrate weitererhöht, die Katalysatorbeladung weiter gesenkt undultimativ eine Iridium-Substitution angestrebt werden.

4.6 Kosten Pkw (TCO)

Kernaussagen

Die Kosten für die Nutzung von BEV undFCEV als Pkw werden derzeit von den An-schaffungskosten dominiert.

Die Serienfertigung für Batteriesysteme istweiter fortgeschritten als die von Brennstoff-zellen. Entsprechend ist die Kostenreduktionaktuell deutlich ausgeprägter als bei Brenn-stoffzellensystemen.

Bei höheren Energie- bzw. Reichweitenanfor-derungen ergeben sich Kostenvorteile für dasFCEV gegenüber dem BEV. Mit der Aufnah-me der Serienfertigung verstärkt sich dieserEffekt.


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Ein überschlägiger Vergleich der Nutzungskosten fürdie Fahrzeuge Toyota Mirai, Tesla Modell S 75 undNissan Leaf zeigt in Tabelle 5 den derzeit hohen Ein-fluss der Investitionskosten. Die Anschaffungskostenbeziehen sich hierbei auf Tabelle 1, die Verbrauchsda-ten entsprechen dem neuen europäischen Fahrzyklus(NEFZ). Unter vereinfachenden Annahmen, dass dasFahrzeug über 10 Jahre abgeschrieben wird und ohneBatterie- oder Brennstoffzellenersatz in dieser Zeit100.000 km fährt, ergeben sich bei einer Fahrleistungvon 10.000 km pro Jahr jährliche Kosten zwischen3.620 Euro und 8.580 Euro. Wie die Tabelle weiterhinzeigt, wäre bei günstigeren Anschaffungskosten fürden Toyota Mirai und den hier unterstellten Energie-kosten bereits heute annähernd von Kostenparität mitdem Tesla S 75 auszugehen.

Für die Energiekosten des Toyota Mirai wurden in derVergleichsrechnung ein relativ hoher Wert von9,5 €/kgH2 (0,285 €/kWh) unterstellt. Er entsprichtden derzeit bestehenden Bezugskonditionen der Ener-gieagentur NRW für die Betankung an den H2-Tank-stellen. Wie in Abschnitt 4.4 dargestellt, belaufen sichdie H2-Gestehungskosten bei Vergasungsprozessenauf nur 2 € / kg ± 30 €ct. Auch unter Berücksichti-gung von Handelsspannen sollte sich damit bei einerbreiteren Markteinführung ein günstigerer Energie-preis für FCEV erzielen lassen.

Zu berücksichtigen ist jedoch, dass der in der Tabel-le 5 genannte H2-Preis außer der Mehrwertsteuerkeine weiteren Steuern und Abgaben enthält. Inwie-weit dieser Ansatz auch bei einer größeren Verbrei-tung dieser Technik gerechtfertigt ist, muss im Rah-men dieser Untersuchung offen bleiben.

Der genannte Strompreis hingegen entspricht in etwadem aktuellen Preis für Haushaltskunden. Er beinhal-tet alle Steuern und Abgaben.

Kostenentwicklung

Abschätzungen zeigen, dass ab einer nennenswertenStückzahl bei FCEV von geringeren Herstellungskos-ten als bei BEV auszugehen ist. Für Batteriesystemehaben sich die Kosten von 600 €/kWh im Jahr 2010auf aktuell ca. 200 €/kWh verringert. Die Zellpreisenähern sich damit dank Massenfertigung den Materi-alpreisen an [104] (Bild 27).

Bild 27. Herstellungskosten von BEV (Quelle:inecs in Anlehnung an [105])

Anmerkung

Neuere Informationen aus der Industrie – nichtdurch Quellenangaben abgesichert – sprechendafür, dass die Zellpreise von Batteriekosten heuteschon deutlich unter 200 €/kWh liegen. Dies kämeeiner beschleunigten Markteinführung zugute.

Tabelle 5. Vergleich Jahreskosten von FCEV und BEV (Quelle: Fraunhofer ISE)

Anschaffung

in €

Abschreibung(10 Jahre)

in €

Energiekosten

in €/kWh

Verbrauchin kWh

je 100 km

Energiekos-ten (10.000km) in €

Kostenpro Jahr

in €

Toyota Mirai 78.600 7.860 0,285 (H2) 25,308 (H2) 722 8.582

Toyota Mirai(preisreduziert)

71.999 7.200 0,285 (H2) 25,308 (H2) 722 7.922

Tesla S 75 71.999 7.200 0,296 (el.) 18,500 (el.) 548 7.748

Nissan Leaf 31.950 3.195 0,296 (el.) 14,600 (el.) 432 3.627


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Die Kosten für Brennstoffzellensysteme werden lauteiner USDOE Analyse bis 2020 auf 47 US$/kW sin-ken, wobei eine Aggregatgröße von 80 kW und einProduktionsvolumen von 100.000 Einheiten pro Jahrunterstellt wird [106]. Für den Wasserstofftank TypIV – bestehend aus einer inneren Kunststoff-Blase(Liner) zur Gasdichtigkeit mit Composite-Umwick-lung, um die Last aus dem Innendruck aufzunehmen –ausgelegt für 700 bar mit einer Kapazität von 5,6 kg(entsprechend etwa 185 kWh) werden in einer ande-ren Studie weniger als 16 US$/kWh (also etwa 3000US$ für diesen Wasserstofftank) veranschlagt [107].

Wenn für die Komponenten Wandler und Elektromo-tor von identischen Kosten bei BEV und FCEV aus-gegangen wird, lassen sich die Kosten des Batterie-systems mit den Kosten des Wasserstoffsystems ver-gleichen. Ein 80-kW-Antriebssystem mit einem5,6 kg Wasserstoffspeicher würde bei einer Produkti-on von 100.000 Stück pro Jahr 6.744 (US DOE) bzw.8.000 € an Kosten verursachen, wobei das Fahrzeugüber eine Reichweite von mindestens 500 km verfü-gen würde. Ein gleichwertiges Batteriesystem (ver-gleichbare Reichweite) würde bei einem Verbrauchvon 20 kWh/100 km eine Batteriekapazität von etwa100 kWh erfordern und bei angenommenen Batterie-kosten von 200 €/kWh ca. 20.000 € kosten. Bei einerReichweite von 200 km würden beide Antriebe diegleichen Kosten haben.

Anmerkung

Informationen aus der Industrie stützen diese Ab-schätzungen. Hiernach ist ab Mitte 2020 von Kos-tenparität zwischen BEV und FCEV auszugehen.Dies gilt auch unter der Annahme, dass die Batte-riekosten weiter abnehmen werden. Bei Hochbo-denfahrzeugen wie SUVs wäre aufgrund des höhe-ren spezifischen Energiebedarfs je km und dersomit hierfür erforderlichen größeren Batterie dieKostenparität schon bei geringeren Reichweitenerreicht. Bei Flachbodenfahrzeugen (z. B. Coupés)ist wegen der kleineren Batterie im Fahrzeug voneinem späteren Zeitpunkt für die Kostenparitätauszugehen. Dies unterstützt die Aussage, dassBEV insbesondere im Kurzstreckenverkehr inBallungsräumen vorteilhafter wären, wohingegensich FCEV für die Langstrecke qualifizieren.

Für eine umfassende belastbare und vergleichbareLebenszyklusanalyse, die neben den Kosten auch dieEmission oder abiotische Umweltfaktoren berücksich-tigt, ist die verfügbare Datenbasis derzeit nicht ausrei-chend. Energieverbräuche, CO2-Emissionen [108] undKosten für die Herstellung von Li-Ionen-Batterie sindzwar in verschiedenen Publikationen zusammengetra-gen, über das Recycling ist aber wenig publiziert. Dasich die Annahmen innerhalb der Studien aber teilsstark unterscheiden, ist eine Vergleichbarkeit nichtgegeben.


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5 Forschungsbedarf

Die Analysen im Rahmen der Studie zeigen, dass zudiversen Fragestellungen noch keine ausreichendenInformationen vorliegen oder auch vorliegende In-formationen teilweise nicht konsistent sind. Diesspricht für weitergehenden Forschungsbedarf zu fol-genden Themen:

Peripherie und Antriebsstrang: BEV genausowie FCEV verfügen neben dem Antriebsstrangüber eine Vielzahl von Nebensystemen (z. B.Ventile, Pumpen), die noch Sonderanfertigungensind und für die nur wenige Informationen zurVerfügung stehen. Hierzu zählt auch die Herstel-lung elektrotechnischer Komponenten wie Wand-ler und Elektromotoren für den Elektroantrieb.Weitere Analyseaktivitäten könnten hierzu Klä-rung bringen.

Batterie: Die Herstellung von Li-Ionen-Batterienist relativ aufwendig und der ökologische Vorteilrelativiert sich, wenn die bei der Herstellung derBatterie entstehenden Emissionen Berücksichti-gung finden. Hierbei sind aber ein Recycling derBatterie sowie technologische Fortschritte – z. B.die Nutzung regenerativer Energiequellen bei derProduktion – noch nicht berücksichtigt. Die Da-tenlage ist zudem lückenhaft, sodass vorhandeneAussagen nicht gesichert sind. Weitere Untersu-chungen zur Verifizierung der Datenlage empfeh-len sich.

Lebensdauer: Die Angaben zu den Lebensdau-ern von BEV und FCEV sind zum Teil noch nichtkonsistent. Hier besteht weiterer Bedarf an For-schung und Praxiserfahrungen.

Lebenszyklusanalyse: Es wurden bereits mehre-re große Studien zur Analyse des Lebenszyklusbzw. der entsprechenden Betriebskosten vonBEV oder FCEV erstellt, die im Rahmen dieserStudie ausgewertet wurden [1; 109; 110]. DieAnalyse der Studien hat gezeigt, dass der Fokusder Studien zumeist auf dem Vergleich von BEVoder FCEV mit einem konventionellen Antriebliegt. Ein direkter Vergleich der beiden Techno-logien erfolgt nur selten. Hinzu kommt, dass dieStudien bei den wichtigen Kenngrößen, z. B. Er-mittlung der Treibhausgas-Emissionen und derabiotischen Verarmung, sowie vor allem bei denBetriebskosten zu quantitativ und qualitativ un-terschiedlichen Ergebnissen kommen. Dies liegthauptsächlich in der Verwendung unterschiedli-cher Datenbanken begründet, die für die Durch-führung einer Lebenszyklusanalyse ein wichtigerBaustein sind. Für einen aussagekräftigen Ver-gleich der Studien müsste eine Angleichung derin den Studien getroffenen Annahmen und ver-wendeten Datenbanken erfolgen. Es kann dahergeschlussfolgert werden, dass anhand der beste-henden Analysen kein fundierter Vergleich statt-finden kann und hier Forschungsbedarf besteht.

Kostensenkung:Aufgrund des noch bestehendenOptimierungspotenzials und der noch geringenStückzahlen besteht weiterhin Forschungsbedarfbeispielsweise in den Bereichen Materialauswahl,Fertigungstechnologien und Katalysatorbeladung(Platin bei FCEV und Co bei BEV) hinsichtlicheiner effizienten Kostensenkung bei Skalierungs-effekten.


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Literatur

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[10] http://hydrogenvalley.dk/wp-content/uploads/2017/09/FCB-CPH17_ELEMENT-ENERGYZero-emission-transportation-for-Europe.pdf

[11] http://www.fch.europa.eu/sites/default/files/2017_FCH%20Book_webVersion%20%28ID%202910546%29.pdf

[12] http://www.eliptic-project.eu/sites/default/files/PARALLEL_1_JIVE_Enrique%20Giron.pdf

[13] http://www.cte.tv/wp-content/uploads/2016/12/2_Jenne.pdf

[14] E4tech: The Fuel Cell Industry Review 2017

[15] International Energy Agency (IEA), Global EV Outlook 2017 – Two million and counting, 2017

[16] Daten für Deutschland aus Kraftfahrtbundesamt,https://www.kba.de/DE/Statistik/Fahrzeuge/Neuzulassungen/MonatlicheNeuzulassungen/monatl_neuzulassungen_node.html, Stand 27.02.2018 (hier: BEV = ZEV), FCEV-Daten teilweise auch aushttps://newsroom.toyota.co.jp/en/corporate/20966057.html, Stand 27.02.2018; EU-28 PHEV und BEV (inkl. FCEV) ausThe International Council on Clean Transportation (ICCT), European vehicle market statistics - Pocketbook 2017/18.

[17] IEA Global EV Outlook 2018: Towards cross-modal electrification

[18] Quellen jeweilige Landeshomepages der Hersteller (Toyota, Nissan) bzw. Zentrale Homepage (Tesla). Währungsrechner:http://www.umrechnungeuro.com/, Stand 04.05.2018

[19] Europäisches Parlament, Informationsbüro in Deutschland

[20] http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM:2011:0144:FIN:DE:PDF, 20.02.2015

[21] http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=OJ:L:2014:103:FULL, 20.02.2015

[22] http://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=CELEX:32014L0094, 20.02.2015

[23] https://www.technik-einkauf.de/news/maerkte-unternehmen/grossbritannien-plant-verkaufsverbot-fuer-diesel-benziner-ab-2040/

[24] ZEIT ONLINE, 6. Juli 2017, 16:58 Uhr

[25] Sofortprogramm Saubere Luft 2017-2020, 28. November 2017

[26] Elektromobilität - Baustein einer nachhaltigen klima- und umweltverträglichen Mobilität, BMWi, Auguste 2017

[27] Koalitionsvertrag 2018

[28] Regierungsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie 2016 bis 2026 beschlossen, 28. November 2016

[29] https://www.gouvernement.fr/en/hydrogen-plan-making-our-country-a-world-leader-in-this-technology-0


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[30] https://www.asiafundmanagers.com/china-elektroauto/ (24. September 2017)

[31] https://www.japan.go.jp/tomodachi/2016/spring2016/tokyo_realize_hydrogen_by_2020.html

[32] https://www.smart-energy.com/features-analysis/analysis-ev-charging-stations-japan/

[33] http://www.manager-magazin.de/unternehmen/autoindustrie/elektromobilitaet-us-staedte-koedern-mit-riesen-bestellplan-fuer-e-autos-a-1138940.html, 16. März 2017

[34] https://www.n-tv.de/wirtschaft/kurznachrichten/Autobauer-und-US-Bundesstaaten-werben-fuer-Elektromobilitaet-article20360137.html, 29. März 2018

[35] https://www.fch.europa.eu/page/FCH-value-chain

[36] https://bz.vdma.org/documents/266669/26136325/VDMA%20AG%20BZ%20Branchenf%C3%BChrer%20D%202018_1524652028283.pdf/efaeb2d9-90b1-3010-d58f-c9fa9f84fb10

[37] https://www.elektromobilitaet.nrw.de/elektromobilitaet/fahrzeugtechnik, Elektromobilität NRW, Projektträger ETN

[38] Wasserstoff im Tank – Sonne im Herzen, H2 MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG

[39] https://cleanenergypartnership.de/h2-infrastruktur/betankung

[40] www.planungsgemeinschaft.de/de/planet/Projekte/hyfleetcute.html

[41] https://cleanenergypartnership.de/home/

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[43] Shell Studie, H2 volumetrische Energiedichte

[44] http://www.mobilityhouse.com/de/technisches-grundwissen/, Graphik modifiziert

[45] Dortmunder Energie- und Wasserversorgung GmbH (DEW21), eigene Aufnahme

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[47] https://docs.google.com/spreadsheets/d/16kV-_d05K9v-VYU8vgnigzvyBuwPwkPFAGSKrtmzw2E/edit#gid=0 (Stand02.2017)

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[49] https://www.phoenixcontact.com/assets/images_ed/global/web_content_graph/pic_con_a_0047568_de.jpg, Stand14.05.2018

[50] Hyundai bringt Brennstoffzellen-SUV mit 800 km Reichweite, Ingenieur.de VDI Verlag, 08.03.2017

[51] Schaufenster Elektromobilität, Fragen rund um das Elektrofahrzeug: Wie kommen die Angaben über den Stromverbrauchund die Reichweite von Elektrofahrzeugen zustande?

[52] Oliver Gröger, Hubert A. Gasteiger, Jens-Peter Suchsland, Review - Electromobility: Batteries or Fuel Cells?, Journal ofThe Electrochemical Society, 162 (14) A2605-A2622, 2015.

[53] Wt.% = Gewichtsprozent, https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technical-targets-onboard-hydrogen-storage-light-duty-vehicles , 2018

[54] In Anlehnung an Shell Deutschland Oil GmbH, Shell Hydrogen Study – Energy of the Future? Sustainable Mobility throughFuel Cells and H2, 2017.

[55] Quelle: EPA Light-Duty Automotive Technology, Carbon Dioxide Emissions, and Fuel Economy Trends: 1975 Through2017; Tankvolumen u. Batteriekapazität aus Herstellerangaben Verbrauch berechnet, Tankvolumen (Herstellerang.) – Effi-zienzwerte aus C. E. Thomas, Fuel cell and battery electric vehicles compared, International Journal of Hydrogen Energy34, 15, 6005-6020, 2009. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.06.003

[56] http://www.elektroniknet.de/elektronik-automotive/elektromobilitaet/wie-lange-lebt-die-batterie-122421.html, Detlef Hoff-mann, 18.08.2015

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[58] Quellen: G. M. Fetene, S. Kaplan, S. L. Mabit, A. F.J ensen, C. G. Prato, “Harnessing big data for estimating the energyconsumption and driving range of electric vehicles“, Transportation Research D 54 (2017) 1-11, Abschlussbericht des Pro-jektes ColognE-mobil II der Universität Duisburg-Essen.)

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[60] PricewaterhouseCoopers: “Auswirkungen von Elektrofahrzeugen auf die Stromwirtschaft“

[61] Wuppertal-Institut für Klima, Umwelt, Energie: “Elektromobilität und erneuerbare Energie“

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[63] https://www.connect-gp-joule.de/fileadmin/Content/PDF/ABB_Datenblatt.pdf

[64] [https://www.brusa.biz/produkte/ladetechnik/ladegeraete-400-v/nlg664.html

[65] C. E. Thomas, Fuel cell and battery electric vehicles compared, International Journal of Hydrogen Energy 34, 15, 6005-6020, 2009. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.06.003; https://www.energy.gov/eere/vehicles/avta-electric-vinhicle-charging-equipment-evse-testing-data, Stand 2. Mai 2018; Schriftenreihe Energiesysteme der Zukunft. Analyse: »Sektorkopplung« –Untersuchungen und Überlegungen zur Entwicklung eines integrierten Energiesystems, ISBN: 978-3-9817048-9-1

[66] US-Zyklus EPA steht für Environmental Protection Agency

[67] ColognE-mobil II, Elektromobilitätslösungen für NRW, Schlussbericht, Fördervorhaben 03EM0610, Modellregion Elekt-romobilität, Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, NOW, Universität Duisburg-Essen

[68] https://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Anlage/VerkehrUndMobilitaet/Strasse/broschuere-clean-energy-partnership.pdf?__blob=publicationFile

[69] In Anlehnung an https://h2.live/, Stand 14.05.2018, https://www.netinform.net/H2/H2Stations/H2Stations.aspx

[70] https://h2.live/, https://ecomento.de/2018/02/16/wasserstoff-elektroauto-tankstellen-2017-deutschland-europa-welt/

[71] H2MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG, Broschüre „H2 bringt mich weiter - vorne die Welt hinten nur Wasserstoff“

[72] Information TU Dortmund, Belastung der Stromnetze durch Elektromobilität, P Nobis, S Fischhaber - Forschungsstelle fürEnergiewirtschaft, München, 2015

[73] Positionspapier: Elektromobilität braucht Netzinfrastruktur; Netzanschluss und -integration von Elektromobilität; BDEW;Berlin 15.Juni 2017

[74] Comparative-Analysis-of-Infrastructures, Hydrogen Fuelling and Electric Charging of Vehicles, FZ Jülich, Oktober 2017

[75] Untersuchungen zur Einspeisung von Wasserstoff in ein Erdgasnetz, DVGW-EBI DVGW energie | wasser-praxis, 11/ 2016

[76] http://www.hypos-eastgermany.de

[77] https://www.energy-charts.de/energy_pie_de.htm?year=2017)

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[82] IEA Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells, 2015 (www.iea.org)

[83] IEA Renewable Energy for Industry

[84] Vattenfall Europe, Stromübertragung im ostdeutschen Verbundnetz der 50Hertz AG

[85] Monitoringbericht 2017 der Bundesnetzagentur und des Bundeskartellamts

[86] Bundesnetzagentur: Zahlen zu Redispatch und Einspeisemanagement für 2017, 18.6.2018

[87] Demonstration im Energiepark Mainz, Kopp et al., International journal of hydrogen energy 42 (2017) 13311-13320


www.vdi.de

[88] Amory Lovins, The Hydrogen-Powered Future - Harvard Magazine, January-February 2004

[89] Vogel Business Media, Precious Materials Handbook, Umicore 2013

[90] Peter C. K. Vesborg, Thomas F. Jaramillo, Addressing the terawatt challenge: scalability in the supply of chemical elementsfor renewable energy, RSC Advances, 2, 7933–7947, 2012.

[91] Öko-Institut (2017): Strategien für die nachhaltige Rohstoffversorgung der Elektromobilität. Synthesepapier zum Rohstoff-bedarf für Batterien und Brennstoffzellen. Studie im Auftrag von Agora Verkehrswende, 2017

[92] International Energy Agency (IEA), Energy Technology Perspectives, 2016

[93] U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey (USGS), Mineral Commodity Summaries 2017, 2017

[94] Oeko-Institut e.V., Recycling critical raw materials from waste electronic equipment, 2012

[95] United Nations Environmental Program (UNEP), Recycling rates of metals – a status report, 2011

[96] Toyota, Development of “Nd-reduced heat-resistant magnet” - 20-50% reduction of neodymium. Präsentation vom20.02.2018

[97] European Commission, Joint Research Centre, Directorate for Energy, Transport & Climate and Oekö-Institut e.V., Substi-tution of critical raw materials in low-carbon technologies: lighting, wind turbines and electric vehicles, 2016

[98] Honda, Pressemitteilung vom 12. Juli 2016, Daido Steel and Honda Adopt World's First Hybrid Vehicle Motor Magnet Freeof Heavy Rare Earth Elements,http://world.honda.com/news/2016/4160712eng.html, Stand: 02.03.2018

[99] http://www.infomine.com/investment/metal-prices/cobalt/6-month/, Stand 25.04.2018

[100] U.S. Department of Energy (DOE), DOE EERE Program Record, Platinum Group Metals (PGM) for light-Duty Vehicles,2016

[101] Automotive Fuel Cell Cooperation (AFCC), https://www.afcc-auto.com/company/about-us/, Stand 02.03.2018

[102] U. Babic, M. Suermann, F. N. Büchi, L Gubler, T J. Schmidt, Journal of The Electrochemical Society, 164 (4) F387-F399(2017)

[103] M. Bernt, A. Siebel, H. A. Gasteiger, Journal of The Electrochemical Society, 165 (5) F305-F314 (2018)

[104] L.Ellingsen, b.Singh, G. Majeau-Bettez, A. Srivastava, „Life cycle asessment of a Lithium-Ion Battery VehiclePack“,Journal of Industrial Ecology, October2013, DOI: 10.1111/jiec.12072

[105] https://www.ucsusa.org/clean-vehicles/electric-vehicles/electric-cars-battery-life-materials-cost#.W2ARKcIyXyN (Union ofconcerned scientists), Download 27.7.2017

[106] https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/17007_fuel_cell_system_cost_2017.pdf

[107] https://www.osti.gov/servlets/purl/1343975

[108] Opportunities and challenges for electric mobility: an interdisciplinary assessment of passenger vehicles;

[109] THELMA project; Final report. ETH-Zürich, EMPA, PSI; Nov. 2016

[110]Weiterentwicklung und vertiefte Analyse der Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen, IFEU, 2016

[111] Cradle-to-Grave Lifecycle analysis of U.S. light-duty vehicle-fuel pathways, Argonne National Laboratory, 2016

[112] https://www.volvocars.com/at/volvo/unsere-innovationen/drive-e

[113] https://www.handelsblatt.com/unternehmen/industrie/auto-von-morgen/handelsblatt-autogipfel-volkswagen-kuendigt-das-ende-des-verbrennungsmotors-an/23715746.html?ticket=ST-72440-Waoae4ImWpPQOjNoUED2-ap5

[114] NOW-GmbH (Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (https://www.now-gmbh.de/de/aktuelles/presse/minister-dobrindt-unterstuetzt-ausbau-des-tankstellennetzes-in-deutschland), abgerufen21.01.2019


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