Fachveranstaltung

Schwerverkehr soll mit Wasserstoff klimaneutral werden

Auf dem Internationalen Wiener Motorensymposium 2021 wurde auch die CO2-Reduktion im Straßengüterverkehr thematisiert. Um die Klima-Kehrtwende herbeizuführen führt kein Weg am Straßengüterverkehr vorbei. Brennstoffzellen- und Wasserstoffantrieb bieten hier vielversprechende Möglichkeiten.

Um die Klima-Kehrtwende herbeizuführen führt kein Weg am Straßengüterverkehr vorbei. Er verursacht in der EU rund 25 Prozent der CO2-Emissionen aus dem gesamten Straßenverkehr. Seit 2019 gibt es in der EU auch für schwere Nutzfahrzeuge CO2-Reduktionsziele. Sie sehen bis 2025 eine Flottenverbrauchssenkung bei Neufahrzeugen um 15 Prozent und bis 2030 um 30 Prozent gegenüber 2019/20 vor. Bei Nichterfüllung drohen hohe Strafen.

Anders als im Pkw-Bereich, wo sich der batterieelektrische Antrieb als optimale Lösung für einen lokal emissionsfreien Betrieb vorerst durchgesetzt hat, gibt es für den Schwerverkehr mehrere Lösungen, wie auch das Internationale Wiener Motorensymposium 2021 zeigt. Der batterieelektrische Antrieb punktet zwar auch bei Lkw mit dem besten Wirkungsgrad, dennoch gilt er nur für kurze Strecken und bei geringen Lasten als beste Wahl. Für den transnationalen Langstreckenverkehr dagegen, wo Reichweiten von 1.000 Kilometern, kurze Tankzeiten und hohe Nutzlast bei gleichzeitig geringen Betriebskosten sowie die bisher von Dieselmotoren gewohnte Zuverlässigkeit gefordert werden, wird seit einigen Jahren intensiv am Wasserstoffmotor gearbeitet.

Brennstoffzellenantrieb bietet Vorteile 

Gegenüber dem bisher für den Langstrecken-Schwerverkehr favorisierten Brennstoffzellenantrieb hat er mehrere Vorteile: Der Wasserstoffmotor ist deutlich schneller in größeren Stückzahlen zu geringeren Kosten auf den Markt zu bringen. Die europäische Autoindustrie behält ihre Expertise und kann zahlreiche Arbeitsplätze sichern. Auch bietet der Wasserstoffmotor Lkw-Herstellern die Möglichkeit, ihn als „emissionsfrei“ zertifizieren zu lassen – übrigens als einziger Verbrennungsmotor. Als emissionsfrei gilt in der EU ein Schwernutzfahrzeug, wenn es weniger als ein Gramm CO2 pro Kilowattstunde erzeugt.

Diese Vorzüge haben in den vergangenen Jahren bei den Fahrzeugherstellern eine Renaissance des Wasserstoffmotors ausgelöst, wie Erik Schünemann von Bosch auf der Tagung berichtet. Die AVL List in Graz sieht im Wasserstoffmotor „die Brücke hin zur Brennstoffzelle“, so Rolf Dreisbach auf der Tagung. Das Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der TU Graz unter der Leitung von Univ.-Prof. Helmut Eichlseder, der jahrelang am Wasserstoffmotor etwa mit BMW forschte und entwickelte, liefert wertvolle Basisarbeit samt Testanalysen sowohl für Bosch wie für die AVL List und andere Unternehmen.

Der Wasserstoffmotor basiert meist auf einem Diesel- oder Gasmotor, mit dem er sich laut Roberto Golisano, Punch Torino, rund 80 Prozent der Komponenten teilt. Speziell auf den Wasserstoffbetrieb ausgelegt werden müssen vor allem das Einspritzsystem, die Kurbelgehäuseentlüftung sowie das Zünd- und Motorsteuerungssystem. Zur Erfüllung anspruchsvollster Emissionsgrenzwerte braucht der Wasserstoffmotor – anders als der Brennstoffzellenantrieb – ein Abgasnachbehandlungssystem. Allerdings ist es weniger komplex als bei einem modernen Dieselmotor. Denn beim Verbrennungsprozess von Wasserstoff entstehen nur geringe Mengen an Stickoxiden sowie ein winziger Ausstoß an Partikeln durch das Motoröl.

Relativ zu sehen ist laut Andreas Kufferath von Bosch der schlechtere Wirkungsgrad des Wasserstoffmotors, den die Berliner Ingenieursgesellschaft Auto und Verkehr (IAV) in einer Vergleichsstudie mit max. 42 Prozent gegenüber rund 55 Prozent beim Brennstoffzellenantrieb angibt. Denn die Brennstoffzelle kann ihren Wirkungsgradvorteil laut Bosch nur bei niedriger und mittlerer Last voll ausspielen, nicht aber bei Volllast, weil sie sonst „überhitzt“, ihr Wärmemanagement überfordert. Der Wasserstoffmotor dagegen hat dieses Problem nicht. Gerade Schwernutzfahrzeuge und speziell Off-Highway-Fahrzeuge wie Minen-Lkw oder Landmaschinen sind oft im Volllastbetrieb unterwegs. Der Serienstart von Wasserstoff-Lkw könnte bereits 2024 erfolgen und so rasch zur CO2-Reduktion im Nutzfahrzeugbereich beitragen. MAN will laut Lukas Walter in seinem Vortrag noch heuer mit einem Test-Lkw starten.

Brennstoffzellen-Lkw aus Asien

Schwer-Lkw mit Brennstoffzellenantrieb sind bereits auf Europas Straßen unterwegs. Sie kommen vor allem aus Asien, von Großserien kann jedoch nicht die Rede sein. So bezieht das Schweizer Konsortium „H2Energy“ seit 2020 Brennstoffzellen-Lkw (36-Tonner) von Hyundai. Derzeit sind 39 Lkw im Einsatz, bis Ende 2023 sollen es 1.000 sein. Sie tanken Druckwasserstoff mit 350 bar und schaffen eine Reichweite von rund 400 Kilometern. Andere Hersteller wie Toyota, Daimler oder Nikola haben entsprechende Pläne angekündigt. Die Anforderungen eines Schwer-Lkw an den Brennstoffzellenantrieb unterscheiden sich stark von jenen eines Pkw. Für Lkw muss der Antrieb laut Christian Mohrdieck von der Firma Cellcentric etwa eine Lebensdauer von 25.000 Betriebsstunden erreichen, für Pkw reichen 8.000 Stunden.

Frächter fordern zudem, dass der Brennstoffzellenantrieb auf das Preisniveau eines modernen Diesel- oder zumindest batterieelektrischen Antriebs kommt. Dies gilt vor 2030 als wenig realistisch. Ein Grund hierfür sind der hohe Edelmetallbedarf des Systems und die noch geringen Produktionsmengen an Brennstoffzellen. Derzeit werden laut Marc Sens von der IAV weltweit erst ein paar tausend Brennstoffzellenstapel produziert, erst für 2030 wird mit einer Produktion von 500.000 Stück pro Jahr gerechnet, was den Preis stark drücken werde. Daneben gilt es auch noch den nötigen hohen Edelmetallbedarf des Systems zu senken. Laut Sens ist der Brennstoffzellenantrieb derzeit aber auch noch nicht robust genug für den internationalen Schwerverkehr. Daneben unterliegt die Brennstoffzelle wie die Batterie einem Alterungsprozess, ihre Leistung nimmt mit der Einsatzdauer ab.

Wasserstoffmotor als Türöffner

Es gibt aber auch Herausforderungen und Vorteile, die sich der Wasserstoffmotor und der Brennstoffzellenantrieb teilen. Beide benötigen den Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur: Wobei der Wasserstoffmotor dank schnellerer und früherer Marktdurchdringung den Türöffner spielen und Wasserstoff-Tankstellenbetreibern eine Mindestauslastung garantieren könnte. Anders als beim Laden von Batterien gibt es beim Wasserstoff einheitliche Tankstutzen, auch beim Abgabedruck hat sich der Markt auf 350 und 700 bar geeinigt – im Gegensatz zu der „Spannungsvielfalt“ an Ladesäulen. Das Wasserstofftanken ist für einen Fern-Lkw mit 1.000 km Reichweite in wenigen Minuten erledigt.

Für den von Daimler favorisierten Flüssigwasserstoff gibt es noch keine Infrastruktur. Flüssigwasserstoff hat eine höhere Energiedichte als Druckwasserstoff, erlaubt somit bei gleichem Tankvolumen mehr Reichweite. Er muss jedoch permanent auf minus 252 Grad Celsius gekühlt werden, was sehr energieintensiv ist. Ein weiteres Problem sind die „Verdampfungsverluste“ von flüssigem Wasserstoff, was für Lkw wegen geringerer Stehzeiten jedoch als weniger heikel als für Pkw gilt. Einen entsprechenden Tank stellt Johannes Winklhofer von der Salzburger Aluminium Group (SAG) auf dem Motorensymposium vor. Die aufwendigen Tanks sind nach wie vor einer der größten Kostenfaktoren beider Antriebe und beeinflussen maßgeblich die Gesamtbetriebskosten, die für Frächter entscheidend sind.

Christian Mohrdieck von Cellcentric fordert auch finanzielle Anreize durch die Politik. Die entscheidende Rolle wird jedoch der Preis von Wasserstoff spielen, vor allem vom gewünschten „grünen“ Wasserstoff, der mittels Elektrolyse mit Ökostrom und Wasser hergestellt wird. In der EU gilt ein Herstellungspreis von 4,5 Euro pro Kilo grünem Wasserstoff bis 2025 als realistisch. In Regionen mit extrem günstigem Ökostrom wie Nordafrika oder Südamerika ist von 1,15 Euro pro Kilo laut Thomas Korn, Chef der Firma Keyou, die Rede. An der Tankstelle kostet heute ein Kilo Wasserstoff rund neun Euro, allerdings handelt es sich dabei überwiegend um Wasserstoff, der aus Erdgas um rund zwei Euro pro Kilo erzeugt wird. Der Wasserstoffmotor bietet diesbezüglich einen weiteren Vorteil, wie MAN betont: Er verträgt auch den Mischbetrieb von Erdgas und Wasserstoff. Der CO2-Vorteil ist dann geringer, aber trotzdem vorhanden.

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