Brennstoffzelle oder Batteriefahrzeug – was wird der Antrieb der Zukunft?

Gastautor Portrait

Dr. Kathrin Goldammer und Fabian Grüger

Reiner Lemoine Institut gGmbH

Kathrin Goldammer ist Geschäftsführerin des Reiner Lemoine Instituts und Expertin für Energiewirtschaft und Strommärkte. Sie studierte Elektrotechnik und promovierte 2007 in Physik. Sie leitete Beratungsprojekte zur Bewirtschaftung konventioneller Kraftwerke und zur Integration von Erneuerbaren Energien bei Stadtwerken und Industrieunternehmen. Am IASS Potsdam baute sie die Plattform Energiewende auf und leitete im Anschluss die Geschäftsstelle des Forschungsforums Energiewende – einer Multi-Stakeholder Dialogplattform des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Fabian Grüger ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsfeld Mobilität mit Erneuerbaren Energien des Reiner Lemoine Instituts. Dort forscht er vorwiegend an nachhaltiger Mobilität auf Basis von Wasserstoff und Fragen zum Infrastrukturaufbau. Sein aktuelles Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Frage, wie sich die Zahl der Wasserstofftankstellen in Deutschland bei gleichzeitiger Erhöhung der Nachfrage steigern lässt. Fabian Grüger studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen und war nach seinem Abschluss Mitgründer eines Ingenieurbüros für Elektromobilität und Energie.

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25. September 2017
Dr. Kathrin Goldammer und Fabian Grüger

Der Verkehr ist der einzige Sektor in Deutschland, dessen Treibhausgasemissionen in den letzten Jahren nicht gesunken, sondern sogar gestiegen sind. Reichte dies als Argument für die Dekarbonisierung des Verkehrs anscheinend bisher nicht aus, geraten die Fahrzeughersteller nun zunehmend durch Dieselskandal und drohende Fahrverbote unter Druck. Norwegen, Frankreich, Österreich und Großbritannien stellen bereits den Abschied vom Verbrennungsmotor zwischen 2030 und 2040 in Aussicht, China wird eine „Elektroauto-Quote“ einführen. Der Zugzwang, unter dem die deutsche Automobilbranche steht, wird langsam spürbar. Wollen die Hersteller also nun handeln, sind nach heutigem Stand der Technik zwei Möglichkeiten besonders aussichtsreich, um ihre Fahrzeuge sauberer zu machen: Entweder sie setzen auf batterieelektrische Antriebe (BEV), oder fassen Brennstoffzellen (FCEV) ins Auge. Doch welcher Antrieb wird sich durchsetzen? Und was würde dies für das deutsche Energiesystem bedeuten?

Für jeden nachhaltigen Antrieb geeignet: Die Tankstelle der Zukunft besteht aus Wind- und PV-Anlagen, stationären Batterien, Elektrolyseuren sowie einem Netzanschluss.
Für jeden nachhaltigen Antrieb geeignet: Die Tankstelle der Zukunft besteht aus Wind- und PV-Anlagen, stationären Batterien, Elektrolyseuren sowie einem Netzanschluss. (Abbildung: RLI)

Batteriefahrzeuge dominieren die Debatte

Momentan sind vor allem Batteriefahrzeuge als mögliche Nachfolger für Verbrenner im Gespräch. Wurden sie noch vor wenigen Jahren höchstens als Zweitwagen für kleine Reichweiten im privaten Bereich im Stadtverkehr diskutiert, können sie heute erheblich vielfältiger eingesetzt werden – selbst für gewerbliche Anwendungen sind die Reichweiten oft ausreichend. Die Standzeiten zum Aufladen der Fahrzeuge sind ebenso meist lang genug und können über die Wahl der Ladeleistung grundsätzlich den Bedürfnissen angepasst werden. BEV sind also zu Recht sehr dominant in der Diskussion um die Mobilität der Zukunft.

Probleme gibt es dagegen bei der Integration der BEV ins Energiesystem, sobald sie einen größeren Anteil des Straßenverkehrs ausmachen. Sie benötigen eine flächendeckend verfügbare Ladeinfrastruktur und ein leistungsfähiges Schnellladesystem zum gleichzeitigen Laden mehrerer Fahrzeuge. Diese aufzubauen ist teuer. Vor allem aber kann es lokal zu starken Netzbelastungen bzw. ‑restriktionen kommen, insbesondere dort, wo viele BEV parken und laden. Dies zeigt exemplarisch eine Untersuchung des RLI an einem Parkhaus: Es verfügt über 1.650 Stellplätze für Mietfahrzeuge, die maximale Leistung des Netzanschlusses beträgt 1 MW. Bei einer Ladeleistung von 22 kW und einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,4 können nur etwa 100 Fahrzeuge versorgt werden. Selbst geringe Ladeleistungen lasten den Netzanschluss fast vollständig aus. Es wird deutlich, dass diese Last zukünftig flexibilisiert werden muss, etwa über gesteuertes Laden oder stationäre Speicher oder dass der Netzanschluss verstärkt werden muss.

Brennstoffzellenfahrzeuge sind netzverträglicher

Brennstoffzellenfahrzeuge dagegen bieten eine höhere Flexibilität. Zwar benötigen sie mehr elektrische Energie für die Kraftstoffherstellung mittels Elektrolyse, diese ist jedoch hinsichtlich Lastverlauf und Standort flexibel, was eine höhere Netzverträglichkeit bedeutet. Mithilfe von Wasserstoff ließen sich zudem Speicher, die für die Integration von volatilen Erneuerbaren Energien zunehmend erforderlich werden, einsparen. FCEV sind innerhalb von Minuten aufgetankt und erreichen spielend Reichweiten von 400 km und mehr. Dennoch spielen FCEV in der Debatte um zukünftige Mobilität eine untergeordnete Rolle. Denn neben Reichweite sowie Tank- und Ladedauer ist für Nutzerinnen und Nutzer hauptsächlich das Argument der Gesamtkosten für Kauf und Betrieb von Fahrzeugen entscheidend. FCEV sind wegen ihres hohen Anschaffungspreises und der noch unzureichenden Tankinfrastruktur bislang nur in wenigen Fällen eine attraktive Alternative.

Antrieb BEV oder FCEV?

Wie lautet also das Fazit? BEV und FCEV können den Verkehrssektor beide dekarbonisieren. Aus Sicht des Gesamtsystems gibt es jedoch viele Herausforderungen, denen die Konzepte jeweils unterschiedlich gut begegnen können. BEV bieten hohe Effizienz und sind in der Gesamtbilanz günstiger, können jedoch problematisch für das Energiesystem werden, wenn sie in großer Anzahl gleichzeitig und schnell geladen werden sollen. FCEV bieten perspektivisch hohen Komfort, wie etwa schnelles Tanken und versprechen für Nutzerinnen und Nutzer eine kaum spürbare Umstellung im Vergleich zum Verbrennungsmotor. Insbesondere belasten sie weniger stark die Stromnetze und harmonieren besser mit Erneuerbaren Energien. Andererseits benötigen sie insgesamt mehr Energie. Aus Sicht der Energiesystemforschung wäre darum eine Kombination beider Antriebssysteme vorteilhaft.

Der Autoverkehr auf dem Weg zum klimafreundlichen System könnte also durchaus ähnlich aussehen wie der Verkehr heute: Die Konsumentinnen und Konsumenten können, je nach Anforderungsprofil, zwischen verschiedenen Antriebskonzepten auswählen. Das größte Argument bleibt aber: Autos mit den neuen Kraftstoffen Strom und Wasserstoff produzieren während der Fahrt keine Treibhausgasemissionen, keine Schadstoffe wie Stickoxide – und sie beschleunigen schnell und leise.

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  1. Konni Schmidt

    vor 11 Monaten

    Warum ist ein Erdgas-Antrieb aus dem Rennen?
    Methangas kann auch durch Windräder gewonnen werden (P2G).
    Das würde bedeuten, wir müssen nicht alle Autos wegwerfen und völlig neue bauen.

    Der Speicher ist bereits vorhanden (Erdgas-netz und Speicher), das Verteilsystem ist vorhanden, Umrüsten ist billiger als neu, d.h. auch wenige reiche Nutzer können einbezogen werden.

  2. Reinhard Habichtsberg

    vor 11 Monaten

    Konni Schmidt: Die Effizienz ist noch viel geringer als bei H2. Sie liegt insgesamt bei 7 - 8 % (Strom -> H2 -> Methan, und Effizienz beim Verbrennen im Automotor) gegenüber 80 % bei Batterieantrieb. Wenn wir Strom aus EE im Überfluss hätten, wäre es ein Weg. Haben wir aber nicht für viele Jahre. Und die Wende zum ausschließlichen Einsatz von EE hat Vorrang, wenn wir dem Klimawandel entgegen treten wollen.

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  3. Reinhard Habichtsberg

    vor 11 Monaten

    Eine Frage an Fabian Grüger: In den Medien wird immer wieder auf die Probleme mit der Speicherung von H2 wegen der Flüchtigkeit hingewiesen. Ein großer Teil würde bei der Lagerung verloren gehen weil er durch die Wände der Lagerbehälter diffundiert. Wie ist Ihre Ansicht dazu?

  4. Konni Schmidt

    vor 11 Monaten

    Sie vergessen die soziale Frage, wie so viele.
    Ich werde mir in meinem Leben niemals eine E-Auto kaufen können!

    E-Auto gleich AUsschlus von Mobilität?
    Ich werde also einen "Verbrenner" so lange fahren, bis es mir verboten wird bzw. bis ich die Steuern definitiv nicht mehr bezahlen kann, was auf das Selbe herauskommt.

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